CN117099297A - 半导体装置 - Google Patents
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Abstract
半导体装置具备：基板主体，具有第一面以及与该第一面背对背的第二面；功率半导体元件，安装于所述第一面；冷却器，与所述第二面接触；以及温度传感器，测定所述功率半导体元件的温度，所述温度传感器设置于比所述基板主体靠安装有所述功率半导体元件的一侧即第一侧，并且设置于比所述功率半导体元件远离所述基板主体的所述第一面的位置。
Description
技术领域
本公开涉及半导体装置。
本申请对在2021年4月6日在日本申请的日本特愿2021-064731号主张优先权，在此援用其内容。
背景技术
在专利文献1中，公开了用于逆变器等电力变换器的功率半导体元件。功率半导体元件承担电力的转换、升压以及降压的电路的一部分，处理较大的电流，因此产生大量的热量。因此，在利用冷却器对功率半导体元件进行冷却的同时，电力转换器的控制装置需要使用温度传感器对功率半导体元件的温度进行监控。
例如在与安装功率半导体元件的基板相同的基板中，有时在面内侧方向上与功率半导体元件分离地安装温度传感器。温度传感器在安装的部位测定从功率半导体元件传导的热量的温度。根据该温度传感器的测定结果，控制装置能够间接地监控功率半导体元件的温度。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-122876号公报
发明内容
-发明所要解决的课题-
然而，近来希望提高对功率半导体元件进行冷却的冷却器的冷却性能，以使功率半导体元件能够处理更大的电流。功率半导体元件的冷却器的冷却性能越提高，功率半导体元件的热量越难以向面内侧方向扩散。这样，若功率半导体元件的热量难以向面内侧方向扩散，则传导至安装温度传感器的部位的热量减少，因此温度传感器相对于功率半导体元件的温度上升的测定精度有可能劣化。
本公开是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够抑制温度传感器的测定精度的劣化的半导体装置。
-用于解决课题的手段-
为了解决上述课题，本公开所涉及的半导体装置具备：基板主体，具有第一面以及与该第一面背对背的第二面；功率半导体元件，安装于所述第一面；冷却器，与所述第二面接触；以及温度传感器，测定所述功率半导体元件的温度，所述温度传感器设置于比所述基板主体靠安装有所述功率半导体元件的一侧即第一侧，并且设置于比所述功率半导体元件远离所述基板主体的所述第一面的位置。
-发明效果-
根据本公开，能够提供一种能够抑制温度传感器的测定精度的劣化的半导体装置。
附图说明
图1是从横向观察本公开的第一实施方式所涉及的半导体装置的图。
图2是从横向观察本公开的第二实施方式所涉及的半导体装置的图。
图3是从层叠方向观察本公开的第二实施方式所涉及的半导体装置的图。
图4是从层叠方向观察本公开的第二实施方式所涉及的半导体装置的变形例的图。
具体实施方式
[第一实施方式]
(半导体装置)
以下，参照附图对本公开的第一实施方式所涉及的半导体装置进行说明。本实施方式的半导体装置例如构成逆变器、转换器等电力转换器所具备的电力转换电路的一部分。
本实施方式中的半导体装置用于将直流电流作为输入、将交流电流作为输出的逆变器。
图1是从横向观察第一实施方式所涉及的半导体装置的图。如图1所示，本实施方式的半导体装置1具备基板10、功率半导体元件20、冷却器30、引线框40、绝缘基板50以及温度传感器60。
(基板)
基板10具有基板主体11、输入电路Ci、输出电路Co、控制电路Cn以及接合图案Cb。
基板主体11是呈平板状的构件。基板主体11具有第一面11a以及位于该第一面11a的背侧的第二面11b。即，基板主体11的第一面11a与第二面11b背对背。
以下，在本实施方式中，将基板主体11延伸的方向(图1中的纸面进深方向以及上下方向)称为面内侧方向A。
