JP2005175439A - 半導体装置およびそれを備えた自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 過電流通過時に短絡故障ではなく開放故障となりやすい構造を備えた半導体装置を提供する。
【解決手段】 外部接続用電極２２０および２３０は、内蔵された半導体素子のエミッタ電極およびコレクタ電極とそれぞれ電気的に接続されて、外部との接続用に設けられる。外部接続用電極２２０，２３０の少なくとも一方には、他の部位よりも電流容量が小さく、所定値以上の電流通過時に溶断されるように設計された溶断部２２５，２３５が設けられる。溶断部２２５，２３５は、たとえば板状の外部接続用電極２２０，２３０の端部を切除して、断面積を他の部位より小さくすることで形成される。半導体装置２００を過電流が通過した場合、半導体素子内部での絶縁破壊によって短絡故障となることなく、溶断部２２５，２３５の溶断によって開放故障が発生する。
【選択図】 図４

Description

この発明は、半導体装置に関し、より特定的には、スイッチング電源装置などの電力変換器にパワー半導体モジュールとして適用される半導体装置およびそれを備えた自動車に関する。

パワー半導体モジュールを構成する半導体装置をコンパクトに実装するために、半導体素子そのものは樹脂モールド等でコンパクトにパッケージした上で、半導体素子の電極を外部と接続するための接続端子が設けられた構成が採用されている。

特に、半導体素子の一方の主面にコレクタ電極を有するとともに、他方の主面にエミッタ電極およびゲート電極を有する６個のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を備え、双方の主面で半導体素子を挟むように構成された、いわゆる「両面モールド素子構造」の半導体モジュールの技術が開示されている（たとえば特許文献１参照）。
特開平１０−５６１３１号公報

しかしながら、従来の構造のパワー半導体モジュールでは、代表的には過電流の通過によって引き起こされる半導体素子の故障時には、その構造上、常時非導通状態となる「開放故障」よりも、常時導通状態となってしまう「短絡故障」となるケースが多かった。

短絡故障時には、短絡電流の経路が継続的に形成されるため、当該パワー半導体モジュールが適用された電力変換器の負荷の形態によっては、運転の継続に不都合が生じる場合があり、問題となっていた。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、過電流通過時に短絡故障ではなく開放故障となりやすい構造を備えた半導体装置、およびそれを用いて電力変換を行なう構成を有する自動車を提供することである。

この発明による半導体装置は、半導体素子と、第１および第２の外部接続用電極とを備える。半導体素では、制御電極への電気的入力に応じた電流経路が第１および第２の電極間に形成される。第１および第２の外部接続用電極は、第１および第２の電極とそれぞれ電気的に接続されて、半導体装置の外部との接続用に設けられる。第１および第２の外部接続用電極の少なくとも一方は、所定値以上の電流で溶断するように設計された溶断部位を含む。

好ましくは、溶断部位は、第１および第２の外部接続用電極の他の部位よりも断面積が小さい。特に、溶断部位は、他の部位と同様の厚みを有するように設計される。

また好ましくは、所定値は、半導体装置の規格電流容量に応じて定められる。

あるいは好ましくは、第１および第２の外部接続用電極は平坦な形状で作製された後、溶断部位は、他の部位が平坦な形状を維持する範囲で折り曲げられる。

好ましくは、この発明による半導体装置では、第１および第２の外部接続用電極の少なくとも一方は、第１または第２の電極と電気的に接続された第１の電極ブロックと、外部との接続用に設けられた第２の電極ブロックとをさらに含み、第１および第２の電極ブロックは、溶断部位によって電気的に接続される。

さらに好ましくは、第１および第２の外部接続用電極の少なくとも一方は、第１および第２の電極ブロックの間に設けられる絶縁部材をさらに含み、絶縁部材は、第１および第２の電極ブロックのそれぞれと係合される。特に、絶縁部材は、第１および第２の電極ブロックが固定された状態で両者の間に射出成形された樹脂によって形成される。

あるいは好ましくは、この発明による半導体装置では、半導体素子が実装される絶縁体基板をさらに備え、第１および第２の外部接続用電極の少なくとも一方は、絶縁体基板上に導体により形成されて、第１または第２の電極と電気的に接続された電極パターンと、外部との接続用に設けられた電極ブロックと、絶縁体基板および電極ブロックを固定する固定手段とをさらに含み、電極パターンおよび電極ブロックは、溶断部位によって電気的に接続される。

