CN110911389A - 半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式关于半导体模块。本发明的实施方式提供一种即使在半导体开关元件短路故障的情况下也能够继续动作的半导体模块。实施方式的半导体模块具备：第1外部端子；第2外部端子；第1半导体开关元件，电连接在第1外部端子与第2外部端子之间，具有第1栅极电极；第2半导体开关元件，在第1外部端子与第2外部端子之间，与第1半导体开关元件电气地并联连接，具有第2栅极电极；第1熔断部，电连接在第1外部端子与第1半导体开关元件之间；以及第2熔断部，电连接在第2外部端子与第1半导体开关元件之间。

Description

半导体模块
本申请以日本专利申请2018－173119(申请日：2018年9月14日)为基础主张优先权。本申请通过参照该申请，包含该申请的全部内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及半导体模块。
背景技术
功率模块例如具备安装于基板之上的多个半导体开关元件。半导体开关元件例如是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)或MOSFET(Metal Oxide Field EffectTransistor)。
在具备多个半导体开关元件的功率模块中，在动作中，在1个半导体开关元件短路故障的情况下，不能进行基于功率模块的电力控制。进而，在短路故障的部位，因电流的集中或持续性的电弧的发生而有大量的发热。因此，有可能引起火灾等的重大的二次灾害。
为了防止重大的二次灾害的发生，在具有功率模块的逆变器电路等的电力设备中，有具备过电流保护功能的情况。过电流保护功能在检测到起因于短路故障的异常电流时，在预先设定的时间后将电力设备的运行停止。通过将电力设备的运行停止，能够降低二次灾害的风险。但是，在电力设备的运行的停止后，需要功率模块的更换及电力设备的重启。
发明内容
本发明要解决的课题在于，提供一种即使是在动作中1个半导体开关元件短路故障的情况下也能够继续动作的半导体模块。
本发明的一技术方案的半导体模块具备：第1外部端子；第2外部端子；第1半导体开关元件，电连接在上述第1外部端子与上述第2外部端子之间，具有第1栅极电极；第2半导体开关元件，在上述第1外部端子与上述第2外部端子之间，与上述第1半导体开关元件电气地并联连接，并具有第2栅极电极；第1熔断部，电连接在上述第1外部端子与上述第1半导体开关元件之间；以及第2熔断部，电连接在上述第2外部端子与上述第1半导体开关元件之间。
根据上述结构，能够提供一种即使是在动作中1个半导体开关元件短路故障的情况下也能够继续动作的半导体模块。
附图说明
图1是第1实施方式的半导体模块的等价电路图。
图2是第1实施方式的半导体模块的示意俯视图。
图3是第1实施方式的半导体模块的示意剖视图。
图4是第1实施方式的熔断部的示意图。
图5是第1实施方式的熔断部的示意图。
图6是第1实施方式的半导体模块的作用及效果的说明图。
图7是第1实施方式的实验例的试验电路的等价电路图。
图8是表示第1实施方式的实验例的试验结果的图。
图9是第2实施方式的半导体模块的等价电路图。
图10是第2实施方式的半导体模块的示意俯视图。
图11是第2实施方式的第1实验例的试验电路的等价电路图。
图12是表示第2实施方式的第1实验例的测定结果的图。
图13是第2实施方式的第2实验例的试验电路的等价电路图。
图14是表示第2实施方式的第2实验例的测定结果的图。
图15是第2实施方式的半导体模块的变形例的等价电路图。
图16是第2实施方式的变形例的实验例的试验电路的等价电路图。
图17是表示第2实施方式的变形例的实验例的测定结果的图。
图18是第3实施方式的半导体模块的等价电路图。
图19是第3实施方式的半导体模块的示意俯视图。
具体实施方式
在本说明书中，有对于相同或类似的部件赋予相同的标号而省略重复的说明的情况。
在本说明书中，为了表示零件等的位置关系，有将图面的上方向记作“上”、将图面的下方向记作“下”的情况。在本说明书中，“上”、“下”的概念并不一定是表示与重力的朝向的关系的用语。
在本说明书中，所述的“半导体模块”，是指将多个半导体元件安装在一个封装中得到的半导体制品。“半导体模块”例如是也包含将功率半导体元件和驱动器电路、控制电路安装在一个封装中得到的智能功率模块(IPM)的概念。
(第1实施方式)
