絕緣母線及製造方法與流程

2023-04-28 10:19:02

本發明涉及絕緣母線及製造方法。

背景技術：

以往，已知有與收納功率半導體元件等半導體單元電連接的母線(例如，參照專利文獻1)。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2010-129867號公報

技術實現要素：

技術問題

母線優選具有高耐壓。

技術方案

在本發明的第一形態中，提供與載置半導體晶片的模塊連接的絕緣母線，具備：多個電路導體；將各電路導體與模塊電連接的多個連接端子；一體形成於各電路導體之間和各連接端子的周圍的至少一部分，且在電路導體之間不具有間隙的絕緣性的樹脂部。

在本發明的第二形態中，提供製造絕緣母線的製造方法，具備：將多個電路導體和多個連接端子配置於樹脂注入模具之中的預定的位置的步驟；以絕對壓力計，將樹脂注入模具之中減壓至80kPa以下，在此狀態下向樹脂注入模具中注入絕緣性的樹脂，在多個電路導體和多個連接端子的周圍無間隙地形成樹脂部的步驟。

應予說明，上述的發明的內容沒有例舉出本發明的全部必要特徵。並且，這些特徵組的子組合也可屬於本發明。

附圖說明

圖1是表示本發明的一個實施方式的絕緣母線100的一個例子的立體圖。

圖2是表示絕緣母線100和模塊200的一個例子的截面示意圖。

圖3是表示連接端子20、被覆部32以及凹凸部34的配置例的圖。

圖4是表示連接端子20的一個例子的截面圖。

圖5是表示絕緣母線100的其它的例子的截面圖。

圖6是表示用於製造絕緣母線100的樹脂注入模具300的一個例子的截面圖。

圖7是表示樹脂注入模具300的下模的一個例子的立體圖。

圖8是表示向樹脂注入模具300中注入鑄模樹脂的工序的一個例子的圖。

符號說明

10：主電路導體，

11：端部，

12：輔助電路導體，

14：壁部，

20：連接端子，

22：基部，

24：連接部，

26：插入孔，

28：彈性部，

30：樹脂部，

32：被覆部，

34：凹凸部，

100：絕緣母線，

200：模塊，

210：底部，

212：壁部，

222：連接部，

224：基底基板，

226：半導體晶片，

228：連接端子，

230：樹脂部，

232：導體圖案，

300：樹脂注入模具，

302：孔部，

304：位置固定突起，

306：空洞，

308：位置固定槽，

310、312：槽，

350：樹脂容器，

352：樹脂，

360：管。

具體實施方式

以下，通過本發明的實施方式對本發明進行說明，但以下的實施方式並不限定權利要求中的發明。另外，實施方式中說明的特徵的全部組合併不都是解決發明的技術問題所必須的。

圖1是表示本發明的一個實施方式的絕緣母線100的一個例子的立體圖。絕緣母線100與載置功率半導體等半導體晶片的模塊電連接。

絕緣母線100具備一個以上的主電路導體10、一個以上的輔助電路導體12、多個連接端子20以及樹脂部30。主電路導體10由例如銅(更具體的例子是無氧銅C1020等)、鋁、或者包含鋁的合金等金屬材料形成。主電路導體10可以具有板形狀。在主電路導體10，適當地形成有彎曲部、開口部、突出部等，形成有預定的導體圖案。主電路導體10可以使在功率半導體等半導體晶片中流通的大電流通過。

輔助電路導體12可以與主電路導體10同樣地具有預定圖案的板形狀。輔助電路導體12的截面積可以比主電路導體10的截面積小。輔助電路導體12可以使比主電路導體10小的電流通過。輔助電路導體12傳遞例如半導體電晶體的控制信號等。

輔助電路導體12例如由與主電路導體10同樣的金屬材料形成。由此，能夠使主電路導體10和輔助電路導體12的線膨脹係數匹配。應予說明，主電路導體10、輔助電路導體12、連接端子20以及樹脂部30的線膨脹係數的差優選在10％以內。由此，例如即使實行熱循環試驗的情況下，也能夠防止絕緣母線100的變形。

各連接端子20固定於對應的主電路導體10或者輔助電路導體12。連接端子20可以機械固定於對應的主電路導體10或者輔助電路導體12，可以使用焊料等接合材料等而固定。連接端子20的一端具有螺紋結構，固定於對應的主電路導體10或者輔助電路導體12的螺紋孔。連接端子20將對應的主電路導體10或者輔助電路導體12與載置功率半導體等半導體晶片的模塊電連接。

