電源組件和使用該組件的電動輸送機的製作方法
2023-10-23 16:46:32 2
專利名稱：電源組件和使用該組件的電動輸送機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電源組件和使用該組件的電動輸送機，特別是涉及一種向作為輸送機的驅動源使用的電動機(電機)供給電力的電源組件和使用該電源組件的電動輸送機。
背景技術：
近年來，從環境問題和能源問題的觀點出發，注目於將電動機作為驅動源的輸送機。另外，與內燃機相比，電動機具有驅動時產生的動作音小、外形的設計自由度大，可接近於需要驅動源的場所配置這些優點。因此，也可實現具有使用以往的內燃機的輸送機中不具備的特徵的新輸送機，從如此觀點考慮，進而開發出使用電動機的輸送機。
具有電動機的輸送機具有向電動機供給電力並控制轉速的電源組件(パワ一モジユ一ル，也稱作電力半導體裝置)。圖1示出了包含有專利文獻1所示的以往的電源組件的電路圖。正如圖1所示，從蓄電池12供給的電力通過虛線所示的電源組件10轉換為合適的驅動電力後向電動機14供給。如圖1所示，電源組件10包含有速度控制電路20、平滑(濾波)電容器22、多個FET(場效應電晶體)16和多個二極體18。
圖2(a)和(b)為速度控制電路20以外的構成要素形成於印刷電路板上的電源組件10的俯視圖和側視圖。正如圖示，電源組件10包含有導電性區域40a、40b、40c和40d形成於一表面上的印刷電路板40。導電性區域40c由多個副區域構成，副區域間連接有電阻。
在如此電源組件中使用的FET或二極體中流過的電流較大，從而會成為高溫。為了避免由此產生的故障，要求這些FET和二極體(電力用FET和二極體)具有較高的散熱性。因此，電力用FET和二極體為了可獲得良好的散熱特性，採用直接接合於電路基板的導電性圖形表面上的構造。
具體為，FET16軟釺焊(錫焊)到導電性圖形40b上，以使漏極與導電性圖形40b接觸。FET16的柵極與導電性圖形40c通過鋁構成的導線42b連接。FET16的源極與導電性圖形40d通過2根導線42a連接。FET16的源極與導電性圖形40c通過導線42c而相互連接。另外，二極體18軟釺焊到導電性圖形40a上，以使陰極電極與導電性圖形40a接觸。二極體18的陽極電極與導電性圖形40b通過鋁構成的導線41a而相互連接。
專利文獻1日本特開2002-262593號公報專利文獻2日本特開2004-47850號公報在圖2所示的電源組件中，向軟釺焊著FET16的導電性圖形40b流過較大電流。因此，需要加寬導電性圖形40b的寬度、降低電阻。然而由此需要將連接FET16的導線42a加長，因此存在著導線的電阻所致的發熱問題。例如，直徑為0.5mm、長度為15mm的導線並列設置成3根時的2點間的導線的電阻為0.7mΩ，在該2點間流過100A的電流時，導線中產生7.0W的熱量，導線例如為大於等於200℃的溫度。產生的熱量傳遞給FET16，導致FET16的溫度上升。因此，可流過電源組件的最大電流值限制為導線42a和FET16不會因發熱而劣化的程度的數值。
為了降低導線42a的發熱，理論上考慮了幾個對策。例如，考慮到通過增加將FET16和各導電性區域連接的導線的數目，使電阻下降並降低發熱量。可是，可與FET16連接的導線數目因FET的各電極尺寸而受到限制，不能連接較多的導線。另外，因導線的連接使用超聲波，在增加導線根數或使導線變粗時，接合面積會擴寬。結果，會因超聲波給FET造成損害，並且會使可靠性降低。
也考慮到使印刷電路板的導電層為2層，以提高印刷電路板上的導電性區域和FET或二極體配置的自由度。如此，可使應當與FET的各電極連接的導電性圖形接近FET，能夠使連接電極與導電性圖形的導線長度縮短。可此時為了使2個導電層絕緣，必須在印刷電路板上進一步設置絕緣層。通常因絕緣層的熱傳導率較小，通過設置絕緣層而使得印刷電路板的散熱性降低，FET或導線中產生的熱量通過印刷電路板向外部發散的效率降低。
另外，也考慮到在由一層導電層構成的印刷電路板中，通過使導電層增厚，以使導線應當跨過的導電性圖形的寬度變窄。可是在這種情況下，導電層會變厚，會難以通過蝕刻加工等進行圖形化。
專利文獻2主要公開了為了防止導線的斷線而不具有導線連接的功率半導體裝置。在該功率半導體裝置中，構成3相逆變器的1相的一對電晶體由電極而布線。根據專利文獻2，因為不使用導線，所以可以消除由於導線連接而引起的問題。
但是，在專利文獻2的功率半導體裝置中，由於不過是只有1相的電晶體由電極而布線，而為了構成3相逆變器，必需連接各相的布線。而且，雖然專利文獻2公開了通過薄膜電路圖形來進行這種布線，但是與現有的導線相比並不能認為薄膜電路圖形的電阻低，所以由於發熱而發生的問題有可能得不到解決。
發明內容
本發明解決了上述以往的電源組件的問題，其目的在於提供一種產熱少、可靠性優或者可通過更大電流的電源組件。
本發明的電源組件，具有配置成在基本上同一面內形成第1層的多個第1半導體元件；配置成在基本上同一面內形成第2層的多個第2半導體元件；和電連接著從所述多個第1半導體元件和第2半導體元件中選擇的至少兩個半導體元件的至少1個金屬板，其中，所述第1層和第2層被層疊成所述多個第2半導體元件和所述多個第1半導體元件不重疊。
