JP2003203805A - 半導体装置、シャント抵抗器の製造方法 - Google Patents

半導体装置、シャント抵抗器の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンパクトな構造で、高精度に大電流を検出
でき、かつ放熱性が高シャント抵抗器を備えた半導体装
置を得る。 【解決手段】 この発明の半導体装置は、放熱板6上の
絶縁回路基板5に取り付けられた半導体素子12に流れ
る電流を検出するシャント抵抗器4が内蔵された半導体
装置であって、シャント抵抗器4は、絶縁回路基板5に
直線部位が接続されたU字状の金属板2と、この金属板
の一対の直線部位間に接合材で接合された絶縁材1とを
備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、放熱板上の絶縁
回路基板に取り付けられた半導体素子に流れる電流を検
出するシャント抵抗器が内蔵された半導体装置、および
シャント抵抗器の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、モータの回転数を制御するイン
バータ装置などにおいては、交流周波数を変換させるた
めにIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)
等の半導体素子であるパワー半導体素子を複数個セラミ
ック基板上に搭載した半導体装置が用いられる。
【0003】この半導体装置は、モータに接続される
が、このモータに流れる電流は電流検出器によって検出
される。電流検出器としてカレントトランスを用いた場
合、他の部品に比べて容積が大きいため、装置の小型化
の妨げとなっていた。
【0004】これに対して、シャント抵抗器を半導体装
置に内蔵して、半導体素子に流れる電流を検出すること
によって小型化を図ったものとして特許文献1に示され
たものが知られている。図17はその特許文献1に示さ
れたシャント抵抗器の断面図である。
【0005】このシャント抵抗器は、例えば銅マンガン
材料からなるハット型部材60の凹部内に、例えばエポ
キシ樹脂からなる絶縁物14が充填されて構成されてい
る。ハット型部材60のフランジ部分60a、60bに
は例えば銅材料からなる一対の端子13が固着されてい
る。この端子13は絶縁回路基板16の導電パターン1
5に実装されている。
【0006】このシャント抵抗器は、抵抗体であるハッ
ト型部材60で生じたジュール熱を逃がす必要があり、
絶縁物が充填されていないシャント抵抗器と比較して放
熱性を高めるために、ハット型部材60の凹部内に絶縁
物14が充填されている。
【0007】しかしながら、このシャント抵抗器では、
数100Aレベルの大電流のときにはシャント抵抗器の
温度が許容レベルを超え、絶縁物14が劣化してしまう
だけでなく、シャント抵抗器が高温になるためシャント
抵抗器自体の抵抗値が変化してしまい、高精度の電流測
定ができないという問題点があった。
【0008】これに対して、図18のシャント抵抗器
は、特許文献2に記載されたシャント抵抗器であって、
大電流時でも電流測定が可能であるシャント抵抗器であ
る。このシャント抵抗器は、銅製のベース6上にはんだ
からなる接合材7で接合された絶縁回路基板5上に取り
付けられている。シャント抵抗器では、セラミックス基
板17を挟んでその表面側に所定の抵抗値にあわせて設
計したサイズの計測用精密抵抗材からなるシート状抵抗
部18および裏面に銅部材19を重ね合わせて、銀ろう
などを用いた活性金属法により一体に接合して抵抗体を
構成している。シート状抵抗部18の両端部には電流通
電用ボンディング部が形成され、この部分にボンディン
グワイヤ10a、10bが接続されている。シート状抵
抗部18の内側には電流検出用のボンディング電極部が
形成され、この部分にボンディングワイヤ11a、11
bが接続されている。それぞれのボンディングワイヤ1
0a、10b、11a、11bは紙面に対して垂直方向
に複数本配置されている。
【0009】このシャント抵抗器は、熱伝導率が数W/
m・Kのエポキシ樹脂よりも高い、数10〜150W/
m・Kのセラミックス基板17により抵抗体の発熱をよ
り効果的に放熱しており、大電流の検出が可能になって
いる。
【0010】しかしながら、セラミックス基板17を挟
んでシート状抵抗部18および銅部材19を重ね合わ
せ、銀ろうなどで一体接合しているので、確かに初期の
放熱特性という点では高性能化が図れるが、使用環境下
では次のような問題点があった。即ち、このような構造
を採用したところで、シート状抵抗部18での発熱は避
けられないため、抵抗部18とセラミックス基板17と
の接合界面に熱応力が発生し、セラミックス基板17に
割れが発生し、この割れは繰り返し使用されるにつれて
拡大し、最後には抵抗部18とセラミックス基板17と
が分離してしまい、その結果抵抗部18の温度は上昇
し、初期の性能が維持できなくなってしまうという問題
点があった。
【0011】また、図17および図18に示したシャン
ト抵抗器は、小型化や生産性という点で問題点があっ
た。即ち、図17のシャント抵抗器ではフランジ部分6
0a、60bで端子13にはんだ接合するため、この接
