功率半导体模块及电力转换装置的制作方法

1.本发明涉及功率半导体模块及电力转换装置。


背景技术：

2.日本特开平11-330328号公报公开了具有芯片安装基板、外围壳体、半导体元件和散热器的半导体模块，该半导体元件由igbt芯片构成。芯片安装基板包含陶瓷基板和与陶瓷基板接合的铜薄板。芯片安装基板经由导热脂而与散热器密接。外围壳体包含侧壁部和从侧壁部的上端伸出至芯片安装基板上方的伸出部。外围壳体的侧壁部安装于散热器。外围壳体的伸出部与芯片安装基板的周缘部接触。


技术实现要素：

3.但是，就日本特开平11-330328号公报所公开的功率模块而言，在将散热器安装于芯片安装基板以及外围壳体时，有时陶瓷基板破损。本发明就是鉴于上述课题而提出的，其目的在于提供能够防止绝缘基板的破损的功率半导体模块及电力转换装置。
4.本发明的功率半导体模块具有功率半导体组件和传热部件。功率半导体组件包含电路基板、功率半导体元件和壳体。电路基板包含具有第1主面的绝缘基板和在绝缘基板的第1主面之上设置的导电电路图案。功率半导体元件搭载于导电电路图案之上。壳体包含筒体和伸出部。筒体收容功率半导体元件和导电电路图案。伸出部从筒体朝向筒体的内侧伸出，并且与绝缘基板的第1主面或者导电电路图案直接或者间接地接触。功率半导体组件具有安装散热器的第1安装面。电路基板具有安装传热部件的第2安装面。第1安装面和第2安装面相对于绝缘基板而位于远离功率半导体元件侧。第2安装面在导电电路图案以及绝缘基板的层叠方向上相对于第1安装面凹入。第2安装面的从第1安装面算起的最大退后距离比未对传热部件进行按压时的传热部件的原厚度小，并且比沿传热部件的厚度方向对传热部件进行了按压时的传热部件的下限厚度大。
5.本发明的电力转换装置具有主转换电路和控制电路。主转换电路构成为具有本发明的功率半导体模块，并且该主转换电路将被输入进来的电力进行转换而输出。控制电路构成为将对主转换电路进行控制的控制信号输出至主转换电路。
6.通过结合附图进行理解的与本发明相关的以下的详细说明，能够使本发明的上述及其它目的、特征、方案以及优点变得明确。
附图说明
7.图1是实施方式1的功率半导体模块的概略剖视图。
8.图2是传热部件的概略图。
9.图3是实施方式1的变形例的功率半导体模块的概略剖视图。
10.图4是表示实施方式1的功率半导体模块的制造方法的第一例的一个工序的概略剖视图。
11.图5是表示实施方式1的功率半导体模块的制造方法的第二例的一个工序的概略剖视图。
12.图6是表示实施方式1的功率半导体模块的制造方法的第二例中的图5所示的工序的下一个工序的概略剖视图。
13.图7是实施方式2的功率半导体模块的概略剖视图。
14.图8是实施方式2的变形例的功率半导体模块的概略剖视图。
15.图9是实施方式3的功率半导体模块的概略剖视图。
16.图10是实施方式4的功率半导体模块的概略仰视图。
17.图11是实施方式4的功率半导体模块的概略剖视图。
18.图12是实施方式4的变形例的功率半导体模块的概略剖视图。
19.图13是实施方式5的功率半导体模块的概略仰视图。
20.图14是实施方式5的变形例的功率半导体模块的概略仰视图。
21.图15是实施方式6的功率半导体模块的概略剖视图。
22.图16是实施方式6的变形例的功率半导体模块的概略剖视图。
23.图17是实施方式7的功率半导体模块的概略剖视图。
24.图18是实施方式7的变形例的功率半导体模块的概略剖视图。
25.图19是表示实施方式8涉及的电力转换系统的结构的框图。
具体实施方式
26.以下，对本发明的实施方式进行说明。此外，对相同的结构标注相同的参照标号，不重复其说明。
27.实施方式1.