在一優選實施例中，所述至少1個金屬板包括第1、第2和第3金屬板；所述第1、第2和第3金屬板被配置成由所述第1和第2金屬板夾持著形成所述第1層的多個第1半導體元件，並由所述第2和第3金屬板夾持著形成所述第2層的多個第2半導體元件。
在一優選實施例中，所述第1、第2和第3金屬板由從銅、鋁和不鏽鋼構成的組中選擇的材料形成。
在一優選實施例中，所述第1和第2半導體元件在與所述第1層和第2層的層疊方向垂直的投影面內交替地配置。
在一優選實施例中，所述第2金屬板，在其表面與所述多個第1半導體元件的至少1個連接，在其背面與所述多個第2半導體元件的至少1個連接。
在一優選實施例中，本發明的電源組件還具有將所述第1、第2和第3金屬板和所述多個第1和第2半導體元件一體地包裝的封裝(パツケ一ジ)。
在一優選實施例中，所述多個第1和第2半導體元件分別具有用於和外部進行電連接的多個焊盤，所述多個焊盤包括用於施加或者引出大電流的大電流用焊盤和用於施加控制信號的控制信號用焊盤，所述大電流用焊盤與所述第1、第2或第3金屬板連接。
在一優選實施例中，本發明的電源組件還具有與所述第1、第2或第3金屬板連接的大電流端子和與所述控制信號用焊盤連接的控制信號用端子。
在一優選實施例中，本發明的電源組件還具有與所述制信號用端子電連接的無源元件。
在一優選實施例中，所述第1、第2和第3金屬板具有0.5mm至2mm範圍內的厚度。
在一優選實施例中，所述多個第1和第2半導體元件為多個MOS_FET。
在一優選實施例中，本發明的電源組件分別含有3個所述第1和第2半導體元件，並構成電動機驅動用3相逆變器電路。
或者本發明的電源組件具有第1金屬板、與所述第1金屬板相對向的多個第2金屬板、由所述第1金屬板和所述多個第2金屬板夾持的多個第1半導體元件、與所述多個第2金屬板相對向的第3金屬板即相對於所述多個第2金屬板配置在與所述第1金屬板相反的一側的第3金屬板、由所述第3金屬板和所述多個第2金屬板夾持的多個第2半導體元件、和封入所述第1金屬板、所述多個第1半導體元件、所述多個第2金屬板、所述多個第2半導體元件和所述第3金屬板的包裝，所述第1金屬板與所述多個第1半導體元件連接，所述多個第2金屬板分別與所述多個第1半導體元件中的至少一個以及所述多個第2半導體元件中的至少一個連接，所述第3金屬板與所述多個第2半導體元件連接，所述多個第2半導體元件被配置成與所述多個第1半導體元件不重疊。
本發明的電動機控制單元具有由上述任一規定的電源組件，和用於向所述多個第1和第2半導體元件輸出控制信號的控制電路。
本發明的電動輸送機具有上述電動機控制單元，與所述電動機控制單元連接的電動機，和向所述電動機控制單元供電的蓄電池。
本發明的電源組件的製造方法，包含有固定工序(A)，其中，將在上面和下面分別具有用於進行與外部的電連接的焊盤的多個第1半導體元件，固定在其中將第1金屬板連接在框架上的第1引線框上，以將所述上面和下面中的一面的焊盤連接在所述第1金屬板上；固定工序(B)，其中，將在框架上連接有第2金屬板的第2引線框固定在所述多個第1半導體元件上，以將所述多個第1半導體元件的上面和下面中的另一面的焊盤連接在所述第2金屬板上；固定工序(C)，其中，將在上面和下面分別具有用於進行與外部的電連接的焊盤的多個第2半導體元件，以不與所述多個第1半導體元件重合的方式，配置在所述第2金屬板的未接合所述第1半導體元件的面上，並且以所述上面和下面中的一面的焊盤與所述第2金屬板接合的方式固定所述多個第2半導體元件；固定工序(D)，其中，將在框架上連接有第3金屬板的第3引線框固定在所述多個第2半導體元件上，以將所述多個第2半導體元件的上面和下面中的另一面的焊盤連接在所述第3金屬板上；和將所述第1、第2和第3金屬板從對應的框架切離的工序(E)。
在一優選實施例中，所述第1、第2和第3引線框的框架具有相同的形狀，通過使所述第1、第2和第3引線框的框架相互對齊，使所述第1、第2和第3金屬板與所述多個第1和第2半導體元件對齊。
在一優選實施例中，在所述工序(A)、(B)、(C)和(D)中，使用釺焊膏進行固定，在所述工序(D)和工序(E)之間還包括進行熱處理使所述釺焊膏熔化、凝固的工序(F)。
在一優選實施例中，在所述工序(F)和工序(E)之間還包括通過模塑成形而形成將所述第1、第2和第3金屬板與所述多個第1和第2半導體元件一體地封入的包裝的工序(G)。
在一優選實施例中，所述多個第1和第2半導體元件的焊盤包括用於施加或者取出大電流的大電流用焊盤、用於施加控制信號的控制信號用焊盤，所述第1、第2和第3引線框中的至少其一包含為了和所述控制信號用焊盤連接而與所述框架連接的控制信號用端子。
在一優選實施例中，在所述控制信號用焊盤上形成突起，將所述突起與所述控制信號用端子連接。
在一優選實施例中，所述控制信號用端子具有覆蓋與所述控制信號用焊盤接觸的部分以外的區域的絕緣膜。
根據本發明的電源組件，半導體元件通過金屬板布線。因此，與使用導線的傳統的電源組件相比，能以低電阻電連接半導體元件，可以降低布線部分的熱損失。而且，在本發明的電源組件中，半導體元件以相互不重疊的方式層疊。因此，在各半導體元件產生的熱不會因元件的重疊而集中，而是可以在電源組件內整體上均勻地散熱。所以可以抑制因局部熱量集中而造成的半導體元件的故障或者劣化，可以提高作為電源組件整體的可靠性。
