半導體裝置以及使用該半導體裝置的電力變換裝置的制造方法

半導體裝置以及使用該半導體裝置的電力變換裝置的制造方法
【專利摘要】本發明抑制伴隨電力變換裝置的大輸出化而來的芯片溫度的上升，并實現電力變換裝置的小型化。本發明的半導體裝置具備：構成逆變器電路的上臂的第1功率半導體元件(1a)；構成逆變器電路的下臂的第2功率半導體元件(1c)；向第1功率半導體元件(1a)傳達電力的第1引線框架(3)；向第2功率半導體元件(1c)傳達電力的第2引線框架(4)；向第1功率半導體元件(1a)傳達控制信號的第1柵極引線框架(5)；以及封裝第1功率半導體元件(1a)、第2功率半導體元件(1c)、第1引線框架(3)、第2引線框架(4)、第1柵極引線框架(5)的封裝構件，上述封裝構件上形成有貫通孔，在上述貫通孔的內周面，第1柵極引線框架的一部分外露，且第2引線框架(4)的一部分外露。
【專利說明】
半導體裝置以及使用該半導體裝置的電力變換裝置
技術領域
[0001]本發明尤其涉及混合動力汽車或電動汽車的電力變換裝置、以及使用于電力變換裝置的半導體裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，混合動力汽車、電動汽車等使用的電力變換裝置由于燃料費進一步提高，被要求高輸出化，正在向大電流化以及低損耗方向發展。又，要求電力變換裝置自身小型化。向來借助于構成電力變換裝置的半導體元件的配置、半導體元件的連接方法來實現小型化、低熱阻化。
[0003]在先技術文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:日本特開2003 — 324176號公報

【發明內容】

[0006]發明要解決的課題
[0007]本發明的課題是電力變換裝置的大輸出化帶來的芯片溫度上升的抑制和電力變換裝置的小型化。
[0008]解決課題用的手段
[0009]—種功率半導體裝置，具備:構成逆變器電路上臂的第I功率半導體元件；構成上述逆變器電路的下臂的第2功率半導體元件；向上述第I功率半導體元件傳達電力的第I引線框架；向上述第2功率半導體元件傳達電力的第2引線框架；向上述第I功率半導體元件傳達控制信號的第I柵極引線框架；以及封裝上述第I功率半導體元件、上述第2功率半導體元件、上述第I引線框架、上述第2引線框架、以及上述第I柵極引線框架的封裝構件，上述封裝構件上形成有貫通孔，在上述貫通孔的內周面，上述第I柵極引線框架的一部分外露，且上述第2引線框架的一部分外露。
[0010]發明效果
[0011]如果采用本發明，則能夠提供以下這樣的半導體裝置:用I個柵極引線框連接多個功率半導體元件，容易實現半導體裝置的大電流化和小型化，而且模壓成型中的柵極引線框不會變形，生產效率高。
【附圖說明】
[0012]圖1表示本發明的半導體裝置的實施形態的一例。
[0013]圖2是表示圖1的半導體裝置的引線框的構成的平面圖。
[0014]圖3是圖2的右側面圖。
[0015]圖4是圖1的半導體裝置的外觀圖。
[0016]圖5是圖4是部分放大圖。
[0017]圖6是圖5是A—A剖面圖。
[0018]圖7是圖5的B —B剖面圖。
[0019]圖8表示圖1的半導體裝置的等效電路。
[0020]圖9(a)表示流入圖8的等效電路的電流的流線。
[0021 ]圖9(b)]表不流入圖8的等效電路的電流的流線。
[0022]圖9(c)表示流入圖8的等效電路的電流的流線。
[0023]圖9(d)表不流入圖8的等效電路的電流的流線。
[0024]圖10表示流入圖2的半導體裝置的電流的流線。
[0025]圖11是本發明的半導體裝置的制造工序的一個工序圖。
[0026]圖12是圖11以后的制造工序的一個工序圖。
[0027]圖13是圖12的C—C剖面圖。
[0028]圖14是圖12的D —D剖面圖。
[0029]圖15是圖12以后的制造工序的一個工序圖。
[0030]圖16是圖4的背面圖。
[0031]圖17表示本發明的半導體裝置的冷卻結構的實施形態的一例。
[0032]圖18表示本發明的電力變換裝置的實施形態的一例。
[0033]圖19是圖18的E —E剖面圖。
[0034]圖20是圖18的F—F剖面圖。
[0035]圖21表示本發明的半導體裝置的另一實施形態的一例。
【具體實施方式】
[0036]以下參照圖面對本發明的半導體裝置以及電力變換裝置的實施形態進行說明。還有，各圖中對同一要素賦予同一符號，省略重復說明。
[0037]下面參照圖1?9對本發明的實施形態進行說明。
[0038]圖1表示本發明的半導體裝置40的實施形態的一例。半導體裝置40具備由絕緣柵雙極型晶體管(以下記為IGBT)與二極管(以下記為SFD)構成的逆變器電路。又，半導體裝置40具備連接1681'芯片1&、113、1(3、1(1與3?0芯片2&、213、2(3、2(1的第1引線框架3、第2引線框架4、第I柵極引線框架5、第2柵極引線框架6、第3引線框架13。
