功率模块及其制造方法与流程

1.本发明涉及功率模块及其制造方法。


背景技术：

2.以往，已知一种功率模块，在依次堆叠有第1基板、半导体基板和第2基板的子组件周围设有树脂部，第1基板经由接合材料与散热器相接合。功率模块通过包括传递模塑工序和在传递模塑工序之后进行的散热器接合工序在内的功率模块的制造方法来制造。传递模塑工序中，在成形模具的内侧配置有子组件的状态下，将热可塑性的树脂注入到成形模具的内侧。散热器工序中，第1基板经由接合材料与散热器相接合(例如，参照专利文献1)。现有技术文献专利文献
3.专利文献1：日本专利第6328298号公报


技术实现要素：

发明所要解决的技术问题
4.然而，在传递模塑工序之后以及在散热器接合工序之后，分别需要固化工序。由此，存在功率模块的制造时间变长的问题。
5.本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种能缩短功率模块的制造时间的功率模块及其制造方法。用于解决技术问题的技术手段
6.本发明所涉及的功率模块包括：子组件，该子组件具有第1电极、接合到第1电极的半导体元件以及接合到半导体元件的第2电极；散热器，该散热器经由接合材料接合有子组件；以及树脂部，该树脂部与第1电极、半导体元件、接合到半导体元件的第2电极的部分即第2电极内侧部分以及散热器一体成形。
7.本发明所涉及的功率模块的制造方法包括：子组件配置工序，该子组件配置工序中，将具有第1电极、接合到第1电极的半导体元件和接合到半导体元件的第2电极的子组件经由接合材料放置于散热器；以及传递模塑工序，该传递模塑工序中，在子组件配置工序之后，在被散热器和成形模具所包围的区域中配置有第1电极、半导体元件和接合到半导体元件的第2电极的部分即第2电极内侧部分的状态下，将热可塑性的树脂注入到区域中，在传递模塑工序中，通过树脂使子组件经由接合材料与散热器相接合。发明效果
8.根据本发明所涉及的功率模块及其制造方法，能缩短功率模块的制造时间。
附图说明
9.图1是示出具备本发明实施方式1所涉及的功率模块的功率转换装置的主要部分的电路图。
图2是示出本发明实施方式1所涉及的功率模块的主要部分的剖视图。图3是示出图2的子组件的剖视图。图4是示出制造图2的功率模块的步骤的流程图。图5是示出图2的子组件、接合材料以及散热器配置在成形模具的内侧的状态的剖视图。图6是示出图2的散热器接合有水套的状态的剖视图。图7是示出图6的功率模块的变形例的剖视图。图8是示出图7的框架的变形例的俯视图。图9是示出通过本发明实施方式2所涉及的功率模块的制造方法制造出的功率模块的主要部分的剖视图。图10是示出通过本发明实施方式3所涉及的功率模块的制造方法制造出的功率模块的主要部分的剖视图。图11是示出图10的子组件、接合材料以及散热器配置在成形模具的内侧的状态的剖视图。
具体实施方式
10.实施方式1.图1是示出具备本发明实施方式1所涉及的功率模块的功率转换装置的主要部分的电路图。功率转换装置具有控制功率的开关电路。作为功率转换装置，例如可以举出搭载于电动车辆的电动机驱动用逆变器、将电压从高电压转换为低电压的降压转换器、以及连接到外部电源设备并对车载电池进行充电的充电器。
11.图1中示出电动机驱动用逆变器。电动机驱动用逆变器具有u相的开关电路、v相的开关电路、w相的开关电路。u相的开关电路具有u相上臂101和u相下臂102。v相的开关电路具有v相上臂103和v相下臂104。w相的开关电路具有w相上臂105和w相下臂106。
12.u相上臂101、u相下臂102、v相上臂103、v相下臂104、w相上臂105和w相下臂106分别由半导体元件构成。作为半导体元件，例如可以举出mos-fet(metal-oxide-semiconductor field-effect：金属氧化物半导体场效应)、igbt(insulated gate bipolar transistor：绝缘栅双极型晶体管)和二极管。半导体元件的基材使用硅、氮化硅和氮化镓。
13.为了实现功率转换装置的大容量化，在功率转换装置中，多个半导体元件并联连接。此外，由于半导体元件的基材的制造成品率的限制，在功率转换装置中，使用外形尺寸较小的多个半导体元件。
