阅读说明：本技术 功率模块以及电力变换装置 (Power module and power conversion device ) 是由 近藤聪 藤野纯司 松井智香 于 2019-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供对在金属配线之下形成孔洞进行了抑制的功率模块。具备：半导体元件；基板,其搭载半导体元件；接线部,其由多个配线的队列构成；壳体,在其底面侧配置基板,该壳体收容半导体元件以及接线部；以及绝缘封装材料,其填充在壳体内,构成接线部的多个配线以在相同的方向成环,各自的配线高度至少朝向队列的一个方向而逐渐地变高的方式配置。(The invention provides a power module which suppresses the formation of holes under metal wiring. The disclosed device is provided with: a semiconductor element; a substrate on which a semiconductor element is mounted; a wiring section configured from a line of a plurality of wires; a case in which a substrate is disposed on a bottom surface side and which houses the semiconductor element and the wiring portion; and an insulating sealing material filled in the housing, wherein a plurality of wires constituting the wire connection portion are looped in the same direction, and the respective wire heights are arranged so as to gradually increase toward at least one direction of the array.)

功率模块以及电力变换装置

技术领域

本发明涉及功率模块，特别地，涉及对填充在壳体内的绝缘封装材料中的孔洞的形成进行了抑制的功率模块。

背景技术

通常的功率模块通过将半导体元件与绝缘基板之上的电路图案由金属配线等电连接而形成电路，但伴随功率模块内的高密度化、高可靠性化，存在与半导体元件连接的金属配线的根数增加的倾向，金属配线的配置密度升高，例如，如专利文献1的图9A所公开的那样，采用了将键合位置一点一点地错开而进行键合的交错键合的功率模块正在增加。

专利文献1：日本特表2007-502544号公报

但是，如果由于功率模块的额定值的多样化、大电流化，功率模块内的金属配线的根数增加，则有可能出现以下情况，即，配线间隔变窄，绝缘封装材料所含有的气泡变得难以从金属配线的间隙放出，气泡滞留在金属配线之下，最终，在金属配线之下作为孔洞而残留。

发明内容

本发明就是为了解决这样的问题而提出的，其目的在于提供对在金属配线之下形成孔洞进行了抑制的功率模块。

本发明涉及的功率模块具备：半导体元件；基板，其搭载半导体元件；接线部，其由多个配线的队列构成；壳体，在其底面侧配置所述基板，该壳体***述半导体元件以及所述接线部；以及绝缘封装材料，其填充在所述壳体内，构成所述接线部的所述多个配线以在相同的方向成环，各自的配线高度至少朝向队列的一个方向而逐渐地变高的方式配置。

发明的效果

根据本发明涉及的功率模块，构成接线部的多个配线各自的配线高度至少朝向队列的一个方向而逐渐地变高，因而金属配线之下的绝缘封装材料中的气泡变得容易从金属配线之下排出，能够抑制在金属配线之下形成孔洞。