[0039]IGBT芯片la、Ib及SFD芯片2a、2b排成I列連接在第I引線框架3上。IGBT芯片lc、Id及SR)芯片2c、2d排成I列連接在第2引線框架4上。在這里，在第I引線框架3及第2引線框架4中，將與IGBT芯片及SR)芯片的配置方向平行的方向定義為該引線框架的長邊方向。又，在上述引線框架的芯片安裝平面上，將與上述引線框的長邊方向正交的方向定義為短邊方向。
[0040]第I引線框架3被配置為使該第I引線框架3的長邊方向與第2引線框架4的長邊方向相互平行。在第I引線框架3上，將IGBT芯片Ia與IGBT芯片Ib相鄰配置，將SFD芯片2a與SFD芯片2b相鄰配置。在第2引線框架4上，將IGBT芯片Ic與IGBT芯片Id相鄰配置，將SR)芯片2c與SFD芯片2d相鄰配置。又，配置于第I引線框架3的IGBT芯片la、lb與第2引線框架4上配置的SR)芯片2c、2d沿著第2引線框架4的短邊方向配置。第2引線框架4上配置的IGBT芯片lc、Id與第I引線框架3上配置的SFD芯片2a、2b沿著第I引線框架3的短邊方向配置。又，第3引線框架13與第I引線框架3相鄰配置。
[0041]第I柵極引線框架5配置于第I引線框架3與第2引線框架4之間。第I柵極引線框架5被配置為使得該第I柵極引線框架5的長邊方向與第I引線框架3的長邊方向平行。第I柵極引線框架5被配置于第I引線框架3上安裝的IGBT芯片la、lb與第2引線框架4上安裝的SR)芯片2c、2d之間的空間。
[0042]第2柵極引線框架6被配置于第I引線框架3與第2引線框架4之間。第2柵極引線框架6被配置為使得該第2柵極引線框架6的長邊方向與第I引線框架3的長邊方向平行。第2柵極引線框架6被配置于第I引線框架3上安裝的SR)芯片2a、2b與第2引線框架4上安裝的IGBT芯片lc、ld之間的空間。
[0043]IGBT芯片Ia的柵極通過鋁線14A連接于第I柵極引線框架5 JGBT芯片Ia的射極通過鋁線14b連接于第I射極引線10 JBGT芯片Ib的柵極通過鋁線14c連接于第I柵極引線框架5。
[0044]IGBT芯片Ic的柵極通過鋁線14d連接于第2柵極引線框架6 JGBT芯片Ic的射極通過鋁線He連接于第2射極引線12 JBGT芯片Id的柵極通過鋁線14f連接于第2柵極引線框架
6o
[0045]第I引線框架3具有與該第I引線框架3形成為一體的第I集電極引線9。第2引線框架4具有與該第2引線框架4形成為一體的第2集電極引線11。
[0046]半導體裝置40具有熱敏電阻15。關于熱敏電阻15，將該熱敏電阻15的傳感部配置于第I引線框架3上的IGBT芯片Ia附近。熱敏電阻15通過引腳連接于熱敏電阻引線7、8。
[0047]第I引線框架3在通過第2柵極引線框架6且與第I引線框架3的長邊方向平行的假想直線上，形成有與第2柵極引線框架6重疊的區域。在該領域，形成有向第2柵極引線框架6突出的部分。
[0048]同樣，第2引線框架4在通過第I柵極引線框架5且與第2引線框架4的長邊方向平行的假想直線上，形成有與第I柵極引線框架5重疊的區域。在該區域，形成有向第I柵極引線框架5突出的部分。詳細情況將在下面利用圖5敘述。
[0049]圖2是表示圖1的半導體裝置的引線框架的構成的平面圖。圖2表示在圖1所示的狀態下，再將第5引線框架18與第4引線框架17連接的狀態。
[0050]第4引線框架17夾著IGBT芯片la、Ib及SR)芯片2a、2b而與第I引線框架3相對配置。IGBT芯片la、lb及SFD芯片2a、2b各自的一個面與第I引線框架3連接，且各自的另一面與第4引線框架17連接。又，第4引線框架17的一端通過焊錫20連接于第2引線框架4。
[0051 ] 第5引線框架18夾著IGBT芯片lc、Id及SFD芯片2c、2d而與第2引線框架4相對配置。IGBT芯片Ic、Id及Sro芯片2c、2d各自的一個面連接于第2引線框架4，且各自的另一面連接于第5引線框架18。又，第5引線框架18的一端通過焊錫19連接于第3引線框架13。
[0052]圖3表示圖2所示的半導體裝置40的側視圖。圖示的IGBT芯片lc、Id及SR)芯片2c、2d通過焊錫21連接于第2引線框架4及第5引線框架18。
[0053]如圖3所示，在第2引線框架4上，在長邊方向的大致中央部形成有凹部22。夾著凹部22，IGBT芯片lc、ld與SFD芯片2c、2d分別配置于相反側。雖未圖示，但在第I引線框架3、第I柵極引線框架5、第2柵極引線框架6上也同樣形成有凹部22。凹部22借助于拉拔加工等方法形成。
[0054]圖4是半導體裝置40的外觀圖。半導體裝置40利用壓模23封裝。關于第I引線框架3及第3引線框架13，該引線框架的一部分突出到壓模23的外部，形成電連接用的母線(busbar)25。同樣，關于第2引線框架4，該第2引線框架的一部分突出到壓模23的外部，形成電連接用的母線26。母線26沿著引線框架的長邊方向形成，且向與母線25相反的方向突出。又，柵極銷(gate pin)27也與母線25、26—樣，從壓模23沿著引線框架的長邊方向突出地形成。柵極銷27作為第I柵極引線框架5、第2柵極引線框架6、熱敏電阻引線7、8、第I集電極引線9、第I射極引線10、第2集電極引線11、第2射極引線12的一部分形成。