在本实施方式中，基板主体11例如采用陶瓷等。
另外，基板主体11也可以采用纸酚醛、纸环氧树脂、玻璃复合材料、玻璃环氧树脂、玻璃聚酰亚胺、氟树脂等。
输入电路Ci、输出电路Co以及控制电路Cn是在基板主体11的第一面11a上沿面内侧方向A相互分离地分别形成的铜箔等图案。更详细而言，这些电路在基板主体11的第一面11a通过钎焊等而与基板主体11形成为一体，在基板主体11上分别形成独立的电路图案。
经由从基板主体11的一部分延伸的输入用的汇流条(省略图示)从基板10外部向输入电路Ci输入作为向半导体装置1的输入的直流电流。
输出电路Co在面内侧方向A上与输入电路Ci分离地形成。输出电路Co经由从基板主体11的一部分延伸的输出用的汇流条(省略图示)，向设置于基板10的外部的装置输出由半导体装置1转换后的交流电流。
后面将对本实施方式中的控制电路Cn的详细结构进行叙述。
接合图案Cb是设置于基板主体11的第二面11b的铜箔等图案。接合图案Cb为了接合后述的冷却器30而遍及第二面11b的整体进行钎焊等，从而与基板主体11一体地形成。
形成于第一面11a的上述输入电路Ci、输出电路Co以及控制电路Cn与形成于第二面11b的接合图案Cb通过将由电绝缘材料构成的基板主体11夹在中间而被电绝缘。
(功率半导体元件)
功率半导体元件20例如是IGBT、MOSFET、FWD等，具有输入面20b以及位于该输入面20b的背侧的输出面20a。在输入面20b设置有输入电流的输入端子(省略图示)，在输出面20a设置有输出转换后的电流的输出端子(省略图示)。输入端子经由接合材料S与形成于基板主体11的第一面11a的输入电路Ci电连接。即，功率半导体元件20安装于基板主体11的第一面11a。以下，将层叠基板10和功率半导体元件20的方向(图1中的左右方向)称为层叠方向L。
功率半导体元件20至少具有将功率晶体管作为电路元件来组装的功率晶体管电路(省略图示)。
功率半导体元件20接收从后述的控制电路Cn经由控制线70输入的控制信号。功率半导体元件20按照从控制电路Cn输入的控制信号进行开关。
(冷却器)
冷却器30经由接合材料S与设置于基板10的第二面11b的接合图案Cb接合。冷却器30具有基部31和散热片32。基部31具有经由接合材料S与基板10的接合图案Cb接合的接合面31a和与该接合面31a背对背且设置有散热片32的翅片面31b。散热片32以从基部31的翅片面31b沿层叠方向L延伸地设置有多个。
由此，在功率半导体元件20发热时，功率半导体元件20的热量按照将功率半导体元件20与输入电路Ci连接的接合材料S、输入电路Ci、基板主体11、接合图案Cb、将基板主体11与基部31连接的接合材料S、基部31、散热片32的顺序依次传导。因此，从功率半导体元件20的输入面20b向层叠方向L扩散的热量在上述路径中传播，并通过散热片32扩散。
在本实施方式中，冷却器30的基部31以及散热片32的材料例如采用铝。另外，冷却器30的基部31以及散热片32也可以采用铁、铜、陶瓷等。
冷却器30的散热片32浸渍于冷媒流动的冷媒流路(详细图示省略)。在图1中，用双点划线表示冷媒流路的概略形状，用向右的箭头表示冷媒的流动W。散热片32与在冷媒流路内流动的冷媒始终进行热交换，利用水冷方式使从功率半导体元件20传导的热量扩散。在本实施方式中，冷媒例如采用水。另外，冷媒也可以采用水以外的液体。
(引线框)
引线框40是通过桥接功率半导体元件20和输出电路Co而将两者电连接的导体。引线框40的一端与输出电路Co连接，另一端与功率半导体元件20连接。更详细而言，引线框40的上述一端经由接合材料S与形成于基板主体11的第一面11a的输出电路Co连接。引线框40的上述另一端覆盖功率半导体元件20的输出面20a的至少一部分地经由接合材料S而与设置于输出面20a的输出端子连接。在本实施方式中，引线框40例如采用铜夹。
(绝缘基板)
绝缘基板50是经由接合材料S与引线框40接触的绝缘构件。绝缘基板50具有绝缘基板主体51和接合图案Cb。