28.参照图1及图2，对实施方式1的功率半导体模块1进行说明。功率半导体模块1具有功率半导体组件2和传热部件40。
29.功率半导体组件2主要包含电路基板10、功率半导体元件18a、18b和壳体20。功率半导体组件2也可以还包含封装部件35。功率半导体组件2也可以还包含衬套27。
30.电路基板10包含绝缘基板11和导电电路图案12。电路基板10也可以还包含导电板13。
31.绝缘基板11具有第1主面11a、与第1主面11a相反侧的第2主面11b、将第1主面11a与第2主面11b连接的侧面11s。第1主面11a和第2主面11b各自沿第1方向(x方向)和与第1方向垂直的第2方向(y方向)延伸。第1主面11a和第2主面11b在与第1方向(x方向)以及第2方向(y方向)垂直的第3方向(z方向)上彼此分离。侧面11s沿第2方向(y方向)和第3方向(z方向)延伸。绝缘基板11例如是陶瓷基板。具体地说，绝缘基板11例如由氧化铝(al2o3)、氮化铝(aln)、氮化硅(si3n4)、二氧化硅(sio2)或者氮化硼(bn)这样的无机陶瓷材料形成。
32.导电电路图案12设置于绝缘基板11的第1主面11a之上。绝缘基板11和导电电路图案12在第3方向(z方向)上层叠。导电板13设置于绝缘基板11的第2主面11b之上。绝缘基板11和导电板13在第3方向(z方向)上层叠。导电电路图案12以及导电板13由铜(cu)或者铝(al)这样的导电性金属材料形成。
33.功率半导体元件18a、18b搭载于导电电路图案12之上。具体地说，功率半导体元件
18a、18b被使用焊料或者金属微粒烧结体这样的导电接合部件19a、19b而接合于导电电路图案12之上。功率半导体元件18a、18b不特别限定，是绝缘栅型双极晶体管(igbt)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或者二极管。功率半导体元件18a、18b例如主要由硅(si)或者碳化硅(sic)、氮化镓(gan)或金刚石这样的宽带隙半导体材料形成。
34.壳体20收容功率半导体元件18a、18b和导电电路图案12。壳体20也可以还收容绝缘基板11，绝缘基板11的侧面11s也可以与壳体20接触。壳体20也可以还收容导电板13。壳体20例如由聚苯硫醚(pps)树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂或者丙烯树脂这样的绝缘树脂形成。
35.具体地说，壳体20包含筒体21、凸缘22和伸出部23。筒体21收容功率半导体元件18a、18b和导电电路图案12。筒体21也可以还收容导电板13。筒体21也可以还收容传热部件40的至少一部分。
36.凸缘22与靠近传热部件40的筒体21的一端连接。凸缘22从筒体21的一端朝向筒体21的外侧而延伸。在功率半导体组件2设置有供螺钉或者螺栓这样的紧固部件52(参照图3)插入并且到达第1安装面25的孔29。孔29的至少一部分设置于壳体20。具体地说，在壳体20(凸缘22)设置有贯穿孔28。在本实施方式中，孔29是贯穿孔28。
37.功率半导体组件2具有使用紧固部件52(参照图3)来安装散热器50(参照图3)的第1安装面25。相对于绝缘基板11，第1安装面25位于与功率半导体元件18a、18b相反侧。具体地说，壳体20(凸缘22)具有在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上远离绝缘基板11的背面24。在本实施方式中，壳体20(凸缘22)的背面24是第1安装面25。
38.伸出部23与靠近功率半导体元件18a、18b的筒体21的另一端连接。伸出部23从筒体21的另一端朝向筒体21的内侧而伸出。伸出部23在第1主面11a的俯视观察时与绝缘基板11的第1主面11a或者导电电路图案12相对。
39.伸出部23与绝缘基板11的第1主面11a或者导电电路图案12直接或者间接地接触。在本说明书中，伸出部23与绝缘基板11的第1主面11a或者导电电路图案12间接地接触意味着在伸出部23与绝缘基板11的第1主面11a或者导电电路图案12之间夹着与伸出部23和绝缘基板11的第1主面11a或者导电电路图案12接触的部件(例如，粘接剂30)。例如，伸出部23经由粘接剂30而与绝缘基板11的第1主面11a接触。伸出部23使用绝缘粘接剂这样的粘接剂30而固定于电路基板10(例如，绝缘基板11)。
40.衬套27也可以安装于壳体20(凸缘22)的贯穿孔28。衬套27呈中空的形状。衬套27例如由黄铜这样的金属材料形成。在衬套27中插入螺钉或者螺栓这样的紧固部件52(参照图3)。就衬套27而言，能够使用紧固部件52而将散热器50(参照图3)更强力地紧固于壳体20(凸缘22)。
41.封装部件35设置于壳体20(筒体21)的内侧空间。封装部件35将功率半导体元件18a、18b封装。封装部件35也可以还将导电电路图案12封装。封装部件35例如由硅树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺树脂或者丙烯酸树脂这样的绝缘树脂形成。
42.传热部件40将由功率半导体元件18a、18b产生的热以更低的热阻传导至散热器50(图3)。传热部件40的导热率例如大于或等于1.0w/(m
·
k)。传热部件40的导热率也可以大于或等于3.0w/(m
·
k)，也可以大于或等于5.0w/(m
·
k)，也可以大于或等于10.0w/(m
·
k)。
43.传热部件40例如是热界面材料(tim)。tim可以是片材或者凝胶这样的非流动体，也可以是油脂这样的流动体。传热部件40例如也可以是包含石墨片或者环氧树脂或硅树脂这样的树脂和在该树脂中散布的导热填料(例如，二氧化硅填料、氧化铝填料或氮化铝填料)的导热片。传热部件40可以具有电绝缘性，也可以具有导电性。
44.传热部件40能够通过按压而变形。参照图2，传热部件40的原厚度t1是未对传热部件40进行按压时的传热部件40的厚度。传热部件40的下限厚度t2是对传热部件40沿传热部件40的厚度方向(第3方向(z方向))进行了按压时的传热部件40的最小厚度。例如，在传热部件40包含填料的情况下，传热部件40的下限厚度t2由填料的直径确定。在传热部件40不包含填料的情况下，传热部件40的下限厚度t2由传热部件40的原厚度t1与通过向传热部件40的原厚度t1乘以传热部件40的容许压缩率而得到的厚度之间的差值确定。传热部件40的容许压缩率被定义为：沿传热部件40的厚度方向施加了0.1mpa的按压力时的传热部件40的减小厚度相对于传热部件40的原厚度t1的比率。