樹脂部30形成於多個主電路導體10和多個輔助電路導體12的各電路導體之間，將各電路導體絕緣。本例中的樹脂部30除了設置於電路導體之間之外，還可以設置成覆蓋各電路導體的周圍。但是，從各電路導體的端部的一部分延伸而形成的延伸部從樹脂部30露出。通過該延伸部，能夠將各電路導體與外部電連接。樹脂部30優選完全覆蓋延伸部以外的電路導體的部分。

另外，樹脂部30覆蓋各連接端子20的周圍的至少一部分。樹脂部30至少覆蓋各連接端子20中的與電路導體連接的部分的附近。另外，各連接端子20的一部分設置成從覆蓋多個主電路導體10和多個輔助電路導體12的樹脂部30突出。其中，本例中的樹脂部30具有覆蓋連接端子20的突出的部分的側壁的被覆部32。樹脂部30中的覆蓋多個主電路導體10和多個輔助電路導體12的周圍以及連接端子20的周圍的部分一體形成。

另外，至少電路導體之間的樹脂部30不形成間隙。樹脂部30在被夾在兩個電路導體中間的區域，不具有有意形成的空間，另外，也不具有無意形成的空間。無意形成的空間是指例如樹脂中能夠目測觀察的氣泡。例如通過使用粘度低的樹脂，能夠形成不具有氣泡等間隙的樹脂部30。

另外，絕緣母線100還具備包圍多個連接端子20而設置的壁部14。壁部14可以與樹脂部30一體形成，也可以獨立形成。壁部14形成為從在樹脂部30中連接端子20突出的面，向與連接端子20相同的方向突出。壁部14的高度可以與連接端子20相同。

絕緣母線100可以具有多個壁部14。各壁部14包圍一個以上的連接端子20。每個壁部14所包圍的連接端子20的組，可以與不同的模塊連接。

本例的絕緣母線100可以在電路導體之間無縫隙地形成絕緣性的樹脂，另外，由於利用一體的樹脂密封電路導體和連接端子20，所以能夠提高母線的絕緣性。另外，由於延伸部以外的電路導體的端部不露出，能夠防止電路導體的端部之間的放電。因此，即使減少電路導體之間的距離，也能夠防止電路導體之間的放電。由於能夠減少電路導體之間的距離，能夠減少電路導體之間的電感。因此，絕緣母線100能夠兼顧高耐壓和低電感。

圖2是表示絕緣母線100和模塊200的一個例子的截面示意圖。圖2所示的絕緣母線100中的連接端子20的配置等結構不一定與圖1所示的絕緣母線100一致。另外，在圖2中，省略絕緣母線100的壁部14和輔助電路導體12。模塊200載置功率半導體等半導體晶片226，絕緣母線100與半導體晶片226電連接。

模塊200具備底部210、基底基板224、連接部222、壁部212、樹脂部230、導體圖案232、以及多個連接端子228。基底基板224載置半導體晶片226。連接部222連接基底基板224和模塊200的底部210。另外，連接部222可以作為將基底基板224的熱釋放到底部210的放熱部起作用。

壁部212在底部210的表面包圍基底基板224、連接部222、樹脂部230、導體圖案232、以及多個連接端子228。導體圖案232在基底基板224的上方與半導體晶片226電連接。

各連接端子228經由基底基板224上的布線圖案、或者導體圖案232等而與半導體晶片226電連接。連接端子228的端部與絕緣母線100的連接端子20連接。本例的連接端子228插入到設置於連接端子20的插入孔。

樹脂部230將基底基板224、連接部222、導體圖案232、以及多個連接端子228的一部分密封。連接端子228的端部設置成從樹脂部230突出。

絕緣母線100中的各連接端子20與模塊200的連接端子228卡合。本例的連接端子20具有供模塊200的連接端子228插入的插入孔。

各連接端子20固定於對應的主電路導體10。在圖2中，四個連接端子20固定於四個主電路導體10-1～10-4。各主電路導體10形成在不同的層，或者形成在相同的層中的不同區域。在各主電路導體10之間，形成有樹脂部30。

形成在不同的層的兩個主電路導體10的間隔可以為3mm以下。由此，能夠降低主電路導體10之間的電感。其中，兩個主電路導體10的間隔優選為2mm以上。由此，能夠確保主電路導體10之間的耐壓。其中，兩個主電路導體10的間隔不限於上述的範圍。可以基於絕緣母線100所要求的特性，適當地設定主電路導體10的間隔。