合スペースが必要であった。また、図17および図18
に示した半導体装置は、当然ながら共にシャント抵抗器
の大きさ分だけのスペースも必要となる。従って、外付
けでカレントトランスを用いた場合に比べて、半導体装
置のパッケージサイズは少なくとも15mm以上も大き
くなってしまうことになる。
【0012】また、図18に示した半導体装置では、1
本に付き10A程度しか電流を流すことができないボン
ディングワイヤ10a、10bを、多数本並列に接合す
る必要があり、今後の大電流化にとっては、生産性に問
題が生じることが考えられる。
【0013】更に、図18に示したシャント抵抗器のよ
うに、平板状導体であるシート状抵抗部18を用いた場
合には、インダクタンスが大きく、高周波特性が悪いと
いう問題点もあった。IGBTのようなパワー半導体装
置では、例えばIGBT素子1個あたり100A程度の
大きな電流を測定することになるが、抵抗挿入による電
力損失を低くするために、抵抗体の抵抗値としてはミリ
オーム程度の低い値が必要とされる。このような抵抗値
をもつ平板抵抗は100kHzから1MHzといった高
周波においては抵抗よりもインダクタンスによるインピ
ーダンスが支配的となり、検出特性が周波数依存性を持
つという問題点もあった。
【0014】これに対して、図19は周波数特性が平坦
なシャント抵抗器を有する半導体装置を示す図である。
図19は特許文献3に記載されたシャント抵抗器の斜視
図であり、周波数特性が平坦である電流センサを得るこ
とができる。図において、平行平板状に折り返した形状
の導電体(ここでは銅)からなる電流センサ部28は、
平行平板をなす第1の平板状部分28a、第2の平板状
部分28cおよびこれら第1、第2の平板状部分28
a、28cの一方の端部を互いにつなぐ折れ曲がり部2
8bで構成されている。第1の平板状部分28aの他方
の端部は電極パターン29にはんだ付けにより接合され
て電流センサ部28の一方の検出端子34を形成してい
る。第2の平板状部分28cの他方の端部はモジュール
エミッタ電極27と一体になって繋がっており、電流セ
ンサ部28の他方の検出端子35を形成している。エミ
ッタ中継基板26上の電極パターン29はアルミニウム
ワイヤ51によりダイオード素子40のアノード電極4
1およびIGBT素子3のエミッタ電極31と接続され
ている。なお、符号16は過電流・短絡電流保護回路で
ある。
【0015】上記構成の半導体装置では、平行平板をな
す第1、第2の平板状部分28a、28cを流れる電流
が互いに対向し、磁界を相殺するので、周波数特性が平
坦で検出精度の良い電流センサを得ることができる。
【0016】しかしながら、図19に示した半導体装置
では、検出精度および放熱性において問題点があること
が分かった。即ち、電流センサ部28に銅を使用した場
合、抵抗温度係数が大きいため、環境温度によって抵抗
値が変化し、高精度な電流検出ができない。また、電流
センサ部として銅−ニッケル合金等の抵抗温度係数の小
さい金属を使用すると、熱伝導率が小さいために、電流
センサ部の熱抵抗が大きくなる。従って、放熱板である
エミッタ中継基板26と接合された電極パターン29に
接触している部分以外は非常に高温になり、電極パター
ン29との接合部の信頼性やその近傍の部材に熱による
悪影響を与えてしまうという問題点があった。
【0017】
【特許文献1】実用新案登録第3067213号公報
([0018]〜[0019]、図1)
【特許文献2】特開平11-97203号公報([00
20]〜[0021]、図2)
【特許文献3】特開2000-353778号公報
([0022]〜[0023]、図1)
【0018】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来、放熱性および信頼性が優れた半導体装置を提供す
ることが困難であった。この発明は、上記のような問題
点を解決することを課題とするものであって、コンパク
トな構造で、高精度に大電流を検出でき、かつ放熱性が
高い半導体装置を得ることを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体装
置では、シャント抵抗器は、U字状の金属板と、この金
属板の一対の直線部位間に設けられた絶縁材とを備えて
いる。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて説明するが、先に説明した従来のものと同一、また
は相当部材、部位については、同一符号を付して説明す
る。 実施の形態1.図1はこの発明の実施の形態1の半導体
装置の部分断面図、図2は半導体装置に内蔵されたシャ
ント抵抗器の斜視図である。図において、半導体装置に
はシャント抵抗器4が組み込まれている。このシャント
抵抗器4は、絶縁回路基板5の導電パターン5aに接合
されている。絶縁回路基板5は、大電流対応の基板とし
て多用される、窒化アルミニウムセラミックスと銅板と
を接合して構成されている。絶縁回路基板5には例えば
銅製のベース板6が例えばはんだからなる接合材7で接
合されている。放熱板であるこのベース板6は、半導体
装置の外枠の一部を形成し、シャント抵抗器4からの熱