45.电路基板10具有安装传热部件40的第2安装面15。第2安装面15相对于绝缘基板11而位于与功率半导体元件18a、18b相反侧。具体地说，导电板13具有第2安装面15。第2安装面15是远离绝缘基板11的导电板13的背面。在本实施方式中，第2安装面15是平坦的面。
46.第2安装面15在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上相对于第1安装面25朝向绝缘基板11凹入。第2安装面15的从第1安装面25算起的最大退后距离l1比未对传热部件40进行按压时的传热部件40的原厚度t1小。即，在未对传热部件40进行按压时，远离绝缘基板11的传热部件40的表面40a在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上从第1安装面25伸出。第2安装面15的从第1安装面25算起的最大退后距离l1比沿传热部件40的厚度方向对传热部件40进行了按压时的传热部件40的下限厚度t2大。在本实施方式中，第1安装面25以及第2安装面15都是平坦的面，所以，第2安装面15的从第1安装面25算起的最大退后距离l1由第2安装面15的从第1安装面25算起的退后距离确定。
47.参照图3，功率半导体模块1也可以还具有散热器50。散热器50具有靠近绝缘基板11的主面51。散热器50使由功率半导体元件18a、18b产生的热向功率半导体模块1的外部散出。散热器50例如由铝这样的金属材料形成。散热器50被安装于第1安装面25。具体地说，散热器50被使用螺钉或者螺栓这样的紧固部件52而安装于第1安装面25。在本实施方式中，散热器50被使用紧固部件52而紧固于壳体20(凸缘22)。紧固部件52被插入于衬套27中。
48.在将散热器50安装于第1安装面25时，散热器50与传热部件40接触，传热部件40被散热器50按压。具体地说，散热器50的主面51与传热部件40的表面40a接触。传热部件40被压缩，传热部件40的厚度减小。第2安装面15的从第1安装面25算起的最大退后距离l1比未对传热部件40进行按压时的传热部件40的原厚度t1小，并且比沿传热部件40的厚度方向对传热部件40进行了按压时的传热部件40的下限厚度t2大。因此，传热部件40的至少一部分的厚度不会减小至传热部件40的下限厚度t2。具体地说，传热部件40的整体厚度不会减小至传热部件40的下限厚度t2。因此，防止了从传热部件40对绝缘基板11(特别地，绝缘基板11中的靠近伸出部23、紧固部件52以及孔29(贯穿孔28)的区域，即，绝缘基板11中的靠近侧面11s的区域)施加过大的应力。
49.散热器50也可以与第1安装面25接触。具体地说，散热器50的主面51也可以与壳体
20(凸缘22)的背面24接触。
50.参照图1及图4，对本实施方式的功率半导体模块1的制造方法的第一例进行说明。在第一例中，传热部件40是片材或者凝胶这样的非流动体。
51.参照图4，准备功率半导体组件2。具体地说，准备电路基板10。电路基板10包含绝缘基板11和导电电路图案12。电路基板10也可以还包含导电板13。使用导电接合部件19a、19b而在导电电路图案12之上接合功率半导体元件18a、18b。使用粘接剂30而将壳体20粘接于电路基板10。使用封装部件35而将功率半导体元件18a、18b封装。如此，得到功率半导体组件2。功率半导体组件2具有第1安装面25。具体地说，第1安装面25是壳体20(凸缘22)的背面24。电路基板10具有第2安装面15。具体地说，第2安装面15是远离绝缘基板11的导电板13的背面。
52.参照图4，将传热部件40安装于电路基板10的第2安装面15。传热部件40例如也可以嵌合于由壳体20和第2安装面15形成的凹部。传热部件40例如也可以使用导热粘接剂而与第2安装面15粘接。如此，得到图1所示的功率半导体模块1。
53.并且，参照图3，也可以使用螺钉或者螺栓这样的紧固部件52而将散热器50安装于功率半导体组件2的第1安装面25。紧固部件52被插入至孔29中。在本实施方式中，孔29是贯穿孔28。在将散热器50安装于第1安装面25时，散热器50与传热部件40接触，传热部件40被散热器50按压。具体地说，散热器50的主面51与传热部件40的表面40a接触。传热部件40被压缩，传热部件40的厚度减小。如此，得到图3所示的功率半导体模块1。
54.参照图1、图5及图6，对本实施方式的功率半导体模块1的制造方法的第二例进行说明。在第二例中，传热部件40是油脂这样的流动体。
55.参照图5，与本实施方式的功率半导体模块1的制造方法的第一例同样地，准备功率半导体组件2。然后，在功率半导体组件2的第1安装面25之上配置掩模56。
56.参照图6，将油脂这样的流动物质40p涂敷于电路基板10的第2安装面15之上。掩模56防止流动物质40p附着于第1安装面25。然后，将掩模56取下。如此，得到图1所示的功率半导体模块1。
57.并且，参照图3，也可以使用螺钉或者螺栓这样的紧固部件52而将散热器50安装于功率半导体组件2的第1安装面25。如此，得到图3所示的功率半导体模块1。
58.对本实施方式的功率半导体模块1的效果进行说明。
59.本实施方式的功率半导体模块1具有功率半导体组件2和传热部件40。功率半导体组件2包含电路基板10、功率半导体元件18a、18b和壳体20。电路基板10包含具有第1主面11a的绝缘基板11和在绝缘基板11的第1主面11a之上设置的导电电路图案12。功率半导体元件18a、18b搭载于导电电路图案12之上。壳体20包含筒体21和从筒体21朝向筒体21的内侧伸出的伸出部23。筒体21收容功率半导体元件18a、18b和导电电路图案12。伸出部23在绝缘基板11的第1主面11a的俯视观察时与第1主面11a或者导电电路图案12相对，并且与绝缘基板11的第1主面11a或者导电电路图案12直接或者间接地接触。功率半导体组件2具有安装散热器50的第1安装面25。电路基板10具有安装传热部件40的第2安装面15。第1安装面25和第2安装面15相对于绝缘基板11而位于与功率半导体元件18a、18b相反侧。第2安装面15在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上相对于第1安装面25凹入。第2安装面15的从第1安装面25算起的最大退后距离l1比未对传热部件40进行按压时的
