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CN105378922B - 功率模块 - Google Patents

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CN105378922B
CN105378922B CN201480039075.9A CN201480039075A CN105378922B CN 105378922 B CN105378922 B CN 105378922B CN 201480039075 A CN201480039075 A CN 201480039075A CN 105378922 B CN105378922 B CN 105378922B
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sealing resin
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田屋昌树
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

获得一种具备用于确保模块内部的绝缘的绝缘构造的功率模块。功率模块具备：多个隔壁板(17)，设置在壳体(9)内，形成槽；多个中继端子(8)，具有不同电位，夹着多个隔壁板(17)，分别相对置地形成；印刷基板(10)，连接多个中继端子(8)，在与槽相对置的位置设置有狭缝(15)；以及遮蔽板(16)，被配置成一方的端部位于槽之中，另一方的端部的从狭缝(15)的突出量比中继端子(8)的从印刷基板(10)的突出量大。

Description

功率模块
技术领域
本发明涉及一种具备形成有控制用电路等印刷基板的功率模块，特别是涉及用于确保功率模块内部绝缘的绝缘构造。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)是能够对高电压、大电流进行通断控制的功率半导体元件。将除了该IGBT以外，还组合了负载电流的续流二极管的电路做成一个封装的结构被称为IGBT模块，用作用于构成逆变器电路等的基本要素。
将在该IGBT模块中进一步装载形成有IGBT的驱动电路、保护电路等控制用电路的印刷基板而做成一个封装的功率模块被称为IPM(Intelligent Power Module：智能功率模块)。该功率模块由于因内置了控制用电路带来的方便性、可靠性的提高等而广泛地用于逆变器装置等中。
在功率模块中，为了能够构成三相逆变器电路，一般有将IGBT和二极管分别各装载6个的被称为6in1(6合1)的封装、包含还追加IGBT和二极管各1个而构成的制动电路(braking circuit)的被称为7in1(7合1)的封装。
如上所述，一般在功率模块中装载了多个IGBT。通常，在逆变器电路中使用功率模块的情况下，各个IGBT取各自不同的电位，因此连接在IGBT的中继端子和连接在其它IGBT的中继端子的电位将不同，需要确保中继端子间的绝缘。随着功率模块的小型化、高电压化的进展，在中继端子间确保沿面距离、空间距离变得困难。
关于功率模块的绝缘性的确保，在日本国内通过日本电机工业会标准规格(JEM规格)、在海外通过International Electrotechnical Commission(IEC规格)等规定了成为使用模块的环境、施加电压等中的绝缘所需的准则的沿面距离、空间距离。
在以往的功率模块中，为了在印刷基板上确保安装部件间的空间距离和沿面距离，使用了在印刷基板设置狭缝并将绝缘的遮蔽板插入到狭缝的构造(例如，参照专利文献1)。在该结构中通过狭缝来确保沿面距离，另外通过遮蔽板来确保空间距离，从而使部件间距离小于规定的距离。