附图说明

图1是本发明涉及的实施方式1的功率模块的剖面图。

图2是对本发明涉及的实施方式1的功率模块从上方进行观察的局部俯视图。

图3是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的第1例进行说明的俯视图。

图4是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的第1例进行说明的剖面图。

图5是对排气构造的排气的机制进行说明的示意图。

图6是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的第2例进行说明的俯视图。

图7是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的第2例进行说明的剖面图。

图8是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的第3例进行说明的俯视图。

图9是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的第3例进行说明的剖面图。

图10是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的第3例进行说明的剖面图。

图11是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的第4例进行说明的俯视图。

图12是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的第4例进行说明的剖面图。

图13是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的第5例进行说明的俯视图。

图14是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的第5例进行说明的俯视图。

图15是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的第5例进行说明的剖面图。

图16是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的第6例进行说明的俯视图。

图17是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的第6例进行说明的剖面图。

图18是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的向其它部分的应用例进行说明的俯视图。

图19是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的向其它部分的应用例进行说明的剖面图。

图20是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的向其它部分的应用例进行说明的俯视图。

图21是对本发明涉及的实施方式1的功率模块的接线部的排气构造的向其它部分的应用例进行说明的剖面图。

图22是表示本发明涉及的实施方式2的电力变换装置的结构的框图。

标号的说明

1壳体，2主电极端子，3绝缘基板，4绝缘封装材料，5金属配线，104半导体元件。

具体实施方式

＜实施方式1＞

图1是本发明涉及的实施方式1的功率模块100的剖面图。另外，图2是对功率模块100从上方进行观察的局部俯视图，省略了封装树脂等。此外，图2中的A-B-A线处的箭头方向的剖面是图1的剖面。

如图1所示，就功率模块100而言，绝缘基板3通过焊料(基板下焊料)107b而与基座板101的上表面接合，包含开关元件104a以及续流二极管104b的半导体元件104通过焊料107a而与绝缘基板3(基板)的上表面接合。基座板101被收容至壳体1的底面侧的开口部，该壳体1的上表面侧以及底面侧为开口部，与底面侧的开口部相同形状以及相同面积的基座板101构成壳体2的底面。

绝缘基板3在绝缘材料103d的上表面设置有上侧导体图案103a以及103b，在下表面设置有下侧导体图案103e，绝缘材料103d例如由树脂、Al₂O₃、AlN以及Si₃N₄等陶瓷材料构成。另外，也可以使用图案化形成了电路图案的引线框来取代绝缘基板3。

就半导体元件104而言，作为开关元件104a，例如使用IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)。此外，在作为开关元件104a使用SiC(碳化硅)-MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor)的情况下，作为续流二极管104b也能够使用SiC-SBD(Shottky Barrier Diode)。由SiC、Ga₂O₃、GaN等宽带隙半导体材料形成的MOSFET由于耐压高、容许电流密度也高，因此与由硅半导体材料形成的MOSFET相比，能够小型化，通过装有该MOSFET，从而能够实现功率模块的小型化。

开关元件104a以及续流二极管104b通过焊料107a而与绝缘基板3的上侧导体图案103a接合，但也可以使用包含烧结性的Ag(银)或者Cu(铜)颗粒的接合材料，与焊料接合的情况相比，通过使用烧结性的接合材料能够使接合部的寿命提高。在使用采用了能够在高温下工作的SiC的半导体装置(SiC半导体装置)的情况下，使用烧结材料而提高接合部的寿命这一做法能够更为有效地发挥SiC半导体装置的特性。

在壳体1的侧面设置有流过主电流的主电极端子2，主电极端子2从壳体1的侧面延伸至壳体1的上表面，在壳体1的上表面露出至外部。另外，在壳体1的设置了主电极端子2侧的侧面设置有控制端子21，控制端子21从壳体1的侧面延伸至壳体1的上表面，在壳体1的上表面露出至外部。

在壳体1内，开关元件104a与二极管104b的上表面电极109之间、二极管104b的上表面电极109与上侧导体图案103b、上侧导体图案103b与主电极端子2通过多个金属配线5而接线。另外，开关元件104a的控制电极(未图示)经由金属配线51而与控制端子21接线。此外，下面，将对部件与部件之间进行接线的多个金属配线5的队列称呼为接线部。

基座板101被收容至壳体1内，壳体1与基座板101通过树脂粘接剂等而接合，由此成为有底无盖的壳体1，通过将环氧树脂等绝缘封装材料4从壳体1的上表面侧的开口部导入，从而基座板101、绝缘基板3、半导体元件104、金属配线5以及51被绝缘封装材料4覆盖，被树脂封装。此外，作为绝缘封装材料4，也可以使用硅类的封装材料。