传热部件40的原厚度t1小，并且比沿传热部件40的厚度方向对传热部件40进行了按压时的传热部件40的下限厚度t2大。
60.因此，即使将散热器50安装于第1安装面25而压缩了传热部件40，也会防止从传热部件40对绝缘基板11(特别地，绝缘基板11中的靠近伸出部23的区域)施加过大的应力。能够防止绝缘基板11的破损。另外，在将散热器50安装于第1安装面25的情况下，传热部件40被压缩。传热部件40更强力地与散热器50以及第1安装面25密接。因此，由功率半导体元件18a、18b产生的热能够以更低的热阻被传导至散热器50。能够提高功率半导体模块1的散热性。
61.就本实施方式的功率半导体模块1而言，绝缘基板11还具有与第1主面11a相反侧的第2主面11b、将第1主面11a与第2主面11b连接的侧面11s。电路基板10还包含在绝缘基板11的第2主面11b之上设置的导电板13。壳体20具有第1安装面25。导电板13具有第2安装面15。
62.因此，即使将散热器50安装于第1安装面25而压缩了传热部件40，也会防止从传热部件40对绝缘基板11(特别地，绝缘基板11中的靠近伸出部23的区域，即，绝缘基板11中的靠近侧面11s的区域)施加过大的应力。能够防止绝缘基板11的破损。
63.就本实施方式的功率半导体模块1而言，功率半导体组件2具有使用紧固部件52而安装散热器50的第1安装面25。在功率半导体组件2设置有供紧固部件52插入并且到达第1安装面25的孔29。孔29的至少一部分设置于壳体20。
64.因此，即使将散热器50安装于第1安装面25而压缩了传热部件40，也会防止从传热部件40对绝缘基板11(特别地，绝缘基板11中的靠近伸出部23、紧固部件52以及孔29的区域)施加过大的应力。能够防止绝缘基板11的破损。
65.本实施方式的功率半导体模块1还具有散热器50。散热器50被安装于第1安装面25并且与传热部件40接触。
66.因此，即使将散热器50安装于第1安装面25而压缩了传热部件40，也会防止从传热部件40对绝缘基板11施加过大的应力。能够防止绝缘基板11的破损。能够提高功率半导体模块1的散热性。
67.就本实施方式的功率半导体模块1而言，散热器50与第1安装面25接触。因此，能够提高功率半导体模块1的散热性。
68.实施方式2.
69.参照图7，对实施方式2的功率半导体模块1b以及功率半导体组件2b进行说明。本实施方式的功率半导体模块1b以及功率半导体组件2b具有与实施方式1的功率半导体模块1以及功率半导体组件2同样的结构，但主要在以下的点上与实施方式1的功率半导体模块1以及功率半导体组件2不同。
70.就功率半导体模块1b以及功率半导体组件2b而言，第2安装面15在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上向远离绝缘基板11侧膨出。第2安装面15的从第1安装面25算起的最大退后距离l1由与绝缘基板11的侧面11s连接的第2安装面15的缘部的从第1安装面25算起的退后距离确定。最大退后距离l1比未对传热部件40进行按压时的传热部件40的原厚度t1小，并且比沿传热部件40的厚度方向对传热部件40进行了按压时的传热部件40的下限厚度t2大。第2安装面15的顶部13t在第1安装面25的俯视观察时
比绝缘基板11的侧面11s更远离伸出部23、紧固部件52以及孔29(贯穿孔28)。具体地说，第2安装面15的顶部13t位于第2安装面15的中央。
71.参照图8，本实施方式的功率半导体模块1b也可以还具有散热器50。散热器50被安装于第1安装面25，并且与传热部件40接触。
72.参照图7，第2安装面15的顶部13t在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上相对于壳体20的第1安装面25凹入。第2安装面15的顶部13t的从第1安装面25算起的退后距离l2也可以比对传热部件40进行了按压时的传热部件40的下限厚度t2大。因此，防止了从传热部件40对绝缘基板11(特别地，绝缘基板11中的靠近伸出部23、紧固部件52以及孔29(贯穿孔28)的区域，即，绝缘基板11中的靠近侧面11s的区域)施加过大的应力。
73.第2安装面15的顶部13t的从第1安装面25算起的退后距离l2也可以比对传热部件40进行了按压时的传热部件40的下限厚度t2小。例如即使退后距离l2比传热部件40的下限厚度t2小，也会由于最大退后距离l1比传热部件40的下限厚度t2大，因此防止从传热部件40对绝缘基板11(特别地，绝缘基板11中的靠近伸出部23、紧固部件52以及孔29(贯穿孔28)的区域，即，绝缘基板11中的靠近侧面11s的区域)施加过大的应力。
74.本实施方式的功率半导体模块1b除了实施方式1的功率半导体模块1的效果以外，还取得以下效果。
75.就本实施方式的功率半导体模块1b而言，第2安装面15在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上向远离绝缘基板11侧膨出。第2安装面15的顶部13t在第1安装面25的俯视观察时比绝缘基板11的侧面11s更远离伸出部23，并且在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上相对于第1安装面25凹入。
76.因此，第2安装面15与散热器50之间的距离减小。能够提高功率半导体模块1b的散热性。
77.就本实施方式的功率半导体模块1b而言，第2安装面15的顶部13t的从第1安装面25算起的退后距离l2比对传热部件40进行了按压时的传热部件40的下限厚度t2小。
78.例如即使退后距离l2比传热部件40的下限厚度t2小，也会由于最大退后距离l1比传热部件40的下限厚度t2大，因此防止从传热部件40对绝缘基板11(特别地，绝缘基板11中的靠近伸出部23的区域，即，绝缘基板11中的靠近侧面11s的区域)施加过大的应力。能够防止绝缘基板11的破损。
79.实施方式3.