专利文献1：日本特开2006-158020号公报(第8页、第6图)
发明内容
在以往的功率模块中，关于功率模块的中继端子，壳体和中继端子以及密封树脂一体化，因此在印刷基板的狭缝中插入遮蔽板的构造中，不能完全遮蔽中继端子的暴露部。因此，即使能够确保印刷基板上的绝缘距离，也不能确保中继端子间的绝缘距离，不能使中继端子间距离小于规定的距离，因此存在功率模块的小型化困难这样的问题点。
本发明是为了解决如上所述的课题而作出的，获得一种通过确保印刷基板上的绝缘距离和功率模块内部的中继端子间的绝缘距离而能够实现模块本体的小型化的功率模块。
本发明的功率模块具备：多个隔壁板，设置在壳体内，形成槽；多个中继端子，具有不同电位，夹着所述多个隔壁板，分别相对置地形成；印刷基板，连接所述多个中继端子，在与所述槽相对置的位置处设置有狭缝；以及遮蔽板，被配置成一方的端部位于所述槽之中，另一方的端部从所述狭缝的突出量比所述中继端子从所述印刷基板的突出量大。
本发明通过使用多个隔壁板和遮蔽板来确保了印刷基板上的绝缘距离和中继端子间的绝缘距离，因此能够使中继端子间距离小于规定的距离，能够实现功率模块的小型化。
附图说明
图1是本发明的实施方式1的功率模块的截面构造示意图。
图2是本发明的实施方式1的功率模块的截面构造示意图。
图3是本发明的实施方式2的功率模块的截面构造示意图。
图4是本发明的实施方式2的功率模块的截面构造示意图。
图5是本发明的实施方式3的功率模块的截面构造示意图。
图6是本发明的实施方式3的功率模块的截面构造示意图。
图7是本发明的实施方式4的功率模块的截面构造示意图。
图8是本发明的实施方式5的功率模块的截面构造示意图。
图9是本发明的实施方式5的其它功率模块的截面构造示意图。
(附图标记说明)
1：基础板；2：背面金属图案；3：绝缘基板；4：布线图案；5：半导体元件；5a：IGBT；5b：二极管；6：铝导线；7：主端子；8、8a、8b：中继端子；9：壳体；10：印刷基板；11：密封树脂；12：盖子；13：通孔；14：焊锡；15：狭缝；16、160：遮蔽板；17、170：隔壁板；18：外部端子；100、200、300、400、500、600：功率模块。
具体实施方式
实施方式1.
图1是本发明的实施方式1的功率模块的截面构造示意图。另外，图2是图1中的虚线AB处的本发明的实施方式1的功率模块的截面构造示意图。在图1中，功率模块100具备基础板1、背面电极图案2、绝缘基板3、布线图案4、半导体元件5(IGBT 5a、二极管5b)、铝导线6、主端子7、中继端子8、壳体9、印刷基板10、密封树脂11、盖子12、形成在印刷基板10的通孔13、焊锡14、狭缝15、遮蔽板16、形成槽的隔壁板17。
在基础板1上配置有背面电极图案2，在背面电极图案2上配置有绝缘基板3。在绝缘基板3的形成有背面电极图案2的相反面侧隔着金属制的布线图案4安装有作为半导体元件5的IGBT 5a、二极管5b。另外，在基础板1的外周部粘接了壳体9。
IGBT 5a、二极管5b等半导体元件5、布线图案4、主端子7、中继端子8之间通过铝导线6来布线。主端子7是用于向模块外部输入输出电流的端子。中继端子8是连接印刷基板10和IGBT 5a的端子，从印刷基板10上的IGBT驱动电路经由中继端子8来控制IGBT 5a。主端子7和中继端子8与壳体9一体地嵌件成型。此外，在本实施方式1中，作为键合引线使用了铝导线，但是这也不限于铝导线。也可以是铜导线等电阻值低的材料。通过使用如铜导线那样的电阻值低的材料，还能够应对大电流化。在使用了金导线的情况下，也能够获得相同的效果。另外，印刷基板10也可以是IGBT 5a的驱动功能以外的电路结构。