が外部に放出されるときの冷却通路を形成している。ベ
ース板6にはポリフェニレンサルファイド製のケース1
7が固着されている。このケース17には、例えばモー
タなどとの接続のための交流側モジュール電極9、この
モジュール電極9の反対側にあり例えばバッテリーなど
の直流電源との接続のための直流側モジュール電極(図
示せず)が固着されている。
【0021】絶縁回路基板5の導電パターン部5aには
接合材7で例えばIBGTやMOSFET、ダイオード
などの半導体素子12が接合されている。シャント抵抗
器4と交流側モジュール電極9とはボンディングワイヤ
10aで電気的に接続されている。シャント抵抗器4に
接合された導電パターン5aと、隣接した半導体素子1
2とはボンディングワイヤ10bで電気的に接続されて
いる。なお、符号11a、11bはそれぞれシャント抵
抗器4の電位差を検出するためのボンディングワイヤで
ある。
【0022】シャント抵抗器4は、絶縁回路基板5に直
線部位が接合された例えば銅マンガン合金からなるU字
状の金属板2と、この金属板2の一対の直線部位間に例
えば銀ペーストからなる接合材3で接合された例えば窒
化アルミニウムセラミックスからなる絶縁材1とから構
成されている。なお、金属板2としては抵抗温度係数の
低い抵抗材料として銅マンガンの他、銅ニッケル、ニッ
ケルクロム等を用いることができる。
【0023】図3は上記構成の半導体装置の電気回路図
である。図3において、8P、8Nは直流側モジュール
電極、9U、9V、9Wは交流側モジュール電極、12
aはIGBT、12bはダイオードである。上述の交流
側モジュール電極9は9U、9Vまたは9Wを示し、半
導体素子12は12aまたは12bを指す。なお、3つ
の相は単一のパワー半導体装置の内部に構成されていて
もよいし、それぞれ独立したパワー半導体装置を組み合
わせて構成されていてもよい。また、IGBT12aは
IGBT以外のスイッチング可能な電力半導体素子であ
ってもよい。
【0024】上記構成の半導体装置では、交流側モジュ
ール電極9U、9V、9Wには、パワー半導体装置から
外部へ電流が流れる場合と、外部からパワー半導体装置
に電流が戻って流れる場合がある。図3に示すように、
シャント抵抗器4を、交流側モジュール電極9U、9
V、9Wと半導体素子12a、12bの間に配置するこ
とにより、どちらの場合でも電流は必ずシャント抵抗器
4を通過する。従って、各相に流れる電流の大きさはも
とより、その流れる方向までも常に把握することができ
る。なお、図3に示した半導体装置の電気回路図は、直
流を3相交流に変換する、または3相交流を直流に変換
する半導体装置の場合であるが、特にこれに限定するも
のではなく、どのようなパワー半導体装置であってもよ
い。
【0025】以上説明したように、上記構成の半導体装
置では、シャント抵抗器4は、絶縁回路基板5に直線部
位で接合材7により接合されたU字状の金属板2と、こ
の金属板2の一対の直線部位間に接合材3で接合された
絶縁材1とから構成されているので、シャント抵抗器の
接合用として必要とした図17に示した従来のシャント
抵抗器のようなフランジ部分60a、60bを必要とせ
ず、専用の接合スペースが不要となる。
【0026】また、絶縁回路基板5上にシャント抵抗器
4を搭載して、その搭載領域の上部に位置するシャント
抵抗器4からボンディングワイヤ10aで交流側モジュ
ール電極9と接続できるので、シャント抵抗器を内蔵し
ていない従来のパワー半導体モジュールの絶縁回路基板
に関して、その絶縁回路基板を設計変更せずに従来のワ
イヤボンディング領域をシャント抵抗搭載領域として利
用することができ、その領域にシャント抵抗器4を搭載
できる。この結果、シャント抵抗器を内蔵したパワー半
導体装置が従来と同一サイズで実現できる。また、U字
状の金属板2の直線部位間には絶縁材1が挿入されて接
合材3で固着されているため、金属板2のみの場合に比
べ堅固となり、シャント抵抗器4の上面にワイヤボンデ
ィングを行っても超音波振動が安定に伝わり、その結
果、安定した接合が得られる。
【0027】実施の形態2.図4は実施の形態2の半導
体装置のシャント抵抗器4の断面図である。このシャン
ト抵抗器4の金属板2は、絶縁板1に接合材3で固着さ
れた第1の金属部材2aと、この第1の金属部材2aよ
りも電気伝導率が高く、直線部位に設けられた銅製の第
2の金属部材2b、2cとから構成されている。第2の
金属部材2cは絶縁回路基板5に接合材7により接合さ
れている。他の構成は実施の形態1と同様である。
【0028】この半導体装置のシャント抵抗器4では、
金属板2の直線部位の抵抗値は、第1の金属部材2aと
第2の金属部材2b、2cとの並列抵抗になるため、実
施の形態1のシャント抵抗器4と比較して抵抗値が小さ
くなり、その結果、同一電流が流れた場合は電位差が小
さくなる。従って、ボンディングワイヤ11aのワイヤ
ボンディングの位置がずれた場合でもシャント抵抗器4
の抵抗値の誤差が小さくなり、高精度測定が可能とな
る。
【0029】また、高電気伝導率の金属は高熱伝導率の
金属でもあるため、主に第1の金属部材2aのU字状の
曲面部位でのジュール発熱は高熱伝導の第2の金属部材