[0055]壓模23在半導體裝置40的大致中央形成有貫通孔24。下面利用圖5?圖7對該貫通孔24進行說明。
[0056]圖5是圖4的部分放大圖。貫通孔24形成為，通過第2柵極引線框架6，且在與第I引線框架3的長邊方向平行的假想直線上跨越第I引線框架3與第2柵極引線框架6之間。又，貫通孔24形成為，通過第I柵極引線框架5，且在與第2引線框架4的長邊方向平行的假想直線上跨越第2引線框架4與第I柵極引線框架5之間。
[0057]第2柵極引線框架6沿著第I引線框架3的長邊方向向著貫通孔24形成細前端，該前端形成切斷面28。第I引線框架3沿著該第I引線框架3的長邊方向向著貫通孔24形成細前端，該前端形成切斷面29。第I柵極引線框架5沿著第2引線框架4的長邊方向向著貫通孔24形成細前端，該前端形成切斷面30。第2引線框架4沿著該第2引線框架4的長邊方向向著貫通孔24形成細前端，該前端形成切斷面31。
[0058]第2柵極引線框架6的切斷面28與第I引線框架3的切斷面29相對。第I柵極引線框架5的切斷面30與第2引線框架4的切斷面31相對。各引線框架的切斷面28、29、30、31形成于與貫通孔24的沿面相同的面上。
[0059]圖6是圖5的A—A剖面圖。圖7是圖5的B —B剖面圖。如圖所示，第I引線框架4及第2柵極引線框架5向著貫通孔24形成細前端，該前端形成切斷面。貫通孔24在各引線框的形成有凹部22的區域的大致中央部形成。又，形成壓模23到凹部22的內側為止。也就是說，從壓模23外露的引線框架，其板厚比配置有芯片的部分薄。
[0060]圖8表示半導體裝置40的等效電路。第I引線框架3為正電位P，第4引線框架17和第2引線框架4為中間電位AC，第3引線框架13和第5引線框架18為負電位N JGBT芯片la、lb、Ic、Id通過使柵極電位相對于集電極電位改變而實現接通/斷開。IGBT芯片la、Ib的集電極電位為中間電位AC，IGBT芯片lc、Id的集電極電位為負電位N。
[0061]在以上說明的半導體裝置中，第I柵極引線框架5與第2柵極引線框架6被配置于第I引線框架3與第2引線框架4之間，而且，第I柵極引線框架5與第2柵極引線框架6鄰接于IGBTla、lb、Ic、Id。借助于此，能夠將IGBTla、Ib的柵極連接于第I柵極引線框架5，且將IGBTlc、ld的柵極連接于第2柵極引線框架6。也就是說，能夠將多個IGBT芯片的柵極信號電連接于一根引線框架。例如IGBT芯片枚數為3枚、4枚的情況下，也能夠如上所述，將IGBT芯片排成一列，用I個引線框架電連接。因此，即使是并聯連接的芯片數增加，也不需要增加柵極信號用的引線框架，能夠抑制伴隨芯片枚數增加而發生的尺寸增大。
[0062]又，在上臂側的IGBT芯片la、Ib以及SFD芯片2a、2b與下臂側的IGBT芯片lc、Id以及SFD芯片2c、2d之間設置有第I柵極引線框架5和第2柵極引線框架6，因此上臂與下臂的芯片間的熱干擾被抑制。又，1681'芯片1&、113、1(3、1(1與3?0芯片2&、213、2(3、2(1之間也設置有凹部22，因此熱干涉同樣得到抑制。這樣就使得芯片發熱時的芯片溫度上升變小。
[0063]又，通過將良好的熱傳導材料銅板使用于第I引線框架3與第2引線框架6，使得芯片在第I引線框架5和第2引線框架6上產生的熱量容易散開。又，各臂的芯片枚數為IGBT芯片2枚、SR)芯片2枚，由于有多枚，因此第I引線框架5和第2引線框架6的熱容量大。因而芯片溫度不會急劇上升。
[0064]又，如圖5所示，第I引線框架3的切斷面29與第2柵極引線框架6的切斷面28被設置于相對的位置上，第2引線框架4的切斷面31與第I柵極引線框架5的切斷面30被設置于相對的位置上。這是因為在分別連接的狀態下利用壓模23實施了模壓成型，借助于模壓成型后的切斷加工而將連接部切斷了的緣故。即，在模壓成型時將第I柵極引線框架5和第2柵極引線框架的前端連接固定于第I引線框架3和第2引線框架4。于是，能夠抑制模壓成型時的成型壓力造成的柵極引線框架的變形。
[0065]又，貫通孔24如圖6所示形成為，在引線框架的切斷面之間較窄，此外的其他區域較寬。換句話說，引線框架的切斷部并非形成為只是切斷面從壓模23外露，而是形成為該引線框的一部分從壓模23的外側貫通孔突出。通過這樣使切斷的引線框架的一部分突出地形成貫通孔，在模壓成型后的第I柵極引線框架5與第2柵極引線框架6的連接部的切斷加工中，可以利用模具等從上下按壓切斷連接部。因此，加工性能良好，生產效率高。又，切斷加工造成的切斷面28、29、30、31的變形不會造成壓模23變形。
[0066]圖9表示流入圖8的等效電路的電流的流線。圖9(a)表示電流交互地向IGBT芯片la、Ib與Sro芯片2c、2d流動的狀態。電流相應于IGBT芯片la、Ib的接通/斷開而變為Il與12。圖9(b)表示電流交互地向IGBT芯片lc、Id與SR)芯片2a、2b流動的狀態。電流相應于IGBT芯片lc、Id的接通/斷開而變成13與14。圖9(c)表示在圖9(a)中IGBT芯片la、Ib接通時產生的恢復電流15。圖9(d)表示在圖9(b)中IGBT芯片lc、Id接通時產生的恢復電流16。