特にこのような構成において、溶断部位は、ボンディングワイヤで構成される。

この発明による自動車は、請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体装置を複数個用いて構成され、直流電圧を交流電圧へ変換するインバータと、インバータへ直流電圧を供給する直流電源装置と、インバータとの間で交流電力を授受する車輪駆動用の交流電動機とを備える。

好ましくは、インバータの異常時には、各半導体装置において、制御電極への電気的入力によって電流経路が強制的に遮断される。

この発明による半導体装置は、所定値を超えた電流が半導体素子を通過する際に、半導体素子内部の絶縁破壊による短絡故障が生じる前に、外部接続用電極に設けられた溶断部位が溶断することにより開放故障に至る。このため、ハイブリッド自動車のモータジェネレータ駆動用インバータを始めとする、短絡電流経路の継続的な形成が好ましくない態様の電気負荷を有する電力変換器のスイッチング素子として用いることができる。

さらに、断面積を他の部位の断面積より小さくすることによって溶断部位を形成するので、溶断部位を外部接続用電極の部分的な加工によって溶断部位を簡易に構成できる。特に、溶断部位が他の部位と同様の厚みを有する構造では、一様な厚みの外部接続用電極を部分的に切除あるいは打抜加工することで、溶断部位を簡易に作製できる。

特に、溶断部位が溶断する所定電流を半導体装置の定格電流に応じて定めることにより、より確実に短絡故障の発生を回避できる。

また、溶断部位を折り曲げて湾曲部を形成することにより、半導体装置を積層配置する際に、寸法誤差に起因して外部接続用電極の溶接部に生じる応力を緩和できる。

なお、外部接続用電極を第１および第２の電極ブロックおよび両者の間で電気的に接続する溶断部位を含んで構成することにより、溶断部位を電極とは別部材（ボンディングワイヤ等）で形成できる。このため、溶断部位が溶断する所定電流の設定が容易となる。

さらに、第１および第２の電極ブロック間を絶縁部材を介して接続する固定構造とすることにより、絶縁材の熱伝導率の選択により電極ブロック間の伝熱を調整できる。たとえば、両電極ブロック間での伝熱を抑制したい場合には、熱伝導率の小さいプラスチック等を絶縁材として用いることができ、両電極ブロック間での伝熱を促進したい場合には、熱伝導率の大きいセラミック等を絶縁材として用いることができる。このような絶縁部材については、第１および第２の電極ブロックが固定された状態で両者の間に射出成形された樹脂によって効率的に形成することも可能である。

あるいは、半導体素子が実装される絶縁体基板上に形成された電極パターンと、外部との接続用に設けられた電極ブロックとを溶断部位によって電気的に接続することによって外部接続用電極を構成しても、溶断部位を電極とは別部材（ボンディングワイヤ等）で形成できるので、溶断部位が溶断する所定電流の設定が容易となる。さらに、絶縁体基板上に半導体素子を実装するため絶縁が強化され、かつ、固定手段によって絶縁体基板および電極ブロックの間を固定することにより、両者の位置決めや取り付け作業が容易となる。

特に溶断部位をボンディングワイヤで構成することによって、通常のワイヤボンディング装置によって、特殊な機器あるいは工程を要することなく溶断部を形成することができる。また、溶断電流がワイヤの規格値として明らかであるので、その設定も容易である。

この発明による自動車は、過電流通過時に開放故障となる半導体装置を用いて構成されたインバータによって、車輪駆動用の交流電動機を駆動・制御するので、半導体装置の故障時にも短絡電流による異常トルクが発生して、乗り心地を損なうことを防止できる。

特に、交流電動機およびインバータが複数個ずつ設けられる構成では、短絡電流の発生が回避されることから、異常検出されたインバータ中のスイッチング素子（半導体装置）をすべて強制的にターンオフできる。この結果、半導体装置の故障時にも、残りの正常なインバータおよび対応する交流電動機を用いた走行を継続できる。

以下において、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明による半導体装置をパワー半導体モジュールとして内蔵するハイブリッド自動車の構成を説明する概略ブロック図である。