第1实施方式的半导体模块具备：第1外部端子；第2外部端子；第1半导体开关元件，电连接在第1外部端子与第2外部端子之间，具有第1栅极电极；第2半导体开关元件，在第1外部端子与第2外部端子之间，与第1半导体开关元件电气地并联连接，并具有第2栅极电极；第1熔断部，电连接在第1外部端子与第1半导体开关元件之间；以及第2熔断部，电连接在第2外部端子与第1半导体开关元件之间。
图1是第1实施方式的半导体模块的等价电路图。
第1实施方式的半导体模块是将多个功率半导体元件安装在一个封装中而得到的功率模块100。功率模块100例如被用在对大电力进行控制的逆变器等中。功率模块100的额定电压例如是250V以上且10kV以下。
功率模块100如图1所示，在负极端子N(第1外部端子)与正极端子P(第2外部端子)之间，并联连接着晶体管T1(第1半导体开关元件)、晶体管T2(第2半导体开关元件)、晶体管T3(第3半导体开关元件)及晶体管T4(第4半导体开关元件)。晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3、晶体管T4例如是MOSFET。
晶体管T1具有源极电极S1、漏极电极D1、栅极电极G1(第1栅极电极)。晶体管T2具有源极电极S2、漏极电极D2、栅极电极G2(第2栅极电极)。晶体管T3具有源极电极S3、漏极电极D3、栅极电极G3(第3栅极电极)。晶体管T4具有源极电极S4、漏极电极D4、栅极电极G4。
熔断部FU1(第1熔断部)电连接在负极端子N与晶体管T1之间。熔断部FU1的一端与负极端子N电连接、另一端与晶体管T1的源极电极S1电连接。熔断部FU2(第2熔断部)电连接在正极端子P与晶体管T1之间。熔断部FU2的一端与正极端子P电连接、另一端与晶体管T1的漏极电极D1电连接。
熔断部FU3(第3熔断部)电连接在负极端子N与晶体管T2之间。熔断部FU3的一端与负极端子N电连接、另一端与晶体管T2的源极电极S2电连接。熔断部FU4(第4熔断部)电连接在正极端子P与晶体管T2之间。熔断部FU4的一端与正极端子P电连接、另一端与晶体管T2的漏极电极D2电连接。
熔断部FU5电连接在负极端子N与晶体管T3之间。熔断部FU5的一端与负极端子N电连接、另一端与晶体管T3的源极电极S3电连接。熔断部FU6电连接在正极端子P与晶体管T3之间。熔断部FU6的一端与正极端子P电连接、另一端与晶体管T3的漏极电极D3电连接。
熔断部FU7电连接在负极端子N与晶体管T4之间。熔断部FU7的一端与负极端子N电连接、另一端与晶体管T4的源极电极S4电连接。熔断部FU8电连接在正极端子P与晶体管T4之间。熔断部FU8的一端与正极端子P电连接、另一端与晶体管T4的漏极电极D4电连接。
图2是第1实施方式的半导体模块的示意俯视图。图3是第1实施方式的半导体模块的示意剖视图。图3表示图2的AA’截面。
功率模块100具备树脂盒10、盖12、栅极端子20、金属基板22、树脂绝缘层24、源极布线金属层26、漏极布线金属层28、栅极布线金属层30a～30d、漏极连接金属层32a～32d、源极连接金属层34a～34d、接合线40、硅胶42(密封件)。
图2是从功率模块100去除了盖12及硅胶42的状态的俯视图。
晶体管T1～T4例如是纵型的MOSFET。晶体管T1～T4例如是使用了碳化硅(SiC)或硅(Si)的半导体芯片。
晶体管T1～T4在各自的上部设置有源极电极S1～S4及栅极电极G1～G4。在各自的下部设置有漏极电极D1～D4。例如，在晶体管T1中，在上部设置有源极电极S1及栅极电极G1，在下部设置有漏极电极D1。
金属基板22例如是铜。当将功率模块100向电力设备安装时，例如在金属基板22的背面连接未图示的散热板。
树脂盒10设置在金属基板22的周围。在树脂盒10之上设置盖12。此外，在功率模块100的内部，作为密封件而填充着硅胶42。树脂盒10、金属基板22、盖12及硅胶42具有将功率模块100内的部件保护或绝缘的功能。
在树脂盒10的上部，设置有负极端子N、正极端子P、栅极端子20。在负极端子N上从外部施加例如负电压。负极端子N例如被施加地电位。对于正极端子P，从外部例如施加正电压。
树脂绝缘层24设置在金属基板22之上。树脂绝缘层24具有将金属基板22与源极布线金属层26、漏极布线金属层28、栅极布线金属层30a～30d、漏极连接金属层32a～32d及源极连接金属层34a～34d绝缘的功能。树脂绝缘层24在树脂中含有例如由氮化硼等形成的热传导率较高的填料。