80.参照图9，对实施方式3的功率半导体模块1c以及功率半导体组件2c进行说明。本实施方式的功率半导体模块1c以及功率半导体组件2c具有与实施方式2的功率半导体模块1b以及功率半导体组件2b同样的结构，但主要在以下的点上与实施方式2的功率半导体模块1b以及功率半导体组件2b不同。
81.就功率半导体模块1c以及功率半导体组件2c而言，第2安装面15的顶部13t在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上从壳体20的第1安装面25伸出。第2安装面15的顶部13t的从第1安装面25算起的伸出高度l3小于或等于传热部件40的原厚度t1与最大退后距离l1以及下限厚度t2之和之间的差值。即，第2安装面15的顶部13t的从第1安装面25算起的伸出高度l3满足下式(1)。
82.l3≤t
1-(l1 t2)
ꢀꢀ
(1)
83.功率半导体模块1c与实施方式2的功率半导体模块1b(参照图8)同样地，也可以还具有散热器50。散热器50被安装于第1安装面25并且与传热部件40接触。
84.本实施方式的功率半导体模块1c除了实施方式2的功率半导体模块1b的效果以外，还取得以下效果。
85.就本实施方式的功率半导体模块1c而言，第2安装面15在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上向与绝缘基板11相反侧膨出。第2安装面15的顶部13t在第1安装面25的俯视观察时比绝缘基板11的侧面11s更远离伸出部23，并且在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上从第1安装面25伸出。第2安装面15的顶部13t的从第1安装面25算起的伸出高度l3小于或等于传热部件40的原厚度t1与最大退后距离l1以及下限厚度t2之和之间的差值。
86.因此，第2安装面15与散热器50之间的距离减小。能够进一步提高功率半导体模块1c的散热性。另外，即使第2安装面15的顶部13t在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上从壳体20的第1安装面25伸出，也会由于第2安装面15的顶部13t的从第1安装面25算起的伸出高度l3小于或等于传热部件40的原厚度t1与最大退后距离l1以及下限厚度t2之和之间的差值，因此，防止从传热部件40对绝缘基板11(特别地，绝缘基板11中的靠近伸出部23的区域，即，绝缘基板11中的靠近侧面11s的区域)施加过大的应力。能够防止绝缘基板11的破损。
87.实施方式4.
88.参照图10及图11，对实施方式4的功率半导体模块1d以及功率半导体组件2d进行说明。本实施方式的功率半导体模块1d以及功率半导体组件2d具有与实施方式2的功率半导体模块1b以及功率半导体组件2b同样的结构，但主要在以下的点上与实施方式2的功率半导体模块1b以及功率半导体组件2b不同。
89.就功率半导体模块1d以及功率半导体组件2d而言，传热部件40包含具有流动性的第1传热部分层41和具有非流动性的第2传热部分层42。第1传热部分层41具有远离绝缘基板11的表面41a。第2传热部分层42具有远离绝缘基板11的表面42a。传热部件40的表面40a包含第1传热部分层41的表面41a和第2传热部分层42的表面42a。在未对传热部件40进行按压时，第1传热部分层41的表面41a以及第2传热部分层42的表面42a各自在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上从第1安装面25伸出。在第2安装面15的俯视观察时，第2传热部分层42将第1传热部分层41包围。第2传热部分层42是传热框，相对于第1传热部分层41，作为堰而起作用。
90.第1传热部分层41的第1最小厚度t3比沿第1传热部分层41的厚度方向(第3方向(z方向))对第1传热部分层41进行了按压时的第1传热部分层41的下限厚度大。第1传热部分层41的下限厚度是与传热部件40的下限厚度同样地定义的。
91.在本实施方式中，第2传热部分层42具有一定的厚度t4，第2传热部分层42的第2最小厚度以及第2传热部分层42的第2最大厚度各自与第2传热部分层42的厚度t4相等。在本实施方式中，第2传热部分层42的厚度t4规定出传热部件40的原厚度t1。第2传热部分层42的第2最小厚度比沿第2传热部分层42的厚度方向(第3方向(z方向))对第2传热部分层42进行了按压时的第2传热部分层42的下限厚度大。第2传热部分层42的下限厚度是与传热部件40
的下限厚度同样地定义的。
92.第2安装面15的从第1安装面25算起的最大退后距离l1比未对传热部件40进行按压时的传热部件40的原厚度t1小，并且比沿传热部件40的厚度方向对传热部件40进行了按压时的传热部件40的下限厚度t2大。在本实施方式中，传热部件40的原厚度t1由第2传热部分层42的厚度t4确定。传热部件40的下限厚度t2由第1传热部分层41的下限厚度和第2传热部分层42的下限厚度中的较大者确定。
93.第1传热部分层41的第1最小厚度t3比第2传热部分层42的第2最小厚度小。第1传热部分层41的第1最大厚度小于或等于第2传热部分层42的第2最大厚度。第1传热部分层41的表面41a也可以与第2传热部分层42的表面42a共面。也可以是，在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上，第2传热部分层42的表面42a与第1传热部分层41的表面41a相比从第1安装面25伸出更多。也可以是，在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上，第1传热部分层41的表面41a与第2传热部分层42的表面42a相比从第1安装面25伸出更多。
94.参照图12，本实施方式的功率半导体模块1d也可以还具有散热器50。散热器50被安装于第1安装面25并且与传热部件40接触。具体地说，散热器50的主面51与第1传热部分层41的表面41a和第2传热部分层42的表面42a接触。
95.本实施方式的功率半导体模块1d除了实施方式2的功率半导体模块1b的效果以外，还取得以下效果。
96.就本实施方式的功率半导体模块1d而言，传热部件40包含具有流动性的第1传热部分层41和具有非流动性的第2传热部分层42。
97.如果功率半导体模块1d的温度发生变化，则由于绝缘基板11的热膨胀系数与导电电路图案12的热膨胀系数之间的热膨胀系数之差，电路基板10翘曲。具有流动性的第1传热部分层41能够吸收电路基板10的翘曲。防止了从传热部件40对绝缘基板11施加过大的应力。另外，在将散热器50安装于第1安装面25时，具有非流动性的第2传热部分层42使具有流动性的第1传热部分层41的厚度的均匀性提高。防止了在将散热器50安装于第1安装面25时，从传热部件40对绝缘基板11局部地施加过大的应力。如此，能够防止绝缘基板11的破损。
98.就本实施方式的功率半导体模块1d而言，第1传热部分层41的第1最小厚度t3比第2传热部分层42的第2最小厚度(例如，厚度t4)小。
99.因此，第1传热部分层41能够进一步吸收电路基板10的翘曲。防止了从传热部件40对绝缘基板11施加过大的应力。能够防止绝缘基板11的破损。
100.就本实施方式的功率半导体模块1d而言，在第2安装面15的俯视观察时，第2传热部分层42将第1传热部分层41包围。
101.在将散热器50安装于第1安装面25时，具有非流动性的第2传热部分层42进一步使具有流动性的第1传热部分层41的厚度的均匀性提高。防止了在将散热器50安装于第1安装面25时，从传热部件40对绝缘基板11局部地施加过大的应力。能够防止绝缘基板11的破损。另外，即使电路基板10翘曲，也可以防止在第2安装面15的俯视观察时具有流动性的第1传热部分层41从电路基板10的外缘溢出。
102.实施方式5.
