功率半导体装置

技术领域

本发明涉及一种功率半导体装置，尤其是涉及一种用于从直流电力转换为交流电力的电力转换装置的功率半导体装置。

背景技术

在环境限制不断提高的背景下，面向EV的逆变器市场在世界范围内急速增长。另一方面，SiC等高载波频率驱动的逆变器受到关注，需要用于实现高载波频率驱动的低电感结构。

在专利文献1所记载的功率半导体装置中，由于将功率半导体元件部和电容器配置在负极导体部和正极导体部的同一面上，因此需要将电容器的厚度调整为功率半导体元件部的厚度，设计自由度低，电容器的尺寸和每台功率半导体装置可利用的电容器的数量受到限制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2003-289219号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明所涉及的技术问题是实现具有滤波电容器的功率半导体装置的布线低电感的同时实现小型化。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的功率半导体装置包括：功率半导体电路部；多个滤波电容器；对所述功率半导体电路部和多个所述滤波电容器进行连接的正极导体部和负极导体部；以及对所述功率半导体电路部、多个所述滤波电容器、所述正极导体部和负极导体部进行密封的密封材料，多个所述滤波电容器构成夹在所述正极导体部和所述负极导体部之间的电容器电路部，所述功率半导体电路部具有从所述密封材料露出的第一露出面、以及从所述密封材料露出并设置在该第一露出面的相反侧的第二露出面，将与所述第一露出面重合的平面定义为第一平面，将与所述第二露出面重合的平面定义为第二平面，所述电容器电路部形成为容纳在所述第一平面和所述第二平面之间的空间中，所述正极导体部或所述负极导体部形成有用于容纳多个所述滤波电容器的一部分的凹部。

发明效果

根据本发明，能实现具有滤波电容器的功率半导体装置的布线电感降低和小型化。

附图说明

图1(a)是从本实施方式的功率半导体装置1的一侧观察的整体立体图。

图1(b)是从本实施方式的功率半导体装置1的另一侧观察的整体立体图。

图2(a)是本实施方式的功率半导体装置1的电路图。

图2(b)是本实施方式的使用功率半导体装置1的功率转换装置的电路图。

图3是去除密封构件13和发射极侧陶瓷基板36，并且透过正极导体部31和负极导体部32而示出了功率半导体元件和电容器14的配置的功率半导体装置1的透过俯视图。

图4是从箭头方向a对图1(a)的平面S1观察得到的功率半导体装置1的剖视图。

图5是从箭头方向b对图1(a)的平面S2观察得到的功率半导体装置1的剖视图。

图6是另一实施方式的功率半导体装置的剖视图。

图7是示出多个电容器14容纳在形成于正极导体部31的凹部41中时的变形例的立体图。

图8是通过组合图1至7所示的2合1功率半导体装置1而构成6合1功率半导体装置的整体立体图。

图9(a)是示出功率半导体装置1的制造工序的剖视图。

图9(b)是示出功率半导体装置1的制造工序的剖视图。

图9(c)是示出功率半导体装置1的制造工序的剖视图。

图9(d)是示出功率半导体装置1的制造工序的剖视图。

具体实施方式

在下文中，作为本发明的结构体的实施方式，说明用于车辆搭载用的功率转换装置的功率半导体装置。参照附图对功率半导体元件、搭载功率半导体元件的导体部、电连接到该导体板的作为绝缘树脂板的陶瓷基板进行说明。另外，对在各图中相同的要素，记为相同的标号，省略重复的说明。

图1(a)是从本实施方式的功率半导体装置1的一侧观察的整体立体图。图1(b)是从本实施方式的功率半导体装置1的另一侧观察的整体立体图。图4是从箭头方向a对图1(a)的平面S1观察得到的功率半导体装置1的剖视图。图5是从箭头方向b对图1(a)的平面S2观察得到的功率半导体装置1的剖视图。

功率半导体装置1包括施加有直流电压的正极端子21和负极端子22、输出交流电压的交流输出端子23、以及传输控制功率半导体元件的控制信号的控制用端子24。

功率半导体元件由图4所示的上臂的IGBT10U和上臂的二极管11U、以及图5所示的下臂的IGBT10L和下臂的二极管11L构成。

如图4和图5所示，密封构件13密封功率半导体元件、正极导体部31和负极导体部32、集电极侧陶瓷基板33、发射极侧陶瓷基板36和电容器14。密封构件13由绝缘性的树脂等构成。