14.图2是示出本发明实施方式1所涉及的功率模块的主要部分的剖视图。功率模块1包括子组件11、散热器12、接合材料13和树脂部14。
15.图3是示出图2的子组件11的剖视图。子组件11具有第1电极111、半导体元件112、第2电极113和第3电极114。此外，子组件11具有第1接合材料115和第2接合材料116。
16.半导体元件112形成为平板形状。在半导体元件112的一个面与第1电极111相对的状态下，半导体元件112经由第1接合材料115与第1电极111相接合。作为第1接合材料115，例如可以举出焊料。半导体元件112被芯片键合到第1电极111。
17.在半导体元件112的另一个面与第2电极113相对的状态下，半导体元件112经由第2接合材料116与第2电极113相接合。作为第2接合材料116，例如可以举出焊料。另外，半导体元件112和第2电极113也可以通过引线键合彼此相接合。第3电极114使用焊料与第1电极111相接合。
18.如图2所示，树脂部14覆盖第1电极111、半导体元件112以及接合到半导体元件112的第2电极113的部分。将第2电极113中的与半导体元件112相接合的部分设为第2电极内侧部分113a。因此，第2电极内侧部分113a被树脂部14所覆盖。将第2电极113中的配置在树脂部14的外侧的部分设为第2电极外侧部分113b。第2电极外侧部分113b从树脂部14的侧面沿着半导体元件112延伸。第2电极外侧部分113b从树脂部14的侧面沿与树脂部14的侧面垂直的方向延伸。
19.树脂部14覆盖第3电极114的一个端部。第3电极114的另一个端部配置在树脂部14的外侧。第3电极114的另一个端部从树脂部14的侧面沿着半导体元件112延伸。第3电极114的另一个端部从树脂部14的侧面沿与树脂部14的侧面垂直的方向延伸。
20.子组件11经由接合材料与散热器12相接合。散热器12具有：经由接合材料13放置有子组件11的平板部121；以及设置于平板部121的多个散热翅片122。平板部121形成有第1表面123以及相对于第1表面123朝向相反侧的第2表面124。第1表面123经由接合材料13放置有子组件11。第2表面124设有散热翅片122。
21.本示例中，对在1个散热器12放置有具有1个半导体元件112的子组件11的结构进行说明。另外，也可以采用在1个散热器12放置有具有多个半导体元件112的子组件11的结构。具体而言，可以采用在1个散热器12放置有具有2个半导体元件112的子组件11的结构、或采用在1个散热器12放置有具有6个半导体元件112的子组件11的结构。
22.第1电极111经由接合材料13与散热器12的平板部121相接合。接合材料13具有绝缘性。接合材料13是基材浸渍有热固化性树脂的树脂组合物，并且是通过干燥而半固化的树脂组合物。作为接合材料13的基材，例如可以举出纤维状增强材料、陶瓷烧结体。作为接合材料13的基材中所浸渍的热固化性树脂，例如可以举出环氧树脂。接合材料13的形状为膜形状或片材形状。半固化是指热固化性树脂完全固化前的状态。本示例中，对使用粘接片材作为接合材料13的结构进行说明。
23.树脂部14与第1电极111、半导体元件112、第2电极内侧部分113a和散热器12一体成形。此外，树脂部14与散热器12中的第1表面123和侧面一体成形。树脂部14覆盖散热器12的一部分。
24.接着，对功率模块1的制造方法进行说明。图4是示出制造图2的功率模块1的步骤的流程图。首先，步骤s1中，进行子组件制造工序。子组件制造工序中，将半导体元件112接合到第1电极111，将第2电极113接合到半导体元件112，将第3电极114接合到第1电极111。由此来制造子组件11。
25.然后，步骤s2中，进行子组件配置工序。图5是示出图2的子组件11、接合材料13以及散热器12配置在成形模具的内侧的状态的剖视图。子组件配置工序中，将散热器12配置在成形模具2的下模具21中，并将第1密封构件22配置在散热器12的平板部121的第2表面124的周缘部与下模具21之间，以使得树脂不流入散热翅片122的周围。由此，第2表面124的周缘部与成形模具2之间被密封。此外，子组件配置工序中，子组件11经由接合材料13放置
