CN110459516A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体装置，半导体装置具备半导体模块、汇流条及连接部件。半导体模块具有半导体元件及连接于半导体元件的电力端子。半导体模块的电力端子经由连接部件而连接于汇流条。连接部件的熔断电流比电力端子及汇流条的各熔断电流低。即，在电力端子、连接部件及汇流条中流过了相同的过电流时，连接部件比电力端子及汇流条先熔断。

Description

半导体装置
技术领域
本说明书公开的技术涉及具有半导体模块的半导体装置。
背景技术
在日本特开2013-101993号公报中公开了一种半导体模块。该半导体模块具有在流过过电流时断开的开关构造。
发明内容
希望像所述的半导体模块那样，在半导体模块中流过过电流时该过电流被迅速地切断。但是，如果在半导体模块中设置开关构造，则半导体模块的构造变得复杂，并且对电气特性也造成阻抗增大这样的不良影响。关于这一点，本说明书提供了能够将半导体模块中流动的过电流切断的新技术。
本说明书公开的半导体装置具备：半导体模块，具有半导体元件及连接于半导体元件的电力端子；及汇流条，经由连接部件而连接于半导体模块的电力端子。连接部件的熔断电流比电力端子及汇流条的各熔断电流低。即，在电力端子、连接部件及汇流条中流过相同的过电流时，连接部件比电力端子及汇流条先熔断。
根据所述的结构，在半导体模块中流过了过电流时，连接部件被熔断，由此该过电流被迅速地切断。由于连接部件设置于半导体模块的外部，所以不必变更半导体模块的构造，半导体模块的电气特性也不会变化。与将汇流条和电力端子直接接合的构造相比，只要将汇流条或电力端子的一部分替换成连接部件即可，所以半导体装置的尺寸也不会特别地扩大。另外，连接部件的熔断电流可以通过连接部件的构造、材料进行调整，可以根据半导体模块的容许最大电流(即额定电流)来设定。
附图说明
图1是示意性地表示半导体装置2的构造的主视图。
图2是示意性地表示半导体装置2的构造的俯视图。
图3是沿着图1中的III-III线的剖视图。
图4是表示半导体装置2的电气构造的电路图。
图5表示第一连接部件40的侧视图。
图6表示第一连接部件40的俯视图。
图7是沿着图6中的VII-VII线的剖视图。
附图标记说明
2：半导体装置
4：冷却器
10、20：半导体模块
12、22：半导体元件
14、16：封装体
16、18、26、28：电力端子
30、32、34：汇流条
40、42、44、46：连接部件
40a：连接部件的弯曲部
40b：连接部件的脆弱部
40d：连接部件的内侧部分
40e：连接部件的外侧部分
具体实施方式
本技术的一实施方式中，可以是，连接部件与电力端子之间的接合面平行于连接部件与汇流条之间的接合面。根据这样的结构，对于电力端子与汇流条两者，能够从相同的方向将连接部件接合。
在上述的实施方式中，可以是，连接部件与电力端子之间的接合面和连接部件与汇流条之间的接合面位于同一平面内。根据这样的结构，连接部件与电力端子之间的接合、连接部件与汇流条之间的接合容易同时地或连续地实施。
在本技术的一实施方式中，可以是，半导体模块还具有对半导体元件进行封装的封装体。在这种情况下，可以是，电力端子具有从封装体向外部延伸的第一部分和沿着与第一部分的延伸方向垂直的方向延伸的第二部分。而且，连接部件可以接合于电力端子的第二部分。根据这样的结构，例如即使在层叠配置多个半导体模块时，也将连接部件容易地接合于半导体模块的电力端子。
在本技术的一实施方式中，可以是，构成连接部件的材料具有比构成电力端子及汇流条的各材料的熔点低的熔点。不过，作为其他实施方式，连接部件也可以是，构成连接部件的材料与构成电力端子或汇流条的各材料相同。在这种情况下，连接部件的熔断电流不仅能够通过构成连接部件的材料，还能够通过连接部件的构造(例如截面积的大小)来进行调整。
在本技术的一实施方式中，可以是，连接部件具有内侧部分和覆盖内侧部分的外侧部分。在这种情况下，可以是，构成内侧部分的材料具有比构成外侧部分的材料的电阻率低的电阻率。根据这样的结构，在连接部件中流过了过电流时，内侧部分的发热量增大，由此能够将连接部件可靠地熔断。