2b、2cに伝わり、さらにこの熱は、絶縁回路基板
5、放熱板であるベース板6に伝わり、実施の形態1の
シャント抵抗器4と比較してシャント抵抗器4の放熱性
が向上する。
【0030】さらに、第2の金属部材2b、2cは、第
1の金属部材2aよりも硬度が低い銅または銅合金を用
い、また第1の金属部材2aの直線部位の外側に設けら
れているので、ワイヤボンディング性が向上するという
効果も有する。即ち、ワイヤボンディングされる部材と
して銅・ニッケル合金を用いた場合に、この部材に直接
ワイヤボンディングをすると接合強度不足が0.1%の
レベルで発生したが、銅が用いられた第2の金属部材2
b上にワイヤボンディングすると、接合強度不足はその
1/10以下に低下することが分かった。
【0031】実施の形態3.図5はこの発明の実施の形
態3の半導体装置のシャント抵抗器4の断面図である。
この絶縁板1は、例えば厚さ0.635mmの窒化アル
ミニウムセラミックスの絶縁材本体1aの両側表面に、
例えば厚さ0.3mmの銅の金属層1b、1cを形成し
て構成されている。金属層1b、1cは絶縁材本体1a
よりも電気伝導率が高い。金属層1b、1cと金属板2
とは例えば銀ろうからなる接合材3で接合されている。
金属板2の構成は、実施の形態1と同様である。
【0032】このシャント抵抗器4では、電流は、矢印
Aに示すように、ワイヤボンディング部から金属板2と
金属層1cとに分流して流れ、U字状の曲面部を通過し
てさらに、金属板2と金属層1bとに分流して流れる。
従って、実施の形態2と同様の理由で、シャント抵抗器
4の電流抵抗値の値は実施の形態1のシャント抵抗器4
と比較して小さくなり、高精度測定が可能になるととも
に、シャント抵抗器4の冷却性能が向上する。
【0033】さらに、絶縁材本体1aの両側表面に金属
層1b、1cを形成したので、金属板2と絶縁板1との
溶接接合が可能となり、より放熱性が良好になる上、金
属板2に挿入する絶縁板1の板厚をこの例では1.23
5mmと厚くすることができるため、例えば0.8mm
程度の板厚の金属板2の曲げ曲率半径を大きくすること
ができ、曲げ加工が容易となる。
【0034】なお、絶縁板本体1aの板厚を厚くする
と、コストが高くなり、金属層1a、1bのみで構成す
るとシャント抵抗器の絶縁がとれなくなり、抵抗体とし
ての機能を有しないため、ここに示すように、厚さ0.
635mmの絶縁板本体1aと高電気伝導の0.3mm
程度の金属層1b、1cを張り合わせた積層構造で構成
・配置することが好ましい。
【0035】実施の形態4.図6はこの発明の実施の形
態4の半導体装置の要部断面図である。この半導体装置
のシャント抵抗器4では、金属板2は、絶縁回路基板5
に接合されシャント抵抗器4での電位差を検出するため
の一方のボンディングワイヤ11bが接続された第1の
直線部位2Aと、この第1の直線部位2Aよりも長さが
短い第2の直線部位2Bとを有している。他方のボンデ
ィングワイヤ11aは絶縁板1の金属層1bに接続され
ている。
【0036】以上のように実装されたシャント抵抗器4
には、電位差を検出するための電極部分を有しているた
め、絶縁回路基板5に電極を形成する必要がないだけで
なく、ノイズの影響を受けにくく、実装構造や方法に左
右されることなく安定に電位差を引き出すことができ
る。即ち、実施の形態1のシャント抵抗器4において電
位差の検出を一対のボンディングワイヤ11a、11b
で行った場合の例と比較すると、実施の形態1では絶縁
回路基板5上から片側の電位検出を行うため、一対のボ
ンディングワイヤ11a、11bの接合位置の距離が離
れてしまい、ノイズの影響を受けやすい。さらに、片側
の電位検出が絶縁回路基板5上からであるため、測定結
果が絶縁回路基板5の材料の温度変化の影響を受けてし
まい、シャント抵抗器4にとって本来の機能である正確
な抵抗を検知できなくなってしまう。これに対して、こ
の実施の形態のシャント抵抗器4では、シャント抵抗器
4自身から検出用の電流を検出するため実装技術に左右
されることなく、安定して電位差を検出することがで
き、かつ検出位置は近いため、ノイズの影響を受けるこ
とが少ない。以上の結果から正確な電流値を検出できる
という効果を有する。
【0037】また、電流は、例えば、矢印Bに示すよう
に、ボンディングワイヤ10bから、シャント抵抗器4
の第1の直線部位2A、曲面部位2Cおよびボンディン
グワイヤ10aを流れ、ボンディングワイヤ11a、1
1bの接合部にはほとんど流れることが無く、従って等
電位線の密度が疎であるため、ボンディングワイヤ11
a、11bの接続位置の誤差による検出電位の誤差が小
さくなり、高精度な検出が可能となる。
【0038】実施の形態5.図7はこの発明の形態5の
半導体装置の要部断面図である。このシャント抵抗器4
は、曲面部位が絶縁回路基板5側に指向しているU字状
の金属板50aと、この銅マンガン合金等からなる金属
板50aの一対の直線部位にそれぞれ一端部が接続され
他端部がそれぞれ絶縁回路基板5の導電パターン5aに
溶接接合されているL字状の端子部材50b、50cと
から構成されている。L字状で板状の端子部材50b、
50cは、金属板50aよりも電気伝導率が高い銅部材