壳体9由绝缘性的材料形成。在壳体9的内部填充了硅胶、环氧树脂等绝缘性树脂，密封到铝导线6上部为止。此时，中继端子8的与印刷基板10连接的部分不被密封树脂11进行密封而暴露，以使得能够焊接印刷基板10和中继端子8。在印刷基板10上的与中继端子8连接的地方设置有通孔13。插入在通孔13内的中继端子8使用焊锡14而与印刷基板10连接。在印刷基板10设置有狭缝15。虽未图示，但是在该功率模块中装载多个IGBT 5a，各自连接在不同的中继端子8。另外，虽未图示，但是也可以对各个IGBT 5a连接1个以上的中继端子8。
狭缝15设置在连接到不同IBGT5a的电位不同的中继端子8a与中继端子8b之间。如图2所示，在壳体9中，夹在中继端子8a与中继端子8b之间与壳体9一体地形成了形成槽的隔壁板17。隔壁板17的上端部的高度高于填充到槽的外周部区域的密封树脂11的填充高度。因此，成为在作为隔壁板17的内部的槽内没有被填充密封树脂11的构造。
隔壁板17形成在形成于印刷基板10的狭缝15的下部、且隔壁板17所构成的槽位于狭缝15的正下方。在狭缝15和隔壁板17所构成的槽这两者中插入了绝缘性的遮蔽板16。另外，作为遮蔽板16的一方的端部的遮蔽板16的下端部配置在隔壁板17所构成的槽之中。配置成作为遮蔽板16的另一方的端部遮蔽板16的上端部的从狭缝15的突出量比中继端子8a、中继端子8b从印刷基板10的突出量大。而且，遮蔽板16的上端部通过加长至中继端子8a、中继端子8b的上端部为止的距离能够加长中继端子间的绝缘距离，能够提高中继端子间的绝缘性。而且，遮蔽板16的下端部通过加长至隔壁板17的上端部为止的距离能够加长中继端子间的绝缘距离，能够提高中继端子间的绝缘性。另外，遮蔽板16的下端部也可以配置在填充到槽的外周部区域的密封树脂11的缺口。通过这样配置，也能够提高中继端子8间的绝缘性。
另外，在遮蔽板16被配置在密封树脂11的缺口的状态下，遮蔽板16的下端部可以进一步加长到隔壁板17的上端部为止的距离。即，也可以将遮蔽板16的下端部设为遮蔽到比密封树脂11的填充高度低的位置的位置。通过设为这种结构，能够更有效地绝缘。该遮蔽板16只要配置在中继端子8a与中继端子8b的距离(间隔)成为满足与所应用的模块的技术规范相应的指定的绝缘规则的规定距离的位置即可。而且，遮蔽板16有相对狭缝15的切入方向能加长中继端子间的绝缘距离的大小(宽度)即可。
遮蔽板16固定在壳体9的内侧侧面或者由隔壁板17形成的槽的底面。固定方法没有限定，但是可以使用粘接剂、或在壳体9的壁面、底面形成固定用槽来插入。另外，也可以将遮蔽板16相对于印刷基板10进行固定。
在以上那样构成的功率模块中，中继端子8a与中继端子8b之间的空间距离和沿面距离在任何情况下都成为迂回遮蔽板16的路径，因此空间距离和沿面距离的任一距离都能延长，能够使中继端子间的距离小于规定的距离。由此，能够实现功率模块的小型化。
另外，能够在将中继端子8a、8b向印刷基板10进行焊锡接合之后，设置遮蔽板16。在焊锡接合工序之前设置了遮蔽板16的情况下，当中继端子8a和中继端子8b的距离近时，由于焊接的工具和遮蔽板16互相干扰，焊接的生产率恶化。但是，通过设为本实施方式1的结构，不使焊接的生产率恶化就能够缩小中继端子8间的距离。
而且，说明了电位不同的两个中继端子8的情况，但是在具备多个半导体元件5、且电位不同的中继端子8为2个以上的情况下，通过设为相同的结构也能够获得相同的效果。
另外，狭缝15以及遮蔽板16在电位不同的中继端子8间分别设为1个地方，但是也可以设置多个地方。通过这样在多个地方配置遮蔽板16，能够更有效地使中继端子8间绝缘。
而且，将印刷基板10和中继端子8的接合方法设为一般所使用的焊接，但是不限于焊接，也可以设为基于连接器、压配合(press fit)端子的接合方法。通过设为连接器接合、压配合接合，能够简化接合工序。
实施方式2.