绝缘基板主体51是呈平板状的构件。绝缘基板主体51具有绝缘面51b以及位于该绝缘面51b的背侧的传感器安装面51a。即，绝缘基板主体51的绝缘面51b与传感器安装面51a背对背。
在本实施方式中，绝缘基板主体51例如采用陶瓷等。另外，绝缘基板主体51也可以采用纸酚醛、纸环氧树脂、玻璃复合材料、玻璃环氧树脂、玻璃聚酰亚胺、氟树脂等。
本实施方式中的接合图案Cb是设置于绝缘基板50的绝缘面51b以及传感器安装面51a的铜箔等图案。更详细而言，接合图案Cb在绝缘基板主体51的绝缘面51b以及传感器安装面51a的一面分别进行钎焊等而与绝缘基板主体51一体地形成。形成于绝缘面51b的接合图案Cb和形成于传感器安装面51a的接合图案Cb通过将绝缘基板主体51夹在中间而被电绝缘。
形成于绝缘面51b的接合图案Cb经由接合材料S与引线框40连接。在形成于传感器安装面51a的接合图案Cb连接有一端与半导体装置1外部的电力转换器的控制装置(省略图示)连接的传感器导线(省略图示)的另一端。传感器导线从控制装置供给用于使安装于传感器安装面51a的温度传感器60动作的电流，并且将作为温度传感器60输出的测定结果的响应信号取出至控制装置。
在将上述功率半导体元件20与基板10的输入电路Ci、冷却器30的基部31与基板10的接合图案Cb、引线框40与输出电路Co、引线框40与功率半导体元件20、以及引线框40与绝缘基板50的接合图案Cb连接的接合材料S中，例如采用焊料等。另外，也可以采用烧结材料(金属、陶瓷等粉末)作为接合材料S。此外，也可以在将冷却器30的基部31与基板10的接合图案Cb、引线框40与绝缘基板50的接合图案Cb连接的接合材料S中采用粘接剂。
(温度传感器)
温度传感器60安装于在绝缘基板50的传感器安装面51a形成的接合图案Cb。温度传感器60是测定绝缘基板50上的接合图案Cb的安装部位处的温度的传感器。在本实施方式中，温度传感器60例如采用热敏电阻。另外，温度传感器60也可以采用测温电阻体等。
温度传感器60设置于比基板10更靠安装有功率半导体元件20的一侧即第一侧，并且设置于比功率半导体元件20远离基板主体11的第一面11a的位置。本实施方式中的温度传感器60还在层叠方向L上位于引线框40与功率半导体元件20重叠的区域。
从功率半导体元件20扩散的热量在层叠方向L上按照将功率半导体元件20与引线框40连接的接合材料S、引线框40、将引线框40与接合图案Cb连接的接合材料S、接合图案Cb、绝缘基板50、接合图案Cb、温度传感器60的顺序依次传导。传感器安装面51a上的温度传感器60的安装部位被经由上述路径传导的热量加温。在本实施方式中，温度传感器60优选在从层叠方向L观察时设置于功率半导体元件20的大致中央的位置的结构。
(控制电路)
控制电路Cn在基板主体11的第一面11a在面内侧方向A上与输入电路Ci分离地设置。在控制电路Cn连接有能够从该控制电路Cn发送用于控制功率半导体元件20的电信号的控制线70。控制线70的一端与控制电路Cn电连接，另一端与功率半导体元件20的控制信号的输入用端子(省略图示)电连接。
在控制电路Cn连接有生成功率半导体元件20的控制信号的控制部(省略图示)。由此，控制电路Cn能够经由控制线70向功率半导体元件20输入由上述控制部生成的控制信号。在本实施方式中，控制线70例如采用铝。另外，控制丝70也可以采用铜、金等。
(作用效果)
上述第一实施方式所涉及的半导体装置1具备：基板主体11，具有第一面11a以及与该第一面11a背对背的第二面11b；功率半导体元件20，安装于第一面11a；冷却器30，与第二面11b接触；以及温度传感器60，测定功率半导体元件20的温度，温度传感器60设置于比基板主体11更靠安装有功率半导体元件20的一侧即第一侧，并且设置于比功率半导体元件20远离基板主体11的第一面11a的位置。
根据这样的结构，从功率半导体元件20传导至温度传感器60的热量不会受到安装功率半导体元件20的基板10的面内侧方向A上的散热的影响。因此，例如，即使在冷却器30的性能提高、基板10的面内侧方向A上的散热变小的情况下，也能够抑制温度传感器60的测定精度的劣化。