図１を参照して、この発明の実施の形態によるハイブリッド自動車１００は、バッテリ１０と、ＰＣＵ（Power Control Unit）２０と、動力出力装置３０と、ディファレンシャルギア（ＤＧ：Differential Gear）４０と、前輪５０Ｌ，５０Ｒと、後輪６０Ｌ，６０Ｒと、フロントシート７０Ｌ，７０Ｒと、リアシート８０とを備える。

バッテリ１０は、リアシート８０の後方部に配置される。そして、バッテリ１０は、後程詳細に説明する給電ケーブルによって、ＰＣＵ２０と電気的に接続される。

ＰＣＵ２０および動力出力装置３０は、ダッシュボード９０よりも前側のエンジンルームに配置される。ＰＣＵ２０は、給電ケーブルによって動力出力装置３０と電気的に接続される。動力出力装置３０は、ＤＧ４０と連結される。

バッテリ１０は、直流電圧をＰＣＵ２０へ供給するとともに、ＰＣＵ２０からの直流電圧によって充電される。すなわち、バッテリ１０は、ハイブリッド自動車１００における「直流電源装置」を構成している。

ＰＣＵ２０は、バッテリ１０からの直流電圧を昇圧し、その昇圧した直流電圧を交流電圧に変換して動力出力装置３０に含まれる２つのモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２を駆動制御する。また、ＰＣＵ２０は、動力出力装置３０に含まれるモータジェネレータが発電した交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ１０を充電する。

動力出力装置３０は、エンジンおよび／またはモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２による動力をＤＧ４０を介して前輪５０Ｌ，５０Ｒに伝達して前輪５０Ｌ，５０Ｒを駆動する。また、動力出力装置３０は、前輪５０Ｌ，５０Ｒの回転力によって発電し、その発電した電力をＰＣＵ２０へ供給する。

ＤＧ４０は、動力出力装置３０からの動力を前輪５０Ｌ，５０Ｒに伝達するとともに、前輪５０Ｌ，５０Ｒの回転力を動力出力装置３０へ伝達する。

図２は、図１に示されたＰＣＵの構成を示す回路図である。以下に説明するように、本発明による半導体装置は、ＰＣＵ内において電力変換用のスイッチング素子として用いられる。

図２を参照して、ＰＣＵ２０は、コンバータ１３０およびインバータ部１５０を含む。インバータ部１５０は、モータジェネレータＭＧ１およびＭＧ２にそれぞれ対応するインバータ１５１および１５２を有する。

コンバータ１３０は、リアクトル１２０と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。以下、本実施の形態では、本発明に従うスイッチング素子として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が適用されるものとする。

リアクトル１２０は、一方端がバッテリ１０からの電源ライン１０１に接続され、他方端がスイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２の間、すなわち、スイッチング素子Ｑ１のエミッタとスイッチング素子Ｑ２のコレクタとの間に接続される。

スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２は、電源ライン１０３とアースライン１０２との間に直列に接続される。スイッチング素子Ｑ１は、コレクタが電源ライン１０３に接続され、エミッタがスイッチング素子Ｑ２のコレクタに接続される。

スイッチング素子Ｑ２のエミッタはアースライン１０２に接続される。また、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続されている。

コンデンサ１４０は、コンバータ１３０の出力電圧、すなわちインバータ１５１，１５２の入力電圧を平滑するために、電源ライン１０３とアースライン１０２との間に接続される。

インバータ１５１は、Ｕ相アーム１５３、Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５５からなる。Ｕ相アーム１５３、Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５５は、電源ライン１０３とアースライン１０２との間に並列に接続される。Ｕ相アーム１５３は、直列に接続されたスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４からなり、Ｖ相アーム１５４は、直列に接続されたスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６からなり、Ｗ相アーム１５５は、直列に接続されたスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８からなる。また、各スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。

各相アームの中間点は、モータジェネレータＭＧ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ１は、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端がスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の中間点に、Ｖ相コイルの他端がスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の中間点に、Ｗ相コイルの他端がスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８の中間点にそれぞれ接続されている。

インバータ１５２は、インバータ１５１と同じ構成からなる。そして、インバータ１５１の各相アームの中間点は、モータジェネレータＭＧ２の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ２も、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端がインバータ１５２のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の中間点に、Ｖ相コイルの他端がインバータ１５２のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の中間点に、Ｗ相コイルの他端がインバータ１５２のスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８の中間点にそれぞれ接続されている。