圖1為示出包含有以往的電源組件的驅動系統的電路圖；圖2(a)和(b)為圖1所示的以往的電源組件的俯視圖和側視圖；圖3為示出含有本發明的電源組件的驅動系統的示意性電路圖；圖4為示出在電源組件中用於調整對電動機進行開關的定時的無源元件(受動素子)的電路圖；
圖5(a)和(b)為示出在本發明的電源組件中作為電力半導體元件使用的電晶體的俯視圖和仰視圖；圖6(a)為本發明的電源組件的俯視圖，(b)和(c)是從不同的兩個方向看時的側視圖；圖7為示出本發明的電源組件的截面結構的圖，是沿圖6(a)中的7A～7A』線的截面圖；圖8為示出本發明的電動機控制單元的側視圖；圖9(a)、(b)和(c)為示出本發明的電源組件的製造中所使用的引線框的俯視圖；圖10(a)和(b)為示出本發明的電源組件的製造過程中的狀態的俯視圖和側視圖；圖11(a)、(b)和(c)為連接至柵極焊盤的端子與源極焊盤的絕緣方法的說明圖；圖12(a)和(b)為示出本發明的電源組件的製造過程中的狀態的俯視圖和側視圖；圖13(a)和(b)為示出本發明的電源組件的製造過程中的狀態的俯視圖和側視圖；圖14(a)和(b)為示出本發明的電源組件的製造過程中的狀態的俯視圖和側視圖；圖15(a)和(b)為示出本發明的電源組件的製造過程中的狀態的俯視圖和側視圖；圖16(a)和(b)為示出本發明的電源組件的製造過程中的狀態的俯視圖和側視圖；圖17(a)和(b)為示出本發明的電源組件的製造過程中的狀態的俯視圖和側視圖；圖18為示出本發明的電動車輛的實施例的圖。
符號說明101電源組件 102電動機 103蓄電池 104電容器105控制電路 110U～112U、110L～112L電晶體121封裝 122無源元件 125第1金屬板 126c～126e第2金屬板 127第3金屬板 130殼體 131第1引線框 132第2引線框 133第3引線框 430電動車輛 431行駛驅動用電動機 432後輪 434前輪 440行駛驅動用蓄電池裝置443行駛控制用控制器 a、b、c、d、e端子具體實施方式
下面，參照
本發明的實施例。圖3為示意地示出本發明的電源組件中使用的輸送機的驅動系統的電路圖。本發明的電源組件可用於作為驅動源使用電動機的各種輸送機中。在本說明書中，所謂電源組件，是指使用半導體元件在控制大電流(大於等於10A)的同時向電動機供應的裝置。
如圖3所示，該輸送機具有電源組件101、電動機102、蓄電池103，濾波(平滑)電容器104和控制電路105。電動機102在本實施例中為無刷DC(直流)電動機。通過向電動機102的3個端子施加相位各間隔120度的3相交流電流，以對電動機102進行轉動驅動。通過電源組件101和控制電路105構成了包含3相逆變器電路的電動機控制單元。
蓄電池103與使電壓變動平滑化的濾波電容器104並聯連接，為了向電源組件101供給電力，和電源組件101的端子a與端子b連接。電源組件101接受來自蓄電池103的直流電壓的電力，產生使電動機102旋轉的合適的驅動電力。由於前述的電動機102通過3相交流電流驅動，電源組件101從直流電流產生3相交流電流。
為此，在端子a與端子b之間，形成有分別由串聯連接的2個場效應電晶體構成的3個電流路徑。即，電源組件101含有作為電力半導體元件(進行用於控制電流的供給的開關動作的半導體元件)的6個場效應電晶體110U、110L、111U、111L、112U和112L。
互相串聯連接的場效應電晶體110U和110L構成1相的電流路徑，互相串聯連接的場效應電晶體111U和111L構成另1相的電流路徑。而互相串聯連接的場效應電晶體112U和112L則構成另外1相的電流路徑。與蓄電池103的高電位側連接的場效應電晶體110U、111U和112U分別被稱為各相的上臂(ア一ム)。而與蓄電池103的低電位側連接的場效應電晶體110L、111L和112L分別被稱為各相的下臂。
在本實施例中，是將MOS型的場效應電晶體(以下簡稱為電晶體)作為電力半導體元件(開關元件)使用，但也可將雙極電晶體或其他電晶體作為電力半導體元件使用。另外，也可使用電晶體以外的二極體或晶閘管等可施加較大電流(例如大於等於10A)的其他電力半導體元件。此外，在本實施例中，用一個電力半導體元件來構成各相的上臂和下臂，但是也可以用多個電力半導體元件來構成上臂和下臂。通過布線108U和108L在各電晶體110U～112U、110L～112L的柵極G和源極S上施加由控制電路105生成的控制信號，並且，根據控制信號，各電晶體進行開關動作。例如，在脈衝寬度調製(PWM)所致的頻率下高速地進行開關，由此，生成3相交流電流，並通過端子c、d、e施加到電動機102上。
為了調整開關各電晶體110U～112U、110L～112L的定時，以生成具有期望的特性的3相交流電流，也可以如圖4所示在各電晶體的柵極G上連接定時調整用的無源元件122。在圖4所示的例子中，在各電晶體的柵極G上連接有二極體D1和電阻R1、R2。此外，在電晶體處於關閉(オフ)狀態時，為了將電晶體中蓄積的電荷放電，如圖所示，也可以在柵極G和源極S之間連接電阻R3。而且，這些無源元件也可以包含於控制電路105中。但是，在由於布線所致的寄生電容或者寄生電阻的影響成為問題的情況下，優選的是這些無源元件連接在各電晶體的附近。