源极布线金属层26、漏极布线金属层28、栅极布线金属层30a～30d、漏极连接金属层32a～32d及源极连接金属层34a～34d设置在树脂绝缘层24上。源极布线金属层26、漏极布线金属层28、栅极布线金属层30a～30d、漏极连接金属层32a～32d及源极连接金属层34a～34d设置在大致相同的平面中。源极布线金属层26、漏极布线金属层28、栅极布线金属层30a～30d、漏极连接金属层32a～32d及源极连接金属层34a～34d例如是铜。
源极布线金属层26、漏极布线金属层28、漏极连接金属层32a～32d及源极连接金属层34a～34d例如具有将晶体管T1～T4与负极端子N或正极端子P电连接的功能。栅极布线金属层30a～30d例如具有将晶体管T1～T4与栅极端子20连接的功能。
晶体管T1～T4分别设置在漏极连接金属层32a～32d之上。晶体管T1～T4的漏极电极D1～D4例如使用焊料或Ag纳米粒子连接在漏极连接金属层32a～32d上。
源极电极S1～S4使用接合线40连接在源极连接金属层34a～34d上。栅极电极G1～G4使用接合线40连接在栅极布线金属层30a～30d上。
熔断部FU1、FU3、FU5、FU7其一端与源极布线金属层26连接、另一端与源极连接金属层34a～34d连接。熔断部FU2、FU4、FU6、FU8其一端与漏极连接金属层32a～32d连接，另一端与漏极布线金属层28连接。
源极布线金属层26使用接合线40连接在负极端子N上。漏极布线金属层28使用接合线40连接在正极端子P上。
接合线40例如是以铝或铜为主成分的线。
晶体管T1～T4及熔断部FU1～FU8被硅胶42覆盖。
图4是第1实施方式的熔断部的示意图。图4的(a)是俯视图，图4的(b)是图4的(a)的BB’剖视图，图4的(c)是图4的(a)的CC’剖视图。
熔断部FU1～FU8具有绝缘层80、线状导体82、第1电极焊盘84、第2电极焊盘86。绝缘层80是第1绝缘层及第2绝缘层的一例。线状导体82是第1线状导体及第2线状导体的一例。
在熔断部FU1～FU8中流过规定的值以上的电流时，线状导体82通过焦耳热而被切断，熔断部FU1～FU8的两端的电导通被断路。
绝缘层80由具有绝缘性的材料形成。绝缘层80作为线状导体82、第1电极焊盘84及第2电极焊盘86的支承基板发挥功能。
绝缘层80(第1绝缘层)例如是玻璃或陶瓷。绝缘层80例如是环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺或氟类树脂等的树脂。在绝缘层80中，也可以使用含有绝缘性填料粒子或绝缘性纤维的树脂。绝缘性填料粒子例如是二氧化硅、氧化铝或氮化铝。此外，绝缘性纤维例如是玻璃纤维。
绝缘层80的长度L1例如是1mm以上且20mm以下。绝缘层80的厚度t1例如是0.1mm以上且1mm以下。
线状导体82设置在绝缘层80之上。线状导体82例如设置有多根。多个线状导体82相互平行。在图4中，例示了线状导体82为5根的情况。线状导体82并不限于5根，也可以是1根。此外，也可以是2根、3根、4根或6根以上。
线状导体82由具有导电性的材料形成。线状导体82例如是金属。线状导体82例如是以铜、铜合金、铝、铝合金、锡、锌、铋及镍中的某一种金属为主成分的金属。线状导体82例如也可以设为2种金属的层叠构造。
线状导体82的长度L2例如是0.25mm以上且10mm以下。线状导体82的厚度t2例如是0.1μm以上且2μm以下。
线状导体82的宽度w例如是10μm以上且1000μm以下。线状导体82的间隔s例如是10μm以上且1000μm以下。
第1电极焊盘84设置在线状导体82的一端，第2电极焊盘86设置在线状导体82的另一端。第1电极焊盘84及第2电极焊盘86夹着线状导体82而设置。第1电极焊盘84及第2电极焊盘86与线状导体82连接。第1电极焊盘84及第2电极焊盘86具有向线状导体82的一端与另一端之间施加电压的功能。
第1电极焊盘84及第2电极焊盘86例如由与线状导体82相同的材料形成。
也可以在线状导体82之上设置未图示的保护绝缘膜。保护绝缘膜例如是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或聚酰亚胺。
熔断部FU1～FU8例如可以使用半导体制造工艺来制造。例如，准备作为绝缘层80的一例的玻璃基板。接着，在玻璃基板之上，通过溅镀法形成金属膜。使用光刻法及反应性离子蚀刻法对金属膜进行图案化，形成多个线状导体82、第1电极焊盘84及第2电极焊盘86。