[0067]圖10表示流入半導體裝置40的電流的流線。電流I1、13通過第I引線框架3、第4引線框架17、第2引線框架4在正電位P與中間電位AC之間流動。電流12、14通過第2引線框架4、第5引線框架18、第3引線框架13在中間電位AC與負電位N之間流動。電流15、16通過第I引線框架3、第4引線框架17、第2引線框架4、第5引線框架18、第3引線框架13在正電位P與負電位N之間流動。
[0068]以上說明的半導體裝置中，電流Il?16不管通過哪一個芯片，電流流線的長度也都相等。例如，不管電流Il通過IGBT芯片Ia和IGBT芯片Ib中的哪一個，電流Il的流線的長度都相等。借助于此，并聯連接的芯片、例如IGBT芯片I a與I b、SFD芯片I a與I b中流動的電流的路徑長度都分別相等，芯片間的電流失衡得以抑制。這樣，即使是并聯連接的芯片枚數進一步增加，也能夠得到相同的效果。
[0069]又，電流15、16在半導體裝置40中渦旋狀流動。借助于此，在渦旋中心產生與半導體裝置40垂直的磁場，磁場在相鄰配置的金屬構件上引起渦流。作為相鄰配置的金屬構件，例如列舉下面所述的散熱片(圖17的散熱片42)。由于該渦流抵消磁場的效果，電流路徑的電感減小，恢復電流產生的電涌電壓減小。
[0070]又，電流11與12、電流13與14，如上所述交互地變化流動，但各自的流線，像例如第I引線框架3與第2引線框架4并列鄰接那樣相鄰。借助于此，能夠利用電流變化時產生的磁場變化減小互感。從而，減小IGBT芯片斷開時產生的電涌電壓。
[0071]如上所述，IGBT芯片la、lb的射極電位為中間電位AC，第2引線框架4與第4引線框架17為相同電位。而IGBT芯片la、lb的柵極信號流過第I柵極引線框架5。第I柵極引線框架5如圖2所示，與第2引線框架3并列鄰接，而且部分與第4引線框架17重疊。從而，柵極信號被射極電位所包圍，不受電涌電壓、外部來的噪聲的影響，耐噪聲性能好。同樣，IGBT芯片I c、Id的射極電位是負電位N，第3引線框架13與第5引線框架18為相同電位。對此，IGBT芯片lc、Id的柵極信號流過第2柵極引線框架6。第2柵極引線框架5的一部分與第3引線框架13并列鄰接，而且一部分與第5引線框架18重疊。從而，柵極信號被射極電位包圍，不受電涌電壓、外部來的噪聲影響，抗噪聲性能好。
[0072]下面參照圖11?14對本發明的半導體裝置的制造方法進行說明。
[0073]圖11表示本發明的半導體裝置40的制造工序。第I引線框架3與第3引線框架13、第2柵極引線框架6、各引線11、12用連接桿32和34連接。同樣，第2引線框架4、第I柵極引線框架5和各引線7、8、9、10用連接桿33和35連接。又，第I引線框架3與第2柵極引線框架6用連接部36連接。第2引線框架4與第I柵極引線框架5用連接部37連接。
[0074]圖12表示圖11的制造工序之后的制造工序。關于半導體裝置40，其壓模23是模壓成型的。在模壓成型中，以連接桿32?35與連接部36、37連接的狀態模壓成型。壓模23形成于連接桿34與連接桿35間的區域。
[0075]圖13是圖12的C—C剖面的剖面圖。圖14是圖12的D—D剖面的剖面圖。第2引線框架4與第I柵極引線框架5利用連接部37連接。又，壓模連接部38以與連接部37相同的形狀存在。
[0076]圖15表示圖12的制造工序之后的制造工序。貫通孔24利用切斷加工方法形成。借助于切斷加工去除連接部36、37與壓模連接部38。
[0077]其后，連接桿32、33、34、35利用切斷加工方法去除，再利用彎曲加工方法形成母線25、26和柵極銷27(參照圖4)。
[0078]在以上說明的半導體裝置的制造方法中，模壓成型時殘存連接桿32?35和連接部36、37，形成全部引線與引線框架連接的狀態。從而，引線和引線框架的剛性比各引線-引線框架分離的狀態下的剛性高。
[0079]又，連接桿與連接部利用模壓成型用的模具固定，由此能夠進一步提高引線與引線框架的剛性。由此，模壓成型壓力不會使引線和引線框架變形，而且殘存的連接桿與連接部、模壓成型形成的壓模連接部可以在模壓成型后通過切斷加工去除。從而，能夠以從模壓成型到切斷加工的連續的工序進行制造，生產效率高。
[0080]下面參照圖16?17對本發明的半導體裝置的冷卻結構進行說明。
[0081]圖16是從與圖4相反的一側的視點觀察半導體裝置40得到的背面圖。第I引線框架3與第2引線框架4、第3引線框架13、第I柵極引線框架5與第2柵極引線框架6，在與壓模23的表面相同的平面上具有從壓模23外露的冷卻面。又，在凹部22上形成有壓模23，在其內側設置有貫通孔24。
[0082]圖17表示本發明的半導體裝置的冷卻結構的一例。半導體裝置40利用具有散熱性的絕緣性粘接片41粘接于冷卻片42。半導體裝置40并列配置有三個，分別承擔3相交流電的U相、V相、W相。冷卻片42具備通過鍛造成型而形成的葉片43。
[0083]以上說明的半導體裝置的冷卻結構中，圖16所示的半導體裝置40的冷卻面利用絕緣性粘接片41粘接于冷卻片42。又，關于半導體裝置40的背面，雖然第I引線框架3與第2引線框架4、第3引線框架13、第I柵極引線框架5與第2柵極引線框架6作為冷卻面外露，但是其外緣由壓模23包圍著。由此，引線框架外緣的角部不會損傷絕緣性粘接片41，絕緣可靠性尚O