コンバータ１３０は、電源ライン１０１とアースライン１０２との間にバッテリ１０から供給された直流電圧を受け、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がスイッチング制御されることにより直流電圧を昇圧してコンデンサ１４０に供給する。コンデンサ１４０は、コンバータ１３０からの直流電圧を平滑化してインバータ１５１，１５２へ供給する。インバータ１５１は、コンデンサ１４０からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１を駆動する。インバータ１５２は、コンデンサ１４０からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ２を駆動する。

また、インバータ１５１は、モータジェネレータＭＧ１が発電した交流電圧を直流電圧に変換してコンデンサ１４０に供給する。インバータ１５２は、モータジェネレータＭＧ２が発電した交流電圧を直流電圧に変換してコンデンサ１４０に供給する。

このように、車輪駆動用に設けられたモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、インバータ１５１，１５２との間で交流電力を授受する。

コンデンサ１４０は、モータジェネレータＭＧ１またはＭＧ２からの直流電圧を平滑化してコンバータ１３０へ供給する。コンバータ１３０は、コンデンサ１４０からの直流電圧を降圧してバッテリ１０または、補機電源用のＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）へ供給する。

図３および図４は、本発明による半導体装置の構造を説明する図である。図３および図４に示された半導体装置２００は、図２に示したスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８として適用される。

図３は、半導体装置２００の側面図である。図３を参照して、半導体装置２００は、エミッタ電極２０２と、コレクタ電極２０４と、半導体素子が形成される半導体チップ２０５と、外部接続用電極２２０，２３０とを含む。半導体装置２００全体は、樹脂２０９によってモールドされる。

エミッタ電極２０２およびコレクタ電極２０４は、半導体素子が形成される半導体チップ２０５の一方および他方の主面にそれぞれ形成される電極とはんだ２０８によって接続される。外部接続用電極２２０および２３０は、たとえば金属板で形成され、エミッタ電極２０２およびコレクタ電極２０４とそれぞれ電気的に接続される。

このように、半導体装置２００を両面モールド構造とすることにより、半導体チップ２０５の両側の主面から冷却が可能となる。また、半導体チップ２０５の側面側に冷却器を配置して外側から冷却することもできる。なお、半導体装置の冷却構造については、後続の実施の形態でより詳細に示される。

半導体装置２００は、さらに、図示しないゲート電極（制御電極）を有する。半導体装置２００では、ゲート電極へ入力される電圧信号に応じて、エミッタ電極２０２およびコレクタ電極２０４間に電流経路を形成可能である。

図４は、半導体装置２００の正面図である。図４を参照して、外部接続用電極２２０には、他の部位よりも電流容量が小さく、所定値以上の電流通過時に溶断されるように設計された溶断部２２５が設けられる。外部接続用電極２３０には、溶断部２２５と同様に設計された溶断部２３５が設けられる。また、ゲート信号線２１０は、半導体装置２００のスイッチングを制御する信号をゲート電極へ伝達するために配置される。

溶断部２２５，２３５は、たとえば図４に示すように、板状の外部接続用電極２２０，２３０の端部を切除して、断面積を他の部位より小さくすることで形成できる。

あるいは、図５に示されるように、パンチ孔２２７，２３７を設ける構造としても、断面積を他の部位より小さくできるので、溶断部２２５，２３５を形成することができる。このように、外部接続用電極２２０，２３０を部分的に切除して断面積に差異を設けることにより、溶断部２２５，２３５を簡易に形成することができる。

半導体装置２００を過電流が通過した場合、従来の構造であれば半導体チップ２０５内部での絶縁破壊によって短絡故障となるのに対して、本発明の半導体装置２００では、溶断部２２５，２３５の溶断によって開放故障が発生する。

溶断部２２５，２３５の溶断電流値は、外部接続用電極２２０，２３０の材質および溶断部の断面積によって設計できる。当該溶断電流値を、半導体装置２００の定格電流容量（電流値）に応じて定めれば、定格以上の電流通過により半導体チップ２０５内部に絶縁破壊が生じる前に、溶断部２２５、２３５が溶断されるので、より確実に短絡故障の発生を回避できる。