本例的樹脂部30具備凹凸部34。凹凸部34設置在兩個連接端子20之間，擴大兩個連接端子20之間的爬電距離d。凹凸部34可以設置成在樹脂部30中連接端子20突出的面，向與連接端子20相同的方向突出。通過設置凹凸部34，能夠將連接端子20之間的爬電距離d擴大成比連接端子20之間的空間距離大，所以能夠提高連接端子20之間的耐壓。另外，凹凸部34與樹脂部30一體形成。由此，與利用粘合等將凹凸部34與樹脂部30粘合的情況相比，相對於放電擊穿的強度提高。

凹凸部34從樹脂部30的表面突出的長度可以比與樹脂部30的表面平行的方向中的凹凸部34的寬度大。另外，凹凸部34的突出長度可以與凹凸部34的寬度同等程度。該寬度可以指與樹脂部30的表面平行的面內的凹凸部34的最小長度。凹凸部34的突出長度可以是凹凸部34的寬度的兩倍以上，頁可以是三倍以上。另外，凹凸部34的突出長度可以是連接端子20從樹脂部30的該表面突出的長度的一半以上。凹凸部34的突出長度可以與連接端子20的突出長度相同。凹凸部34的突出長度可以比連接端子20的突出長度小。

應予說明，模塊200的樹脂部230也可以與樹脂部30同樣地具有凹凸部。由此，能夠擴大模塊200的連接端子228之間的爬電距離D，提高耐壓。樹脂部30的凹凸部34可以在絕緣母線100與模塊200連接狀態下，設置於與樹脂部230的凹凸部不對置的位置。由此，能夠確保凹凸部34可突出的空間。

本例的凹凸部34和連接端子20之間的距離比模塊200中的連接端子228和凹凸部之間的距離小。凹凸部34可以配置成與連接端子20相鄰。凹凸部34和被覆部32之間的距離可以是兩個連接端子20的空間距離的1/4以下。

至少一個電路導體由如下材料覆蓋，所述材料與樹脂部30的密著性比鎳與樹脂部30的密著性高。例如主電路導體10被粗化鍍鎳覆蓋。由此，能夠防止樹脂部30和主電路導體10的剝離。

樹脂部30優選由玻璃化轉變溫度Tg為250℃以上，且施工時的粘度μ為50Pa·s以下的樹脂形成。由此，能夠形成耐高溫下的使用且不混入氣泡等的樹脂部30。樹脂部30的樹脂進一步優選施工時的粘度μ為10Pa·s以下。樹脂部30可以由催化劑固化樹脂形成。另外，樹脂部30可以由聚烯烴樹脂或者馬來醯亞胺樹脂形成。樹脂部30可以由P-TCP(聚三環戊二烯)形成。

圖3是表示連接端子20、被覆部32以及凹凸部34的配置例的圖。圖3是表示從模塊200側觀察絕緣母線100的仰視圖。一個被覆部32可以設置成針對多個連接端子20共用。本例中，被覆部32-1和被覆部32-2分別覆蓋兩個連接端子20的側壁。

多個連接端子20包括被施加高電壓的高電壓用的連接端子20和被施加低電壓的低電壓用的連接端子20。可以利用共用的被覆部32覆蓋兩個以上的相鄰的高電壓用的連接端子20，也可以利用共用的被覆部32覆蓋兩個以上的相鄰的低電壓用的連接端子20。另外，可以利用共用的被覆部32覆蓋與相同的主電路導體10連接的兩個以上的連接端子20。

凹凸部34設置在兩個連接端子20之間。凹凸部34可以設置在高電壓用的連接端子20和低電壓用的連接端子20之間。凹凸部34可以設置在與不同的主電路導體10連接的兩個連接端子20之間。另外，可以至少在任兩個連接端子20之間，不設置凹凸部34。

例如，在兩個高電壓用的連接端子20之間可以不設置凹凸部34。兩個高電壓用的連接端子20可以利用共用的被覆部32覆蓋，也可以利用獨立的被覆部32分別覆蓋。

另外，在兩個連接端子20之間也可以形成有多個凹凸部34。例如，在利用被覆部32-1覆蓋的連接端子20和利用被覆部32-2覆蓋的連接端子20之間，形成有相互平行地形成的兩個凹凸部34。設置有凹凸部34的個數可以基於兩個連接端子20之間的距離而確定。

例如，在兩個連接端子20之間的距離大的情況下，可以設置有更多的凹凸部34。由此，根據空間的充裕與否，可以儘可能地設置凹凸部34。另外，在兩個連接端子20之間的距離小的情況下，可以設置有更多的凹凸部34。由此，兩個連接端子20的空間距離越短，爬電距離的擴大程度越大，能夠利用凹凸部34的個數補償空間距離的短小。