图5是第1实施方式的熔断部的示意图。图5是表示熔断部FU1向功率模块100的安装状态的图。熔断部FU1的第1电极焊盘84通过第1粘接层88a与源极布线金属层26连接。熔断部FU1的第2电极焊盘86通过第2粘接层88b与源极连接金属层34a连接。第1粘接层88a及第2粘接层88b例如是焊料或Ag纳米粒子。
以下，对第1实施方式的功率模块100的作用及效果进行说明。
在具备多个半导体开关元件的功率模块中，在动作中1个半导体开关元件短路故障的情况下，不能进行电力控制。进而，在短路故障的部位，通过电流的集中及持续性的电弧的发生而有大量的发热。因此，有可能引起火灾等的重大的二次灾害。
为了防止重大的二次灾害的发生，在具有功率模块的逆变器电路等的电力设备中，有具备过电流保护功能的情况。过电流保护功能在检测到起因于短路故障的异常电流时，在预先设定的时间后将电力设备的运行停止。通过将电力设备的运行停止，能够降低二次灾害的风险。但是，在电力设备的运行的停止后，需要功率模块的更换及电力设备的重启。
图6是第1实施方式的半导体模块的作用及效果的说明图。
第1实施方式的功率模块100例如具备晶体管T1及中间夹着晶体管T1的熔断部FU1和熔断部FU2。考虑在包括功率模块100的电力设备的运行中晶体管T1短路故障的情况。在此情况下，在正极端子P与负极端子N之间，经由短路故障的晶体管T1而流过大电流。
在此情况下，在熔断部FU1和熔断部FU2中也流过大电流，通过产生的焦耳热将熔断部FU1和熔断部FU2各自的线状导体82切断。熔断部FU1及熔断部FU2的线状导体82切断，从而经过晶体管T1的电流路径被断路。
经过晶体管T1的电流路径的断路例如在电力设备的过电流保护功能起作用之前被执行。电力设备的过电流保护功能在预先设定的时间后动作，将电力设备的运行停止。预先设定的时间通常是10μsec左右。
通过熔断部FU1和熔断部FU2，晶体管T1被从功率模块100的电路切离。因此，通过剩余的晶体管T2、T3、T4，能够进行功率模块100的动作。因此，能够继续由功率模块100进行的电力控制。因而，能够继续包括功率模块100在内的电力设备的运行。由此，包括功率模块100的电力设备的可靠性提高。
另外，在晶体管T1短路故障的情况下，熔断部FU1和熔断部FU2同时被切断。假如在一方没有切断的情况下，晶体管T1的栅极电极G1与源极电极S1或漏极电极D1的某一方之间的电流路径残留。
栅极电极G1例如与其他晶体管的栅极电极G2～G4或功率模块100的外部的驱动器电路等电连接。因而，在晶体管T1的栅极电极G1与源极电极S1或漏极电极D1的某一方之间的电流路径残留时，难以继续由功率模块100进行的电力控制。
功率模块100具备的熔断部FU1～FU8优选的是具备以下的特性。
(特性1)具备10μsec以下的较快的断路特性。在过电流保护功能动作之前将电流断路，能够继续包括功率模块100在内的电力设备的运行。
(特性2)不会有切断时的持续性的电弧发生。抑制因持续性的电弧发生造成的功率模块100的损伤。
(特性3)是半导体开关元件的芯片尺寸以下的大小。抑制因安装熔断部带来的功率模块100的尺寸的增大。
(特性4)串联连接的2个熔断部同时切断。将向栅极电极的电流路径断路。
图7是第1实施方式的实验例的试验电路的等价电路图。将图4所示的构造的熔断部FU1与熔断部FU2串联连接，进行了通过电容器的充放电来模拟短路的电流负载实验。
为了将使电源电压变化为1～3kV时的每根线状导体中流过的电流设为1～80A/根，将线状导体82的根数设为1～10根，将线状导体82的厚度t2设为0.35μm，将线状导体82的宽度w设为3～850μm，将线状导体82的间隔s设为3～140μm。使线状导体82的长度L2按1mm、2mm、3mm、5mm变化。线状导体82做成了钛膜和铝膜的层叠构造。
图8是表示第1实施方式的实验例的试验结果的图。图8的(a)是L2＝1mm，图8的(b)是L2＝2mm，图8的(c)是L2＝3mm，图8的(d)是L2＝5mm的情况。
表示施加在熔断部FU1及熔断部FU2上的施加电压V01、线状导体82的每1根的电流(分离电流)、和持续性的电弧发生的有无。将没有发生持续性的电弧的情况用空心圆标记表示，将发生持续性的电弧的情况用叉形标记表示。由阴影表示的区域是在切断时不发生持续性的电弧的区域。
通过使线状导体82的每1根的电流为40A以下，抑制了持续性的电弧发生。此外，通过使线状导体82的长度L2变长，没有持续性的电弧发生地能够断路的施加电压V01变大。通过线状导体82的长度L2为3mm以上，在3kV的施加电压V01以内能够切断。
