專利名稱：逆變器及其制造方法，以及裝有這種逆變器的電動汽車的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有高可靠性的逆變器，這種逆變器尺寸較小且冷卻效率優(yōu)良，并且本發(fā)明還涉及制造逆變器的方法以及一種裝有逆變器的電動汽車(有時將其稱為電動車輛或電動小汽車)背景技術目前，要求縮小功率半導體元件及使用這些元件的逆變器的尺寸并提高它們的可靠性。當在電動汽車中使用半導體元件以及使用了這些元件的逆變器時，尺寸的減小以及可靠性的改善是特別重要的。
為了減小功率半導體元件及使用了這些元件的逆變器的尺寸并提高它們的可靠性，如日本公開專利文獻2003-153554那樣，要求功率半導體元件和逆變器具有優(yōu)良的冷卻效率。
下面，將參照附圖1和2說明一種傳統(tǒng)逆變器的結構。圖1為局部軸向剖面圖，其顯示了半導體芯片在一個功率半導體元件內部的安裝結構；圖2為一種功率半導體元件的局部透視圖。
在圖2所示的逆變器中，通過并聯連接由尺寸不大于10平方毫米的半導體芯片構成的多個IGBT(絕緣柵雙極晶體管)171和二極管181，形成三相逆變器的單個臂；另外，使構成三相逆變器中單個臂的多個半導體芯片與一個厚度為1.5mm～5mm的導體20結合；通過含有陶瓷的絕緣樹脂層23，將導體20粘結固定在一個冷卻器22上。(“10平方毫米”或“□10毫米”表示正方形一邊的長度為10mm)。
另外，在圖2所示的逆變器中，構成三相逆變器中W相的一個上臂的四個并聯IGBT171A～171D以及兩個并聯的二極管181A～181B呈一行排列在構成三相逆變器的一個上臂的一個上臂導體25上；同樣，構成三相逆變器中W相的一個下臂的四個并聯IGBT172A～172D以及兩個并聯二極管182A～182B呈一行排列在構成三相逆變器的一個下臂的一個下臂導體26上。另外，將一個使三相輸出端子32與IGBT171A～171D和二極管181A～181B相連的三相輸出導體27設置在位于上臂導體25和下臂導體26之間的上臂導體25上。
下面將對上臂和下臂的結構進行說明。圖3所示，就將DC電流轉換為三相AC電流的逆變器而言，所述臂如下所述。具體地，為了從DC電池電源產生三相AC電能，逆變器包括三相臂(U相，X相)，(V相，Y相)以及(W相，Z相)并且在其中能夠實現向AC電流的轉變。所述AC電流提供了用于驅動一個三相馬達的三相AC電能。
上臂由U相，V相以及W相構成，而下臂則由X相，Y相以及Z相構成。
在圖2中，下臂導體26以及三相輸出導體27由相同的導體構成。另外，將一個使負極端子31與排列在下臂導體26上的IGBT 172A～172D以及二極管182A～182B相連的負極導體28設置在上臂導體25和下臂導體26之間。通過在相應的導體與IGBT和二極管之間的引線接合29實現電連接。
在圖1～圖2所示的逆變器中，利用絕緣樹脂層23使與導體20和/或上臂導體25和下臂導體26焊接在一起的IGBT 171A～171D和二極管181A～181C直接與一個冷卻器22相連，以便減小功率半導體元件內部的IGBT和二極管芯片的熱阻。另外，由于IGBT 171A～171D和二極管181A～181C與厚度為1.5mm～5mm的導體20和/或上臂導體25和下臂導體26焊接在一起，所以，由于導體20和/或上臂導體25和下臂導體26的熱容量的影響，因此，熱時間常數變大，結果，瞬態(tài)熱阻變小，并且逆變器啟動期間的溫度升高變小。因此，能夠提高冷卻效率，并且能夠縮小逆變器。
但是，采用傳統(tǒng)的逆變器，雖然減小了在功率半導體元件內部的IGBT和二極管芯片的熱阻，但是會產生以下問題。
首先，由于需要大量的時間來提供通過引線接合在多個并聯IGBT或二極管芯片上進行電布線時所需的多個引線接合位置，因此，會延長制造時間。
另外，在結構上會限制冷卻效率可改善的程度。