あるいは、図６（ａ）に示すように、外部接続用電極２２０，２３０の部分的な打抜き加工によって、溶断部２２５，２３５を柵状に設けることも可能である。この場合にも、半導体装置２００の定格電流容量に応じて、柵状部分の断面積を設計すればよい。図６（ａ）中の矢印ＶＩＢ方向から見た側面図である図６（ｂ）に示すように、溶断部２２５，２３５の厚みは、外部接続用電極２２０，２３０の他の部位と同等である。なお、図４および図５に示した構成においても、溶断部２２５，２３５は、外部接続用電極２２０，２３０の他の部位と同様の厚みを有する。

図４〜６に例示した構造の溶断部２２５，２３５は、一様な厚みの外部接続用電極２２０，２３０に対する打抜き加工や部分的な切除加工によって簡易に作製できる。

半導体装置が故障時に短絡故障ではなく開放故障となることにより、以下に説明する利点が生じる。

図７は、半導体装置の短絡故障時における問題点を説明する図である。

図７を参照して、図２に示したインバータ１５１，１５２においてスイッチング素子の短絡故障が発生すると、故障したスイッチング素子（図７ではＱ４）および当該スイッチング素子と並列に接続されたダイオード（図７ではＤ６、Ｄ８）によって、モータジェネレータＭＧ（モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を総称するもの）のコイルおよび中点を介した電流経路が形成される。この結果、ハイブリッド自動車１００の走行中に、モータジェネレータＭＧの逆起電力によって短絡電流が流れることにより、乗り心地を損なうような、体感上好ましくない異常トルクが発生してしまう。

特に、短絡故障では、上記の短絡電流を外部からの制御によって遮断することができないため、故障したスイッチング素子によって駆動制御されるモータジェネレータＭＧを切り離して運転を続行する、いわゆる「リンプフォーム走行」に移行することができない点が問題となる。

図８には、本発明による半導体装置をスイッチング素子として備えたハイブリッド自動車のスイッチング素子故障時における制御方式が示される。

図８を参照して、インバータ１５１，１５２は、直流電源１６０からの直流電圧を交流電圧に変換して、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を駆動する。直流電源１６０は、図１に示されたバッテリ１０および図２に示されたコンバータ１３０に相当する。

インバータ１５２を構成するスイッチング素子を過電流が通過した場合、本発明の半導体装置２００を用いることにより、開放故障が発生する。開放故障時には、当該スイッチング素子は常時遮断されるので、図７に示したような短絡電流経路が形成されることがない。

このため、上記のようなスイッチング素子の故障を含むインバータ１５２での故障検出に応答して、インバータ１５２中の全スイッチング素子に対してオフ指令を発生させることで、モータジェネレータＭＧ２を切り離して走行することが可能となる。

一方、スイッチング素子が故障していないインバータ１５１においては、各スイッチング素子のゲートに対して、所望の出力トルク・回転数が得られるようなモータ制御を行なうための通常の制御指令が与えられる。

このようにして、スイッチング素子の開放故障時には、故障したインバータ１５２を停止させる一方で、正常なインバータ１５１によってモータジェネレータＭＧ１のみを駆動して走行を継続する、リンプフォーム走行を実現できる。

以上説明したように、本発明による半導体装置は過電流発生時に開放故障となるので、ハイブリッド自動車のモータジェネレータ駆動用インバータを始めとする、短絡電流経路の形成が好ましくない態様の電気負荷を有する電力変換器のスイッチング素子として好適に用いることができる。

［実施の形態２］
実施の形態２においては、実施の形態１による半導体装置を積み重ねて配置した場合における、外部接続用電極の好ましい構造について説明する。

図９は、本発明の実施の形態２による半導体装置の側面図である。

図９を参照して、レイアウトを効率化するために、複数の半導体装置２００および冷却器３００は、絶縁材３１０を挟んで、積層配置される。冷却器３００の内部には、図示しない冷媒通路が設けられ、半導体装置２００で発生した熱量を両面から放熱する。積層された複数の半導体装置２００および冷却器３００は、放熱性を高めるために、両側から加圧されて密着される。

なお、図９に示した積層された半導体装置２００を図９中の矢印Ｘ方向から見た図１０に示すように、冷却器３００を半導体装置２００の両側の主面に密着させて配置するのに加えて、半導体装置２００の側面にさらに冷却器３０２や冷却溶媒通路３０４を設けることにより、冷却能力を高めることが可能である。