[0084]又，如上所述，對貫通孔24進行切斷加工時切斷面28?31的變形造成的壓模23的變形得到抑制，因此半導體裝置40的冷卻面容易確保平面度，與絕緣性粘接片41的緊貼性良好。因此，在絕緣性粘接片的接合界面上，空隙、剝離的發生得以抑制，能夠抑制在接合界面的熱傳導性的下降，且接合可靠性高。
[0085]冷卻片42與葉片43用例如高熱傳導性的鋁合金構成。絕緣粘接片41利用例如環氧樹脂與高熱傳導性填料構成。因此，絕緣性粘接片41的熱傳導性比冷卻片42和葉片43以及第1引線框架3和第2引線框架4都低。由此，1681'芯片1&、113、1(3、1(1與3^)芯片2&、213、2(3、2(1產生的熱利用第I引線框架3和第2引線框架4擴散，通過絕緣性粘接片41傳達到冷卻片42。從而，從芯片到引線框架間的熱容量大，能夠抑制芯片的急劇溫升。
[0086]又，絕緣粘接片41由于與冷卻片42直接接合，因此從絕緣粘接片42到葉片43中流動的致冷劑為止的熱阻小。由此，從芯片到致冷劑為止的總熱阻小，芯片的溫升小。
[0087]又，多個半導體裝置40沿著半導體裝置40的短邊方向配置。這時葉片43中流動的致冷劑沿著半導體裝置40的長邊方向流動。也就是說，葉片43中流動的致冷劑向IGBT芯片Ia、Ib、SR)芯片2c、2d并列的方向流動。由于致冷劑這樣流動，致冷劑的因芯片產生的熱造成的溫度上升、例如U相半導體裝置40中溫度上升了的致冷劑不會流入V相以及W相半導體裝置40。因此，即使是采用空氣、油等熱容量小的致冷劑，也不會受到致冷劑溫度變化的影響，芯片的溫度偏差小。
[0088]下面參照圖18?19對本發明的電力變換裝置的實施形態進行說明。。
[0089]圖18表示本發明的電力變換裝置60的實施形態的一例。本實施形態的電力變換裝置60具有與U、V、W三相對應的3個半導體裝置40。3個半導體裝置40沿各半導體裝置40的短邊方向鄰接配置。各半導體裝置40以母線25向著同一方向的方式配置。
[0090]半導體裝置40利用絕緣粘接片41粘接于冷卻片42。冷卻片42用高熱傳導性的鋁合金形成。外殼50以將多個半導體裝置40圍起的方式固定于冷卻片42。外殼50利用絕緣性樹脂材料形成。外殼50具備兼任N母線44、P母線45、W母線46、V母線47、U母線48的固定和絕緣的支架部。外殼50具備N母線44、P母線45、W母線46、V母線47、U母線48的外部連接用的端子臺52。外殼50具備用于固定控制裝置的轂(boss)51，該控制裝置用于控制半導體裝置40。
[0091]N母線44與各半導體裝置40具備的母線25中、與第3引線框架13連接的母線電連接。P母線45與各半導體裝置40具備的母線25中、與第I引線框架3連接的母線電連接。P母線45以與N母線44相向且平行的方式配置。N母線44及P母線45固定于外殼50。
[0092]U母線48與U相的半導體裝置40的母線26電連接。V母線47與V相的半導體裝置40的母線26電連接。W母線46與W相的半導體裝置40的母線26電連接。
[0093]在與U相的半導體裝置40相鄰的地方，配置有使電力變換裝置60的整流用電容器放電用的放電電阻49。U相的半導體裝置40保留圖11所示的連接桿34、35的一部分，放電電阻49與該連接桿電連接。
[0094]圖19是圖18的E— E剖面的剖面圖。還有，為避免附圖復雜化，對表示剖面結構的一部分構件沒有圖示出剖面線。半導體裝置40被配置于與冷卻片42粘接的外殼50內。又，配置在外殼50內的半導體裝置40利用絕緣性封裝材料554封裝。半導體裝置40的母線25、26及柵極銷27如圖4所示，從壓模23開始沿著引線框架的長邊方向突出，然后如圖19所示，在封裝材料54內彎曲，然后從封裝材料54突出。
[0095]外殼50具有借助于模壓成型而形成為一體的銷子53。銷子53與母線25、26上形成的孔嵌合，起對母線25、26進行定位的作用。又，外殼50具有借助于模壓成型形成的孔，配置有螺母57。螺母57用于母線25、N母線44和電力變換裝置60的整流用電容器的固定。
[0096]母線26通過焊接與W母線46連接。在夾著半導體裝置40與冷卻片42相對的區域內，用轂(boss)51(參照圖18)將控制裝置55固定于外殼50。控制裝置55通過焊錫56與柵極銷27電連接。N母線44與P母線45被配置于母線25與螺母57之間。N母線44沿著半導體裝置40的短邊方向延伸，且向與螺母57連接的連接部彎曲。
[0097]圖20是圖19的F— F剖面的剖面圖。貫通孔24中也充填有封裝材料54。封裝材料54以覆蓋第2引線框架4及第I柵極引線框架5的貫通孔24側的突出部的方式形成。
[0098]在以上說明的電力變換裝置中，半導體裝置40的母線25、26與柵極銷27用封裝材料54封裝，貫通孔24也同樣用封裝材料54封裝。由此，各母線間和各柵極銷間的絕緣、母線以及柵極銷與冷卻片間、貫通孔內的各引線框架與各柵極引線框架間利用封裝材料54絕緣。從而，絕緣可靠性好。