在本技术的一实施方式中，可以是，连接部件在长度方向的中间位置具有弯曲部。根据这样的结构，例如在半导体模块振动时，能够在弯曲部处吸收该振动。由此，能够避免过大的力作用于连接部件与电力端子之间的接合面、连接部件与汇流条之间的接合面。
在本技术的一实施方式中，可以是，连接部件具有使与长度方向垂直的截面局部地缩小而成的脆弱部。根据这样的结构，在连接部件中流过了过电流时，能够在脆弱部处将连接部件可靠地熔断。
在本技术的一实施方式中，可以是，半导体装置具有第一半导体模块、第二半导体模块、第一汇流条、第二汇流条及第三汇流条。在这种情况下，第一半导体模块具有第一开关元件、第一电力端子及第二电力端子，第一电力端子经由第一开关元件而连接于第二电力端子。第二半导体模块具有第二开关元件、第三电力端子及第四电力端子，第三电力端子经由第二开关元件而连接于第四电力端子。在第一汇流条上，经由第一连接部件而连接第一半导体模块的第一电力端子。在第二汇流条上，经由第二连接部件而连接第一半导体模块的第二电力端子，并且，经由第三连接部件而连接第二半导体模块的第三电力端子。在第三汇流条上，经由第四连接部件而连接第二半导体模块的第四电力端子。第一连接部件的熔断电流比第一电力端子及第一汇流条的各熔断电流低，第二连接部件的熔断电流比第二电力端子及第二汇流条的各熔断电流低，第三连接部件的熔断电流比第三电力端子及第二汇流条的各熔断电流低，第四连接部件的熔断电流比第四电力端子及第三汇流条的各熔断电流低。根据这样的结构，在第一半导体模块及第二半导体模块中的至少一方产生了过电流时，第一连接部件至第四连接部件中的任一连接部件被熔断，由此过电流被迅速地切断。
以下，参照附图对本发明的代表性而非限定性的具体例详细地进行说明。所述的详细说明仅仅是意在向本领域技术人员提示用于实施本发明的优选例的详情，而并非意在限定本发明的范围。此外，以下公开的追加特征及发明为了提供进一步改善的半导体装置及其使用方法及制造方法，可以与其他特征、发明分开使用，或共用。
此外，在以下的详细说明中公开的特征、工序的组合并非是最广义地实施本发明时必需的，仅是为了特别说明本发明的代表性的具体例而记载的。而且，上述及下述的代表性的具体例的各种特征和独立权利要求及从属权利要求中记载的方案中的各种特征在提供本发明的追加且有用的实施方式时，并不是必须按照在此记载的具体例或者列举的顺序进行组合。
关于本说明书及/权利要求书中记载的全部特征，意在与实施例及/或权利要求书中记载的特征的构成分开，而作为对于本申请的原始公开及要求的特定事项的限定，单独地且相互独立地公开。此外，关于全部的数值范围及组或集的记载，作为对于本申请的原始公开及要求的特定事项的限定，意在公开其中间的构成。
实施例
参照附图对实施例的半导体装置2进行说明。半导体装置2例如可用于电动汽车的电力控制装置，构成转换器、逆变器这样的电力转换电路的至少一部分。这里所说的电动汽车泛指具有对车轮进行驱动的电动机的汽车，例如包含利用外部的电力进行充电的电动汽车、除了电动机之外还具有发动机的混合动力车辆及以燃料电池作为电源的燃料电池车辆等。
如图1至图4所示，半导体装置2具备第一半导体模块10和第二半导体模块20。第二半导体模块20相对于第一半导体模块10进行层叠配置。可以在第一半导体模块10与第二半导体模块20之间配置冷却器4。另外，半导体装置2除了第一半导体模块10和第二半导体模块20之外，还可以具备更多的半导体模块。在这种情况下，可以具有本说明书中说明的第一半导体模块10与第二半导体模块20的组合夹着冷却器4而重复地排列的构造。
第一半导体模块10具备多个第一半导体元件12、对多个第一半导体元件12进行封装的第一封装体14、从第一封装体14突出的第一电力端子16及第二电力端子18、多个信号端子19。第一电力端子16及第二电力端子18在第一封装体14的内部连接于多个第一半导体元件12。多个第一半导体元件12在第一电力端子16与第二电力端子18之间并联连接。
多个第一半导体元件12是电力电路用的所谓功率半导体元件，具有彼此相同的结构。本实施例中的第一半导体元件12不作特别限定，具有MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属-氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(Reverse Conducting-Insulated Gate Bipolar Transistor：逆导型绝缘栅双极型晶体管)这样的开关元件。第一半导体元件12的一端(例如源极或发射极)连接于第一电力端子16，第一半导体元件12的另一端(例如漏极或集电极)连接于第二电力端子18。第一半导体元件12除了开关元件之外，还可以具有二极管。在这种情况下，二极管的阳极连接于第一电力端子16，二极管的阴极连接于第二电力端子18。