で構成されている。
【0039】この実施の形態では、主に発熱するU字状
に加工された金属板50aの曲面部位から絶縁回路基板
5までの熱抵抗を低減することができる。即ち、U字状
に加工された金属板50aの曲面部位を、絶縁回路基板
5の方に向けて配置することにより、U字状の金属板5
0aの曲面部位でのジュール発熱は、金属板50aの直
線部位をほとんど経由することなく、ほぼ最短の伝熱経
路で絶縁回路基板5に至ることができ、シャント抵抗器
4の放熱性が向上する。
【0040】実施の形態6.図8この発明の実施の形態
6の半導体装置の部分断面図である。この半導体装置の
シャント抵抗器4は、U字状の金属板61aと、この金
属板61aの一対の直線部位の一方の直線部位に一端部
が接続され他端部が絶縁回路基板5の導電パターン5a
に接続された断面L字状の第1端子部材61bと、金属
板61aの一対の直線部位の他方の直線部位に一端部が
接続され他端部が交流側モジュール電極9と電気的に接
続された板状の第2端子部材61cとから構成されてい
る。
【0041】第1端子部材61bは、第2端子部材61
cよりも熱通路断面積が大きく、また金属板61aおよ
び第2端子部材61cよりも電気伝導率が高い銅部材が
用いられている。第2端子部材61cは、可撓性部材で
構成され、途中に曲面部位が形成されている。
【0042】上記の半導体装置では、シャント抵抗器4
の第1端子部材61bおよび第2端子部材61cによっ
て絶縁回路基板5と交流側モジュール電極9とが接続さ
れるため、ボンディングワイヤを大幅に削減することが
できる。また、金属板61aの曲面部位でのジュール発
熱は、第1端子部材61bを介して絶縁回路基板5、さ
らには放熱板であるベース板6に伝わり、放熱される。
なお、第1端子部材61bには比較的厚い部材を用いて
熱抵抗を低く抑えているので、シャント抵抗器4の発熱
を低く抑えている。
【0043】さらに、シャント抵抗器4と絶縁回路基板
5、または交流側モジュール電極9の接続部の信頼性を
長期にわたって維持することができる。即ち、ベース板
6とケース17との間には熱膨張係数に差があるため、
温度変化によって絶縁回路基板5と交流側モジュール電
極9との間隔は0.1〜0.2mm程度変位する。シャ
ント抵抗器4の剛性が高いと、この変位によって接続部
に応力が発生し、温度サイクルによって接続部が破壊さ
れる。しかしながら、第2端子部材61cには比較的薄
い部材を用い、かつ曲面部位を設けており、かつ可撓性
を有している。従って、この変位を吸収して接続部に過
大な応力が発生することを防止することができ、接続部
の信頼性を長期にわたって維持することができる。
【0044】さらに、半導体装置のワイヤボンディング
領域であった部分に、例えばはんだなどで絶縁回路基板
5に第1端子部材61bを接合し、また交流側モジュー
ル電極9に第2端子部材61cの端部を接合すればよい
ので、シャント抵抗器を内蔵していないパワー半導体装
置の絶縁回路基板を設計変更せずに、ワイヤボンディン
グ領域をシャント抵抗搭載領域として利用することが可
能となる。その結果、シャント抵抗器4を内蔵したパワ
ー半導体装置が従来と同一サイズで実現できる。
【0045】なお、この実施の形態でも、実施の形態5
と同様に金属板50aの曲面部位を下側にして、絶縁回
路基板5側に向けるようにしてもよい。また、この実施
の形態および実施の形態5のシャント抵抗器について
も、実施の形態1〜4で説明したように、絶縁板をU字
形状の金属板の直線部位間に設けるようにして、シャン
ト抵抗器の放熱性、電流検出精度をさらに高め、また堅
固にすることができるのは勿論である。
【0046】実施の形態7.図9は実施の形態7の半導
体装置のシャント抵抗器4の斜視図である。このシャン
ト抵抗器4は、金属板2の曲面部に穴2dが形成されて
いる点を除いては実施の形態2と同様である。この穴2
は、例えばCOレーザを金属板2の曲面部位の中間部
に照射することで形成される。
【0047】このシャント抵抗器4は次の手順に従って
製造される。まず、第1の金属部材2aと、第2の金属
部材2b、第3の金属部材2cとを接合する。次に、こ
のようにして構成された金属板2の第2の金属部材2
b、第3の金属部材2cに、絶縁材1を接合材3で接合
し、また金属板2をU字形状に曲げ加工する。この状態
でのシャント抵抗器4の抵抗値は、目標値に対して低く
なるように設定されている。なお、抵抗値のばらつき
は、組立精度や材料特性に依存する。
【0048】次に、シャント抵抗器4の抵抗値を測定
し、目標値と測定値との差に応じて穴2dの大きさを定
める。この穴2dは、第1の金属部材2aにCOレー
ザを照射して形成される。さらに、場合によっては、シ
ャント抵抗器4の抵抗値を再測定し、所望の値になって
いなければ、再度COレーザ照射を行う。以上の工程
を経ることによって、高精度のシャント抵抗器4の製造
が可能となる。なお、穴2dの代わりに、第1の金属部
材2aの曲面部の両側縁部に切欠き部としてスリットを
形成するようにしてもよい。要は、電流路を制限するも
のであればよい。
【0049】実施の形態8.図10はこの発明の実施の
形態8の半導体装置のシャント抵抗器4の斜視図、図1