到散热器12的平板部121的第1表面123。此时，第1电极111经由接合材料13重叠于散热器12。
26.此外，子组件配置工序中，多个第1销23将第1电极111向散热器12按压。由此，第1电极111相对于散热器12被定位，且通过散热器12与下模具21之间的第1密封构件22确保了气密性。
27.此外，子组件配置工序中，第2销24与形成于接合材料13的至少2个以上的销抵接部相抵接。由此，接合材料13相对于散热器12被定位。此时，接合材料13中的2个以上的销抵接部成为形成于接合材料13的2个以上的侧面。作为成为销抵接部的接合材料13的侧面，例如，可以是对形成为四边形状的加工前的接合材料13中的角部进行倒角加工而形成的接合材料13的侧面。形成为四边形状的加工前的接合材料13是在与接合材料13的上表面垂直的方向上观察接合材料13时形状为四边形状的接合材料13。另外，接合材料13中的2个以上的销抵接部可以是形成于接合材料13的2个以上的孔。
28.此外，子组件配置工序中，将上模具25放置到下模具21上。此时，第2电极113的一部分以及第3电极114的一部分通过下模具21与上模具25之间的间隙，配置在成形模具2的外侧。由此，在被散热器12与成形模具2所包围的区域中配置有第1电极111、半导体元件112和第2电极内侧部分113a。
29.之后，如图4所示，在步骤s3中进行传递模塑工序。传递模塑工序中，对成形模具2进行加热，直到成形模具2的温度成为设定温度为止。此外，传递模塑工序中，对热可塑性的树脂进行加压，直到热可塑性的树脂成为设定压力为止。在成形模具2的温度成为设定温度、热可塑性的树脂成为设定压力的状态下，热可塑性的树脂通过成形模具2的浇口26被注入到成形模具2的内侧。
30.传递模塑工序中，通过注入到成形模具2的内侧的树脂的压力，第1电极111经由接合材料13被按压于散热器12。由此，接合材料13中所包含的气泡从接合材料13中被去除。此外，传递模塑工序中，通过注入到成形模具2的内侧的树脂的热量，第1电极111与散热器12经由接合材料13相接合。通过将接合材料13中所包含的气泡从接合材料13中去除，从而接合材料13的散热性和绝缘性得以提高。树脂部14通过传递模塑工序，与第1电极111、半导体元件112、第2电极内侧部分113a和散热器12一体成形。
31.然后，步骤s4中，进行水套接合工序。图6是示出图2的散热器12接合有水套的状态的剖视图。水套接合工序中，将水套15与散热器12相接合。水套15包含在功率模块1中。
32.通过水套接合工序，在散热器12的散热翅片122的周围形成供用于强制水冷的制冷剂流动的水路。作为散热器12与水套15之间的接合方法，可以举出焊接和摩擦搅拌接合。此外，在散热器12与水套15之间配置第2密封构件16。由此，散热器12与水套15之间被密封。第2密封构件16包含在功率模块1中。作为第2密封构件16，可以举出o型圈或液体填料。如上所述，制造功率模块1的步骤结束。
33.图7是示出图6的功率模块1的变形例的剖视图。图6中，示出1个散热器12接合有1个水套15的结构，但如图7所示，也可以采用1个水套15与2个散热器12相接合的结构。该情况下，水套15具有形成有2个贯通孔的框架151、接合到框架151的桶部152、以及设置在框架151与桶部152之间的第3密封构件153。利用第3密封构件153，将框架151与桶部152之间密封。水套接合工序中，在2个散热器12逐个插入框架151的2个贯通孔的每一个的状态下，将2
个散热器12分别与水套15彼此相接合。
34.另外，接合到1个水套的散热器的数量不限于2个，也可以是3个以上。图8是示出图7的框架151的变形例的俯视图。在1个水套15与6个散热器12相接合的情况下，框架151形成有6个贯通孔154。