另外，在哪种条件下，都实现了10μsec以下的较快的切断。此外，在哪种条件下，熔断部FU1和熔断部FU2都同时被切断。此外，线状导体82的长度L2是5mm以下，能够实现半导体开关元件的芯片尺寸以下的大小。
根据以上的实验例，显而易见，通过第1实施方式的熔断部，能够实现上述(特性1)、(特性2)、(特性3)及(特性4)。
线状导体82的长度L2优选的是1mm以上且10mm以下，更优选的是3mm以上且5mm以下。在上述范围内，能够抑制可切断的施加电压的下降。此外，在上述范围内，能够更加减小熔断部的尺寸。
线状导体82的厚度t2优选的是0.1μm以上且2μm以下，更优选的是0.3μm以上且1.0μm以下。在上述范围内，在通常动作时能够流过更大的电流。此外，在上述范围内能够抑制可切断的施加电压的下降。
线状导体82的宽度w优选的是10μm以上且1000μm以下，更优选的是20μm以上且200μm以下。在上述范围内，在通常动作时能够流过更大的电流。此外，在上述范围内能够抑制可切断的施加电压的下降。
此外，优选的是，熔断部FU1的线状导体82(第1线状导体)的厚度t2及熔断部FU2的线状导体82(第2线状导体)的厚度t2是0.1μm以上且1.3μm以下，并且熔断部FU1的线状导体82(第1线状导体)的厚度t2及熔断部FU2的线状导体82(第2线状导体)的厚度t2之差是0.3μm以下。通过满足上述范围，容易将熔断部FU1和熔断部FU2同时切断。
功率模块100的额定电流优选的是，为线状导体82的根数乘以40A所得的值以下。通过满足该条件，抑制了熔断部的切断时的持续性的电弧发生。
形成线状导体82的材料优选的是，在将熔断部切断时的热能作用下容易成为金属氧化物的金属。通过在将熔断部切断后成为金属氧化物，绝缘耐压提高。根据上述观点，形成线状导体82的材料优选的是含有铝。
以上，根据第1实施方式的半导体模块，能够提供在动作中1个半导体开关元件短路故障的情况下也能够继续动作的半导体模块。因而，能够继续包括第1实施方式的半导体模块在内的电力设备的运行。由此，包括第1实施方式的半导体模块在内的电力设备的可靠性提高。
(第2实施方式)
第2实施方式的半导体模块在还具备电连接在第1外部端子及第2外部端子的某一方与第1栅极电极之间的过电压保护元件这一点上与第1实施方式的半导体模块不同。以下，对于与第1实施方式重复的内容省略一部分记述。
图9是第2实施方式的半导体模块的等价电路图。
第2实施方式的半导体模块是将多个功率半导体元件安装在一个封装中的功率模块200。
功率模块200在负极端子N与栅极电极G1之间、负极端子N与栅极电极G2之间、负极端子N与栅极电极G3之间、及负极端子N与栅极电极G4之间分别设置有过电压保护元件90。
过电压保护元件90是电流电压特性具有非线性的元件。过电压保护元件90是在超过规定的阈值电压时电阻下降的二端子元件。过电压保护元件90具有如果二端子之间被施加超过规定的阈值电压的过剩的电压则流过电流的功能。过电压保护元件90例如由第1齐纳二极管Z1和第2齐纳二极管Z2构成。
将第1齐纳二极管Z1和第2齐纳二极管Z2逆向地串联连接。例如，将第1齐纳二极管Z1的阴极与第2齐纳二极管Z2的阴极连接。
将第1齐纳二极管Z1的阳极与负极端子N连接。此外，将第2齐纳二极管Z2的阳极与栅极电极G1、栅极电极G2、栅极电极G3及栅极电极G4的某一个连接。
图10是第2实施方式的半导体模块的示意俯视图。
功率模块200具备负极端子N(第1外部端子)、正极端子P(第2外部端子)、晶体管T1(第1半导体开关元件)、晶体管T2(第2半导体开关元件)、晶体管T3(第3半导体开关元件)、晶体管T4、熔断部FU1(第1熔断部)、熔断部FU2(第2熔断部)、熔断部FU3(第3熔断部)、熔断部FU4(第4熔断部)、熔断部FU5、熔断部FU6、熔断部FU7、熔断部FU8、以及4组第1齐纳二极管Z1和第2齐纳二极管Z2。
功率模块200具备树脂盒10、盖12、栅极端子20、金属基板22、树脂绝缘层24、源极布线金属层26、漏极布线金属层28、栅极布线金属层30a～30d、漏极连接金属层32a～32d、源极连接金属层34a～34d、二极管连接金属层35a～35d、接合线40、硅胶42(密封件)。
图10是从功率模块200去掉了盖12及硅胶42的状态的俯视图。
