JP2006140317A

JP2006140317A - 半導体装置

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Publication number: JP2006140317A
Application number: JP2004328608A
Authority: JP
Inventors: Toshitaka Tanaka; 利貴田中; Tomohiro Miyazaki; 友宏宮崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2024-11-12
Also published as: JP4615289B2

Abstract

【課題】半導体素子の短絡故障により、半導体装置周辺の部品の破損や地絡による発火を防止する。
【解決手段】上部が開放され、底部に半導体素子２５を配置したケース３０と、このケース３０内に半導体素子２５を覆うように充填されたシリコンゲル３２と、ケース３０の開口部を覆う蓋５０と、ケース３０の内圧の上昇によってシリコンゲル３２が破断して蓋５０が開口する場合に、蓋５０の開口方向と開口幅とを制限する構造部材５１とを備える構成とした。
また、構造部材５１は、蓋５０が開口する場合に、蓋５０の開口方向と開口幅とを制限するため、蓋５０の一辺部分をケース３０との間で挟持するとともに、蓋５０の挟持された辺と対向する辺部分において蓋５０との間に隙間を形成するようケース５０に設けた。
【選択図】図１

Description

この発明は、インバータやモータ駆動装置の電力変換装置等に用いられる半導体装置に関する。

図６は従来のモータ駆動装置に用いられる電力用半導体装置を示したものである。図において、破線で囲んだ部分が半導体装置本体１であり、半導体装置本体１の側面を構成する樹脂製のケース３０、底面を構成する放熱用金属ベース２０、放熱用金属ベース２０にはんだ付けされた絶縁基板２１、絶縁基板２１に接着された金属箔２２、２３、２４、金属箔２３の上にはんだ付けされた電力用半導体素子２５、半導体素子２５と金属箔２２、２３を電気的に接続するボンディングワイヤ２６、２７、外部導出端子１０、および、金属箔２２、２４と外部導出端子１０を電気的に接続する導体バー２８とから構成される。さらに、半導体装置本体１の内部には、ボンディングワイヤ２６、２７の振動を抑える等のためシリコンゲル３２が封入されており、また熱可塑性エンジニアリングプラスチック製蓋３１がケース３０に樹脂で接着、密封されている。

また、図６において、放熱フィン２に、半導体装置本体１がグリース５を介してネジ６で固定されている。なお、グリース５は半導体装置本体１で発生する熱を放熱フィンに効率的に伝達されるように、半導体装置本体１と放熱フィン２の間に塗布されている。さらに、ケース３０にねじ込まれるネジ１１により、電力回路基板７に電気的接続された導体４と半導体装置本体１の外部導出端子１０とが電気的接続されている。また、前記ネジ１１により、導体３と半導体装置本体１の外部導出端子１０とが電気的接続されている。
従来の電力用半導体装置は以上のように構成されている。

ところで、上記従来のものにおいて、短絡事故等によって上記半導体素子２５が短絡故障した場合、その短絡電流により上記半導体素子２５が発熱し、それに伴い、上記シリコンゲル３２が急激に昇温、膨張するため、密閉された前記半導体装置内の内圧が急激に上昇し、その圧力によって上記蓋３１が破損することがあった。上記蓋３１が破損すると、その破片や上記シリコンゲル３２が周囲に飛散して、前記電力回路基板７上の部品等を破損することがあった。

また、上記半導体素子２５の温度がさらに上昇すると、上記絶縁基板２１が高温のため破損し、絶縁性が失われて、上記金属箔２２、２３、２４と上記金属ベース２０とが電気的に導通してしまうことがある。前記金属ベース２０と前記放熱フィン２の間に塗布されているグリース５は絶縁性を有するものの、その塗布にムラがあると金属ベース２０と放熱フィン２とが部分的に接触する場合がある。この場合、放熱フィンは接地されているため、地絡状態となり、さらに大電流が半導体装置本体１に流れる。これにより、シリコンゲル３２の温度はさらに上昇し、ついには発火に至る危険性があった。