再び図９を参照して、半導体装置２００からの外部接続用電極２２０，２３０は、たとえば図２に示したような所望の電気回路を形成するように、ブスバー３３０，３３５と溶接等により接続される。この際に、ブスバーとの溶接部位が予め決まっていることから、半導体装置２００および冷却器３００の積層構造に寸法誤差が生じていれば、溶接個所に応力が発生してしまう。

実施の形態２による構成では、上記寸法誤差によって発生する応力を緩和するために、外部接続用電極２２０，２３０に、湾曲部２２６，２３６が設けられる。

図１１（ａ）の正面図および図１１（ｂ）の側面図に示されるように、湾曲部２２６，２３６は、実施の形態１で示した溶断部２２５，２３５を折り曲げることによって形成される。なお、湾曲部２２６，２３６は、外部接続用電極２２０，２３０の他の部位が本来の平坦な形状を維持するように設けられる。

湾曲部２２６，２３６は、当初平坦な形状で作製された外部接続用電極２２０，２３０に溶断部２２５，２３５を形成する際に、折り曲げ工程を加えることで形成することができる。

このような構造とすることにより、寸法誤差によって発生する応力を湾曲部２２６，２３６によって緩和できるので、実施の形態１による半導体装置が奏する効果に加えて、積層配置時に外部接続用電極の溶接部分に発生する応力を緩和できる。

［実施の形態３］
実施の形態３においては、外部接続用電極における溶断部の他の構成例について説明する。

図１２は、本発明の実施の形態３の第１構成例による半導体装置の側面図である。

図１２を参照して、実施の形態３の第１構成例による半導体装置では、半導体チップ２０５の一方の主面に形成される電極とはんだ２０８によって接続されるエミッタ電極ブロック２０２♯および外部接続用電極ブロック２２２と、両者の間を電気的に結合する溶断部２５０とを含んで、外部接続用電極２２０が構成される。

同様に、外部接続用電極２３０は、半導体チップ２０５の他方の主面に形成される電極とはんだ２０８によって接続されるコレクタ電極ブロック２０４♯および外部接続用電極ブロック２３２と、両者の間を電気的に結合する溶断部２５２とを含んで構成される。半導体装置２００の外形は、絶縁確保のために樹脂２０９によってモールドされる。

エミッタ電極ブロック２０２♯およびコレクタ電極ブロック２０４♯は、導体で形成されるが、ヒートシンクを兼用できるように放熱性に優れた形状および材質としてもよい。代表的には、銅・アルミ等が電極ブロックの材料として用いられる。

外部接続用電極ブロック２２２および２３２は、半導体装置の外部に延在させて直接ブスバーとして設けてもよい。あるいは、ブスバーと溶接するための電極板として設けることも可能である。これらの電極ブロックと周囲との間で絶縁確保を要する場合には、絶縁体物質を適宜配置する。

さらに、エミッタ電極ブロック２０２♯および外部接続用電極ブロック２２２の間に両者と係合するように設けられた絶縁部２６０ならびに、コレクタ電極ブロック２０４♯および外部接続用電極ブロック２３２の間に両者と係合するように設けられた絶縁部２６５をさらに配置することが好ましい。図１２に示した構成例では、各電極ブロックに凹部を設けて絶縁材２６０，２６５を当該凹部に嵌合することによって、各電極ブロックを固定する構造としているが、反対に、絶縁材２６０，２６５に凹部を設けて各電極ブロックを嵌め込む構造としてもよい。さらに、各電極ブロックおよび絶縁材の嵌合部分を、嵌合時と反対方向の力を加えても外れないような噛合い構造を有するロック機構で設けてもよい。絶縁材２６０，２６５としては、所定形状に成形あるいは加工したプラスチックやセラミック等を用いることができる。

実施の形態３においては、溶断部２５０，２５２は、所定の溶断電流を超える電流の通過時に溶断される、電極板とは他部材によって形成される。溶断部２５０，２５２として、代表的にはボンディングワイヤを用いることができる。ボンディングワイヤ等の別部材を用いることにより、電極板の加工によって溶断部を作製する場合と比較して、溶断電流の設定が容易となる。また、通常のワイヤボンディング装置によって、特殊な機器あるいは工程を要することなく溶断部を形成することができる。