4组第1齐纳二极管Z1和第2齐纳二极管Z2分别被设置在二极管连接金属层35a～35d之上。将4组第1齐纳二极管Z1和第2齐纳二极管Z2例如使用焊料或Ag纳米粒子与二极管连接金属层35a～35d连接。
以下，对第2实施方式的功率模块200的作用及效果进行说明。
图11是第2实施方式的第1实验例的试验电路的等价电路图。将图4所示的构造的熔断部FU1与熔断部FU2串联地连接，进行了通过电容器的充放电来模拟短路的电流负载实验。
测定了熔断部FU1与熔断部FU2之间的布线的电压V02。熔断部FU1与熔断部FU2之间的布线的电压V02模拟地表示在图1的功率模块100的等价电路中夹在熔断部FU1与熔断部FU2之间的晶体管短路的情况下的栅极电极的电压。
图12是表示第2实施方式的第1实验例的测定结果的图。图12表示电压V02的随着时间的变化。
在图11的电路中，在向熔断部FU1和熔断部FU2施加电压时，熔断部FU1和熔断部FU2同时被切断。当熔断部FU1和熔断部FU2被切断时，如图12所示，电压V02瞬间增大。换言之，在熔断部FU1与熔断部FU2之间，瞬间被施加大电压。考虑这起因于，通过熔断部FU1和熔断部FU2被切断后的电路的电感而发生的感应电流。
在图1的功率模块100的等价电路中，也有在夹在熔断部FU1与熔断部FU2之间的晶体管短路的情况下、栅极电极上瞬间被施加大电压的情况。假如栅极电极上瞬间被施加大电压，则有可能发生与晶体管的栅极电极连接的电路或元件的破坏。例如，有可能发生与该栅极电极连接的栅极驱动器电路的破坏、或与连接在该栅极电极上的其他晶体管的栅极电极接触的栅极绝缘膜的破坏等。
图13是第2实施方式的第2实验例的试验电路的等价电路图。图13的电路在由图11表示的电路中，设置有从熔断部FU1与熔断部FU2之间引出并与地电位相连的布线。并且，在其布线上以逆向串联的方式连接着第1齐纳二极管Z1和第2齐纳二极管Z2。图13的电路模拟了第2实施方式的功率模块200的等价电路。
图14是表示第2实施方式的第2实验例的测定结果的图。图14表示电压V02的随着时间的变化。
未确认到在没有第1齐纳二极管Z1和第2齐纳二极管Z2的图11所示的电路的情况下可看到的电压V02的瞬间性的增大。考虑是通过第1齐纳二极管Z1和第2齐纳二极管Z2使电流流到地电位从而抑制了电压的上升。
另外，第1齐纳二极管Z1及第2齐纳二极管Z2由于在规定的阈值电压以内维持较高的电阻，所以对于在功率模块200的通常动作时向晶体管的栅极电极施加的栅极电压的水平，不会带来影响。
根据第2实施方式的功率模块200，在晶体管短路的情况下，与短路的晶体管的栅极电极连接的电路及元件的破坏被抑制。因而，能够继续包括功率模块200在内的电力设备的运行。由此，包括功率模块200在内的电力设备的可靠性进一步提高。
(变形例)
第2实施方式的变形例的半导体模块在代替第1齐纳二极管Z1和第2齐纳二极管Z2而具备变阻器(varistor)这一点上与第2实施方式不同。
图15是第2实施方式的半导体模块的变形例的等价电路图。
第2实施方式的变形例的半导体模块是多个功率半导体元件被安装在一个封装中而得到的功率模块201。
功率模块201作为过电压保护元件90而具备变阻器VA。功率模块201在负极端子N与栅极电极G1之间、负极端子N与栅极电极G2之间、负极端子N与栅极电极G3之间、以及负极端子N与栅极电极G4之间分别设置有变阻器VA，作为过电压保护元件90。
图16是第2实施方式的变形例的实验例的试验电路的等价电路图。在从熔断部FU1与熔断部FU2之间引出并与地电位相连的布线上，连接着变阻器VA。图16的电路模拟了第2实施方式的变形例的功率模块201的等价电路。
图17是表示第2实施方式的变形例的实验例的测定结果的图。图17表示电压V02的随着时间的变化。
未确认到在图11所示的没有变阻器VA的电路的情况下可看到电压V02的瞬间性的增大。考虑是通过变阻器VA使电流流到地电位从而抑制了电压的上升。
另外，由于变阻器VA在规定的阈值电压以内维持较高的电阻，所以对于在功率模块201的通常动作时向晶体管的栅极电极施加的栅极电压的水平，不会带来影响。
以上，根据第2实施方式及其变形例的半导体模块，与第1实施方式的半导体模块同样，能够提供一种即使是在动作中1个半导体开关元件短路故障的情况也能够继续动作的半导体模块。由此，包括第2实施方式的半导体模块在内的电力设备的可靠性提高。特别是由于抑制了与短路的半导体开关元件的栅极电极连接的电路及元件的破坏，所以包括半导体模块在内的电力设备的可靠性进一步提高。
(第3实施方式)