參照圖5說明各電晶體的具體構造。圖5(a)和(b)為示意性地示出電晶體110U的俯視圖和仰視圖。電晶體110U為長方體的片狀，在如圖所示相對向的上面和下面中的一面上具有與源極連接的源極焊盤SP和與柵極連接的柵極焊盤GP。而在另一面上具有與漏極連接漏極焊盤DP。在本說明書中，在用於將電晶體110U與外部電連接的這些焊盤中，將用於施加大電流或者用於取出大電流的焊盤稱為大電流用焊盤，將用於施加控制信號的焊盤稱為控制信號用焊盤.柵極焊盤GP作為控制信號用焊盤起作用，漏極焊盤DP作為大電流用焊盤起作用。而源極焊盤SP作為控制信號用焊盤和大電流用焊盤兩者起作用。其它的電晶體111U～112U、110L～112L也具有相同的構造。
接著參照圖6和圖7具體說明電源組件101的構造。圖6(a)～(c)是從上方看作為1個封裝而構成的電源組件101時的俯視圖以及從不同的兩個方向的側面看時的側視圖。圖7為沿圖6(a)中的7A～7A』線的截面圖。圖6(a)和(b)以虛線示出了電源組件101的內部構造。
如這些圖中所示，電源組件101具有6個電晶體110U～112U、110L～112L。而且，如圖7中特別容易理解地示出，電源組件101具有第1金屬板125、第2金屬板126c、126d、126e和第3金屬板127。
構成各相的下臂的電晶體110L～112L由第1金屬板125和第2金屬板126c、126d、126e夾持而以形成1個層(在此為方便起見稱為「第1層」)的方式配置在同一面內。此外，構成各相的上臂的電晶體110U～112U由第2金屬板126c、126d、126e和第3金屬板127夾持而以形成與第1層不同的層(在此為方便起見稱為「第2層」)的方式配置在同一面內。即按第1金屬板125、由電晶體110L～112L形成的第1層、第2金屬板126c～126e、由電晶體110U～112U形成的第2層和第3金屬板127的順序層疊。
如圖6(a)和圖7清楚地示出，第1層和第2層被層疊成構成上臂的電晶體110U～112U和構成下臂的電晶體110L～112L在從垂直於金屬板的主面的方向(圖7中箭頭N所示)看時不相重疊。各相的上臂的電晶體和下臂的電晶體在其鄰近的端部彼此在從垂直於金屬板的主面的方向N看時隔開規定的距離d。
在本實施例中，如圖6(a)所示，在垂直於第1層和第2層的層疊方向(與垂直於金屬板的主面的方向N一致)的投影面(即與金屬板的主面平行的投影面)內，構成上臂的電晶體110U～112U和構成下臂的電晶體110L～112L以交替定位的方式排成一行。換句話說，上臂的電晶體110U～112U和下臂的電晶體110L～112L在垂直於金屬板的主面的截面中被配置成如圖7所示的交錯狀。
第1金屬板125作為將在圖3中構成下臂的電晶體110L～112L的各個源極相互連接的布線而起作用。第3金屬板127作為將構成各相的上臂的電晶體110U～112U的各個漏極相互連接的布線而起作用。此外，第2金屬板126c、126d、126e作為將構成各相的上臂的電晶體的源極和構成下臂的電晶體的漏極相互連接的布線而起作用。
如圖5所示，各電晶體在相對向的2個主面上具有源極焊盤SP和漏極焊盤DP。在電源組件101中，電晶體的這些焊盤通過軟釺焊等被直接接合在對應的金屬板上。更具體地，構成下臂的電晶體110L～112L的源極焊盤SP被分別接合在第1金屬板125上。而電晶體110L～112L的漏極焊盤DP被分別接合在第2金屬板126c、126d、126e的背面上。另一方面，構成上臂的電晶體110U～112U的源極焊盤SP被分別接合在第2金屬板126c、126d、126e的表面上。而電晶體110U～112U的漏極焊盤DP被分別接合在第3金屬板127上。
如圖6(a)和(b)所示，端子b和a分別一體地形成並連接在第1金屬板125和第3金屬板127上。如圖6(a)和(c)所示，端子c、d和e分別一體地形成並連接在第2金屬板126c、126d、126e上。這些端子a～e以低電阻將電源組件101連接至蓄電池103和電動機102，並具有較寬的寬度以能夠流過大電流。
第1、第2和第3金屬板125、126c～126e和127與電晶體110U～112U和110L～112L，被由樹脂等成形的封裝121一體地封閉。端子a、b、c、d、e從封裝121向外部突出。
封裝121將各金屬板和電晶體之間絕緣並固定著端子。如圖7所示，在第1金屬板125和第2金屬板126c～126e之間未配置有電晶體110L～112L的區域中，充填著封裝121的材料。同樣地，在第2金屬板126c～126e和第3金屬板127之間未配置有電晶體110U～112U的區域中，也充填著封裝121的材料。因此，電晶體110L～112L與配置在第2金屬板126c～126e和第3金屬板127之間的封裝材料層(例如樹脂層)相對向。而電晶體110U～112U與配置在第1金屬板125和第2金屬板126c～126e之間的封裝材料層相對向。如此，使電晶體110U～112U和電晶體110L～112L不是通過金屬板對向而是使其偏離地設置，由此可以使得熱量不會積存於電晶體之間而是迅速地向外部散熱。而且，通過在金屬板之間充填樹脂等的封裝材料，可以進一步促進散熱。
封裝121優選地由具有絕緣性、不腐蝕內部結構的氣密性高的材料形成。作為封裝121的材料，例如，優選地可以應用用於半導體IC等的封裝的環氧樹脂等的熱固化性樹脂。