因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種新型逆變器及其制造方法，以及一種帶有這種逆變器的電動汽車，其中，使用了能夠提供優(yōu)良制造特性的功率半導體元件，以便提高電流容量，并減小逆變器的尺寸，而且能進一步提高功率半導體元件的冷卻效率。

發(fā)明內容
為了實現上述目的，本發(fā)明的逆變器采用了以下結構。具體地，本發(fā)明的逆變器包括多個并聯且構成逆變器的一個臂的半導體芯片；一個第一導體，所述多個半導體芯片的一個面與該導體相連；一個寬導體，所述多個半導體芯片的另一面與該導體相連；一個與所述寬導體相連的第二導體；以及一個冷卻器，所述第一導體和第二導體通過一個位于它們之間的絕緣樹脂層粘著固定在該冷卻器上。
根據本發(fā)明，能夠提高逆變器的電流容量，并且還能夠減小尺寸和提高可靠性。


參照以下結合附圖所作的詳細說明，將易于更全面地理解本發(fā)明及其許多優(yōu)點，并且還能夠更好地理解本發(fā)明及其優(yōu)點。
圖1為局部豎直剖面圖，其顯示了在傳統(tǒng)的功率半導體元件內部的半導體芯片的安裝結構；圖2為傳統(tǒng)的功率半導體元件的局部透視圖；圖3為說明一個臂的結構的視圖；圖4為局部透視圖，其顯示了本發(fā)明第一實施例的逆變器的安裝結構；
圖5為顯示熱通量分析結果的視圖，所述熱通量分析結果顯示了在電流通過圖4的逆變器期間，由半導體芯片產生的熱量損失的放熱路徑；圖6為顯示圖4的逆變器中半導體芯片的瞬態(tài)熱阻的分析結果的視圖；圖7為局部透視圖，其顯示了本發(fā)明第2實施例中逆變器的安裝結構；圖8A，圖8B和圖8C分別為局部透視圖，它們顯示了本發(fā)明第2實施例中逆變器的制造工序；圖9作為示意性透視圖，其顯示了在電動汽車中安裝本發(fā)明的逆變器的情況；圖10作為示意性透視圖，其顯示了在帶有內燃機的電動汽車中安裝本發(fā)明的逆變器的情況。
具體實施例方式
參見附圖，其中，在所有的附圖中，相同的參考標號表示相同或相應的部件，下面將具體參照附圖4對本發(fā)明的一個實施例加以說明。
圖4為局部透視圖，其顯示了本發(fā)明第一實施例的逆變器的安裝結構。圖5為顯示熱通量分析結果的視圖，所述熱通量分析結果顯示了在電流通過圖4的逆變器期間，由半導體芯片產生的熱量損失的放熱路徑。圖6顯示了圖4的逆變器中半導體芯片的瞬態(tài)熱阻的分析結果。
在圖4的逆變器中，三相逆變器的一個臂是通過并聯連接IGBT171A～D和二極管181A～B以及IGBT172A～D和二極管182A～B構成的，所述IGBT和二極管為尺寸小于10平方毫米的半導體芯片(“10平方毫米”表示正方形一邊的長度為10mm)。圖4顯示了并聯連接四個IGBT和并聯連接兩個二極管的情況。
另外，構成三相逆變器的一個上臂的四個并聯連接的IGBT171A～171D以及兩個并聯連接的二極管181A～181B呈一行排列在構成三相逆變器的上臂的一個上臂導體25上；同樣，構成三相逆變器的一個下臂的四個并聯連接的IGBT172A～172D以及兩個并聯連接的二極管182A～182B呈一行排列在構成三相逆變器下臂的一個下臂導體26上。
另外，使三相輸出端子32與IGBT171A～171D和二極管181A～181B相連的三相輸出導體27布置在位于上臂導體25和下臂導體26之間的上臂導體25上。在圖4的實施例中，下臂導體26和三相輸出導體27由相同的導體構成。
另外，在上臂導體25和下臂導體26之間，設有一個負極導體28，該負極導體連接了負極端子31和設置在下臂導體26上的IGBT172A～172D以及182A～182B。
上臂導體25、下臂導體26、三相輸出導體27以及負極導體28的厚度大約為1.5mm～5mm。IGBT和二極管以至少兩倍于上述導體厚度的距離分散布置，并且通過如Sn/Pb這樣的低熔點焊料或如Sn/Ag/Cu這樣的高熔點焊料與導體焊接在一起。本發(fā)明的發(fā)明人確信考慮到環(huán)境工程狀況，今后將經常使用后者，即高熔點焊料。