在本实施方式2中，不同点在于设为使用绝缘性部件来使在实施方式1中使用的以不同部件形成的盖子12和遮蔽板16一体化的结构。这样使盖子12和遮蔽板160一体形成，因此能够与组装盖子12同时地设置遮蔽板160，能够削减形成功率模块200的部件数量，还能够削减组装工序数。
图3是本发明的实施方式2的功率模块的截面构造示意图。另外，图4是图3中的虚线AB处的本发明的实施方式2的功率模块的截面构造示意图。在图3中，功率模块200具备基础板1、背面电极图案2、绝缘基板3、布线图案4、半导体元件5(IGBT 5a、二极管5b)、铝导线6、主端子7、中继端子8、壳体9、印刷基板10、密封树脂11、盖子12、形成在印刷基板10的通孔13、焊锡14、狭缝15、使用绝缘性部件与盖子12一体地形成的遮蔽板160、形成槽的隔壁板17。
盖子12在与形成在印刷基板10的狭缝15相对应的位置一体地具备遮蔽板160。由此，不需要额外准备用于固定遮蔽板160的单元。另外，通过设为这样一体的构造，能够有效地延长从印刷基板10突出的部分的中继端子8间的绝缘距离。
在以上那样构成的功率模块中，中继端子8a与中继端子8b之间的空间距离和沿面距离在任何情况下都成为迂回遮蔽板160的路径，因此空间距离和沿面距离的任一距离都能延长，能够使中继端子间的距离小于规定的距离。通过设为这种构造，还能够更有效地延长空间距离和沿面距离的任一距离，能够实现功率模块的小型化。
而且，通过一体地形成盖子12和遮蔽板160，能够削减部件数量，还能够削减组装工序数。
实施方式3.
在本实施方式3中，不同点在于设为形成在实施方式1中使用的形成在壳体9的槽的隔壁板17的上端部和印刷基板10的背面相接的结构。这样，将隔壁板170的上端部与印刷基板10的背面相接，因此能够防止焊锡球侵入印刷基板10的背面侧而产生短路缺陷。
图5是本发明的实施方式3的功率模块的截面构造示意图。另外，图6是图5中的虚线AB处的本发明的实施方式3的功率模块的截面构造示意图。在图5中，功率模块300具备基础板1、背面电极图案2、绝缘基板3、布线图案4、半导体元件5(IGBT 5a、二极管5b)、铝导线6、主端子7、中继端子8、壳体9、印刷基板10、密封树脂11、盖子12、形成在印刷基板10的通孔13、焊锡14、狭缝15、遮蔽板16、形成槽并与印刷基板10相接的隔壁板170。
在将中继端子8a、中继端子8b与印刷基板10进行焊接时，如果焊锡14的量多，则有时产生焊锡球。当产生焊锡球时，有可能焊锡球通过狭缝15侵入到印刷基板10的背面侧，与印刷基板10的背面侧的导电部件间接触而产生短路缺陷。
然而，通过设为本实施方式3的构造，焊锡球停留在由隔壁板170形成的槽的内部，因此能够防止焊锡球侵入到印刷基板10的背面侧而产生短路缺陷。
在以上那样构成的功率模块中，中继端子8a与中继端子8b之间的空间距离和沿面距离在任何情况下都成为迂回遮蔽板16的路径，因此空间距离和沿面距离中的任一距离都能延长，能够使中继端子间的距离小于规定的距离。
另外，通过设为本实施方式3的结构，焊锡球停留在由隔壁板170形成的槽的内部，因此能够防止焊锡球侵入到印刷基板10的背面侧而产生短路缺陷。
而且，通过用绝缘性树脂覆盖隔壁板170的上端部的与印刷基板10的背面相接的部分，能够提高印刷基板10的下面侧的中继端子8间的绝缘性。
另外，在制造工序上可能的范围内，还能够设为将实施方式2和本实施方式3合起来的结构。通过设为这种结构，还能够更有效地延长空间距离和沿面距离的任一距离，能够实现功率模块的小型化。
实施方式4.