在各金屬板和電晶體發生的熱通過封裝121向外部散熱。因此，從封裝121的外表面至第1金屬板125(埋置有樹脂等的封裝材料)的厚度t2和從封裝121的外表面至第3金屬板127(同樣地埋置有樹脂等的封裝材料)的厚度t1最好為較小。但是，封裝121需要保護各金屬板和電晶體並以規定的強度保持電源組件101整體。因此，在考慮到確保整體的強度的基礎上來選擇最佳的厚度t1和t2。
為了控制電源組件101的各電晶體，需要將從圖3所示的控制電路105輸出的控制信號施加至各電晶體的柵極和源極。因此，如圖6(c)所示，電源組件101還具有與圖3所示的布線108U和108L對應的與各電晶體連接的控制信號用端子106U和106L。
控制信號用端子106U與電晶體110U～112U的源極和柵極連接，而控制信號用端子106L與電晶體110L～112L的源極和柵極連接。如上所述，在將定時調整用的無源元件122連接至各電晶體的柵極電極時，將無源元件122連接在控制信號用端子106U或控制信號用端子106L與各電晶體的連接部分附近。這些無源元件122被設置在封裝121內。
如圖6所示，本實施例的控制信號用端子106U和106L，在從封裝121向外部突出後進行彎折。這是因為通過使控制信號用端子106U和106L的引出方向與端子a、b、c、d、e的引出方向不同，可以使得從控制電路105向控制信號用端子106U和106L的布線變得容易。根據向連接在電源組件101上的控制電路105或者蓄電池103、電動機102的布線的方式，也可以與圖6的示例相反地將端子a、b、c、d、e彎折而將控制信號用端子106U和106L直線地引出，或者也可以不彎折這些端子。
如上所述，第1、第2和第3金屬板125、126c～126e和127與各電晶體的源極或者漏極連接，並有大電流流過。因此，第1、第2和第3金屬板125、126c～126e和127優選為低電阻。具體地，第1、第2和第3金屬板125、126c～126e和127優選地由銅、鋁、不鏽鋼等電阻低的金屬形成。
此外，這些金屬板的厚度優選地大於等於0.5mm。當金屬板的厚度比0.5mm薄時，電阻會變高，因大電流流過而產生較大的熱量。從電阻的觀點看，這些金屬板的厚度最好較厚，並沒有特別的上限。但是，考慮將電源組件101作為封裝而成形的金屬板的加工性，這些金屬板的厚度優選地小於等於2mm。如下面所詳細說明的，通過使金屬板的厚度小於等於2mm，可以最佳地使用引線框形成這些金屬板，製造電源組件101。
與金屬板的縱向垂直的方向的寬度也可有利於電阻的降低。第1、第2和第3金屬板125、126c～126e和127為了與各電晶體連接，優選地至少具有大於等於電晶體的外形的寬度。如果只考慮金屬板的電阻，則寬度越大，電阻越小。但是，由於和電晶體接合的焊盤的大小即使在金屬板的寬度變大時也不發生變化，所以即使增大寬度至大於等於電晶體的外形，也幾乎對電阻的降低不產生作用。結果，由於增大金屬板的寬度而使得電源組件的外形也增大。因此，與金屬板的縱向垂直的方向的寬度優選地在電晶體的外形的1倍至2倍左右的範圍內。
由於端子a、b、c、d、e也流動有大電流，所以優選地是滿足上述條件。一方面，由於控制信號用端子106U和106L中不流動大電流，所以也可以不滿足上述條件。但是，在使用引線框製造電源組件101時，由於可以在形成第1、第2和第3金屬板125、126c～126e和127與端子a、b、c、d、e的同時形成控制信號用端子106U和106L，所以優選地使用相同的材料來製造第1、第2和第3金屬板125、126c～126e和127與端子a、b、c、d、e。
電源組件101的尺寸取決於所使用的電晶體的大小和數目(電動機相數)。此外，電晶體的大小取決於驅動電流即進行驅動的電動機的額定值。例如，在以3相驅動額定值為1kW的電動機的情況下，電源組件101的封裝的外形在6cm×3.5cm×0.5cm左右。
在本實施例的電源組件中，電力半導體元件通過直接接合的金屬板進行布線。因此，與使用導線的現有的電源組件相比，能以低電阻電連接電力半導體元件。結果，可以降低布線部分的熱損失，使效率提高。而且，由於可以抑制布線部分的發熱，所以能夠降低處於動作狀態的電力半導體元件的溫度。因此，可以防止電力半導體元件由於熱量而劣化並提高可靠性。此外，在允許上升至與現有技術中相同程度的溫度的情況下，能夠在電力半導體元件中流動比現有技術的大的電流，可以提高安裝有本發明的電源組件的輸送機的運動性能。
此外，通過使用金屬板進行布線，能夠降低電源組件電路內的電感。因此，可以降低以高速開關電力半導體元件時所發生的衝擊電壓。
由於可以通過軟釺焊等將金屬板接合至電力半導體元件上，所以不需要使用超聲波的導線焊接(絲焊)。結果，可以避免通過導線焊接而對電力半導體元件產生的損害。由於不使用導線，所以可以避免由於導線振動等而發生斷線。該特徵，特別地通過在易於發生振動的輸送機中使用本發明的電源組件，有利於降低由于振動造成的故障以及提高可靠性。
此外，由於用一體地模製成形的封裝覆蓋金屬板和電力半導體元件，金屬板和電力半導體元件與封裝緊貼(密著)在一起，所以在金屬板和電力半導體元件發生的熱有效地向封裝傳導。因此，通過將散熱器等與封裝連接，就可以很有效地將金屬板和電力半導體元件的熱向外部散熱，可以抑制電力半導體元件的劣化，提高可靠性。特別地，在封裝內電力半導體元件以互相不重疊的方式層疊。因此，在各電力半導體元件中發生的熱不會因元件的重疊而集中，而是可以在封裝內整體上均勻地散熱。即，由於熱量不會局部地集中，所以可以抑制因熱量集中而造成的電力半導體元件的故障或者劣化，作為電源組件整體提高可靠性。