この対策として、電力用半導体素子と蓋との間に、樹脂製の仕切板を備え、仕切板が、枠体の内側面に形成された段部と、蓋の裏面側に形成された突起との間に挟持された状態にてケースに内挿され、電力用半導体素子の導通破壊時の衝撃から仕切板の緩衝により蓋の破損を防ぐものが、提案されている（例えば特開２００１−１９６４８７公報参照）。

また、半導体装置の内圧を外部に逃がすための安全弁を、ケースに備える構成が提案されている（例えば特開平０５-１７５３６２公報参照）。

特開２００１−１９６４８７公報（第３頁〜第５頁、図２〜図１０）

特開平０５-１７５３６２公報（第２頁、図１）

しかしながら、前者のもの（特開２００１−１９６４８７公報）は、ごく小容量の半導体装置であれば、過電流によりケースの内圧が高くなっても、蓋の破損を防止しシリコンゲルの外部への飛散を防止できるが、大容量の半導体装置の場合には、上記程度の対策では蓋の破損を防止できない。さらに、地絡による発火も防止することもできない。

このため、大容量の半導体装置にあって、過電流によりケースの内圧が高くなった場合、後者のもの（特開平０５-１７５３６２公報）のように、ケースの内圧を外部に逃す構成が好ましいが、後者のものように、半導体装置の内圧を外部に逃がすための安全弁をケースに備える構成であると、安全弁が動作した場合、安全弁を介してシリコンゲルが外部に飛散するが、シリコンゲルがどの方向に飛散するか予測できないため、半導体装置周辺の部品の破損を防止することができない。さらに、地絡による発火も防止することもできない。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、半導体素子の短絡故障により、半導体装置周辺の部品の破損や地絡による発火を防止することを目的とする。

上記の目的達成のため、この発明に係る半導体装置は、上部が開放され、底部に半導体素子を配置したケースと、このケース内に前記半導体素子を覆うように充填された樹脂と、前記ケースの開口部を覆う蓋と、前記ケースの内圧の上昇によって前記樹脂が破断して前記蓋が開口する場合に、前記蓋の開口方向と開口幅とを制限する構造部材とを備える構成としたものである。

また、この発明に係る半導体装置は、前記構造部材を、前記蓋の一部分を前記ケースに機械的固定するとともに、前記蓋の他の部分においては前記蓋との間に隙間を形成するよう前記ケースに設けたものである。

また、この発明に係る半導体装置は、前記構造部材を、前記蓋の一部分を前記ケースとの間で挟持するとともに、前記蓋の他の部分においては前記蓋との間に隙間を形成するよう前記ケースに設けたものである。

また、この発明に係る半導体装置は、前記構造部材が、該半導体装置を外部の電気回路と電気的接続する導体と内部配線とを電気的接続し前記ケースに固定するネジにて、共締めされて前記ケースに固定されているものである。

また、この発明に係る半導体装置は、前記構造部材が、該半導体装置を外部の電気回路と接続する、所定の機械的強度を有する導体の一部、または内部配線の一部によって構成されているものである。

また、この発明に係る半導体装置は、前記蓋の材質を、ガラスエポキシ樹脂としたものである。

また、この発明に係る半導体装置は、前記ガラスエポキシ樹脂製蓋を、エポキシ樹脂によって前記ケースに固着したものである。

また、この発明に係る半導体装置は、前記半導体素子と外部導出端子との間を接続する内部配線の一部に、過電流によって速やかに溶断する溶断部を設け、且つこの溶断部を、過電流に起因するケースの内圧に上昇によって前記蓋が開口する前に溶断するように構成したものである。

また、この発明に係る半導体装置は、前記内部配線に切り欠き部を形成することにより前記溶断部を構成するとともに、前記切り欠き部を前記外部導出端子のできるだけ近くに設けたものである。