各凹凸部34的高度可以相同也可以不同。各凹凸部34的寬度可以相同也可以不同。各凹凸部34的長度可以不同。另外，可以連接設置於不同的兩組連接端子20之間的兩個凹凸部34。凹凸部34可以具有仰視圖中的直線形狀的區域和折彎區域。另外，凹凸部34可以形成為包圍連接端子20或者被覆部32。

另外，至少一個凹凸部34可以從壁部14延伸而形成。另外，至少一個被覆部32也可以從壁部14延伸而形成。由此，能夠提高凹凸部34和被覆部32的機械強度。

圖4是表示連接端子20的一個例子的截面圖。連接端子20具有基部22、連接部24以及彈性部28。基部22、連接部24以及彈性部28中的任一個可以由導電材料形成，也可以被導電材料覆蓋。

基部22具有圓柱或者多稜柱等棒形，一個端部側固定於主電路導體10或者輔助電路導體12。在基部22的另一端部側設置有連接部24。連接部24具有圓筒或者多角筒等筒形。在與連接部24的基部22相反一側的端部，設置有插入孔26。

插入孔26供模塊200的連接端子228插入。在插入孔26的內部，設置有對被插入了的對象側端子(本例為連接端子228)進行擠壓的彈性部28。通過使多個連接端子228具有彈性部28，從而固定絕緣母線100和模塊200。連接端子20可以保持每根10N左右的負載。彈性部28可以作為與連接部24一體的部件而形成，也可以作為分開部件而形成。在彈性部28為與連接部24分開的部件的情況下，彈性部28通過例如嵌入到插入孔26的內部而固定於連接部24。

通過這樣的結構，在絕緣母線100，可以設置固定於模塊200的螺紋緊固用的貫通孔。另外，可以省略組裝時的螺紋緊固的工序。

圖5是表示絕緣母線100的另一例的截面圖。在圖1至圖4中說明的絕緣母線100的主電路導體10的延伸部從絕緣母線100的側面側露出，但本例的絕緣母線100的主電路導體10的延伸部的端部11配置在絕緣母線100的表面側。本例的絕緣母線100的延伸部以外的結構與圖1至圖4中說明的絕緣母線100相同。應予說明，絕緣母線100的表面是指與連接端子20突出的絕緣母線100的背面相反一側的面。另外，絕緣母線100的側面是指絕緣母線100的表面和背面之間的面。通過這樣的構成，能夠減少絕緣母線100的橫向的尺寸。

另外，在圖1至圖5中說明的各絕緣母線100中，可以在樹脂部30的內部設置電子電路或者傳感器等電子部件。電子部件可以經由例如輔助電路導體12而與外部電連接。

圖6是表示用於製造絕緣母線100的樹脂注入模具300的一個例子的截面圖。首先，在加工成預定的形狀的主電路導體10和輔助電路導體12，連接連接端子20。

另外，準備樹脂注入模具300。樹脂注入模具300可以劃分為載置主電路導體10等的下模和作為下模的蓋而起作用的上模。圖6中示出了組合了下模和上模的狀態。在樹脂注入模具300的下模的側壁的與主電路導體10等的延伸部的形狀對應的位置，設置位置固定槽308。另外，在樹脂注入模具300的下模的底部，通過與連接端子20卡合，設置用於將主電路導體10、輔助電路導體12以及連接端子20定位的位置固定突起304。通過這樣的構成，能夠將主電路導體10定位等，另外，能夠防止樹脂注入時的主電路導體10的位置偏移和變形。

在將主電路導體10等配置在樹脂注入模具300的下模的預定的位置之後，利用上模蓋上。由此，在樹脂注入模具300的內部，形成與應形成的樹脂部30的形狀相應的空洞306。空洞306具有與被覆部32和凹凸部34對應的槽312和槽310。另外，在樹脂注入模具300，形成有孔部302。經由孔部302而注入樹脂。孔部302可以設置於樹脂注入模具300的上模和下模中的任一個。

接下來，將樹脂注入模具300和內部的主電路導體10等加熱至預定的溫度。也可以省略加熱工序。在加熱工序中，優選使用還原爐，排除主電路導體10等的氧化。

接下來，邊對鑄模樹脂進行預熱、攪拌邊混合催化劑液或固化材。接下來，從樹脂注入模具300的孔部302，注入鑄模樹脂而形成樹脂部30。應予說明，樹脂部30的被覆部32和凹凸部34均在該工序中一體形成。此時，以足夠的低速注入鑄模樹脂以使鑄模樹脂不捲入氣泡。另外，優選注入粘度為10Pa·s以下的鑄模樹脂。