また、絶縁材２６０，２６５を介して、電極ブロック２０２♯，２０４♯と電極ブロック２２２，２３２を接続することにより、絶縁材の熱伝導率の選択により電極ブロック間の伝熱を調整できる。たとえば、両電極ブロック間での伝熱を抑制したい場合には、熱伝導率の小さいプラスチック等を絶縁材２６０，２６５として用いることができ、反対に、両電極ブロック間での伝熱を促進したい場合には、熱伝導率の大きいセラミック等を絶縁材２６０，２６５として用いることができる。

図１３は、本発明の実施の形態３の第２構成例による半導体装置の側面図である。図１３には、半導体チップ２０５の一方の主面に対応する電極構造のみが示されるが、他方の主面に対しても同様の電極構造が設けられる。

図１３を参照して、本発明の実施の形態３の第２構成例では、エミッタ電極ブロック２０２♯と外部接続用電極ブロック２２２との間は、各電極ブロックを治具等で固定した状態で射出成形されたモールド樹脂によって形成される絶縁材４５０によって接続され、かつ固定される。

このような構成としても、図１２に示した構成例と同様に、所定の溶断電流を超える電流の通過時に溶断される溶断部２５０をボンディングワイヤで簡易に形成できる。

図１４は、本発明の実施の形態３の第３構成例による半導体装置の側面図である。

図１４を参照して、実施の形態３の第３構成例による半導体装置では、半導体チップ２０５は、絶縁体基板４００上に実装される。なお、図１４には、半導体チップ２０５の一方の主面に対応する電極構造のみが示されるが、他方の主面に対しても同様の電極構造が設けられる。

半導体チップ２０５の一方の主面に形成される電極は、はんだ２０８を介して、絶縁体基板４００上にＡｌ（アルミニウム）パターン等の導体により形成された電極パターン４１０と電気的に接続される。絶縁体基板４００としては、その熱伝導率が大きいことおよび半導体チップ２００との線膨張係数差が小さいことから、代表的にセラミック基板が用いられる。

外部接続用電極２２０は、電極パターン４１０および外部接続用電極ブロック２３２と、両者の間を電気的に結合する溶断部２５０とを含んで構成される。溶断部２５０は、図１２および図１３の構成例と同様に、ボンディングワイヤで形成される。

さらに、外部接続用電極２２０に設けられた凹部に絶縁体基板４００の一部を嵌め込む嵌合構造によって、両者の間「固定手段」を確保できる。なお、当該固定手段としては、絶縁体基板４００側に設けられた凹部へ外部接続用電極２２０を嵌め込む構造としてもよく、嵌合部分を上記ロック機構で設けてもよい。

このような構造としても、ボンディングワイヤによって簡易に溶断部を形成できる。また、図１４の構成例では、絶縁体基板４００上に半導体チップ２０５を実装しているので、図１２および図１３に示した構成と比較して絶縁性の確保に優れている。

なお、本発明の実施の形態１〜３では、エミッタ電極およびコレクタ電極と接続された外部接続用電極２２０，２３０の両方に溶断部２２５，２３５（または２５０，２５２）を形成する例を示したが、このような溶断部は、いずれか一方の外部接続用電極のみに設ける構成としてもよく、あるいは、単一の外部接続用電極に複数の溶断部を設ける構成としてもよい。

また、本発明の適用は、本実施の形態１〜３に例示した、いわゆる両面モールド素子構造の半導体装置に限定されるものではなく、半導体装置外部との接続用に取出された外部接続用電極を備えた半導体装置に共通に適用できる。