如图1(a)所示，正极端子21和负极端子22从密封构件13的一个侧面朝相同方向突出。交流输出端子23和控制用端子24从与密封构件13的一个侧面相反侧的另一侧面朝相同方向突出。

如图1(a)所示，发射极侧陶瓷基板36的金属化部38从密封构件13的主表面露出。如图1(b)所示，发射极侧陶瓷基板33的金属化部35从密封构件13的主表面露出。

图2(a)是本实施方式所涉及的功率半导体装置1的电路图。图2(b)是本实施方式的使用功率半导体装置1的功率转换装置的电路图。

正极导体部31经由正极端子21与电池5和电容器14的正极侧连接。负极端子部32经由负极端子22与电池5和电容器14的负极侧连接。

本实施方式的功率半导体装置1具有将上臂电路和下臂电路的两个臂电路与一个模块形成为一体的结构即2合1结构。在除了2合1结构之外还使用3合1结构、4合1结构、6合1结构等时，能使功率半导体装置小型化。上臂电路作为开关用功率半导体元件包括上臂用IGBT10U和上臂用二极管11U，下臂电路包括下臂用IGBT10L和下臂二极管11L。

如图2(b)所示，包括功率转换装置的电动系统具有多个功率半导体电路部2、多个电容器14、电动机4以及电池5。

IGBT接收到驱动信号并进行开关动作，将从电池5提供的直流电力转换为三相交流电力。当使功率半导体元件和电容器14之间的L分量(电感)减小时，浪涌电压被抑制，因而提高耐压。当从2合1变为6合1时，由于电容器14并联连接，功率半导体装置的电容器容量增大。

图3是去除密封构件13和发射极侧陶瓷基板36，并且透过正极导体部31和负极导体部32而示出了功率半导体元件和电容器14的配置的功率半导体装置1的透过俯视图。

图3中示出的箭头示出了经由功率半导体元件到正极端子21和负极端子22的电流的流动。

如图4和图5所示，多个电容器14被配置成使得该电容器14的正极侧电极和负极侧电极的排列方向与上臂IGBT10U的发射极电极和集电极电极的排列方向平行。

图1(a)和图1(b)所示的金属化部35和金属化部38的露出部对功率半导体元件、正极导体部31、负极导体部32和电容器14的热进行散热。

如图4和图5所示，功率半导体电路部2包括发射极侧陶瓷基板36、负极导体部32的一部分、IGBT和二极管、正极导体部31的一部分、集电极侧陶瓷基板33。

发射极侧陶瓷基板36由形成IGBT10L和二极管11L的散热面的金属化部38、以及经由焊料12与负极导体部32和交流输出端子23连接的金属电路部37构成。

集电极侧陶瓷基板33由形成IGBT10L和二极管11L的散热面的金属化部35、以及经由焊料12与正极导体部31、交流输出端子23和控制用端子24连接的金属电路部34构成。

接合引线15是用于将连接到控制用端子24的金属电路部34和IGBT10L的控制电极进行连接的布线，并且由Al等构成。此外，对于焊料12，假设通过使金属熔融并固化而得到的接合材料，可以使用烧结材料等的接合构件。通过使用烧结材料作为接合构件，获得了提高成品率和组装性的效果。

如图4和图5所示，电容器电路部3由负极导体部32的一部分、多个电容器14和正极导体部31的一部分构成。正极导体部31的弯曲部42形成在电容器电路部3和功率半导体电路部2之间。

如图4所示，形成在正极导体部31的弯曲部42具有相对于与多个电容器14的排列方向平行的面倾斜的角度。因此，功率半导体装置1容易与分立的电容器的大小匹配，提高组装性的同时有助于抑制功率半导体装置1的大型化。

这里，将从密封构件13露出的金属化部38的面定义为第一露出面，将从密封构件13露出的金属化部35的面定义为第二露出面。此外，将与第一露出面重合的平面定义为第一平面F1，将与第二露出面重合的平面定义为第二平面F2。