[0099]又，在封裝材料54內，各柵極銷、母線間的絕緣距離、以及貫通孔內的柵極引線框架、引線框架間的絕緣距離比空間絕緣距離短。從而，半導體裝置的母線與柵極銷突出的邊的長度短，而且貫通孔小。
[0100]絕緣性粘接片41和半導體裝置40—樣用封裝材料54封裝。因此，絕緣性粘接片不會受環境影響而劣化，例如不會因吸濕而導致粘接力下降，可靠性高。封裝材料54雖然以液態充填于外殼50并固化，但是通過在充填前將冷卻片42與外殼50粘接，封裝材料54不會流出，能夠將UVW相的半導體裝置40與放電電阻49同時封裝，因此生產效率高。
[0101]關于N母線44與P母線45、UVW相半導體裝置40間的電流，例如有電流從U相半導體裝置40的母線25通過N母線44往V相半導體裝置40的母線25流動的情況下，該電流以母線25與N母線44的螺母57的固定點為起點逆向流動。對此，由于N母線44與母線25平行地延伸而且重疊，因此流往母線的電流是相向的。而且，由于N母線44與P母線45在外殼50內重疊，因此N母線與P母線的電感小。借助于此，電力變換裝置60的整流用電容器連接于U、V、W相所有的母線25上，即使是在例如其連接場所、U相母線25和V相母線25上整流用電容器的電感不同的情況下，各半導體裝置40也能夠使電流通過N母線與P母線，從電感最低的連接場所、或電感最低的多個連接部位流出流入。從而，能消除電感的偏差，而且降低電涌電壓。
[0102]外殼50借助于模壓成型一體地形成兼任N母線44、P母線45、W母線46、V母線47、U母線48的絕緣與固定的支架部、這些母線的端子臺52、控制裝置55的固定用的轂51、螺母57的固定孔、銷子53、封裝材料54的護罩，生產效率高，能夠將各構件做得小。又，半導體裝置40利用銷子53確定固定位置，將N母線44、P母線45、W母線46、V母線47、U母線48也固定于外殼50的支架部，控制裝置也固定于轂51。于是，母線25、26與N母線44、P母線45、W母線46、V母線47、U母線48的連接部的位置偏離、柵極銷27與控制裝置55的連接部的位置偏離小，生產效率高。
[0103]近年來混合動力汽車、電動汽車等用的電力變換裝置由于燃料費進一步提高，追求高輸出化，大電流化以及低損耗化正在取得進展。伴隨這種情況，當然要求芯片的冷卻性能有所提高，也有必要使開關速度高速化、抑制因高速化產生的電涌電壓。而且也不允許伴隨大電流化而增大尺寸。針對這些要求，根據本發明的構成，將第I柵極引線框架5與第2柵極引線框架6配置于第I引線框架3與第2引線框架4之間，而且鄰接IGBTla、lb、lc、ld。
[0104]又，在貫通孔24中，第I引線框架3和第2柵極引線框架6的切斷面28和29，與第2引線框架4和第I柵極引線框架5的切斷面30和31，被設置于相對的位置，以分別連接的狀態利用壓模23模壓成型，通過模壓成型后的切斷加工切斷連接部。根據以上所述，可以將IGBTla、Ib的柵極信號電連接于第I柵極引線框架5，將IGBTlc、Id的柵極信號電連接于第2柵極引線框架6，將多枚芯片的柵極信號電連接于一個引線框架，例如芯片枚數為3枚、4枚的情況下，也可以通過將芯片排成一列，來用一個引線框架進行電連接。從而，容易配置多枚芯片，能夠實現大電流化，不會因大電流化而加大尺寸。而且，由于在上臂側的IGBT芯片
1&、比及5^)芯片2&、213與下臂側的1681'芯片1(3、1(1及3?0芯片2(3、2(1之間設置有第1柵極引線框架5與第2柵極引線框架6，因此芯片間沒有熱干擾，芯片散熱性能好，芯片溫度上升小。
[0105]又，在模壓成型時，第I柵極引線框架5和第2柵極引線框架的前端連接固定于第I引線框架3和第2引線框架4。因而，不會因模壓成型時的成型壓力造成柵極引線框架的變形，生產效率高。而且，冷卻片42與葉片43用高熱傳導性的鋁合金構成，絕緣粘接片41用環氧樹脂和高熱傳導性填料構成。因此，絕緣性粘接片41的熱傳導性比冷卻片42和葉片43以及第1引線框架3和第2引線框架4低。借助于此，1681'芯片1&、113、1(3、1(1和3?0芯片2&、213、2(3、2d產生的熱由第I引線框架3和第2引線框架4擴散，通過絕緣性粘接片41向冷卻片42傳達。從而，芯片到引線框架間的熱容量大，能夠抑制芯片溫度的急劇上升。
[0106]又，由于絕緣粘接片41與冷卻片42直接接合，因此從絕緣粘接片到葉片43中流動的致冷劑為止的熱阻小。由此，從芯片到致冷劑為止的總熱阻小，芯片溫升小。借助于以上說明的效果，能夠抑制半導體裝置的芯片的溫升，能夠實現大電流化和小型化。而且由于生產效率高，能夠提供廉價的半導體裝置。
[0107]又，根據本發明的構成，半導體裝置中流動的電流有:通過第I引線框架3和第4引線框架17在正電位P與中間電位AC間流動的電流、通過第2引線框架4與第5引線框架18、第3弓I線框架13在中間電位AC與負電位N間流動的電流、通過第I?5引線框架3、4、13、17、18在正電位P與負電位N間流動的電流，各電流不管通過哪個芯片，電流流線的長度都相等。從而，并聯連接的芯片、例如IGBT芯片I a和I b、Sro芯片I a和I b中流動的電流分別相等，芯片間不存在電流失衡，其結果是，芯片的發熱相同，芯片溫升小。這在并聯連接的芯片枚數增加至IJ3枚、4枚的情況下也能夠得到相同的效果。