这里，基座板101能够使用复合材料即AlSiC板以及Cu板，但在使用半导体元件104时，只要具有足够的绝缘性能和强度，则也可以由绝缘基板3构成壳体1的底面而不设置基座板101。即，也可以设为在绝缘基板3的下表面设置有下侧导体图案103e，下侧导体图案103e作为壳体1的底面而露出的结构。

如前所述，如果功率模块100内的金属配线5的根数增加，则配线间隔变窄，绝缘封装材料4所含有的气泡难以从金属配线5的间隙放出。

＜排气构造的第1例＞

图3以及图4是对接线部的配线配置进行说明的图，该接线部的配线配置具有在配线间隔窄的情况下，使金属配线5之下的气泡向上方移动的排气构造，图3是对功率模块100从上方进行观察的局部俯视图，图4是图3中的C-C线处的矢向剖面图。

在图3以及图4中，例示出将绝缘基板3之上的二极管104b与上侧导体图案103b通过导线键合而由多个金属配线5进行接线的接线部，如图3所示，金属配线5的配置间隔成为金属配线5的线宽程度。例如，在金属配线5的线宽为1mm左右、金属配线5的配置间隔小于或等于1mm的情况下，将绝缘封装材料4填充至壳体1内，在绝缘封装材料4内的气泡的直径为1mm～3mm的情况下，气泡无法从金属配线5之间排出，滞留于金属配线5。滞留的气泡有可能聚集，直径进一步变大。

但是，如图4所示，多个金属配线5在相同的方向成环(looping)，各自的配线高度不同，各自的配线高度以朝向队列的一个方向逐渐地变高或者逐渐地变低的方式配置。在图4中，面对附图，朝向左侧而配线高度变高。将以如上这样配线高度变化的方式配置有金属配线5的构造定义为排气构造。

这里，使用图5对排气构造的排气的机制进行说明。图5示出多个金属配线5在相同的方向成环，面对附图，朝向右侧而配线高度变高的排气构造，通过导线键合而将多个金属配线5键合至导体MB之上，在成为环状的多个金属配线5与导体MB之间存在气泡BB。气泡BB的大小比金属配线5的配置间隔大，因而无法从金属配线5之间穿过。此外，连同导体MB在内，多个金属配线5被绝缘封装材料覆盖，气泡BB存在于绝缘封装材料之中，但为方便起见，绝缘封装材料省略图示。

如图5所示，最初，位于配线高度低的金属配线5侧的气泡BB如箭头AR所示的那样，随着时间经过而向配线高度高的金属配线5侧移动，最终从金属配线5之下排出。其原因在于，绝缘封装材料的比重，例如，如果是环氧树脂则为1.9，气泡BB的比重，例如，如果是空气则为1，由于它们之间的比重差，从而气泡BB从低的位置朝向高的位置而移动。从金属配线5之下排出的气泡BB在绝缘封装材料为固化前的液态的状态下向上方移动，另外，在热固化时，绝缘封装材料的粘度会暂时下降，因而，气泡BB变得容易向上方移动。因此，绝缘封装材料中的气泡聚集于在壳体1填充的绝缘封装材料4的上表面，从绝缘封装材料放出(排气)。由此，能够减少绝缘封装材料中的气泡。以往，金属配线5之下的气泡难以排气，但通过使用上述的排气构造，从而金属配线5之下的气泡也变得容易排气。因此，就固化后的绝缘封装材料而言，能够抑制在金属配线5之下气泡作为孔洞而残留，能够确保功率模块100的绝缘性。

＜排气构造的第2例＞

图6以及图7是对配线配置进行说明的图，该配线配置具有在配线间隔窄的情况下，使金属配线5之下的气泡向上方移动的排气构造，图6是对功率模块100从上方进行观察的局部俯视图，图7是图6中的C-C线处的矢向剖面图。此外，金属配线5的配置位置、配置间隔等与图3以及图4相同。