在本实施方式4中，不同点在于设为在实施方式1中使用的印刷基板10中具备与形成在印刷基板10上的IGBT驱动电路交换电信号的外部端子18的结构。通过这样具备外部端子18，能够从功率模块400的外部控制、监视经由中继端子8连接的配置在功率模块400内的IGBT 5a等的动作状态。
图7是本发明的实施方式4的功率模块的截面构造示意图。在图7中，功率模块400具备基础板1、背面电极图案2、绝缘基板3、布线图案4、半导体元件5(IGBT 5a、二极管5b)、铝导线6、主端子7、中继端子8、壳体9、印刷基板10、密封树脂11、盖子12、形成在印刷基板10的通孔13、焊锡14、狭缝15、遮蔽板16、形成槽的隔壁板17、外部端子18。
配置在功率模块400内的半导体元件5的动作状态有时根据功率模块400的使用状态(使用环境温度)而随时间变化。当与该使用状态的变化不对应地以相同的动作条件使半导体元件5继续动作时，存在如下可能性：该半导体元件5进行误动作，功率模块400得不到所期望的动作。
然而，通过设为本实施方式4的结构，使用来自外部端子18的电信号来观察该功率模块400的使用状态的变化引起的半导体元件5的动作状态的变化，由此例如通过进行半导体元件5的劣化状态的诊断、动作条件的重新设定等来防止半导体元件5的误动作，能够以恰当的动作条件来使其继续动作。
在如以上那样构成的功率模块中，中继端子8a与中继端子8b之间的空间距离和沿面距离在任何情况下都成为迂回遮蔽板16的路径，因此能够还延长空间距离和沿面距离的任一距离，能够使中继端子间的距离小于规定的距离。
另外，通过设为本实施方式4的结构，能够通过外部端子18来对功率模块400内的半导体元件5的动作状态进行监视诊断，能够实现功率模块的长寿命化。
实施方式5.
在本实施方式5中，不同点在于设为在实施方式1中使用的、由隔壁板17形成的槽内部也注入了密封树脂11的结构。使遮蔽板16的下端低于密封树脂11的填充高度。通过这样在槽内也注入密封树脂11，能够进一步加长中继端子8间的绝缘距离，能够提高中继端子间的绝缘性。
图8是本发明的实施方式5的功率模块的截面构造示意图。在图8中，功率模块500具备基础板1、中继端子8、壳体9、印刷基板10、密封树脂11、盖子12、形成在印刷基板10的通孔13、焊锡14、狭缝15、遮蔽板16、形成槽的隔壁板17。其它方向的截面构造是与图1所示相同结构。
本实施方式5的功率模块500能够如下地制造。将密封树脂11注入到壳体9的内部以及由隔壁板17形成的槽的内部。接着，将印刷基板10通过焊接等来连接到中继端子8。接着，将遮蔽板16插入到狭缝15以及由隔壁板17形成的槽的内部。这时候密封树脂11没有固化，具有流动性，因此能够设置成将遮蔽板16的下端嵌入填充在槽内的密封树脂11。之后，通过硫化(cure)密封树脂11来固化，能够制造本实施方式5中的功率模块的构造。
另外，也能够如下地制造本实施方式5中的功率模块500。将印刷基板10通过焊接等来连接到中继端子8。接着，将密封树脂11注入到壳体9的内部以及由隔壁板17形成的槽的内部。此时，当在印刷基板10上形成用于注入密封树脂11的开口、或在印刷基板10与壳体9之间形成用于注入密封树脂11的开口时，能够提高密封树脂11的注入性。同样地，在将密封树脂11注入到由隔壁板17形成的槽的内部时，也可以利用形成在印刷基板10的狭缝15。接着，在将遮蔽板16插入到形成在印刷基板10的狭缝15以及由隔壁板17形成的槽的内部之后，硫化密封树脂11而使之固化。
而且，也能够如下地制造本实施方式5中的功率模块500。将印刷基板10通过焊接等连接到中继端子8之后，将遮蔽板16插入到狭缝15以及由隔壁板17形成的槽的内部。之后，将密封树脂11注入到壳体9的内部以及由隔壁板17形成的槽的内部，硫化密封树脂11而使之固化。此时，当在印刷基板10上形成用于注入密封树脂11的开口、或在印刷基板10与壳体9之间形成用于注入密封树脂11的开口时，能够提高密封树脂11的注入性。
如果注入到由隔壁板17形成的槽的内部的密封树脂11的填充高度设定得比遮蔽板16的下端高，则并非必须与注入到壳体9内部的密封树脂11的填充高度相同。如图8所示，通过使遮蔽板16的下端的位置更低，能够使注入到由隔壁板17形成的槽的内部的密封树脂11的填充高度比注入到壳体9内部的密封树脂11的填充高度低，因此能够使密封树脂11的使用量成为最小限度。