第3实施方式的半导体模块在以下的点上与第1实施方式不同：还具备在第1外部端子与第2外部端子之间与第1半导体开关元件电气地并联连接且具有第3栅极电极的第3半导体开关元件，第1熔断部电连接在第1外部端子与第3半导体开关元件之间，第2熔断部电连接在第2外部端子与第3半导体开关元件之间。以下，对于与第1实施方式重复的内容，省略一部分记述。
图18是第3实施方式的半导体模块的等价电路图。
第3实施方式的半导体模块是将多个功率半导体元件安装在一个封装中而得到的功率模块300。功率模块300例如被用在对大电力进行控制的逆变器等中。功率模块300的额定电压例如是250V以上且10kV以下。
功率模块300如图18所示，在负极端子N(第1外部端子)与正极端子P(第2外部端子)之间，并联连接着晶体管T1(第1半导体开关元件)、晶体管T2(第2半导体开关元件)、晶体管T3(第3半导体开关元件)及晶体管T4。晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3、晶体管T4例如是MOSFET。
晶体管T1具有源极电极S1、漏极电极D1、栅极电极G1(第1栅极电极)。晶体管T2具有源极电极S2、漏极电极D2、栅极电极G2(第2栅极电极)。晶体管T3具有源极电极S3、漏极电极D3、栅极电极G3(第3栅极电极)。晶体管T4具有源极电极S4、漏极电极D4、栅极电极G4。
熔断部FU1(第1熔断部)电连接在负极端子N与晶体管T1之间。熔断部FU1(第1熔断部)电连接在负极端子N与晶体管T3之间。熔断部FU1的一端与负极端子N电连接、另一端与晶体管T1的源极电极S1及晶体管T3的源极电极S3电连接。
熔断部FU2(第2熔断部)电连接在正极端子P与晶体管T1之间。熔断部FU2(第2熔断部)电连接在正极端子P与晶体管T3之间。熔断部FU2的一端与正极端子P电连接、另一端与晶体管T1的漏极电极D1及晶体管T3的漏极电极D3电连接。
在熔断部FU1与熔断部FU2之间，并联连接着晶体管T1和晶体管T3。
熔断部FU3(第3熔断部)电连接在负极端子N与晶体管T2之间。熔断部FU3(第3熔断部)电连接在负极端子N与晶体管T4之间。熔断部FU3的一端与负极端子N电连接、另一端与晶体管T2的源极电极S2及晶体管T4的源极电极S4电连接。
熔断部FU4(第4熔断部)电连接在正极端子P与晶体管T2之间。熔断部FU4(第4熔断部)电连接在正极端子P与晶体管T4之间。熔断部FU4的一端与正极端子P电连接、另一端与晶体管T2的漏极电极D2及晶体管T4的漏极电极D4电连接。
在熔断部FU3与熔断部FU4之间，并联连接着晶体管T2和晶体管T4。
图19是第3实施方式的半导体模块的示意俯视图。
功率模块300具备负极端子N(第1外部端子)、正极端子P(第2外部端子)、晶体管T1(第1半导体开关元件)、晶体管T2(第2半导体开关元件)、晶体管T3(第3半导体开关元件)、晶体管T4、熔断部FU1(第1熔断部)、熔断部FU2(第2熔断部)、熔断部FU3(第3熔断部)及熔断部FU4(第4熔断部)。
功率模块300具备树脂盒10、盖12、栅极端子20、金属基板22、树脂绝缘层24、源极布线金属层26、漏极布线金属层28、栅极布线金属层30a～30d、漏极连接金属层32a、32b、源极连接金属层34a、34b、接合线40、硅胶42(密封件)。
晶体管T1、T3设置在共通的漏极连接金属层32a之上。晶体管T2、T4设置在共通的漏极连接金属层32b之上。
源极电极S1、S3使用接合线40与共通的源极连接金属层34a连接。源极电极S2、S4使用接合线40与共通的源极连接金属层34b连接。
功率模块300其晶体管T1及晶体管T3共用熔断部FU1和熔断部FU2。并且，晶体管T2及晶体管T4共用熔断部FU2和熔断部FU4。
假如在晶体管T1中发生了短路故障的情况下，熔断部FU1和熔断部FU2被切断。此外，假如在晶体管T3中发生了短路故障的情况下，熔断部FU1和熔断部FU2被切断。
假如在晶体管T2中发生了短路故障的情况下，熔断部FU3和熔断部FU4被切断。此外，假如在晶体管T4中发生了短路故障的情况下，熔断部FU3和熔断部FU4被切断。
功率模块300通过使2个晶体管共用熔断部，能够减少功率模块300中的熔断部的数量。由此，能够实现功率模块300的小型化。
以上，根据第3实施方式的半导体模块，与第1实施方式的半导体模块同样，能够提供一种即使是在动作中1个半导体开关元件短路故障的情况下也能够继续动作的半导体模块。由此，包括第3实施方式的半导体模块在内的电力设备的可靠性提高。进而，通过熔断部的数量减少，能够实现半导体模块的小型化。