本实施方式的电容器电路部3形成为小于第一平面F1和第二平面F2之间的空间。并且，正极导体部31和负极导体部32形成用于容纳各个电容器14的一部分的凹部41。

因此，有助于抑制电容器电路部3在高度方向上的大型化，并且有助于抑制功率半导体装置1的大型化。凹部41可以形成在正极导体部31和负极导体部32中的任一个上。

由于弯曲部42能改变正极导体部31和负极导体部32之间的距离，因此用于搭载电容器14的设计自由度变大，并且能使用分立式的电容器。

此外，由于电容器不配置在功率半导体元件之间，因此减少了对每台功率半导体装置能使用的电容器数量的限制。通过在正极导体部31或负极导体部32上设置凹部41，从而正极导体部31和负极导体部32之间的距离变窄，电感减小，因此浪涌电压降低，耐压提高。凹部41使电容器14的定位和安装变得容易。在用焊料等接合材料组装电容器14时，不需要用于对电容器进行定位的夹具。

图6是另一实施方式的功率半导体装置的剖视图。

本实施方式的电容器电路部3包括与第一平面F1重叠并且从密封构件13露出的负极导体部32、与第二平面F2重叠并从密封构件13露出的正极导体部31。并且，正极导体部31和负极导体部32形成用于容纳各个电容器14的一部分的凹部41。由此，提高了电容器电路部3的冷却性能。

图7是示出将多个电容器14容纳在形成于正极导体部31的凹部41中时的变形例的立体图。

图7中所示的箭头表示电流的流动。在本实施方式中，凹部41具有沿着多个电容器14的排列形成的长边方向、与该排列方向成直角的方向上形成的短边方向。

而且，通过配置成凹部41的长边方向与电流的流动平行，从而减小布线电感。此外，凹部41的面积越大，越容易容纳焊料、烧结材料等接合材料，组装性提高。

图8是通过组合图1至7所示的2合1功率半导体装置1而构成6合1功率半导体装置的整体立体图。

这里，2合1是指将被密封构件包围的1个功率半导体装置作为1个模块，并且将2个上臂和下臂的电路单元内置在1个模块内。也就是说，6合1是在1个功率半导体装置上具有3个上臂和3个下臂。通过从2合1一体化成6合1，能使功率半导体装置小型化。

图9(a)至9(d)是示出功率半导体装置1的制造工序的剖视图。

如图9(a)所示，将正极导体部31和控制端子24等端子经由焊料12搭载在集电极侧陶瓷基板的金属电路部34上。焊料12可以由烧结材料等构成。

将功率半导体元件通过焊料12搭载在正极导体部31上，并且将电容器14搭载在正极导体部31的凹部41。

此外，将负极侧导体32通过焊料12搭载并连接到功率半导体元件的发射极电极面和电容器14。

正极导体部31和负极导体部32如果是具有导电性的金属材料，则没有特别的限制，但是优选为具有高导电性的铜。为了减轻重量和降低成本，可以使用铝。

如图9(b)所示，将Al引线接合15连接在上臂IGBT10U和下臂IGBT10L与陶瓷基板的金属电路部34之间。

如图9(c)所示，将发射极侧陶瓷基板36经由焊料12搭载在负极导体部32上。

如图9(d)所示，通过传递模塑法进行树脂密封，从而形成作为密封构件13起作用的传递模塑部。当使电容器14靠近配置在正极端子21和负极端子22之间时，电感减小，但绝缘性降低。为了确保绝缘性，优选为将电容器14一并密封。

标号说明

1功率半导体装置、2功率半导体电路部、3电容器电路部、4电动机、5电池、10U上臂的IGBT、10L下臂的IGBT、11U上臂的二极管、11L下臂的二极管、12焊料、13密封构件、14电容器、15接合引线、21正极端子、22负极端子、23交流输出端子、24控制用端子、31正极导体部、32负极导体部、33集电极侧陶瓷基板、34集电极侧陶瓷基板的金属电路部、35集电极侧陶瓷基板的金属化部、36发射极侧陶瓷基板、37发射极侧陶瓷基板的金属电路部、38发射极侧陶瓷基板的金属化部、41凹部、42弯曲部、F1第一平面、F2第二平面。