此外，上述第一实施方式所涉及的半导体装置1还具备：引线框40，与功率半导体元件20连接；以及绝缘基板50，能够导热地与引线框40和温度传感器60连接，将引线框40与温度传感器60电绝缘。
根据这样的结构，温度传感器60不会对功率半导体元件20的输入以及输出所涉及的电路造成影响。因此，不会降低功率半导体元件20的电路设计的自由度。
此外，在层叠基板10和功率半导体元件20的层叠方向L上，温度传感器60位于引线框40与功率半导体元件20重叠的区域。
根据这样的结构，温度传感器60位于在功率半导体元件20中产生的热量无损地传导的部位。因此，能够使温度传感器60测定的部位的温度接近功率半导体元件20的实际温度。
此外，在上述第一实施方式所涉及的半导体装置1中，冷却器30具有与基板10的第二面11b接触的基部31和从基部31朝向层叠方向L另一侧延伸的散热片32。
根据这样的结构，冷却器30不会对温度传感器60所测定的部位进行冷却。因此，能够不对温度传感器60的测定值造成影响地冷却功率半导体元件20。
[第二实施方式]
以下，参照图2以及图3对本公开的第二实施方式所涉及的半导体装置进行说明。在第二实施方式中，第一实施方式的半导体装置1所具备的功率半导体元件20、引线框40以及控制电路Cn的结构一部分不同。对与第一实施方式相同的结构要素标注相同的附图标记并省略详细的说明。
图2是从横向观察第二实施方式所涉及的半导体装置的图。如图2所示，本实施方式的半导体装置1具备多个功率半导体元件20。
(功率半导体元件)
多个功率半导体元件20分别具有输入面20b以及位于该输入面20b的背侧的输出面20a。多个功率半导体元件20经由接合材料S而设置于输入面20b的输入端子(省略图示)分别与设置于基板主体11的第一面11a的输入电路Ci电连接。即，多个功率半导体元件20安装于基板主体11的第一面11a。
在本实施方式中，三个功率半导体元件20在基板主体11的第一面11a并列地安装。在基板主体11的第一面11a并列安装的三个功率半导体元件20中，被两个功率半导体元件20夹着的中央的功率半导体元件20受到从两个功率半导体元件20扩散的热量的影响，因此温度容易变得比较高。
(冷却器)
冷却器30经由接合材料S与设置于基板10的第二面11b的接合图案Cb接合。冷却器30呈与上述第一实施方式相同的结构。
图3是从层叠方向L观察半导体装置1的图。在图3所示的半导体装置1中，省略控制电路Cn的图示。
(引线框)
引线框40是通过桥接多个功率半导体元件20和输出电路Co而将多个功率半导体元件20和输出电路Co电连接的导体。如图3所示，引线框40的一部分与输出电路Co连接，剩余部分中的多个部分分别与多个功率半导体元件20连接。更详细而言，引线框40的上述剩余部分别覆盖多个功率半导体元件20的各输出面20a的至少一部分并且直线状地延伸，与设置于各输出面20a的输出端子连接。
(绝缘基板)
绝缘基板50是与引线框40接触的绝缘构件。绝缘基板50呈与上述第一实施方式相同的结构。
(温度传感器)
温度传感器60安装于在绝缘基板50的传感器安装面51a形成的接合图案Cb。温度传感器60是测定绝缘基板50上的接合图案Cb的安装部位处的温度的传感器。温度传感器60在层叠方向L上位于引线框40与功率半导体元件20重叠的区域。在本实施方式中，温度传感器60位于与基板10并列地安装的三个功率半导体元件20中的中央的功率半导体元件20与引线框40在层叠方向L上重叠的区域的大致中央。
(控制电路)
在控制电路Cn连接有多根(在本实施方式中为三根)能够从该控制电路Cn发送用于控制功率半导体元件20的电信号的控制线70。多个控制线70各自的一端与控制电路Cn电连接，各自的另一端与各功率半导体元件20的控制信号的输入用端子(省略图示)电连接。
(作用效果)
在上述第二实施方式所涉及的半导体装置1中，功率半导体元件20在基板主体11的第一面11a安装有多个，引线框40遍及多个功率半导体元件20延伸地连接。