103.参照图13及图14，对实施方式5的功率半导体模块1e进行说明。本实施方式的功率半导体模块1e具有与实施方式4的功率半导体模块1d同样的结构，但主要在以下的点上与实施方式4的功率半导体模块1d不同。
104.就功率半导体模块1e而言，第2传热部分层42包含多个传热片42e。多个传热片42e配置于第2安装面15的多个角部。多个传热片42e也可以如图13所示，沿第2安装面15的长度方向(第1方向(x方向))而配置。多个传热片42e也可以如图14所示，相对于第2安装面15的长度方向和宽度方向(第2方向(y方向))而倾斜地配置。多个传热片42e各自也可以以与第2安装面15的两条对角线各自交叉的方式而配置。多个传热片42e也可以配置于多个角部中的至少两个。具体地说，多个传热片42e也可以配置于多个角部中的全部角部。
105.本实施方式的功率半导体模块1e取得与实施方式4的功率半导体模块1d的效果相同的以下效果。
106.就本实施方式的功率半导体模块1e而言，第2传热部分层42包含多个传热片42e。
107.因此，在将散热器50安装于第1安装面25时，多个传热片42e使具有流动性的第1传热部分层41的厚度的均匀性提高。防止了在将散热器50安装于第1安装面25时，从传热部件40对绝缘基板11局部地施加过大的应力。能够防止绝缘基板11的破损。
108.就本实施方式的功率半导体模块1e而言，配置于第2安装面15的多个角部。
109.如果功率半导体模块1e的温度发生变化，则由于绝缘基板11的热膨胀系数与导电电路图案12的热膨胀系数之间的热膨胀系数之差，电路基板10翘曲。电路基板10的翘曲量最大的电路基板10的中央部与具有流动性的第1传热部分层41接触。因此，电路基板10的翘曲可以被具有流动性的第1传热部分层41吸收。防止了从传热部件40对绝缘基板11施加过大的应力。能够防止绝缘基板11的破损。另外，在将散热器50安装于第1安装面25时，多个传热片42e使具有流动性的第1传热部分层41的厚度的均匀性提高。防止了在将散热器50安装于第1安装面25时，从传热部件40对绝缘基板11局部地施加过大的应力。能够防止绝缘基板11的破损。
110.实施方式6.
111.参照图15，对实施方式6的功率半导体模块1f以及功率半导体组件2f进行说明。本实施方式的功率半导体模块1f以及功率半导体组件2f具有与实施方式1的功率半导体模块1以及功率半导体组件2同样的结构，但主要在以下的点上与实施方式1的功率半导体模块1以及功率半导体组件2不同。
112.就功率半导体模块1f以及功率半导体组件2f而言，导电板13不仅与绝缘基板11接触，还与壳体20的凸缘22接触。具体地说，导电板13与壳体20(凸缘22)的背面24接触。导电板13具有第1安装面25和第2安装面15。第1安装面25是与面对壳体20(凸缘22)的背面24的导电板13的正面相反侧的导电板13的背面13b。在本实施方式中，导电板13的背面13b是第1安装面25。在导电板13设置有与贯穿孔28连通的贯穿孔17。贯穿孔17到达导电板13的背面13b。在本实施方式中，供紧固部件52(参照图16)插入的孔29由在壳体20(凸缘22)设置的贯穿孔28和在导电板13设置的贯穿孔17形成。
113.参照图16，本实施方式的功率半导体模块1f也可以还具有散热器50。散热器50被安装于第1安装面25并且与传热部件40接触。散热器50的主面51也可以与导电板13的背面13b接触。
114.本实施方式的功率半导体模块1f取得与实施方式1的功率半导体模块1的效果相同的以下效果。
115.就本实施方式的功率半导体模块1f而言，绝缘基板11还具有与第1主面11a相反侧的第2主面11b。电路基板10还包含在绝缘基板11的第2主面11b之上设置的导电板13。导电板13具有第1安装面25和第2安装面15。
116.因此，即使将散热器50安装于第1安装面25而压缩了传热部件40，也会防止从传热部件40对绝缘基板11施加过大的应力。能够防止绝缘基板11的破损。
117.实施方式7.