此外，本實施例的電源組件可以將電動機的驅動所必須的相數收容在一個封裝內。因此，在使用電源組件製造電動機控制單元時，使用較少的構成電動機控制單元的部件數目即可，從而可以縮短製造電動機控制單元所需要的時間，或者使電動機控制單元的外形變小。
而且，圖6所示的電源組件101中各電晶體和無源元件的配置以及端子a～e和106U、106L的連接位置是一個示例，也可以在與圖6不同的位置上配置各電晶體和無源元件，或者連接端子a～e和106U、106L。例如，端子a和端子b也可以在圖6中箭頭A和B所示的位置上被連接在第3金屬板127和第1金屬板125上。這時，端子a和端子b以及與其連接的第3金屬板127和第1金屬板125配置成隔開規定的距離而相互平行地重合。如果採用這種構造，端子a和端子b以及與其連接的第3金屬板127和第1金屬板125中相互逆向的的電流鄰近地流動，使得由於在端子和金屬板中流動的電流而發生的電感互相抵消。因此，可以降低由於布線而產生的電感。
此外，金屬板的數目和形狀也可以與圖9所示的第1、第2和第3金屬板125、126c～126e和127不同。
其次，參照圖8對使用本實施例的電源組件101的電動機控制單元的一例進行說明。圖8所示的電動機控制單元包含前述的電源組件101、殼體130、構成控制電路的基板105。電源組件101以其封裝與殼體130的表面130a緊貼的方式安裝。由於封裝是由絕緣性材料形成，所以可在殼體130與電源組件101之間不存在絕緣物質，而是可以將電源組件101直接安裝在殼體130上。
殼體130優選地由散熱性優良的材料形成，例如由鋁、銅、不鏽鋼等構成。在基板105上安裝有構成控制電路的電子部件105』。電子部件105』可以設置在基板105的一個面上也可以設置在雙面上。電源組件101的控制信號用端子106U和106L被連接在基板105上。蓄電池連接在端子a、b上，而端子c、d、e被連接至電動機。
在圖8所示的電動機控制單元中，在電源組件101中產生的熱量從封裝直接向殼體130散熱。因此，可以有效地將熱量向外部散出，可以抑制電源組件101的溫度上升。
其次，說明電源組件101的製造方法的一個示例。首先準備如圖9(a)～(c)所示的第1引線框131、第2引線框132和第3引線框133。
如圖9(a)所示，第1引線框131包含框131a、與框131a連接的端子b、與端子b連接的第1金屬板125。而且，第1引線框131，作為用於配置控制信號用端子和無源元件的端子，還包括分別與框131a連接的端子131g、131h、131i。端子131g、131h、131i分別由4根細線狀的板構成。
如圖9(b)所示，第2引線框132包括框132a、與框132a連接的端子c、d、e、以及分別與端子c、d、e連接的第2金屬板126c、126d、126e。而且，第2引線框132，與第1引線框131同樣，作為用於配置控制信號用端子和無源元件的端子，還包括分別與框132a連接的端子132g、132h、132i。端子132g、132h、132i，與端子131g、131h、131i同樣，分別由4根細線狀的板構成。
如圖9(c)所示，第3引線框133包括框133a、與框133a連接的端子a、與端子a連接的第3金屬板127。
這三個引線框由矩形的金屬板通過模衝加工或者蝕刻、放電加工等而被圖形化。為了通過框來進行分別與各個框連接的引線部分的位置對齊，各引線框的框131a、132a、133a優選地形成為相同的形狀。此外，在進行位置對齊以使得各引線框的框重合時，以各金屬板和端子也被配置在正確的位置上的方式進行相對於框的位置定位。而且，第1金屬板125、第2金屬板126c～126e和第3金屬板127分別是通過端子b、端子c～e和端子a連接在各個框上，但是也可以通過與這些端子分開設置的連接用邊緣連接在框上。
使用所準備的這三個引線框，以如下方式進行電源組件101的製造。首先，如圖10所示，使用釺焊膏將電晶體110L、111L和112L固定(永久緊固或者臨時緊固)在包含於第1引線框131中的第1金屬板125上。此時，無源元件122也固定(永久緊固或者臨時緊固)在端子131g、131h、131i上的規定位置上。而且，也可以代替釺焊膏而以導電性粘接劑進行固定。
在該工序(步驟)中，進行定位以使電晶體110L、111L和112L的源極焊盤SP與第1金屬板125接合，將各端子131g、131h、131i的一根的一端定位在柵極焊盤GP上。此時，需要注意該端子的一根不要與源極焊盤SP接觸。例如，如圖11(a)所示，在柵極焊盤GP上形成突起(バンプ)134，在端子131g的前端附近設置用以吸收突起134的高度的彎曲部136。從而，將端子131g和突起134以及金屬板125和源極焊盤SP分別用釺焊膏139臨時緊固。或者，如圖11(b)所示，也可以在端子131g上設置弧形的彎曲部137，以使端子131g不與源極焊盤SP接觸。此外，如圖11(c)所示，也可以用絕緣膜135覆蓋端子131g與柵極焊盤GP的接觸部分以外的領域。