第一封装体14未作特别限定，例如可以由环氧树脂这样的热固性树脂或其他绝缘体构成。第一封装体14例如也称作模塑树脂或封装。本实施例中的第一封装体14大致呈平板形状，多个第一半导体元件12沿着与平板形状平行的方向排列。另外，对于第一半导体元件12的数量不作特别限定。第一半导体模块10具备至少一个第一半导体元件12即可。
第一电力端子16及第二电力端子18由铜或铝这样的导体构成。第一电力端子16及第二电力端子18从第一封装体14的内部延伸到外部。第一电力端子16和第二电力端子18从第一封装体14向相同的方向突出。第一电力端子16及第二电力端子18未作特别限定，具有彼此相同的形状。如图3所示，第二电力端子18是弯曲的板状部件，具有从第一封装体14突出的第一部分18a和沿着与第一部分18a的延伸方向(图3中的上下方向)垂直的方向(图3中的左右方向)延伸的第二部分18b。对于第一电力端子16，也具有同样的第一部分及第二部分。
第二半导体模块20具备多个第二半导体元件22、对多个第二半导体元件22进行封装的第二封装体24、从第二封装体24突出的第三电力端子26及第四电力端子28、多个信号端子(图示省略)。第三电力端子26及第四电力端子28在第二封装体24的内部连接于多个第二半导体元件22。多个第二半导体元件22在第三电力端子26与第四电力端子28之间并联连接。
多个第二半导体元件22是电力电路用的所谓功率半导体元件，具有彼此相同的结构。本实施例中的第二半导体元件22未作特别限定，具有MOSFET或IGBT这样的开关元件。第二半导体元件22的一端(例如源极或发射极)连接于第三电力端子26，第二半导体元件22的另一端(例如漏极或集电极)连接于第四电力端子28。第二半导体元件22可以除了开关元件之外还具有二极管。在这种情况下，二极管的阳极连接于第三电力端子26，二极管的阴极连接于第四电力端子28。
第二封装体24未作特别限定，例如可以由环氧树脂这样的热固性树脂或其他绝缘体构成。第二封装体24例如也称作模塑树脂或封装。本实施例中的第二封装体24大致具有平板形状，多个第二半导体元件22沿着与该平板形状平行的方向排列。另外，对于第二半导体元件22的数量不作特别限定。第二半导体模块20具备至少一个第二半导体元件22即可。
第三电力端子26及第四电力端子28由铜或铝这样的导体构成。第三电力端子26及第四电力端子28从第二封装体24的内部延伸到外部。第三电力端子26和第四电力端子28从第二封装体24向相同的方向突出。第三电力端子26及第四电力端子28不作特别限定，具有彼此相同的形状。如图3所示，第三电力端子26是弯曲的板状部件，具有从第二封装体24突出的第一部分26a和沿着与第一部分26a的延伸方向(图3中的上下方向)垂直的方向(图3中的左右方向)延伸的第二部分26b。对于第四电力端子28，也具有同样的第一部分及第二部分。
在本实施例的半导体装置2中，第一半导体模块10与第二半导体模块20具有相同的构造，并且以相互反转的姿势配置。不过，作为其他实施方式，第一半导体模块10与第二半导体模块20也可以具有彼此不同的构造。此外，对半导体模块10、20的数量不作特别限定。半导体装置2具备至少一个半导体模块即可。
半导体装置2还具备第一汇流条30、第二汇流条32及第三汇流条34。在第一汇流条30上，经由第一连接部件40而连接第一半导体模块10的第一电力端子16。在第二汇流条32上，经由第二连接部件42而连接第一半导体模块10的第二电力端子18。而且，在第二汇流条32上，还经由第三连接部件44而连接第二半导体模块20的第三电力端子26。此外，在第三汇流条34上，经由第四连接部件46而连接第二半导体模块20的第四电力端子28。
根据上述的连接构造，第一半导体模块10和第二半导体模块20在第一汇流条30与第三汇流条34之间串联连接。而且，第二汇流条32连接于第一半导体模块10与第二半导体模块20之间。这样的电路构造在转换器、逆变器这样的电力转换电路中可以构成一对上下臂。