應予說明，在注入鑄模樹脂的工序中，以絕對壓力計可以將樹脂注入模具300的內部減壓至80kPa以下，吸入鑄模樹脂。通過這樣的工序，在多個主電路導體10、多個輔助電路導體12以及多個連接端子20的周圍無間隙地形成樹脂部30。

對注入了樹脂的樹脂注入模具300使用恆溫槽或爐在鑄模樹脂的一次固化溫度下保持預定的時間。在經過預定時間後，從樹脂注入模具300卸下絕緣母線100。然後，對絕緣母線100使用恆溫槽或爐在鑄模樹脂的二次固化溫度下保持預定時間。

在經過預定時間後，冷卻至常溫。此時，可以控制冷卻速度以使冷卻不會很快速。在冷卻後，進行外觀檢查，電氣試驗等。

圖7是表示樹脂注入模具300的下模的一個例子的立體圖。如上所述，在樹脂注入模具300的下模的側壁，形成有多個位置固定槽308。位置固定槽308可以將對應的電路導體保持在預定的高度。另外，可以在各主電路導體10，形成供與其他的主電路導體10連接的連接端子20通過的開口部。另外，也可以在配置於最上部的主電路導體10形成開口部。由此，能夠將樹脂高效地澆注到層疊的主電路導體10之間。

圖8是表示在樹脂注入模具300注入鑄模樹脂的工序的一個例子的圖。在本例中，使用管360將樹脂352從設置於樹脂注入模具300的下方的樹脂容器350向上吸取到樹脂注入模具300的內部。這裡，下方是指重力方向的下方。

另外，如上所述，在注入樹脂之前，以絕對壓力計將樹脂注入模具300的內部減壓至80kPa以下。由此，能夠使用管360將樹脂注入到樹脂注入模具300。如本例，通過使用管360從樹脂注入模具300的下方向上吸取樹脂，從而易於除去樹脂中的氣泡。

根據圖1至圖8中說明的絕緣母線100，能夠恰當地用於在高電壓下動作的半導體器件。絕緣母線100可以恰當地用於在例如3.3kV以上、7kV以上、或者10kV以上的高電壓下動作的半導體器件。

近年開發的碳化矽半導體器件雖然在高電壓下進行動作，但關於用於碳化矽半導體器件的高耐壓的母線等還未開發。絕緣母線100可以用於例如碳化矽半導體器件。

另外，絕緣母線100利用樹脂部30完全覆蓋主電路導體10中的延伸部以外的部分。因此，主電路導體10的端面從樹脂部30露出。因此，即使層疊多個主電路導體10，也能夠防止在主電路導體10的端面部分處的放電。換言之，即使減少主電路導體10的距離，也能夠防止主電路導體10之間的放電。因此，絕緣母線100可以兼顧低電感和高耐壓。

另一方面，一般的層壓母線交替層疊板狀的導體、絕緣膜、隔離件。通過減少導體之間的距離，從而實現低電感。然而，由於各導體的端面露出，所以在端面部分處的放電易於發生。因此，在用於高電壓的用途的情況下，有必要拓寬導體之間的距離，增大電感。換言之，無法兼顧高耐壓和低電感。

例如，在假設將額定電壓設為2倍的情況下，在層壓母線中，為了防止在端部的部分處放電，必須將導體之間的距離設為2倍以上。另外，若將用於與模塊螺紋連接的貫通孔設置於層壓母線，則必須在層壓面的兩面確保爬電距離，母線的結構變大。另外，由於用於層壓母線的絕緣膜等在高溫下特性發生變化，所以在高溫環境下使用較為困難。

以上，使用實施方式對本發明進行了說明，但本發明的技術範圍並不限於上述實施方式中記載的範圍。可以對上述實施方式進行多種變更或者改進對本領域技術人員是顯而易見的。根據權利要求中記載的內容，進行了多種變更或者改進的實施方式可包含在本發明的技術範圍內是顯而易見的。

在權利要求、說明書、以及附圖中示出的裝置、系統、程序、以及方法中的動作、順序、步驟、以及步驟等各處理的執行順序沒有特別明示為「在之前」，「首先」等，並且只要不是在後的處理使用之前的處理的輸出，就可以以任意的順序實現。關於權利要求、說明書、以及附圖中的動作流程，為了方便，即使使用「首先，」、「接下來，」等進行說明，也並不是指必須以該順序實施。