根据这样的结构，温度传感器60能够一并测定多个功率半导体元件20的温度。因此，例如，即使在产生了任一功率半导体元件20的温度过度上升的异常的情况下，也能够基于温度传感器60的测定值来实现功率半导体元件20的过热保护。
此外，在上述第二实施方式所涉及的半导体装置1中，温度传感器60位于与基板10并列安装的三个功率半导体元件20中的中央的功率半导体元件20与引线框40在层叠方向L上重叠的区域的大致中央。
根据这样的结构，温度传感器60能够在温度比较高的部位测定温度。因此，能够更适当地实现基于温度传感器60的测定值的功率半导体元件20的过热保护。
[其他实施方式]
以上，参照附图对本公开的实施方式进行了详述，但具体的结构不限于各实施方式的结构，能够在不脱离本公开的主旨的范围内进行结构的附加、省略、置换以及其他变更。此外，本公开不由实施方式限定。
在上述第二实施方式中，引线框40以分别覆盖多个功率半导体元件20的各输出面20a的至少一部分地直线状延伸连接，但并不限定于该结构。图4表示第二实施方式的引线框40的变形例。如图4所示，引线框40也可以构成为从输出电路Co上的任意的三处朝向各功率半导体元件20的输出面20a延伸，并且分别覆盖多个功率半导体元件20的各输出面20a的至少一部分地延伸并相互连接。由此，能够起到与上述第二实施方式相同的作用效果。
此外，在上述实施方式中，例示了在基板10上安装有一个功率半导体元件20的情况、以及并列安装有三个功率半导体元件20的情况，但安装功率半导体元件20的个数并不限定于上述个数。功率半导体元件20也可以安装两个或四个以上。
例如，在并列安装两个功率半导体元件20的情况下，温度传感器60可以不必位于在层叠方向L上引线框40与功率半导体元件20重叠的区域。温度传感器60也可以是在与两个功率半导体元件20之间的大致中间位置测定安装部位的温度的结构。由此，能够有效地测定两个功率半导体元件20的温度，能够起到与上述第二实施方式相同的作用效果。
此外，在上述实施方式中，温度传感器60在层叠方向L上位于引线框40与功率半导体元件20重叠的区域，但并不限定于该结构。也可以是温度传感器60的至少一部分位于在层叠方向L上引线框40与功率半导体元件20重叠的区域的结构。在该情况下，也能够实现上述实施方式所记载的作用效果。
此外，在上述实施方式中，引线框40采用铜夹，但不限定于铜夹。只要至少绝缘基板50能够与引线框40接触、温度传感器60能够在绝缘基板50上稳定地测定功率半导体元件20的温度，则引线框40可以采用任意的导体。
此外，在上述实施方式中，采用了平板状的绝缘基板50，但并不限定于平板状。只要至少能够热传导地与引线框40和温度传感器60连接，使引线框40与温度传感器60电绝缘，温度传感器60能够稳定地测定功率半导体元件20的温度，则可以采用任意形状的绝缘构件。
此外，在上述实施方式中，半导体装置1用于逆变器的电力转换电路，但并不限定于逆变器的电力转换电路。半导体装置1也可以构成将交流电流作为输入、将直流电流作为输出的转换器的电力转换电路、变更直流电流的电压的大小的调节器的升压电路等的一部分。
[附记]
上述实施方式中记载的半导体装置例如如下掌握。
(1)第一方式所涉及的半导体装置1具备：基板主体11，具有第一面11a以及与该第一面11a背对背的第二面11b；功率半导体元件20，安装于所述第一面11a；冷却器30，与所述第二面11b接触；以及温度传感器60，测定所述功率半导体元件20的温度，所述温度传感器60设置于比所述基板主体11靠安装有所述功率半导体元件20的一侧即第一侧，并且设置于比所述功率半导体元件20远离所述基板主体11的所述第一面11a的位置。
由此，从功率半导体元件20传导至温度传感器60的热量不会受到安装有功率半导体元件20的基板10的面内侧方向A上的散热的影响。因此，例如，即使在冷却器30的性能提高、基板10的面内侧方向A上的散热变小的情况下，也能够抑制温度传感器60的测定精度的劣化。