在图6所示的排气构造中，多个金属配线5各自的配线高度以配线队列的中央部为最低，从中央部面对附图朝向左方向(第1方向)以及右方向(第2方向)而配线高度变高。因此，存在于环状的多个金属配线5之下的气泡朝向排气构造的右侧以及左侧的至少一者移动，从金属配线5之下排出，能够将金属配线5之下的气泡进行排气。

＜排气构造的第3例＞

图8以及图9是对配线配置进行说明的图，该配线配置具有在配线间隔窄的情况下，使金属配线5之下的气泡向上方移动的排气构造，图8是对功率模块100从上方进行观察的局部俯视图，图9是图8中的C-C线处的矢向剖面图。此外，金属配线5的配置位置与图3以及图4相同。

在图9所示的排气构造中，在配线队列的中央部，配置间隔比其它部分宽，从中央部面对附图朝向左方向(第1方向)以及右方向(第2方向)而配线高度变低。

因此，存在于环状的多个金属配线5之下的气泡从排气构造的右侧以及左侧的至少一者朝向中央部移动，在中央部的间隙，从金属配线5之下排出，能够将金属配线5之下的气泡进行排气。

此外，考虑到气泡的直径为1mm～3mm，中央部的间隙设定在1mm～3mm的范围。

另外，当能够在配线队列的中央部使配置间隔比其它部分宽的情况下，也可以设为如下排气构造，即，与图9所示的排气构造相反地，如图10所示，多个金属配线5各自的配线高度在配线队列的中央部侧最低，从中央部面对附图朝向左方向(第1方向)以及右方向(第2方向)而配线高度变高。

由此，存在于环状的多个金属配线5之下的气泡朝向排气构造的右侧以及左侧的至少一者移动，从金属配线5之下排出，能够将金属配线5之下的气泡进行排气。此外，导线队列的中央部的间隙宽，因而存在于靠近导线队列中央部的金属配线5之下的气泡有时从中央部排出，排气的效果提高。

＜排气构造的第4例＞

图11以及图12是对导线配置进行说明的图，该导线配置具有在配线间隔窄的情况下，使金属配线5之下的气泡向上方移动的排气构造，图11是对功率模块100从上方进行观察的局部俯视图，图12是图11中的C-C线处的矢向剖面图。此外，金属配线5的配置位置与图3相同。

在图11所示的排气构造中，以在导线队列的中央部，配置间隔比其它部分宽，并且以中央部为边界分别向左方向(第1方向)以及右方向(第2方向)倾斜的方式配置有金属配线5。因此，如图12所示，多个金属配线5各自的配线高度从中央部面对附图朝向左方向以及右方向而变低，并且就中央部而言，与近端侧(二极管104b侧)相比，远端侧(上侧导体图案103b)更宽。

因此，存在于环状的多个金属配线5之下的气泡变得容易从排气构造的中央部排出。

＜排气构造的第5例＞

图13是对导线配置进行说明的图，该导线配置具有在配线间隔窄的情况下，使金属配线5之下的气泡向上方移动的排气构造，图13是对功率模块100从上方进行观察的局部俯视图。

在图13所示的排气构造中，相邻的金属配线5的键合位置以彼此不同的方式错开而交错地键合。通过进行交错的键合，从而即使在将配线间隔进一步变窄的情况下，也能够确保键合器材的***空间，因而变得容易键合。

在进行这样的交错的键合的情况下，同样地，例如，如图4所示，以多个金属配线5各自的配线高度朝向队列的一个方向逐渐地变高或者逐渐地变低的方式进行配置，由此存在于环状的多个金属配线5之下的气泡朝向配线高度高的金属配线5侧移动、排气。

另外，如上所述，在进行交错的键合的情况下，在改变多个金属配线5各自的配线高度的情况下，配线长度变化，由此电感(电阻)变化。因此，通过使配线长度一致，从而能够统一电感，能够使功率模块100的电路设计简化。