其次，如圖12所示，使第1引線框131重疊在第2引線框132上。此時，在電晶體110L、111L和112L的漏極DP上塗布釺焊膏。通過以使第2引線框132的框132a與第1引線框131的框131a重疊的方式進行定位，將第2引線框132的第2金屬板126c、126d、126e和端子132g、132h、132i相對於第1金屬板125和電晶體110L、111L和112L配置在適當的位置上。
其次，如圖13所示，採用同樣的方法將電晶體110U、111U和112U固定(永久固定或者臨時固定)在第2金屬板126c、126d、126e上的規定位置上。此外，在此時，無源元件122也固定(永久固定或者臨時固定)在端子132g、132h、132i的規定位置上。
接著，將釺焊膏塗布在電晶體110U、111U和112U的漏極焊盤DP上，如圖14所示，使第3引線框133重合在第2引線框132上。通過以使第3引線框133的框133a與第2引線框132的框132a重疊的方式進行定位，將第3引線框133的第3金屬板127相對於第2金屬板126c、126d、126e和電晶體110U、111U和112U配置在適當的位置上。
其次，將層疊的引線框置入回流爐，在使釺焊料熔融後，在回流爐內冷卻引線框，使釺焊料固化。進而，如圖15所示，將引線框保持在收容各金屬板、電晶體和無源元件的模具中，使用熱固化性樹脂進行模塑成型以將它們覆蓋。由此而形成封裝121。模塑成型優選地在釺焊料不熔化的溫度下進行。而且，在代替釺焊膏使用導電性粘接劑時不需要回流處理。
然後，如圖16所示，將框切離。此時，由於分別構成端子131g、131h、131i和端子132g、132h、132i的4根細線狀板中的2根只用於和無源元件進行相互連接，所以作為端子不必引出至封裝的外部。因此，細線狀的板中的2根與封裝的外形匹配而切斷。如此而形成由所剩餘的2根細線狀的板構成的端子106U和106L。最後，如圖17所示，通過彎折端子106L和106U，完成電源組件101。
根據這種製造方法，由於各引線框外形相同，所以可以容易且高精度地將各引線框的框彼此對齊定位。因此，也能夠將與各框連接的金屬板彼此以高精度對齊定位。而且，由於框的形狀相同，在電力半導體元件的安裝、各引線框的層疊工序、將層疊的引線框設置在模具中、模塑樹脂成型的工序等各工序中使用的裝置中的對齊定位也可以高精度進行。由於外形對齊一致，作業性也很好。
而且，在將所有的金屬板層疊後，通過一體地進行模塑樹脂成型，可以進行電力半導體元件、各金屬板和無源元件之間的絕緣，所以也可一次性地形成可靠性高的絕緣結構，而且可以降低製造成本。
下面說明本發明的輸送機的實施例。
圖18示出本實施例的電動車輛430。該電動車輛430為較適用在高爾夫球場等中輸送高爾夫球桿袋等物品或人員的運送車。在圖18中，作為一例示出了4輪電動車輛，但可以是電動摩託車等的2輪車輛。另外，可以是電動車輛以外的、將電動機作為驅動源或推進源來使要移動的物品或人員移動的其他輸送機構。
本實施例的電動車輛430具有行駛驅動用電動機431，由其驅動的2個後輪432和靠手動或自動轉向的前輪434。行駛驅動用電動機431的驅動力通過未圖示的傳動裝置傳遞給後輪432。前輪434靠方向盤435的手動操作或自動操作而轉向。
在前後設置有前側座位436和後側座位437。在前側座位436的下方設有充電用控制器438和制動電動機439。在後側座位437的下方設有成為行駛驅動用電動機431的電源的行駛驅動用蓄電池裝置440。行駛驅動用蓄電池裝置440具有串聯連接的6個(只圖示出單側的3個)的蓄電池441。這些蓄電池441在設有間隙的狀態下承載於支承座442上。
在行駛驅動用電動機431的上側設有行駛控制用控制器443。行駛控制用控制器443與行駛驅動用蓄電池裝置440、行駛驅動用電動機431、制動電動機439和轉向電動機444連接，並控制這些構件。行駛控制用控制器443和行駛驅動用電動機431設置於2個後輪432之間。
上述的電源組件101設置於行駛控制用控制器443的內部，接受來自蓄電池440的直流電流的供給，並將其轉換為交流電流。來自電源組件101的交流電流向行駛驅動用電動機431、制動電動機439和轉向電動機444供給。
根據本實施例，通過將可靠性高或與高輸出相對應的電源組件裝載於電動車輛上，可實現具有可靠性高或高驅動能力的電動車輛。
工業實用性本發明適用於流過大電流的電源組件，特別適用於供給很大電流(例如大於等於30A)的電源組件。根據本發明的電源組件適用於將電動機作為驅動源的輸送機。
權利要求
1.一種電源組件，具有配置成在基本上同一面內形成第1層的多個第1半導體元件；配置成在基本上同一面內形成第2層的多個第2半導體元件；和電連接著從所述多個第1半導體元件和第2半導體元件中選擇的至少兩個半導體元件的至少1個金屬板，其中，所述第1層和第2層被層疊成所述多個第2半導體元件和所述多個第1半導體元件不重疊。
2.按照權利要求1所述的電源組件，其特徵在於，所述至少1個金屬板包括第1、第2和第3金屬板；所述第1、第2和第3金屬板被配置成由所述第1和第2金屬板夾持著形成所述第1層的多個第1半導體元件，並由所述第2和第3金屬板夾持著形成所述第2層的多個第2半導體元件。