35.如以上所说明的那样，根据本发明实施方式1所涉及的功率模块1的制造方法，在传递模塑工序中，利用注入到成形模具2的内侧的树脂使子组件11经由接合材料13与散热器12相接合。现有的功率模块的制造方法中，将子组件11与散热器12接合的散热器接合工序为与传递模塑工序不同的工序。因此，现有的功率模块的制造方法中，在传递模塑工序后以及散热器接合工序后分别需要固化工序。由此，功率模块1的制造时间变长。另一方面，实施方式1所涉及的功率模块1的制造方法中，通过传递模塑工序，将子组件11与散热器12彼此相接合。换言之，传递模塑工序与散热器接合工序同时进行。因此，固化工序为1次。其结果是，能缩短功率模块1的制造时间。此外，无需用于散热器接合工序的设备。其结果是，能实现功率模块1的制造设备的简化。此外，根据本发明实施方式1所涉及的功率模块1，树脂部14与散热器12一体成形。由此，当形成树脂部14时，子组件11经由接合材料13与散热器12相接合。其结果是，能缩短功率模块1的制造时间。
36.此外，根据本发明实施方式1所涉及的功率模块1的制造方法，在传递模塑工序中，利用注入到成形模具2的内侧的树脂使子组件11经由接合材料13与散热器12相接合。现有的功率模块的制造方法中，在传递模塑工序之后进行散热器接合工序。因此，现有的功率模块的制造方法中，由于散热器接合工序中施加到子组件11的压力和热量，在第1电极111与半导体元件112之间或第2电极113与半导体元件112之间有可能发生剥离。由此，现有的功率模块的制造方法中，在散热器接合工序中，无法对接合材料13施加压力，以将接合材料13中所包含的气泡从接合材料13中去除。其结果是，在现有的功率模块的制造方法中，接合材料13的散热性和绝缘性降低。另一方面，实施方式1所涉及的功率模块1的制造方法中，利用注入到成形模具2的内侧的树脂的压力，对接合材料13施加压力。因此，能抑制第1电极111与半导体元件112之间或第2电极113与半导体元件112之间发生剥离，并且能使接合材料13的散热性和绝缘性提高。其结果是，能提高功率模块1的可靠性。此外，根据本发明实施方式1所涉及的功率模块1，树脂部14与散热器12一体成形。由此，当形成树脂部14时，子组件11经由接合材料13与散热器12相接合。由此，当形成树脂部14时对接合材料13施加压力。因此，能抑制第1电极111与半导体元件112之间以及第2电极113与半导体元件112之间发生剥离，并且能使接合材料13的散热性和绝缘性提高。其结果是，能提高功率模块1的可靠性。
37.此外，根据本发明实施方式1所涉及的功率模块1的制造方法，在传递模塑工序中，散热器12的一部分被树脂部14所覆盖。现有的功率模块的制造方法中，散热器12不被树脂部14所覆盖。换言之，散热器12不与树脂部14相接合。因此，现有的功率模块的制造方法中，由于子组件11与散热器12之间的线膨胀系数的差异，当环境温度变动时应力施加到接合材料13，有可能在接合材料13与子组件11之间或在接合材料13与散热器12之间发生剥离。其结果是，在现有的功率模块的制造方法中，功率模块1的散热性和绝缘性较差。另一方面，实施方式1所涉及的功率模块1的制造方法，在传递模塑工序中，散热器12的一部分被树脂部14所覆盖。由此，散热器12与树脂部14相接合。因此，当环境温度变动时施加于接合材料13的应力降低。由此，能抑制在接合材料13与子组件11或散热器12之间发生剥离。其结果是，
能提高功率模块1的散热性和绝缘性。此外，根据本发明实施方式1所涉及的功率模块1，树脂部14与散热器12一体成形。因此，当环境温度变动时施加于接合材料13的应力降低。由此，能抑制在接合材料13与子组件11或散热器12之间发生剥离。其结果是，能提高功率模块1的散热性和绝缘性。
38.此外，实施方式1所涉及的功率模块1的制造方法中，在传递模塑工序中，散热器12的一部分被树脂部14所覆盖。现有的功率模块1的制造方法中，在传递模塑工序中，散热器12不被树脂所覆盖。因此，现有的功率模块的制造方法中，为了提高散热器12的刚性，需要使散热器12的厚度变大。另一方面，实施方式1所涉及的功率模块1的制造方法中，在传递模塑工序中，散热器12的一部分被树脂部14所覆盖。由此，能提高散热器12的刚性，而不使散热器12的厚度变大。此外，根据本发明实施方式1所涉及的功率模块1，树脂部14与散热器12一体成形。能提高散热器12的刚性，而不使散热器12的厚度变大。