在第1至第3实施方式中，以半导体开关元件为4个的情况为例进行了说明，但只要半导体开关元件的数量是多个，并不限定于4个。
在第1至第3实施方式中，以在半导体模块内作为半导体元件而仅具有半导体开关元件的情况为例进行了说明。但是，在半导体模块内也可以包括例如二极管等其他的半导体元件。
在第1至第3实施方式中，以半导体开关元件是MOSFET的情况为例进行了说明，但作为半导体开关元件也可以使用IGBT等其他的半导体开关元件。
在第1至第3实施方式中，以具有树脂盒10的构造的半导体模块为例进行了说明，但例如在本发明中也可以采用将半导体开关元件模铸成型后得到的构造的半导体模块。
在第1至第3实施方式中，以作为密封件而使用硅胶42的情况为例进行了说明，但也可以代替硅胶42而使用例如环氧树脂等其他的树脂材料。
在第2实施方式中，以作为过电压保护元件90而使用2个齐纳二极管的情况为例进行了说明，但也可以使用1个或3个以上的齐纳二极管。
说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子提示的，不是要限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种各样的形态实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种各样的省略、替换、变更。例如，也可以将一实施方式的构成要素与其他实施方式的构成要素进行替换或变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围或主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明和其等价的范围中。

Claims (12)

1.一种半导体模块，其中，具备：
第1外部端子；
第2外部端子；
第1半导体开关元件，电连接在上述第1外部端子与上述第2外部端子之间，具有第1栅极电极；
第2半导体开关元件，在上述第1外部端子与上述第2外部端子之间，与上述第1半导体开关元件电气地并联连接，具有第2栅极电极；
第1熔断部，电连接在上述第1外部端子与上述第1半导体开关元件之间；以及
第2熔断部，电连接在上述第2外部端子与上述第1半导体开关元件之间。
2.如权利要求1所述的半导体模块，其中，
上述第1熔断部包括第1绝缘层和上述第1绝缘层之上的多个第1线状导体，
上述第2熔断部包括第2绝缘层和上述第2绝缘层之上的多个第2线状导体。
3.如权利要求2所述的半导体模块，其中，
上述第1线状导体及上述第2线状导体的长度是1mm以上且10mm以下。
4.如权利要求2或3所述的半导体模块，其中，
上述第1线状导体及上述第2线状导体的厚度是0.1μm以上且1.3μm以下，上述第1线状导体及上述第2线状导体的厚度之差是0.3μm以下。
5.如权利要求2所述的半导体模块，其中，
上述第1线状导体及上述第2线状导体含有铝。
6.如权利要求1所述的半导体模块，其中，还具备：
第3熔断部，电连接在上述第1外部端子与上述第2半导体开关元件之间；以及
第4熔断部，电连接在上述第2外部端子与上述第2半导体开关元件之间。
7.如权利要求1所述的半导体模块，其中，
还具备第3半导体开关元件，该第3半导体开关元件在上述第1外部端子与上述第2外部端子之间，与上述第1半导体开关元件电气地并联连接，具有第3栅极电极，
上述第1熔断部电连接在上述第1外部端子与上述第3半导体开关元件之间，
上述第2熔断部电连接在上述第2外部端子与上述第3半导体开关元件之间。
8.如权利要求1所述的半导体模块，其中，
还具备电连接在上述第1外部端子及上述第2外部端子的某一方与上述第1栅极电极之间的过电压保护元件。
9.如权利要求8所述的半导体模块，其中，
上述过电压保护元件包括第1齐纳二极管。
10.如权利要求9所述的半导体模块，其中，
上述过电压保护元件包括与第1齐纳二极管逆向地串联连接的第2齐纳二极管。
11.如权利要求8所述的半导体模块，其中，
上述过电压保护元件包括变阻器。
12.如权利要求1所述的半导体模块，其中，
还具备将上述第1半导体开关元件、上述第2半导体开关元件、上述第1熔断部及上述第2熔断部覆盖的密封件。
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