3.按照權利要求2所述的電源組件，其特徵在於，所述第1、第2和第3金屬板由從銅、鋁和不鏽鋼構成的組中選擇的材料形成。
4.按照權利要求2或3所述的電源組件，其特徵在於，所述第1和第2半導體元件在與所述第1層和第2層的層疊方向垂直的投影面內交替地配置。
5.按照權利要求2至4中任一項所述的電源組件，其特徵在於，所述第2金屬板，在其表面與所述多個第1半導體元件的至少1個連接，在其背面與所述多個第2半導體元件的至少1個連接。
6.按照權利要求2至5中任一項所述的電源組件，其特徵在於，還具有將所述第1、第2和第3金屬板和所述多個第1和第2半導體元件一體地封入的封裝。
7.按照權利要求2至6中任一項所述的電源組件，其特徵在於，所述多個第1和第2半導體元件分別具有用於和外部進行電連接的多個焊盤，所述多個焊盤包括用於施加或者引出大電流的大電流用焊盤和用於施加控制信號的控制信號用焊盤，所述大電流用焊盤與所述第1、第2或第3金屬板連接。
8.按照權利要求7所述的電源組件，其特徵在於，還具有與所述第1、第2或第3金屬板連接的大電流端子和與所述控制信號用焊盤連接的控制信號用端子。
9.按照權利要求8所述的電源組件，其特徵在於，還具有與所述制信號用端子電連接的無源元件。
10.按照權利要求2至9中任一項所述的電源組件，其特徵在於，所述第1、第2和第3金屬板具有0.5mm至2mm範圍內的厚度。
11.按照權利要求1至10中任一項所述的電源組件，其特徵在於，所述多個第1和第2半導體元件為多個MOS FET。
12.按照權利要求11所述的電源組件，其特徵在於，分別含有3個所述第1和第2半導體元件，並構成電動機驅動用3相逆變器電路。
13.一種電動機控制單元，具有權利要求1至12中任一項規定的電源組件，和用於向所述多個第1和第2半導體元件輸出控制信號的控制電路。
14.一種電動輸送機，具有權利要求13規定的電動機控制單元，與所述電動機控制單元連接的電動機，和向所述電動機控制單元供電的蓄電池。
15.一種電源組件的製造方法，包含有固定工序(A)，其中，將在上面和下面分別具有用於進行與外部的電連接的焊盤的多個第1半導體元件，固定在其中將第1金屬板連接在框架上的第1引線框上，以將所述上面和下面中的一面的焊盤連接在所述第1金屬板上；固定工序(B)，其中，將在框架上連接有第2金屬板的第2引線框固定在所述多個第1半導體元件上，以將所述多個第1半導體元件的上面和下面中的另一面的焊盤連接在所述第2金屬板上；固定工序(C)，其中，將在上面和下面分別具有用於進行與外部的電連接的焊盤的多個第2半導體元件，以不與所述多個第1半導體元件重合的方式，配置在所述第2金屬板的未接合所述第1半導體元件的面上，並且以所述上面和下面中的一面的焊盤與所述第2金屬板接合的方式固定所述多個第2半導體元件；固定工序(D)，其中，將在框架上連接有第3金屬板的第3引線框固定在所述多個第2半導體元件上，以將所述多個第2半導體元件的上面和下面中的另一面的焊盤連接在所述第3金屬板上；和將所述第1、第2和第3金屬板從對應的框架切離的工序(E)。
16.按照權利要求15所述的電源組件的製造方法，其特徵在於，所述第1、第2和第3引線框的框架具有相同的形狀，通過使所述第1、第2和第3引線框的框架相互對齊，使所述第1、第2和第3金屬板與所述多個第1和第2半導體元件對齊。
17.按照權利要求15或16所述的電源組件的製造方法，其特徵在於，在所述工序(A)、(B)、(C)和(D)中，使用釺焊膏進行固定，在所述工序(D)和工序(E)之間還包括進行熱處理使所述釺焊膏熔化、凝固的工序(F)。
18.按照權利要求17所述的電源組件的製造方法，其特徵在於，在所述工序(F)和工序(E)之間還包括通過模塑成形而形成將所述第1、第2和第3金屬板與所述多個第1和第2半導體元件一體地封入的包裝的工序(G)。
19.按照權利要求15至18中任一項所述的電源組件的製造方法，其特徵在於，所述多個第1和第2半導體元件的焊盤包括用於施加或者取出大電流的大電流用焊盤、用於施加控制信號的控制信號用焊盤，所述第1、第2和第3引線框中的至少其一包含為了和所述控制信號用焊盤連接而與所述框架連接的控制信號用端子。
20.按照權利要求19所述的電源組件的製造方法，其特徵在於，在所述控制信號用焊盤上形成突起，將所述突起與所述控制信號用端子連接。
21.按照權利要求19所述的電源組件的製造方法，其特徵在於，所述控制信號用端子具有覆蓋與所述控制信號用焊盤接觸的部分以外的區域的絕緣膜。
全文摘要
提供一種發熱少、可靠性優或者可通過更大電流的電源組件。本發明的電源組件具有配置成在基本上同一面內形成第1層的多個第1半導體元件(110L～112L)；配置成在基本上同一面內形成第2層的多個第2半導體元件(110U～112U)；和電連接著從所述多個第1和第2半導體元件(110L～112L，110U～112U)中選擇的至少兩個半導體元件的金屬板(125、126c～126e、127)。所述第1層和所述第2層被疊層使得所述多個第2半導體元件(110U～112U)和所述多個第1半導體元件(110L～112L)不重疊。
文檔編號H05K7/20GK1728539SQ200510087169
公開日2006年2月1日 申請日期2005年7月27日 優先權日2004年7月29日
發明者村井孝之, 森田晃司 申請人:山葉發動機株式會社