另外，通過含有陶瓷的絕緣樹脂層23，將上臂導體25、下臂導體26、三相輸出導體27以及負極導體28粘著固定在冷卻器22上。絕緣樹脂層23在絕緣樹脂中填充有如氮化硼這樣的陶瓷填充劑，并且具有2～4W/mK的導熱率以及大約0.05～0.15mm的厚度。
另外，通過如Sn/Pb這樣的低熔點焊料或如Sn/Ag/Cu這樣的高熔點焊料，將一寬導體33與IGBT和二極管的上部焊接在一起，以便通過三相輸出導體27、負極導體28以及寬導體33而電連接在一起。
上臂導體25和正電極端子30，三相輸出導體27和三相輸出端子32，以及負極導體28和負極端子31通過一個輸入/輸出導體34被電連接在一起。
由于IGBT171和IGBT172的材料以及二極管181和二極管182的材料均為硅(Si)，而各種導體的材料為銅(Cu)，因此，IGBT、二極管和導體的線性膨脹系數是不同的。結果，在通過溫度循環(huán)加載時，在將IGBT和二極管與導體焊接在一起的焊料中會產生剪切應力，從而導致產生非線性應變。如果非線性應變的值變大，則在通過溫度循環(huán)加載時，會在焊料中產生裂縫等。非線性應變的值的減小能夠提高可靠性和耐久性。
因此，當IGBT和二極管的芯片尺寸較大時，會增大焊料的非線性應變。因此，必須將芯片的尺寸保持在大約10平方毫米左右，以便確保逆變器的可靠性和耐久性。
但是，如果芯片的尺寸小于10平方毫米，那么每一芯片的電流容量較小，因此為了構成用于電動汽車的具有幾十kW的逆變器，必須并聯連接芯片。
另外，為了減小特別是在逆變器啟動時溫度的升高，和為了通過導體的熱擴散效果而減小穩(wěn)態(tài)熱阻，上臂導體25、下臂導體26、三相輸出導體27和負極導體28的厚度最好為1.5～5mm。
僅通過提供三個這種具有三相輸出端子32的逆變器(元件)，便可制造一個三相RST AC電源。
圖5顯示了在穩(wěn)定條件下，熱通量的分析結果，其表明當在電流通過逆變器期間，通過由一個半導體芯片構成的IGBT172A產生的熱損失熱傳導至冷卻器22上而實現冷卻時，熱損失的流動。箭頭表示熱通量的方向，箭頭的尺寸表示熱通量的大小。
圖6顯示了比較圖1和2所示的現有的功率半導體元件的瞬態(tài)熱阻與本發(fā)明的功率半導體元件中半導體芯片的瞬態(tài)熱阻所得的分析結果。
在現有的功率半導體元件中，引線接合是非常細的，因此，熱阻非常大。因此，如圖5所示，實際上，在IGBT172A中產生的所有熱損失均會熱傳遞至下臂導體26并排放至冷卻器22。
相反，如圖5所示，就本發(fā)明的功率半導體元件而言，在IGBT172A中產生的部分熱損失被傳遞至寬導體33，從而被熱傳遞至負極導體28，同時另一部分熱損失被熱傳遞至下臂導體26，因此被熱傳遞至冷卻器22，借此實現冷卻。
在這種分析中，假設寬導體33的厚度為3mm，并且下臂導體26和負極導體28的厚度為3mm。為了促進由寬導體33產生熱傳導，由于較大的橫剖面面積意味著較小的熱阻，因此，所述寬導體最好具有一定的厚度(大約幾毫米)。雖然通過加大橫剖面面積能夠減小熱阻，但是其也會產生重量增大的問題。
如上所述，根據本發(fā)明，通過寬導體33和下臂導體26能夠冷卻IGBT172A的兩個面，因此，如圖6所示，與常規(guī)功率半導體元件相比，可以使穩(wěn)態(tài)熱阻在10～20秒后降低大約25％。由于對寬導體33兩個面的冷卻以及熱容量效果，與現有技術的功率半導體元件相比，以往存在問題的在逆變器啟動時0.1～0.3秒的瞬態(tài)熱阻也可以減小大約50％。
另外，如果在本發(fā)明的功率半導體元件中，通過利用焊料焊接IGBT，二極管，導體以及寬導體來完成電布線，那么，無需象在現有技術的功率半導體元件中那樣，布設多個引線接合位置的步驟，從而減少了制造時間。
以此方式，在第一實施例的逆變器中，在逆變器的啟動和在穩(wěn)態(tài)條件下，均可進一步減小在功率半導體元件內部的IGBT和二極管的熱阻，從而降低了IGBT和二極管芯片的溫度升高并提高了冷卻效率。以此方式，能夠提高逆變器的可靠性并減小逆變器的尺寸，并且還能夠提高功率半導體元件的產量。