1は図10のシャント抵抗器4の断面図、図12は図1
0のシャント抵抗器4を搭載した半導体装置の部分断面
図である。このシャント抵抗器4は、エポキシ樹脂等の
熱硬化性の合成樹脂からなる絶縁材1がU字状の金属板
2で挟まれている。この金属板2は、曲面形状の抵抗体
2eの両端面に第1の金属部材2f、第2の金属部材2
gを突き合わせて溶接されている。抵抗体2eは銅マン
ガン合金で構成され、第1の金属部材2f、第2の金属
部材2gは銅等の高電気伝導率の金属で構成されてい
る。なお、抵抗体2eの材料として、温度係数の低い抵
抗材料としての銅マンガンの他、銅ニッケル、ニッケル
クロム等を用いることができる。また、絶縁材1として
は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂の他に、PPS等の
熱可塑性の合成樹脂を用いることができる。また必要に
応じて熱伝導率を向上させるために、窒化アルミニウム
セラミックス等の絶縁性を有する高熱伝導性フィラーを
混入させるようにしてもよい。
【0050】このシャント抵抗器4の金属板2は、実施
の形態2のシャント抵抗器4の金属板2と近似してお
り、抵抗体2eよりも電流抵抗および熱抵抗の小さい電
流通路である第1の金属部材2f、第2の金属部材2g
が確保されており、実施の形態2で述べたと同様の効果
がある。
【0051】このシャント抵抗器4では、絶縁材1が熱
硬化性または熱可塑性の合成樹脂で構成されているの
で、絶縁材1が金属板2の内部に密着され、放熱性向上
を図ることが容易である。即ち、絶縁材1が熱硬化性樹
脂の場合は、硬化前の液状の樹脂は金属板2のU字形状
の内部に流し込んだ後に加熱硬化されるので、絶縁材1
を金属板2の内部の全面にわたって隙間なく密着させる
ことができる。絶縁材1が熱可塑性樹脂の場合でも、樹
脂を加熱し、溶融した状態で金属板2の内部に流し込む
ことで熱硬化性樹脂の場合と同様に、絶縁材1を金属板
2の内部の全面にわたって隙間なく密着させることがで
きる。このようにすることで、熱伝導面積を最大限に確
保することができるとともに、絶縁板1と金属板2との
界面での熱抵抗増加を抑制することができる。
【0052】これらの合成樹脂は、一般的に普及してい
るポッティングやトランスファーモールドおよび射出成
型の技術を利用できるので、量産性に優れる。なお、絶
縁材1はこれに限定されるものではなく、絶縁性および
熱伝導性を有し、金属板2の内部の全面にわたって隙間
なく密着させることができるものであれば同様の効果が
得られることは言うまでもない。
【0053】実施の形態9.図12は実施の形態9の半
導体装置の部分断面図である。この実施の形態では、シ
ャント抵抗器4の第2の金属部材2fの絶縁回路基板5
側が段差を有している点が実施の形態8のシャント抵抗
器4と異なる。
【0054】実施の形態8のシャント抵抗器4が絶縁回
路基板5に接合される際に、はんだ等のろう材からなる
接合材7が溶融して濡れ広がり、抵抗体2eに付着する
おそれがある。抵抗体2eよりも電気伝導率の高い導電
材料である接合材7が抵抗体2eに付着すると、その箇
所では抵抗体2eと接合材7とは並列抵抗となり、抵抗
値が変化する。この変化の割合は接合材7の付着量、お
よびその範囲による。製造工程でこの接合材7の付着量
を制御することは事実上不可能であるので、シャント抵
抗器4について安定した抵抗値が得られない。これに対
して、この実施の形態9では、第2の金属部材2hに段
差を設けることで、シャント抵抗器4と絶縁回路基板5
とを接合する接合材7が濡れ広がって抵抗体2eに付着
するのを防止することができる。従って、接合材7の付
着によって抵抗体2eの抵抗値が変化したり、ばらつい
たりすることは無く、高精度で安定した電位差を検出す
ることができる。
【0055】なお、図13に示すように、第2の金属部
材2iに示すように、第2の金属部材2iを曲げ加工し
て形成するようにしてもよい。
【0056】実施の形態10.図14は実施の形態10
の半導体装置のシャント抵抗器4の断面図であり、銅マ
ンガン合金からなるU字状の金属板2の一対の直線部位
の外側に金属板2よりも高電気伝導率の第1の金属部材
2k、第2の金属部材2lが接合されている。また、金
属板2の内部には実施の形態8と同様の絶縁材1が密着
されている。
【0057】この実施の形態のシャント抵抗器4では、
金属板2の内部に絶縁材1が密着されており、実施の形
態8と同様の効果を得ることができるとともに、第1の
金属部材2kおよび第2の金属部材2lにより段差が形
成されており、シャント抵抗器4と絶縁回路基板5とを
接合する接合材7が濡れ広がって金属板2の曲面部位に
付着するのを防止することができる。従って、接合材7
の付着によって金属板2の抵抗値が変化したり、ばらつ
いたりすることは無く、高精度で安定した電位差を検出
することができる。
【0058】実施の形態11.図15は実施の形態11
の半導体装置のシャント抵抗器4の断面図であり、金属
板2の曲面部位を絶縁材1と同一材料で構成されたカバ
ー体2mで覆われている点が実施の形態10と異なる。
この実施の形態では、シャント抵抗器4が絶縁回路基板
5に接合材7で接合される際に、接合材7は、溶融し、