第一连接部件40例如由金属这样的导体构成，对第一电力端子16与第一汇流条30之间进行电连接。第一连接部件40的熔断电流比第一电力端子16及第一汇流条30的各熔断电流低。因此，第一连接部件40能够在第一电力端子16与第一汇流条30之间作为熔断器发挥作用。同样地，第二连接部件42例如由金属这样的导体构成，对第二电力端子18与第二汇流条32之间进行电连接。第二连接部件42的熔断电流比第二电力端子18及第二汇流条32的各熔断电流低。因此，第二连接部件42可以在第二电力端子18与第二汇流条32之间作为熔断器发挥作用。由此，在第一半导体模块10中流过了过电流时，第一连接部件40或第二连接部件42被熔断，由此该过电流被迅速地切断。
在此，为了使第一连接部件40的熔断电流低于第一电力端子16及第一汇流条30的各熔断电流，可以使第一连接部件40的截面积小于第一电力端子16及第一汇流条30的各截面积。也可以除此之外，或取而代之，使构成第一连接部件40的材料具有比构成第一电力端子16及第一汇流条30的各材料的熔点低的熔点。同样地，为了使第二连接部件42的熔断电流低于第二电力端子18及第二汇流条32的各熔断电流，可以使第二连接部件42的截面积小于第二电力端子18及第二汇流条32的各截面积。也可以除此之外，或取而代之，使构成第二连接部件42的材料具有比构成第二电力端子18及第二汇流条32的各材料的熔点低的熔点。
第三连接部件44例如由金属这样的导体构成，对第三电力端子26与第二汇流条32之间进行电连接。第三连接部件44的熔断电流比第三电力端子26及第二汇流条32的各熔断电流低。因此，第三连接部件44在第三电力端子26与第二汇流条32之间可以作为熔断器发挥作用。同样地，第四连接部件46例如由金属这样的导体构成，对第四电力端子28与第三汇流条34之间进行电连接。第四连接部件46的熔断电流比第四电力端子28及第三汇流条34的各熔断电流低。因此，第四连接部件46能够在第四电力端子28与第三汇流条34之间作为熔断器发挥作用。由此，在第二半导体模块20中流过了过电流时，第三连接部件44或第四连接部件46被熔断，由此该过电流被迅速地切断。
在此，为了使第三连接部件44的熔断电流低于第三电力端子26及第二汇流条32的各熔断电流，可以使第三连接部件44的截面积小于第三电力端子26及第二汇流条32的各截面积。也可以除此之外，或取而代之，使构成第三连接部件44的材料具有比构成第三电力端子26及第二汇流条32的各材料的熔点低的熔点。同样地，为了使第四连接部件46的熔断电流低于第四电力端子28及第三汇流条34的各熔断电流，可以使第四连接部件46的截面积小于第四电力端子28及第三汇流条34的各截面积。也可以除此之外，或取而代之，使构成第四连接部件46的材料具有比构成第四电力端子28及第三汇流条34的各材料的熔点低的熔点。
如图1、图5所示，第一连接部件40与第一电力端子16之间的接合面S1平行于第一连接部件40与第一汇流条30之间的接合面S2。根据这样的结构，对于相互平行的第一电力端子16和第一汇流条30两者，能够从相同的方向将第一连接部件40接合。除此之外，在本实施例的半导体装置2中，第一连接部件40与第一电力端子16之间的接合面S1和第一连接部件40与第一汇流条30之间的接合面S2位于同一平面内。根据这样的结构，第一连接部件40与第一电力端子16之间的接合和第一连接部件40与第一汇流条30之间的接合容易同时地或连续地实施。在其他连接部件42、44、46中也采用这样的结构。
如图1、图3所示，第二连接部件42接合于第二电力端子18的第二部分18b。第二部分18b与两个半导体模块10、20的层叠方向(图3中的左右方向)平行，还与第二汇流条32平行。根据这样的结构，即使层叠配置两个半导体模块10、20，也能够避免过大的力作用于第一半导体模块10的第二电力端子18。另外，本实施例中的第一连接部件40具有U字形状的弯曲部40a，但对于弯曲部40a的形状不作特别限定。在其他连接部件42、44、46中也可以采用与弯曲部40a同样的构造。