图9是本发明的实施方式5的其它功率模块的截面构造示意图。在图9中，功率模块600具备基础板1、中继端子8、壳体9、印刷基板10、密封树脂11、盖子12、形成在印刷基板10的通孔13、焊锡14、狭缝15、遮蔽板16、形成槽的隔壁板17。其它方向的截面构造是与图1所示相同结构。
如图9所示，通过使注入到由隔壁板17形成的槽的内部的密封树脂11的填充高度高于注入到壳体9内部的密封树脂11的填充高度，能够使遮蔽板16的下端的位置更高，因此能够将制造遮蔽板16时的使用材料量设为最小限度。
注入到由隔壁板17形成的槽的内部的密封树脂11的材质也可以与注入到壳体9内部的密封树脂11的材质不相同，只要是绝缘性的材质即可。在由隔壁板17形成的槽的内部没用铝导线6等布线部、半导体元件5，因此也可以使用耐热性、耐环境性等差的材质。
在本实施方式5中，具备形成槽的隔壁板17，但是在功率模块的大小没有受到限制的情况等中，也可以不设置槽而在密封树脂11内部配置遮蔽板16。通过这样，能够加长中继端子8间的绝缘距离、且简化制造工序。
在如以上那样构成的功率模块中，中继端子8a与中继端子8b之间的空间距离和沿面距离在任何情况下都成为迂回遮蔽板16的路径，因此空间距离和沿面距离中的任一距离都能延长，能够使中继端子间的距离小于规定的距离。
另外，在由隔壁板17形成的槽的内部注入密封树脂11、使注入的密封树脂11的填充高度接近遮蔽板16，因此中继端子8a与中继端子8b之间的空间距离和沿面距离在任何情况下都成为迂回遮蔽板16的路径，因此也能够延长空间距离和沿面距离的任一距离，能够使中继端子间的距离小于规定的距离。
而且，能够将注入到由隔壁板17形成的槽的内部的密封树脂11的材质设为与注入到壳体9内部的密封树脂11的材质不同，因此能够选择与用途、应用地方相应的材质。

Claims (11)

1.一种功率模块，其特征在于，具备：
多个隔壁板，设置在壳体内，形成槽；
多个中继端子，设置在壳体内，电位不同，夹着所述多个隔壁板，分别相对置地形成；
印刷基板，连接所述多个中继端子，在与所述槽相对置的位置处设置有狭缝；以及
遮蔽板，设置在壳体内，被配置成一方的端部位于所述槽之中，另一方的端部的从所述狭缝的突出量比所述中继端子的从所述印刷基板的突出量大。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，
所述遮蔽板的所述一方的端部配置在密封树脂的缺口，该密封树脂是填充到所述壳体内的所述槽的外周部区域的树脂，将所述遮蔽板的所述一方的端部设为遮蔽到比所述密封树脂的填充高度低的位置的位置。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，
所述密封树脂还被填充到所述槽内，所述遮蔽板的所述一方的端部与填充到所述槽内的所述密封树脂相接。
4.根据权利要求3所述的功率模块，其特征在于，
所述密封树脂在所述槽的外周部区域和所述槽的内部中是不同的材质。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的功率模块，其特征在于，
所述遮蔽板与所述壳体的盖材一体地形成。
6.根据权利要求1～4中的任一项所述的功率模块，其特征在于，
所述隔壁板的上端部与所述印刷基板相接。
7.根据权利要求5所述的功率模块，其特征在于，
所述隔壁板的上端部与所述印刷基板相接。
8.根据权利要求1～4中的任一项所述的功率模块，其特征在于，
所述印刷基板具备与所述壳体外部连接的外部端子。
9.根据权利要求5所述的功率模块，其特征在于，
所述印刷基板具备与所述壳体外部连接的外部端子。
10.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，
所述印刷基板具备与所述壳体外部连接的外部端子。
11.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于，
所述印刷基板具备与所述壳体外部连接的外部端子。
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