[0108]又，由于通過第I?5引線框3、4、13、17、18在正電位P與負電位N間流動的恢復電流在半導體裝置中渦旋流動，因此在渦旋中心產生與半導體裝置垂直的磁場。借助于該磁場，在散熱片42中產生渦流，電感減小。又，由于第I引線框架3與第2引線框架4并列鄰接，因此電流變化時產生的磁場變化導致電感減小。由于這些電感減小，芯片開關時產生的電涌電壓減小。由此，芯片損耗減小，
[0109]又，可以采用低損耗的低耐壓芯片，其結果是，芯片溫升小。而且，IGBT芯片la、Ib的柵極信號的第I柵極引線框架5與第2引線框架3并列鄰接，而且與第4引線框架17部分重疊，IGBT芯片lc、ld的柵極信號的第2柵極引線框架5與第3引線框架13部分并列鄰接，而且與第5引線框架18部分重疊。從而，柵極信號被射極電位包圍著，不受電涌電壓、外部來的噪聲的影響，抗噪聲性能好。根據以上說明的效果，能夠提供可抑制半導體裝置的芯片的溫升，而且抗噪聲性能好的半導體裝置。
[0110]根據本發明的電力變換裝置的構成，半導體裝置40的母線25、26和柵極銷27、貫通孔24用封裝材料54封裝，各母線間與各柵極銷間的絕緣、母線及柵極銷與冷卻片間、貫通孔內的各引線框架與各柵極引線框架間利用封裝材料絕緣。又，由于利用封裝材料絕緣，各柵極銷與母線間、以及貫通孔內的柵極引線框架與引線框間的絕緣距離短，半導體裝置的母線與柵極銷突出的邊的長度小，而且貫通孔小。還有，絕緣性粘接片41利用封裝材料54封裝，絕緣性粘接片不會因環境而劣化，不會因例如吸濕而降低粘接力。
[0111]又，外殼50具備:借助于一體化模壓成型，兼任N母線44、P母線45、W母線46、V母線47、U母線48的絕緣和固定的支架部;各母線的端子臺52;控制裝置55的固定用的轂51;螺母57的固定孔;半導體裝置40的位置固定用的銷子53;封裝材料54的護罩；以及銷子53。這樣能夠使各構件小型化，而且能夠消除母線25、26與N母線44、P母線45、W母線46、V母線47、U母線48的連接部的位置偏離和柵極銷27與控制裝置55的連接部的位置偏離，因此能夠提高生產效率。封裝材料54也是以液態往外殼50中充填后固化的，因此能夠同時封裝UVW相的半導體裝置40和放電電阻49，生產效率高。根據以上說明的效果，由于小型化、可靠性好，而且生產效率高，因此能夠提供價格低廉的電力變換裝置。
[0112]而且，根據本發明的構成，母線25與N母線44以及P母線45間流動的電流以螺母57的固定點為起點在兩條母線內相向流動。又，由于N母線44與P母線45在外殼50內重疊，因此在N母線、P母線、半導體裝置間流動的電流的電感低。由此，即使是電力變換裝置60的整流用電容器的電感不同的情況下，各半導體裝置40也能夠通過N母線44和P母線45從電感最低的母線25的連接場所、或電感最低的多條母線25的連接部位流出電流或流入電流。因此電感低，芯片開關時產生的電涌電壓減小。由此，芯片損耗小，另外，能夠采用低損耗的低耐壓芯片，其結果是，芯片溫度上升小。根據以上說明的效果，電力變換裝置的芯片的溫升得到抑制。
[0113]圖21表示另一實施形態的半導體裝置40的引線框架形狀。圖1所示的半導體裝置40通過將連接第I引線框架3與第2柵極引線框架6的連接部切斷，且將連接第2引線框架4與第I柵極引線框架5的連接部切斷而形成。圖21所示的半導體裝置40與此不同，通過將連接第I柵極引線框架5與第2柵極引線框架6的連接部切斷而形成。通過預先將引線框架形成為這樣的形狀，可以將引線框架的切斷部形成于I處，提高加工效率。又，可以將貫通孔做得小。本實施形態的半導體裝置也能夠得到與上述第I實施形態相同的效果。
[0114]符號說明
[0115]la、lb、lc、ld."IGBT 芯片，
[0116]2a、2b、2c、2d."SFD 芯片，
[0117]3…第I引線框架，
[0118]4…第2引線框架，
[0119]5…第I柵極引線框架，
[0120]6…第2柵極引線框架，
[0121]7…熱敏電阻引線，
[0122]8…熱敏電阻引線，
[0123]9…第I集電極引線，
[0124]10...第I射極引線，
[0125]11…第2集電極引線，
[0126]12...第2射極引線，
[0127]13...第3引線框架，
[0128]14&α4?3、14οα4(1、14θα4?...鋁線，
[0129]15…熱敏電阻，
[0130]17...第4引線框架，
[0131]18...第5引線框架，
[0132]19…焊錫，
[0133]20…焊錫，
[0134]2l...焊錫，
[0135]22...凹部，
[0136]23...壓模，
[0137]24…貫通孔，
[0138]25...母線，
[0139]26…母線，
[0140]27...柵極銷，
[0141]28、29、30、31 …切斷面，
[0142]32、33、34、35 …連接桿，
[0143]36、37…連接部，
[0144]38...壓模連接部，
[0145]40...半導體裝置，