图14是表示在进行交错的键合的情况下，使配线长度一致的情况下的排气构造的俯视图，图15是与图4相对应的剖面图。

如图14以及15所示，以配线高度最低的金属配线5的俯视观察时的配线长度最长、配线高度最高的金属配线5的俯视观察时的配线长度最短的方式，设定多个金属配线5各自的俯视观察时的长度。其结果，各金属配线5的全长(实际的配线长度)变得相同，能够统一电感。

这样，与配线高度相匹配地改变俯视观察时的配线长度这一做法也可以在之前所说明的排气构造的第1例～第4例中应用，通过统一电感，从而能够使功率模块100的电路设计简化。

＜排气构造的第6例＞

图16以及图17是对导线配置进行说明的图，该导线配置具有在配线间隔窄的情况下，使金属配线5之下的气泡向上方移动的排气构造，图16是对功率模块100从上方进行观察的局部俯视图，图17是图16中的C-C线处的矢向剖面图。此外，金属配线5的配置位置与图3相同。此外，在图16以及图17中，将上侧的金属配线5表现得粗，但这是为方便起见，实际时上下的金属配线5为相同的粗细。

图16以及图17示出金属配线5在成环的方向上下重叠而配置的双重配线的情况下的排气构造，在进行这样的双重配线的情况下，同样地，如图17所示，以多个金属配线5各自的配线高度朝向队列的一个方向而逐渐地变高或者逐渐地变低的方式进行配置，由此存在于环状的多个金属配线5之下的气泡朝向配线高度高的金属配线5侧移动、排气。此外，不限定于上述的双重配线，排气构造也能够应用于三重配线等进一步重叠的配线。

＜排气构造向其它部分的应用例＞

在如上所述的排气构造的第1～第6例中，对二极管104b与上侧导体图案103b之间的接线部进行了说明，但排气构造也可以应用于其它的接线部。

图18以及图19示出向绝缘基板3之上的上侧导体图案103b与另外的上侧导体图案103c之间的接线部应用了例如排气构造的第1例的情况，图18是对功率模块100从上方进行观察的局部俯视图，图19是图18中的C-C线处的矢向剖面图，多个金属配线5各自的配线高度以朝向队列的一个方向逐渐地变高或者逐渐地变低的方式而配置。此外，将上侧导体图案103c设为存在于在图2所示的俯视图中未图示的部分。

如图18以及图19所示，通过在将绝缘基板3之上的导体图案彼此进行接线时也应用排气构造，从而存在于环状的多个金属配线5之下的气泡朝向配线高度高的金属配线5侧移动、排气。

图20以及图21示出向绝缘基板3之上的上侧导体图案103b与主电极端子2之间的接线部应用例如排气构造的第1例的情况，图20是对功率模块100从上方进行观察的局部俯视图，图21是图20中的C-C线处的矢向剖面图，以多个金属配线5各自的配线高度朝向队列的一个方向逐渐地变高或者逐渐地变低的方式而配置。

如图20以及图21所示，通过在将绝缘基板3之上的上侧导体图案103b与主电极端子2进行接线时也应用排气构造，从而存在于环状的多个金属配线5之下的气泡朝向配线高度高的金属配线5侧移动、排气。

＜用于排气的其它构造＞

在如上所述的实施方式1中，例如，说明的是在金属配线5的配置间隔小于或等于1mm、绝缘封装材料4内的气泡的直径为1mm～3mm的情况下，气泡无法从金属配线5之间排出，但通过使金属配线5间隔比气泡的直径大，从而得到排气构造。

但是，在金属配线5的线宽为1mm左右的情况下，如果使配线间隔为3mm左右，则伴随功率模块的额定值的多样化、大电流化，变得无法应对配线密度的增加。因此，通过使金属配线5的线宽***，或者使用板状的带状连接件(ribbon bond)，从而提高每1根配线的熔断电流，将配线间隔设为大于或等于1mm。