(2)第二方式所涉及的半导体装置1是(1)的半导体装置1，也可以还具备：引线框40，与所述功率半导体元件20连接；以及绝缘构件，能够导热地与所述引线框40和所述温度传感器60连接，将所述引线框40与所述温度传感器60电绝缘。
由此，温度传感器60不会对功率半导体元件20的输入以及输出所涉及的电路造成影响。因此，不会降低功率半导体元件20的电路设计的自由度。
(3)第三方式所涉及的半导体装置1是(2)的半导体装置1，也可以是，所述功率半导体元件20在所述基板主体11的所述第一面11a安装有多个，所述引线框40遍及多个所述功率半导体元件20延伸地连接。
由此，温度传感器60能够一并测定多个功率半导体元件20的温度。因此，例如，即使在产生了任一功率半导体元件20的温度过度上升的异常的情况下，也能够基于温度传感器60的测定值来实现功率半导体元件20的过热保护。
(4)第四方式所涉及的半导体装置1在(2)或(3)的半导体装置1的基础上，也可以是，在层叠所述基板主体11和所述功率半导体元件20的层叠方向L上，所述温度传感器60的至少一部分位于所述引线框40与所述功率半导体元件20重叠的区域。
由此，温度传感器60位于在功率半导体元件20中产生的热量无损地传导的部位。因此，能够使温度传感器60测定的部位的温度接近功率半导体元件20的实际温度。
(5)第五方式所涉及的半导体装置1在(1)至(4)中任一项的半导体装置1的基础上，也可以是，所述冷却器30具有：基部31，与所述基板主体11的所述第二面11b接触；以及散热片32，从该基部31延伸。
由此，冷却器30不会对温度传感器60所测定的部位进行冷却。因此，能够不对温度传感器60的测定值造成影响地冷却功率半导体元件20。
--工业可用性--
根据本公开，能够提供一种能够抑制温度传感器的测定精度的劣化的半导体装置。
-附图标记说明-
1...半导体装置 10...基板 11...基板主体 11a...第一面 11b...第二面20...功率半导体元件 20a...输出面 20b...输入面 30...冷却器 31...基部 31a...接合面 31b...翅片面 32...散热片 40...引线框 50...绝缘基板 51...绝缘基板主体51a...传感器安装面 51b...绝缘面 60...温度传感器 70...控制线 A...面内侧向Cb...接合图案 Ci...输入电路 Cn...控制电路 Co...输出电路 L...层叠方向 S...接合材料 W...冷媒的流动。
Claims (5)
1.一种半导体装置，具备：
基板主体，具有第一面以及与该第一面背对背的第二面；
功率半导体元件，安装于所述第一面；
冷却器，与所述第二面接触；以及
温度传感器，测定所述功率半导体元件的温度，
所述温度传感器设置于比所述基板主体靠安装有所述功率半导体元件的一侧即第一侧，并且设置于比所述功率半导体元件远离所述基板主体的所述第一面的位置。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
还具备：
引线框，与所述功率半导体元件连接；以及
绝缘构件，能够导热地与所述引线框和所述温度传感器连接，将所述引线框与所述温度传感器电绝缘。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中，
所述功率半导体元件在所述基板主体的所述第一面上安装有多个，
所述引线框遍及多个所述功率半导体元件延伸地连接。
4.根据权利要求2或3所述的半导体装置，其中，
在所述基板主体与所述功率半导体元件被层叠的层叠方向上，所述温度传感器的至少一部分位于所述引线框与所述功率半导体元件重叠的区域。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体装置，其中，
所述冷却器具有与所述基板主体的所述第二面接触的基部和从该基部延伸的散热片。
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