また、本発明の実施の形態では、本発明による半導体装置が、ハイブリッド自動車においてインバータに適用される構成例を示した。しかしながら、本発明の適用はこのような構成に限定されるものではなく、その電気負荷の態様によって、スイッチング素子の故障形態について短絡故障よりも開放故障の方が望ましい電力変換器において、本発明の半導体装置を適用することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明による半導体装置をパワー半導体モジュールとして内蔵するハイブリッド自動車の構成を説明する概略ブロック図である。 図１に示されたＰＣＵの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の側面図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の正面図である。 図４に示された溶断部の他の形成例を示す図である。 図４に示された溶断部のさらに他の形成例を示す図である。 半導体装置の短絡故障時における問題点を説明する図である。 本発明によるハイブリッド自動車のスイッチング素子故障時における制御方式を説明する図である。 本発明の実施の形態２による半導体装置の側面図である。 本発明の実施の形態２による半導体装置の図９における矢印Ｘ方向から見た図である。 図９における外部接続用電極の形状を説明する図である。 本発明の実施の形態３の第１構成例による半導体装置の側面図である。 本発明の実施の形態３の第２構成例による半導体装置の側面図である。 本発明の実施の形態３の第３構成例による半導体装置の側面図である。

符号の説明

１００ ハイブリッド自動車、１３０ コンバータ、１４０ コンデンサ、１５１，１５２ インバータ、２００ 半導体装置、２０２ エミッタ電極、２０４ コレクタ電極、２０５ 半導体チップ、２０９ 樹脂、２２０，２３０ 外部接続用電極、２２５，２３５ 溶断部、２２６，２３６ 湾曲部、２２７，２３７ パンチ孔、３００，３０２ 冷却器、３３０，３３５ ブスバー、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、Ｑ１〜Ｑ８ スイッチング素子（半導体装置）。

Claims (12)

1. 制御電極への電気的入力に応じた電流経路が第１および第２の電極間に形成される半導体素子と、
   前記第１および第２の電極とそれぞれ電気的に接続された、半導体装置の外部との接続用に設けられた第１および第２の外部接続用電極とを備え、
   前記第１および第２の外部接続用電極の少なくとも一方は、所定値以上の電流で溶断するように設計された溶断部位を含む、半導体装置。
2. 前記溶断部位は、前記第１および第２の外部接続用電極の他の部位よりも断面積が小さい、請求項１記載の半導体装置。
3. 前記溶断部位は、前記他の部位と同様の厚みを有する、請求項２記載の半導体装置。
4. 前記所定値は、前記半導体装置の規格電流容量に応じて定められる、請求項１記載の半導体装置。
5. 前記第１および第２の外部接続用電極は平坦な形状で作製された後、前記溶断部位は、他の部位が前記平坦な形状を維持する範囲で折り曲げられる、請求項１記載の半導体装置。
6. 前記第１および第２の外部接続用電極の前記少なくとも一方は、
   前記第１または第２の電極と電気的に接続された第１の電極ブロックと、
   前記外部との接続用に設けられた第２の電極ブロックとをさらに含み、
   前記第１および第２の電極ブロックは、前記溶断部位によって電気的に接続される、請求項１記載の半導体装置。
7. 前記第１および第２の外部接続用電極の前記少なくとも一方は、
   前記第１および第２の電極ブロックの間に設けられる絶縁部材をさらに含み、
   前記絶縁部材は、前記第１および第２の電極ブロックのそれぞれと係合される、請求項５記載の半導体装置。
8. 前記絶縁部材は、前記第１および第２の電極ブロックが固定された状態で両者の間に射出成形された樹脂によって形成される、請求項７記載の半導体装置。
9. 前記半導体素子が実装される絶縁体基板をさらに備え、
   前記第１および第２の外部接続用電極の前記少なくとも一方は、
   前記絶縁体基板上に導体により形成されて、前記第１または第２の電極と電気的に接続された電極パターンと、
   前記外部との接続用に設けられた電極ブロックと、
   前記絶縁体基板および前記電極ブロックを固定する固定手段とをさらに含み、
   前記電極パターンおよび前記電極ブロックは、前記溶断部位によって電気的に接続される、請求項１記載の半導体装置。
10. 前記溶断部位は、ボンディングワイヤで構成される、請求項５から９のいずれか１項に記載の半導体装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体装置を複数個用いて構成され、直流電圧を交流電圧へ変換するインバータと、
    前記インバータへ前記直流電圧を供給する直流電源装置と、
    前記インバータとの間で交流電力を授受する車輪駆動用の交流電動機とを備える、自動車。
12. 前記交流電動機および前記インバータは、それぞれ対応して複数個ずつ設けられ、
    異常が検知された前記インバータにおいては、各前記半導体装置において、前記制御電極への前記電気的入力によって前記電流経路が強制的に遮断される、請求項１１記載の自動車。

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