＜实施方式2＞

本实施方式是将上述实施方式1所涉及的功率模块应用于电力变换装置。下面，作为实施方式2，对将实施方式1应用于三相逆变器的情况进行说明。

图22是表示电力变换系统的结构的框图，在该电力变换系统中应用了本实施方式涉及的电力变换装置。

图22所示的电力变换系统由电源500、电力变换装置600、负载700构成。电源500是直流电源，向电力变换装置600供给直流电力。电源500能够由各种电源构成，例如，能够由直流系统、太阳能电池、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。另外，也可以使电源500由将从直流系统输出的直流电力变换为规定的电力的DC/DC转换器构成。

电力变换装置600是连接在电源500和负载700之间的三相逆变器，将从电源500供给的直流电力变换为交流电力，向负载700供给交流电力。电力变换装置600如图22所示，具备：主变换电路601，其将直流电力变换为交流电力而输出；以及控制电路602，其将对主变换电路601进行控制的控制信号向主变换电路601输出。

负载700是由从电力变换装置600供给的交流电力进行驱动的三相电动机。此外，负载700不限定于特定的用途，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。

以下，对电力变换装置600的详细情况进行说明。主变换电路601具备开关元件和续流二极管(未图示)，通过开关元件进行通断，从而将从电源500供给的直流电力变换为交流电力，向负载700供给。主变换电路601的具体的电路结构存在各种结构，但本实施方式涉及的主变换电路601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。向包含主变换电路601的功率模块应用上述的实施方式1的功率模块100，功率模块100内的多个金属配线5采用排气构造而配置。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、W相)。并且，各上下桥臂的输出端子即主变换电路601的3个输出端子与负载700连接。

另外，主变换电路601具备对各开关元件进行驱动的驱动电路(未图示)，但驱动电路既可以像在实施方式1中所说明的那样内置于功率模块100，也可以是独立于功率模块100而另外具有驱动电路的结构。

驱动电路生成对主变换电路601的开关元件进行驱动的驱动信号，供给至主变换电路601的开关元件的控制电极。具体地说，按照来自后述的控制电路602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。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号是大于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(接通信号)，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号成为小于开关元件的阈值电压的电压信号(断开信号)。

控制电路602对主变换电路601的开关元件进行控制，以向负载700供给期望的电力。具体地说，基于应向负载700供给的电力，对主变换电路601的各开关元件应成为接通状态的时间(接通时间)进行计算。例如，能够通过与应输出的电压相对应地对开关元件的接通时间进行调制的PWM控制，对主变换电路601进行控制。并且，向主变换电路601所具备的驱动电路输出控制指令(控制信号)，以在各时刻向应成为接通状态的开关元件输出接通信号，向应成为断开状态的开关元件输出断开信号。驱动电路按照该控制信号，将接通信号或者断开信号作为驱动信号而向各开关元件的控制电极输出。

通过将主变换电路601由实施方式1的功率模块100构成，从而就固化后的绝缘封装材料而言，能够抑制在金属配线5之下气泡作为孔洞而残留，能够事先避免确保了绝缘性的功率模块乃至包含功率模块的电力变换装置的问题，抑制它们的功能受损。

在本实施方式中，对在两电平的三相逆变器应用本发明的例子进行了说明，但本发明不限定于此，能够应用于各种电力变换装置。在本实施方式中，采用了两电平的电力变换装置，但也可以是三电平或多电平的电力变换装置，在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。另外，在向直流负载等供给电力的情况下，也能够向DC/DC转换器或AC/DC转换器应用本发明。

另外，本实施方式的电力变换装置不限定于上述的负载为电动机的情况，例如，还能够用作放电加工机、激光加工机、或者感应加热烹调器、非接触器供电系统的电源装置，并且也能够用作太阳能发电系统、蓄电系统等的功率调节器。

此外，本发明能够在本发明的范围内对实施方式适当地进行变形、省略。