下面，將對本發(fā)明的第2實施例進行說明。
圖7為局部透視圖，其顯示了本發(fā)明第2實施例中逆變器的安裝結構。圖8A，圖8B和圖8C為局部透視圖，它們顯示了本發(fā)明第2實施例中逆變器的制造工序。
在圖7中，通過如Sn/Pb這樣的低熔點焊料或如Sn/Ag/Cu這樣的高熔點焊料，將熱緩沖板35與構成功率半導體元件中IGBT171A～D、二極管181A～B、IGBT172A～D以及二極管182A～B的半導體芯片的上部焊接在一起，并且通過導電性粘結劑將寬導體33粘結固定至熱緩沖板35上。
熱緩沖板35的材料例如為鉬(Mo)或類似物，其線性膨脹系數接近半導體芯片的線性膨脹系數，且其厚度為大約0.5mm。導電膠具有大約15～60W/mK的導熱率，并且例如可以采用這樣的粘結劑，即，這種粘結劑的基質由絕緣樹脂構成，但是在其中填充有一種如銀填料這樣的導電物質。涉及其結構的其它細節(jié)與第1實施例相同。
在上述結構中，使熱緩沖板35和導電膠介于半導體芯片和寬導體33之間，但是，如果例如熱緩沖板35由鉬制成，同時導電膠的厚度為0.5mm并且具有大約15～60W/mK的導熱率，那么，即使熱阻比第一實施例的熱阻大5％左右，與現有技術的半導體元件相比，仍能夠將10～20秒后的穩(wěn)態(tài)熱阻降低大約20％。
另外，如圖8B所示，首先，通過低熔點焊料或高熔點焊料將本發(fā)明中功率半導體元件的IGBT171A～D、二極管181A～B、IGBT172A～D、二極管182A～B以及熱緩沖板35焊接在一起。
之后，通過以相同的溫度、在相應的步驟中，利用絕緣樹脂層23，通過加熱導體和冷卻器22實現粘著固定，另外，利用導電膠，通過加熱熱緩沖板35和寬導體33實現粘著固定。
另外，由于將寬導體33分隔用于各個半導體芯片，因此，通過在每一導體上，多個半導體芯片未焊接的位置處，對導體和冷卻器22施加壓力，利用絕緣樹脂層23能夠實現利用壓力和加熱的粘著固定。
采用如以上所述制成的功率半導體元件，逆變器的輸出容量變大，同時并行排列的半導體芯片數量和導體長度增加，在上臂導體25、下臂導體26、三相輸出導體27和負極導體28中，即使導體與冷卻器粘著固定的表面的平面度或彎曲度發(fā)生了變化，由于在各導體未象第一實施例那樣通過焊料焊接與寬導體形成一體的狀態(tài)下，以與各導體分別獨立的狀態(tài)下相同的溫度步驟，利用絕緣樹脂層23使各導體通過加壓和加熱而與冷卻器22粘著固定，所以可以變?yōu)槔鋮s器22和各導體以完全一體的狀態(tài)實現粘著固定。
因此，在該第二實施例中，即使增大逆變器的輸出量，仍能夠提高功率半導體元件的產量，并且在逆變器啟動期間和在穩(wěn)定狀態(tài)下，實際上與第一實施例相同，IGBT和二極管芯片的溫度升高較小，并且能夠提高冷卻效果。
圖9作為示意性透視圖，其顯示了在電動汽車中裝有上述逆變器的情況。將上述逆變器91安裝在電動汽車的車體90前部的內部，并且將通過該逆變器提供電能的三相電動馬達92設置在車體90內。通過三相電動馬達92驅動驅動輪93，從而對電動汽車提供推進力。
圖10作為示意性透視圖，其顯示了在電動汽車中裝有上述逆變器的情況。將上述逆變器101安裝在電動汽車的車體100前部的內部，并且將由該逆變器提供電能的三相電動馬達102設置在車體100內。通過該三相電動馬達102驅動驅動輪103，從而對電動汽車提供推進力。
這種車體100還裝有一臺內燃機104，并且通過該內燃機104也可驅動驅動輪103。這種電動汽車被稱為混合式動力車，其中，通過三相電動馬達102和/或內燃機104，根據需要來驅動驅動輪103。
雖然以上說明是根據在電動汽車中使用的逆變器作出的，但是，本發(fā)明不應局限于此，并且其顯然可以適用于其它用途。本發(fā)明特別適用于升降機或電動火車。