118.参照图17，对实施方式7的功率半导体模块1g以及功率半导体组件2g进行说明。本实施方式的功率半导体模块1g以及功率半导体组件2g具有与实施方式1的功率半导体模块1以及功率半导体组件2同样的结构，但主要在以下的点上与实施方式1的功率半导体模块1以及功率半导体组件2不同。
119.功率半导体组件2g还包含间隔件60。间隔件60由铜或者铝这样的金属材料形成。间隔件60设置于壳体20(凸缘22)的背面24之上。第1安装面25是在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上与壳体20(凸缘22)的背面24远离的间隔件60的背面61。在本实施方式中，间隔件60的背面61是第1安装面25。在间隔件60设置有与贯穿孔28连通的贯穿孔62。贯穿孔62到达间隔件60的背面61。在本实施方式中，供紧固部件52(参照图18)插入的孔29由贯穿孔28和贯穿孔62形成。
120.参照图18，本实施方式的功率半导体模块1g也可以还具有散热器50。散热器50被安装于第1安装面25并且与传热部件40接触。散热器50的主面51也可以与间隔件60的背面61接触。
121.本实施方式的功率半导体模块1g取得与实施方式1的功率半导体模块1的效果相同的以下效果。
122.就本实施方式的功率半导体模块1g而言，功率半导体组件2还包含间隔件60。壳体20包含在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上远离绝缘基板11的第1面(背面24)。间隔件60设置于第1面(背面24)之上。在导电电路图案12以及绝缘基板11的层叠方向(第3方向(z方向))上远离第1面的间隔件60的第2面(背面61)是第1安装面25。
123.因此，即使将散热器50安装于第1安装面25而压缩了传热部件40，也会防止从传热部件40对绝缘基板11施加过大的应力。能够防止绝缘基板11的破损。间隔件60能够增加壳体20的设计的自由度。
124.实施方式8.
125.本实施方式将实施方式1至实施方式7中任一者涉及的功率半导体模块1、1b、1c、1d、1e、1f、1g应用于电力转换装置。本实施方式的电力转换装置200不特别限定，但以下，对三相逆变器的情况进行说明。
126.图19所示的电力转换系统由电源100、电力转换装置200、负载300构成。电源100是直流电源，向电力转换装置200供给直流电力。电源100不特别限定，例如，可以由直流系统、太阳能电池或者蓄电池构成，也可以由与交流系统连接的整流电路或ac/dc转换器构成。电源100也可以由将从直流系统输出的直流电力转换为其它直流电力的dc/dc转换器构成。
127.电力转换装置200是连接在电源100和负载300之间的三相逆变器，将从电源100供给的直流电力转换为交流电力，向负载300供给交流电力。电力转换装置200如图19所示，具有：主转换电路201，其将直流电力转换为交流电力而输出；以及控制电路203，其将对主转换电路201进行控制的控制信号向主转换电路201输出。
128.负载300是由从电力转换装置200供给的交流电力进行驱动的三相电动机。此外，负载300不特别限定，是搭载于各种电气设备的电动机，例如，用作面向混合动力汽车、电动汽车、铁道车辆、电梯或者空调设备的电动机。
129.以下，对电力转换装置200的详情进行说明。主转换电路201具备开关元件(未图示)和续流二极管(未图示)。通过由开关元件对从电源100供给的电压进行通断，从而主转换电路201将从电源100供给的直流电力转换为交流电力，向负载300供给。主转换电路201的具体的电路结构存在各种结构，但本实施方式涉及的主转换电路201是两电平的三相全桥电路，能够由6个开关元件和与各个开关元件逆并联的6个续流二极管构成。能够对主转换电路201的各开关元件以及各续流二极管的至少任一者应用上述实施方式1至实施方式7中的任一者的功率半导体模块1、1b、1c、1d、1e、1f、1g。作为构成主转换电路201的功率半导体模块202，能够应用上述实施方式1至实施方式7中的任一者的功率半导体模块1、1b、1c、1d、1e、1f、1g。6个开关元件两个两个地串联连接而构成上下桥臂，各上下桥臂构成全桥电路的各相(u相、v相以及w相)。并且，各上下桥臂的输出端子即主转换电路201的3个输出端子与负载300连接。
130.另外，主转换电路201具有对各开关元件进行驱动的驱动电路(未图示)。驱动电路既可以内置于功率半导体模块202，也可以设置于功率半导体模块202的外部。驱动电路生成对主转换电路201所包含的开关元件进行驱动的驱动信号，将驱动信号供给至主转换电路201的开关元件的控制电极。具体地说，驱动电路按照来自控制电路203的控制信号，向各开关元件的控制电极输出将开关元件设为接通状态的驱动信号和将开关元件设为断开状态的驱动信号。
131.就本实施方式涉及的电力转换装置200而言，作为主转换电路201所包含的功率半导体模块202，应用实施方式1至实施方式7中的任一者涉及的功率半导体模块1、1b、1c、1d、1e、1f、1g。因此，本实施方式涉及的电力转换装置200的可靠性提高。
132.在本实施方式中，说明了向两电平的三相逆变器应用本发明的例子，但不限于此，能够应用于各种电力转换装置。在本实施方式中，采用了两电平的电力转换装置，但也可以是三电平的电力转换装置，也可以是多电平的电力转换装置。在电力转换装置向单相负载供给电力的情况下，也可以向单相逆变器应用本发明。在电力转换装置向直流负载等供给电力的情况下，也可以向dc/dc转换器或ac/dc转换器应用本发明。
133.应用了本发明的电力转换装置不限定于负载为电动机的情况，例如，能够组装于放电加工机或激光加工机的电源装置，或者感应加热烹调器或者非接触器供电系统的电源装置。应用了本发明的电力转换装置能够用作太阳能发电系统或者蓄电系统等的功率调节器。