飛散するが、金属板2の曲面部位はカバー体2mで覆わ
れているので、その接合材7が金属板2の曲面部位に付
着するようなことはない。
【0059】実施の形態12.図16は実施の形態12
の半導体装置の部分断面図であり、第2の金属部材2g
の絶縁回路基板5との接合面に4カ所突起13が形成さ
れている点が実施の形態8と異なる。
【0060】実施の形態8では、シャント抵抗器4と絶
縁回路基板5とは線膨張係数が異なるため、温度変化に
よって接合材7に応力が作用する。この応力が繰り返さ
れると、接合材7に亀裂が生じ、製品としての信頼性を
損なうおそれがある。このため、第2の金属部材2gに
突起13を形成することで、突起13の高さ分の接合材
7の厚さを確保することができ、応力に抗するに十分な
接合材7の厚みが得られ、接合材7の亀裂の発生を防止
することができる。この突起13の数は、絶縁回路基板
5に対するシャント抵抗器4の傾きを防止するために
は、3個あればよいが、確実に傾きを防止するために、
この実施の形態では4個としてある。この突起13は、
第2の金属部材2gをプレス加工して直接形成してもよ
いが、簡単な方法として、シャント抵抗器4の絶縁回路
基板5との接合面にアルミニウムワイヤを超音波圧接等
の方法で接合してもよい。なお、シャント抵抗器4の絶
縁回路基板5との接合面に突起13を形成することに関
しては、実施の形態8以外のシャント抵抗器4にも適用
できるのは勿論である。
【0061】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の半導体
装置によれば、シャント抵抗器は、U字状の金属板と、
この金属板の一対の直線部位間に接合材で接合された絶
縁板とを備えているので、大電流の検出においても抵抗
器でのジュール発熱を効率よく放出することができる。
また、シャント抵抗器は小型化できるとともに、堅固と
なり、ワイヤボンディングの接合強度が安定する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1の半導体装置の部分
断面図である。
【図2】 図1のシャント抵抗器の斜視図である。
【図3】 図1の半導体装置の電気回路図である。
【図4】 この発明の実施の形態2の半導体装置に内蔵
されたシャント抵抗器の断面図である。
【図5】 この発明の実施の形態3の半導体装置に内蔵
されたシャント抵抗器の断面図である。
【図6】 この発明の実施の形態4の半導体装置の部分
断面図である。
【図7】 この発明の実施の形態5の半導体装置の部分
断面図である。
【図8】 この発明の実施の形態6の半導体装置の部分
断面図である。
【図9】 この発明の実施の形態7の半導体装置に内蔵
されたシャント抵抗器の斜視図である。
【図10】 この発明の実施の形態8の半導体装置に内
蔵されたシャント抵抗器の斜視図である。
【図11】 図10のシャント抵抗器の断面図である。
【図12】 この発明の実施の形態9の半導体装置の部
分断面図である。
【図13】 図12のシャント抵抗器の変形例であるシ
ャント抵抗器が組み込まれた半導体装置の部分断面図で
ある。
【図14】 この発明の実施の形態10の半導体装置に
内蔵されたシャント抵抗器の断面図である。
【図15】 この発明の実施の形態11の半導体装置に
内蔵されたシャント抵抗器の断面図である。
【図16】 この発明の実施の形態12の半導体装置の
部分断面図である。
【図17】 従来のシャント抵抗器の断面図である。
【図18】 従来の半導体装置の部分断面図である。
【図19】 従来の半導体装置の斜視図である。
【符号の説明】
1 絶縁材、1a 絶縁板本体、1b,1c 金属層、
2 金属板、2a 第1の金属部材、2b,2c 第2
の金属部材、2d 穴(切欠き部)、2e 抵抗体、2
f,2k 第1の金属部材、2g,2h,2i,2l
第2の金属部材、2m カバー体、2A 第1の直線部
位、2B 第2の直線部位、2C 曲面部位、4 シャ
ント抵抗器、5 絶縁回路基板、6 ベース板(放熱
板)、9交流側モジュール電極、10a,10b,11
a,11b ボンディングワイヤ、12 半導体素子、
13 突起、50a,61a 金属板、50b,50c
端子部材、61b 第1端子部材、61c 第2端子部
材。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木本 信義 福岡県福岡市西区今宿東1丁目1番1号 福菱セミコンエンジニアリング株式会社内 (72)発明者 深田 雅一 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 吉田 貴信 福岡県福岡市西区今宿東1丁目1番1号 福菱セミコンエンジニアリング株式会社内

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 放熱板上の絶縁回路基板に取り付けられ
    た半導体素子に流れる電流を検出するシャント抵抗器が
    内蔵された半導体装置であって、 前記シャント抵抗器は、U字状の金属板と、この金属板
    の一対の直線部位間に設けられた絶縁材とを備えた半導
    体装置。