39.实施方式2.图9是示出通过本发明实施方式2所涉及的功率模块的制造方法制造出的功率模块的主要部分的剖视图。图9中，并未示出水套15。子组件11还包括绝缘构件117和铜板118。绝缘构件117例如由陶瓷构成。
40.第1电极111例如由铜板构成。第1电极111和绝缘构件117通过钎焊彼此相接合。绝缘构件117和铜板118通过钎焊彼此相接合。
41.铜板118经由接合材料13与散热器12的平板部121的第1表面123相接合。接合材料13由高热传导率的材料构成。此外，接合材料13由烧结材料构成。作为烧结材料，例如可以举出ag纳米颗粒和cu纳米颗粒。ag纳米颗粒和cu纳米颗粒能进行低温烧结。
42.接合材料13通过树脂注入成形模具2的内侧时的树脂的压力和树脂的热量而烧结。通过接合材料13的烧结，铜板118与散热器12的平板部121彼此接合。其它结构与实施方式1相同。
43.如以上所说明的那样，根据本发明实施方式2所涉及的功率模块1及其制造方法，接合材料13由烧结材料构成。由此，与接合材料13由粘接片材构成的情况相比，能提高子组件11与散热器12之间的接合强度。其结果是，能力图提高功率模块1的寿命。
44.实施方式3.图10是示出通过本发明实施方式3所涉及的功率模块的制造方法制造出的功率模块的主要部分的剖视图。图10中，并未示出水套15。第2电极113的第2电极外侧部分113b在与散热器12的平板部121垂直的方向上从树脂部14延伸。第3电极114在与散热器12的平板部121垂直的方向上从树脂部14延伸。树脂部14与散热器12中的第1表面123一体成形。树脂部14并未与散热器12中的侧面一体成形。
45.图11是示出图10的子组件11、接合材料13以及散热器12配置在成形模具2的内侧的状态的剖视图。子组件配置工序中，在成形模具2的下模具21中配置1个散热器12，使多个子组件11经由接合材料13放置在散热器12的平板部121的第1表面123上。图11中，示出了2个子组件11，但本示例中，使6个子组件11经由接合材料13放置在1个散热器12的平板部121的第1表面123上。
46.此外，子组件配置工序中，在成形模具2的上模具25与散热器12的平板部121的第1表面123的周缘部之间配置第4密封构件27。由此，第1表面123的周缘部与成形模具2之间被
密封。成形模具2的上模具25中形成有与6个子组件11分别对应的6个小室。另外，子组件11的数量不限于6个，也可以是多个。其它结构与实施方式1或实施方式2相同。
47.如以上所说明的那样，根据本发明实施方式3所涉及的功率模块1的制造方法，在传递模塑工序中，多个子组件11的每一个经由接合材料13与散热器12分别相接合。成形模具2的上模具25中形成有与多个子组件11分别对应的多个小室。在多个子组件11整体被1个树脂部14所覆盖的情况下，形成树脂部14时使用的树脂的量变多。此外，由于散热器12与树脂部14之间的线膨胀系数的差异，在树脂部14中产生较大的翘曲。另一方面，根据实施方式3所涉及的功率模块1的制造方法，多个子组件11的每一个分别被各个树脂部14所覆盖。换言之，与多个子组件11的每一个相对应的多个树脂部14分别与散热器12一体成形。由此，能使形成树脂部14时使用的树脂的量减少。此外，能使树脂部14的大小变小，因此，能抑制树脂部14的翘曲的产生。此外，根据本发明实施方式3所涉及的功率模块1，多个子组件11经由接合材料13与散热器12分别接合，多个树脂部14与散热器12分别一体成形。由此，能使形成树脂部14时使用的树脂的量减少，此外，能抑制树脂部14的翘曲的产生。标号说明
48.1 功率模块2 成形模具11 子组件12 散热器13 接合材料14 树脂部15 水套16 第2密封构件21 下模具22 第1密封构件23 第1销24 第2销25 上模具26 浇口27 第4密封构件101 u相上臂102 u相下臂103 v相上臂104 v相下臂105 w相上臂106 w相下臂111 第1电极112 半导体元件113 第2电极113a 第2电极内侧部分
113b 第2电极外侧部分114 第3电极115 第1接合材料116 第2接合材料117 绝缘构件118 铜板121 平板部122 散热翅片123 第1表面124 第2表面151 框架152 桶部153 第3密封构件154 贯通孔。