如图6所示，第一连接部件40在长度方向的中间位置具有脆弱部40b。在脆弱部40b上形成有多个切口40c，第一连接部件40的与长度方向垂直的截面在脆弱部40b处局部地缩小。根据这样的结构，在第一连接部件40中流过了过电流时，在脆弱部40b处电流密度增大，因此能够在脆弱部40b处使第一连接部件40可靠地熔断。在此，也可以在脆弱部40b，除了切口40c这样的孔之外，或取而代之，设置一个或多个缺口。或者，可以使第一连接部件40的宽度、厚度、直径这样的尺寸在脆弱部40b处局部地减小。在其他连接部件42、44、46中也采用了与脆弱部40b同样的构造。
如图7所示，第一连接部件40具有内侧部分40d和覆盖内侧部分40d的外侧部分40e。内侧部分40d和外侧部分40e由不同的材料构成，构成内侧部分40d的材料具有比构成外侧部分40e的材料的电阻率低的电阻率。根据这样的结构，在第一连接部件40中流过了过电流时，内侧部分40d的发热量比外侧部分40e的发热量多。内侧部分40d产生的热量难以向外部放出，使第一连接部件40的温度急速地上升。由此，在第一连接部件40中流过了过电流时，第一连接部件40在短时间内熔断，由此过电流被迅速地切断。也可以在其他的连接部件42、44、46中采用这样的多层构造。

Claims (9)

1.一种半导体装置，其中，具备：
半导体模块，具有半导体元件及连接于所述半导体元件的电力端子；及
汇流条，经由连接部件而连接于所述半导体模块的所述电力端子，
所述连接部件的熔断电流比所述电力端子及所述汇流条的各熔断电流低。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述连接部件与所述电力端子之间的接合面平行于所述连接部件与所述汇流条之间的接合面。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中，
所述连接部件与所述电力端子之间的所述接合面和所述连接部件与所述汇流条之间的所述接合面位于同一平面内。
4.根据权利要求2或3所述的半导体装置，其中，
所述半导体模块还具有对所述半导体元件进行封装的封装体，
所述电力端子具有从所述封装体向外部延伸的第一部分和沿着与所述第一部分的延伸方向垂直的方向延伸的第二部分，
所述连接部件接合于所述电力端子的所述第二部分。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体装置，其中，
构成所述连接部件的材料具有比构成所述电力端子及所述汇流条的各材料的熔点低的熔点。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的半导体装置，其中，
所述连接部件具有内侧部分和覆盖所述内侧部分的外侧部分，
构成所述内侧部分的材料具有比构成所述外侧部分的材料的电阻率低的电阻率。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的半导体装置，其中，
所述连接部件在长度方向的中间位置具有弯曲部。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的半导体装置，其中，
所述连接部件具有使与长度方向垂直的截面局部地缩小而成的脆弱部。
9.一种半导体装置，其中，具备：
第一半导体模块，具有第一开关元件、第一电力端子及第二电力端子，所述第一电力端子经由所述第一开关元件而连接于所述第二电力端子；
第二半导体模块，具有第二开关元件、第三电力端子及第四电力端子，所述第三电力端子经由所述第二开关元件而连接于所述第四电力端子；
第一汇流条，经由第一连接部件而连接所述第一半导体模块的所述第一电力端子；
第二汇流条，经由第二连接部件而连接所述第一半导体模块的所述第二电力端子，并且，经由第三连接部件而连接所述第二半导体模块的所述第三电力端子；及
第三汇流条，经由第四连接部件而连接所述第二半导体模块的所述第四电力端子；
所述第一连接部件的熔断电流比所述第一电力端子及所述第一汇流条的各熔断电流低，
所述第二连接部件的熔断电流比所述第二电力端子及所述第二汇流条的各熔断电流低，
所述第三连接部件的熔断电流比所述第三电力端子及所述第二汇流条的各熔断电流低，
所述第四连接部件的熔断电流比所述第四电力端子及所述第三汇流条的各熔断电流低。
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