另外，根據以上說明，IGBT可以用作半導體芯片，但是使用如MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)這樣的其它半導體芯片也可以獲得相同的效果。作為半導體芯片的材料，不但可以使用Si，而且使用如SiC這樣的寬縫隙半導體也獲得同樣的效果。
權利要求
1.一種逆變器，包括多個半導體芯片，這些芯片并聯且構成逆變器的一個臂；第一導體，在所述多個半導體芯片一側上的一個表面與該導體相連；一個寬導體，在所述多個半導體芯片另一側上的一個表面與該導體相連；與所述寬導體相連的第二導體；以及冷卻器，所述第一導體和第二導體通過一個絕緣樹脂層與該冷卻器相連。
2.一種逆變器，包括第一半導體芯片組，其中，構成逆變器的一個上臂的多個半導體芯片并聯連接；第一導體，在所述第一半導體芯片組的所述半導體芯片一側上的多個表面與該導體相連；第二半導體芯片組，其中，構成逆變器的一個下臂的多個半導體芯片并聯連接；第二導體，在所述第二半導體芯片組的所述半導體芯片一側上的多個表面與該導體相連；第一寬導體，在所述第一半導體芯片組的所述半導體芯片另一側上的多個表面與該第一寬導體相連；第二寬導體，在所述第二半導體芯片組的所述半導體芯片另一側上的多個表面與該第二寬導體相連；第三導體，其與連接至所述第一寬導體上的一個三相輸出電極相連并設置在所述第一導體和第二導體之間；第四導體，其與一個與所述第二寬導體相連的負電極相連并設置在所述第一導體和第二導體之間；以及冷卻器，所述第一至第四導體通過一個絕緣樹脂層與該冷卻器相連。
3.根據權利要求1或2所述的逆變器，還包括熱緩沖板，其在所述半導體芯片另一側的表面，與所述寬導體相連。
4.一種制造逆變器的方法，包括利用一種低熔點或高熔點焊料，將多個半導體芯片和一個熱緩沖板焊接在一起；利用一種低熔點或高熔點焊料，將所述熱緩沖板和一個導體焊接在一起；將所述導體固定至一個冷卻器上；以及固定所述熱緩沖板和一個寬導體。
5.根據權利要求4所述的制造逆變器的方法，其還包括將所述寬導體分為多個芯片；以及通過在多個半導體芯片未連接至所述導體的位置處施加壓力，來固定所述導體和所述冷卻器。
6.一種電動汽車，包括一個逆變器，包括多個半導體芯片，這些芯片并聯且構成逆變器的一個臂；第一導體，在所述多個半導體芯片一側上的一個表面與該導體相連；寬導體，在所述多個半導體芯片另一側上的一個表面與該導體相連；與所述寬導體相連的第二導體；以及冷卻器，所述第一導體和第二導體通過一個絕緣樹脂層與該冷卻器相連；以及電動馬達，其裝有所述逆變器并利用由所述逆變器產生的AC電能來驅動一個驅動輪。
7.一種電動汽車，包括一個逆變器，包括多個半導體芯片，這些芯片并聯且構成逆變器的一個臂；第一導體，在所述多個半導體芯片一側上的一個表面與該導體相連；寬導體，在所述多個半導體芯片另一側上的一個表面與該導體相連；與所述寬導體相連的第二導體；以及冷卻器，所述第一導體和第二導體通過一個絕緣樹脂層與該冷卻器相連；電動馬達，其裝有所述逆變器并利用由所述逆變器產生的AC電能來驅動一個驅動輪；以及除所述電動馬達外所提供的內燃機，其用于驅動所述驅動輪。
全文摘要
本發(fā)明提供一種逆變器及其制造方法，以及裝有這種逆變器的電動汽車，其中逆變器包括多個半導體芯片，這些芯片并聯且構成逆變器的一個臂；一個第一導體，在所述多個半導體芯片一側上的表面與該導體相連；一個寬導體，在所述多個半導體芯片另一側上的表面與該導體相連；一個與所述寬導體相連的第二導體；以及一個冷卻器，所述第一導體和第二導體通過一個絕緣樹脂層與該冷卻器相連，由此，將在半導體芯片中產生的部分熱損失熱傳遞至第一導體，從而將這部分熱損失熱傳遞至冷卻器，以此形成冷卻，同時，將另一部分熱損失熱傳遞至寬導體，從而傳遞至第二導體，從而將其熱傳遞至冷卻器，以此形成冷卻。
文檔編號H02M7/48GK1595644SQ20041003191
公開日2005年3月16日 申請日期2004年3月31日 優(yōu)先權日2003年9月12日
發(fā)明者大部利春, 田多伸光, 關谷洋紀, 萩原敬三, 吉岡心平 申請人:株式會社東芝