134.应该认为本次公开的实施方式1至实施方式8的全部内容仅是例示，并非是限定性的内容。在不产生矛盾的情况下，可以将本次公开的实施方式1至实施方式8的至少两者进行组合。例如，作为实施方式1、实施方式3以及实施方式5至实施方式7的功率半导体模块的
传热部件，可以采用实施方式4的传热部件。本发明的范围并不由上述的说明示出，而是由权利要求书示出，意在包含与权利要求书等同的含义及范围内的全部变更。

技术特征：
1.一种功率半导体模块，其具有：功率半导体组件；以及传热部件，所述功率半导体组件包含：电路基板，其包含具有第1主面的绝缘基板和在所述第1主面之上设置的导电电路图案；功率半导体元件，其搭载于所述导电电路图案之上；以及壳体，其包含筒体和从所述筒体朝向所述筒体的内侧伸出的伸出部，所述筒体收容所述功率半导体元件和所述导电电路图案，所述伸出部在所述第1主面的俯视观察时与所述第1主面或者所述导电电路图案相对，并且与所述第1主面或者所述导电电路图案直接或者间接地接触，所述功率半导体组件具有安装散热器的第1安装面，所述电路基板具有安装所述传热部件的第2安装面，所述第1安装面和所述第2安装面相对于所述绝缘基板而位于与所述功率半导体元件相反侧，所述第2安装面在所述导电电路图案以及所述绝缘基板的层叠方向上相对于所述第1安装面凹入，所述第2安装面的从所述第1安装面算起的最大退后距离比未对所述传热部件进行按压时的所述传热部件的原厚度小，并且比沿所述传热部件的厚度方向对所述传热部件进行了按压时的所述传热部件的下限厚度大。2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述绝缘基板还具有与所述第1主面相反侧的第2主面、将所述第1主面与所述第2主面连接的侧面，所述电路基板还包含在所述第2主面之上设置的导电板，所述壳体具有所述第1安装面，所述导电板具有所述第2安装面。3.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其中，所述第2安装面在所述层叠方向上向远离所述绝缘基板侧膨出，所述第2安装面的顶部在所述第1安装面的俯视观察时比所述侧面更远离所述伸出部，并且在所述层叠方向上相对于所述第1安装面凹入。4.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其中，所述第2安装面的所述顶部的从所述第1安装面算起的退后距离比对所述传热部件进行了按压时的所述传热部件的所述下限厚度小。5.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其中，所述第2安装面在所述层叠方向上向与所述绝缘基板相反侧膨出，所述第2安装面的顶部在所述第1安装面的俯视观察时比所述侧面更远离所述伸出部，并且在所述层叠方向上从所述第1安装面伸出，所述第2安装面的所述顶部的从所述第1安装面算起的伸出高度小于或等于所述传热部件的所述原厚度与所述最大退后距离以及所述下限厚度之和之间的差值。
6.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述功率半导体组件还包含间隔件，所述壳体包含在所述层叠方向上远离所述绝缘基板的第1面，所述间隔件设置于所述第1面之上，在所述层叠方向上远离所述第1面的所述间隔件的第2面是所述第1安装面。7.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述绝缘基板还具有与所述第1主面相反侧的第2主面，所述电路基板还包含在所述第2主面之上设置的导电板，所述导电板具有所述第1安装面和所述第2安装面。8.根据权利要求1至7中任一项所述的功率半导体模块，其中，所述传热部件包含具有流动性的第1传热部分层和具有非流动性的第2传热部分层。9.根据权利要求8所述的功率半导体模块，其中，所述第1传热部分层的第1最小厚度比所述第2传热部分层的第2最小厚度小。10.根据权利要求8或9所述的功率半导体模块，其中，在所述第2安装面的俯视观察时，所述第2传热部分层将所述第1传热部分层包围。11.根据权利要求8或9所述的功率半导体模块，其中，所述第2传热部分层包含多个传热片。12.根据权利要求11所述的功率半导体模块，其中，所述多个传热片配置于所述第2安装面的多个角部。13.根据权利要求1至12中任一项所述的功率半导体模块，其中，所述功率半导体组件具有使用紧固部件来安装所述散热器的所述第1安装面，在所述功率半导体组件设置有供所述紧固部件插入并且到达所述第1安装面的孔，所述孔的至少一部分设置于所述壳体。14.根据权利要求1至13中任一项所述的功率半导体模块，其中，还具有所述散热器，所述散热器被安装于所述第1安装面并且与所述传热部件接触。15.根据权利要求14所述的功率半导体模块，其中，所述散热器与所述第1安装面接触。16.一种电力转换装置，其具有：主转换电路，其具有权利要求1至权利要求15中任一项所述的所述功率半导体模块，并且该主转换电路将被输入进来的电力进行转换而输出；以及控制电路，其将对所述主转换电路进行控制的控制信号输出至所述主转换电路。

技术总结
功率半导体模块(1)具有功率半导体组件(2)和传热部件(40)。功率半导体组件(2)包含电路基板(10)和壳体(20)。电路基板(10)包含绝缘基板(11)。安装传热部件(40)的第2安装面(15)相对于安装散热器(50)的第1安装面(25)凹入。第2安装面(15)的从第1安装面(25)算起的最大退后距离(L1)比传热部件(40)的原厚度(t1)小，并且比传热部件(40)的下限厚度(t2)大。)大。)大。


技术研发人员：西山建人 益本宽之
受保护的技术使用者：三菱电机株式会社
技术研发日：2021.10.28
技术公布日：2022/5/25