  2. 【請求項2】 前記絶縁材は、前記金属板の一対の前記
    直線部位に接合材で接合されている請求項1記載の半導
    体装置。
  3. 【請求項3】 前記絶縁材は、セラミックスで構成され
    た絶縁材本体と、この絶縁材本体の両面に形成され絶縁
    材本体よりも電気伝導率が高い金属層とを有している請
    求項1または請求項2に記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 前記絶縁材は、前記金属板の一対の前記
    直線部位間に熱可塑性または熱硬化性の合成樹脂が充填
    されて構成されている請求項1記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】 前記金属板は、前記絶縁材に接合された
    第1の金属部材と、この第1の金属部材よりも電気伝導
    率が高く、前記絶縁回路基板に接合された第2の金属部
    材とを有している請求項1ないし請求項4の何れかに記
    載の半導体装置。
  6. 【請求項6】 前記金属板は、曲面形状の抵抗体と、こ
    の抵抗体の両端面に接合され抵抗体よりも電気伝導率が
    高い金属部材で構成されている請求項1ないし請求項4
    の何れかに記載の半導体装置。
  7. 【請求項7】 前記金属板の前記直線部位の前記絶縁回
    路基板側には、段差が設けられている請求項1ないし請
    求項6の何れかに記載の半導体装置。
  8. 【請求項8】 前記金属板の前記直線部位の前記絶縁回
    路基板側には、金属部材が設けられている請求項1ない
    し請求項6の何れかに記載の半導体装置。
  9. 【請求項9】 前記金属板の曲面部位には、絶縁性の合
    成樹脂で覆ったカバー体が設けられている請求項7また
    は請求項8に記載の半導体装置。
  10. 【請求項10】 前記金属板の曲面部位には、少なくと
    も切欠き部が形成されている請求項1ないし請求項9の
    何れかに記載の半導体装置。
  11. 【請求項11】 前記金属板の前記直線部位の前記絶縁
    回路基板側には、直線部位と絶縁回路基板との間に接合
    材用の隙間を確保するための突起が3個以上設けられて
    いる請求項1ないし請求項10の何れかに記載の半導体
    装置。
  12. 【請求項12】 前記金属板は、前記絶縁回路基板に接
    合されシャント抵抗器での電位差を検出するためのボン
    ディングワイヤが接続された第1の直線部位と、この第
    1の直線部位よりも長さが短く外部と電気的に接続され
    た電極と一端部が接続されたボンディングワイヤの他端
    部が接続された第2の直線部位とを有している請求項1
    ないし請求項11の何れかに記載の半導体装置。
  13. 【請求項13】 放熱板上の絶縁回路基板に取り付けら
    れた半導体素子に流れる電流を検出するシャント抵抗器
    が内蔵された半導体装置であって、 前記シャント抵抗器は、曲面部位が前記絶縁回路基板側
    に指向しているU字状の金属板と、この金属板の一対の
    直線部位にそれぞれ一端部が接続され他端部がそれぞれ
    前記絶縁回路基板に接続されているとともに金属板より
    も電気伝導率が高い端子部材とを有している半導体装
    置。
  14. 【請求項14】 放熱板上の絶縁回路基板に取り付けら
    れた半導体素子に流れる電流を検出するシャント抵抗器
    が内蔵された半導体装置であって、 前記シャント抵抗器は、U字状の金属板と、この金属板
    の一対の直線部位の一方の直線部位に一端部が接続され
    他端部が前記絶縁回路基板に接続された板状の第1端子
    部材と、前記金属板の一対の直線部位の他方の直線部位
    に一端部が接続され他端部が外部と電気的に接続される
    電極と接続されている板状の第2端子部材とから構成さ
    れている半導体装置。
  15. 【請求項15】 前記第1端子部材は、前記第2端子部
    材よりも熱通路断面積が大きく、また前記金属板および
    第2端子部材より電気伝導率が高い請求項14に記載の
    半導体装置。
  16. 【請求項16】 前記第2端子部材は、可撓性部材で構
    成されている請求項14または請求項15に記載の半導
    体装置。
  17. 【請求項17】 前記シャント抵抗器は、半導体素子
    と、交流側電極との間に設けられ、半導体素子と交流側
    電極とに電気的に接続されている請求項1ないし請求項
    16の何れかに記載の半導体装置。
  18. 【請求項18】 板状の絶縁材に、前記絶縁材を挟み込
    むように形成されたU字形状の金属板を接合する工程
    と、 目標値よりも低い抵抗値で設計されている前記金属板に
    電流を流して抵抗値を測定する工程と、 前記測定した抵抗値と前記目標値との差に応じて少なく
    とも前記金属板のU字形状の曲面部位の一部を除去する
    工程とを含むシャント抵抗器の製造方法。
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