[0146]41…絕緣性粘接片，
[0147]42...冷卻片，
[0148]43…葉片，
[0149]44...Ν 母線，
[0150]45...Ρ 母線，
[0151]46...W 母線，
[0152]47...ν 母線，
[0153]48...υ 母線，
[0154]49...放電電阻，
[0155]50…外殼，
[0156]51...轂，
[0157]52…端子臺，
[0158]53…銷子，
[0159]54…封裝材料，
[0160]55…控制裝置，
[0161]56…焊錫，
[0162]57…螺母，
[0163]60…電力變換裝置，
[0164]P...正電位，
[0165]N…負電位，
[0166]AC…中間電位，
[0167]I1、I2、I3、I4 …電流流線，
[0168]15、16…恢復電流流線，
[0169]U…U相、V…V相、W…W相。
【主權項】
1.一種功率半導體裝置的制造方法， 所述功率半導體裝置具備: 構成逆變器電路的上臂的第I功率半導體元件； 構成所述逆變器電路的下臂的第2功率半導體元件； 向所述第I功率半導體元件傳達電力的第I引線框架； 向所述第2功率半導體元件傳達電力的第2引線框架； 所述第I功率半導體元件傳達控制信號的第I柵極引線框架；以及封裝所述第I功率半導體元件、所述第2功率半導體元件、所述第I引線框架、所述第2引線框架、以及所述第I柵極引線框架的封裝構件， 所述功率半導體裝置的制造方法的特征在于，包括: 第I工序，用所述封裝構件將第2功率半導體元件加以封裝，該第2功率半導體元件是安裝在一體地形成有所述第I柵極引線框架與所述第2引線框架的引線框架上的元件；以及第2工序，在所述封裝構件上形成貫通孔，且將連接所述第I柵極引線框架與所述第2引線框架的連接部切斷。2.一種功率半導體裝置，其特征在于，具備: 構成逆變器電路的上臂的第I功率半導體元件； 構成所述逆變器電路的下臂的第2功率半導體元件； 向所述第I功率半導體元件傳達電力的第I引線框架； 向所述第2功率半導體元件傳達電力的第2引線框架； 向所述第I功率半導體元件傳達控制信號的第I柵極引線框架；以及封裝所述第I功率半導體元件、所述第2功率半導體元件、所述第I引線框架、所述第2引線框架、以及所述第I柵極引線框架的封裝構件， 所述封裝構件上形成有貫通孔， 在所述貫通孔的內周面，所述第I柵極引線框架的一部分外露，且所述第2引線框架的一部分外露。3.根據權利要求2所述的功率半導體裝置，其特征在于， 所述第I柵極引線框架配置于所述第I引線框架與所述第2引線框架之間。4.根據權利要求2或3所述的功率半導體裝置，其特征在于， 所述貫通孔的所述內周面上的所述第I柵極引線框架的外露面與在所述封裝構件上形成所述貫通孔的切斷面形成相同的面， 所述貫通孔的所述內周面上的所述第2引線框架的外露面與所述切斷面形成相同的面。5.根據權利要求2?4中的任一項所述的功率半導體裝置，其特征在于， 所述第I柵極引線框架以使該第I柵極引線框架的所述外露面的面積比該第I柵極引線框架的所述封裝構件內的剖面積小的方式形成。6.根據權利要求2?5中的任一項所述的功率半導體裝置，其特征在于， 所述第I功率半導體元件由電并聯連接的多個功率半導體元件構成， 所述第I柵極引線框架沿著多個所述第I功率半導體元件的排列方向形成。7.根據權利要求2?6中的任一項所述的功率半導體裝置，其特征在于， 所述第I功率半導體元件由電并聯連接的多個功率半導體元件構成， 所述第I引線框架在該第I引線框架的表面形成有凹形狀的槽， 所述多個第I功率半導體元件以如下方式被安裝于所述第I引線框架:該多個第I功率半導體元件中的一部分所述第I功率半導體元件夾著所述槽配置于一側，且該多個第I功率半導體元件的其余的所述第I功率半導體元件夾著所述槽配置于另一側。8.—種電力變換裝置，其特征在于，具備:權利要求2?7中的任一項所述的功率半導體裝置;對所述功率半導體裝置進行冷卻的散熱構件；以及絕緣構件， 所述功率半導體裝置的所述第I引線框架被配置為:在該第I引線框架中，配置有所述第I功率半導體元件的那一側的相反側的面從所述封裝構件外露， 所述散熱構件夾著所述絕緣構件與所述功率半導體裝置的所述第I引線框架相對配置。9.根據權利要求8所述的電力變換裝置，其特征在于， 具備供致冷劑流動的致冷劑流路， 所述第I功率半導體元件由電并聯連接的多個功率半導體元件構成， 所述功率半導體元件以多個所述第I功率半導體元件的排列方向沿著所述致冷劑的流動方向的方式配置。10.根據權利要求8或9所述的電力變換裝置，其特征在于， 具備收容所述功率半導體裝置的外殼， 所述功率半導體裝置利用充填于所述外殼內的封裝材料固定。11.根據權利要求8?10中的任一項所述的電力變換裝置，其特征在于， 在所述功率半導體裝置的所述貫通孔中充填有所述封裝材料。
【文檔編號】H02M7/00GK105900323SQ201480072478
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年11月28日
【發明人】藤野伸, 藤野伸一, 久米貴史
【申請人】日立汽車系統株式會社