また、この発明に係る半導体装置は、前記内部配線を半導体素子と前記外部導出端子との間を接続するボンディングワイヤで構成し、このボンディングワイヤによって前記溶断部を構成したものである。

また、この発明に係る半導体装置は、絶縁ブッシュを介して冷却フィンにネジ止めされるとともに、前記冷却フィンとの間に高熱伝導絶縁シートを挿入することにより、前記冷却フィンと電気的に絶縁されたものである。

この発明によれば、ケースの内圧の上昇によって前記蓋が開口する場合に、構造部材により前記蓋の開口方向と開口幅とを制限するようにしたので、シリコンゲル等の充填樹脂の飛散方向を制限すると同時に飛散量を最小限に抑制することができ、周辺の部品の破損を最小限に抑えることができる。

また、この発明によれば、前記構造部材が、該半導体装置を外部の電気回路と電気的接続する導体と内部配線とを電気的接続し前記ケースに固定するネジにて、共締めされて前記ケースに固定されているので、構造部材をケースに固定するための部品を追加する必要がなく、よって安価に、周辺の部品の破損を最小限に抑えることができる。

また、この発明によれば、前記構造部材を、該半導体装置を外部の電気回路と接続する、所定の機械的強度を有する導体の一部、または半導体装置構成部品の一部によって構成したので、構造部材を別個に用意する必要がなく、よって安価に、周辺の部品の破損を最小限に抑えることができる。

また、この発明によれば、前記蓋の材質をガラスエポキシ樹脂としたので、前記蓋が開口する前に蓋が破損することがなく、シリコンゲル等の樹脂の飛散方向と飛散量を確実に制限することができる。

また、この発明によれば、前記ガラスエポキシ樹脂製蓋をエポキシ樹脂によって前記ケースに固着したので、半導体装置内の溶断部分が確実に溶断するまで蓋の開口を遅らせることができ、シリコンゲル等の樹脂の発火を防止できる。

また、この発明によれば、前記半導体素子と外部導出端子との間を接続する内部配線の一部に、過電流によって速やかに溶断する溶断部を設け、且つこの溶断部を、過電流に起因するケースの内圧に上昇によって前記蓋が開口する前に溶断するように構成したので、シリコンゲル等の樹脂の発火を防止できる。

また、この発明によれば、前記内部配線に切り欠き部を形成することにより前記溶断部を構成するとともに、前記切り欠き部を前記外部導出端子のできるだけ近くに設けたので、シリコンゲル等の樹脂の発火を確実に防止できる。
即ち、ボンディングワイヤが前記溶断部より先に溶断し、その溶断端が前記半導体素子と外部導出端子との間を接続する内部配線に接触する場合があり、この場合、今なおボンディングワイヤを通じて前記内部配線に過電流が流れ続ける。ところが、溶断部を構成する切り欠き部が前記外部導出端子のできるだけ近くに設けられているため、前記溶断端が前記切り欠き部の作用を妨げる個所に接触しなくなり、即ち、切り欠き部と金属箔との間の内部配線部分に接触するので、前記溶断端が内部配線に接触後、ボンディングワイヤを通じて前記内部配線に過電流が流れ続けると、前記溶断部が確実に溶断し、よってシリコンゲル等の樹脂の発火を確実に防止できる。因みに、溶断部を構成する切り欠き部が前記金属箔近くに設けられている場合、前記溶断端が、前記内部配線における前記金属箔との間に切り欠き部が位置する部分に接触することになり、中々切り欠き部が溶断せず、ボンディングワイヤを通じて前記内部配線に過電流が流れ続けることになる。

また、この発明によれば、ボンディングワイヤにより前記溶断部を構成したので、シリコンゲル等の樹脂の発火を防止できる。

更にまた、この発明によれば、絶縁ブッシュを介して冷却フィンにネジ止めするとともに、前記冷却フィンとの間に高熱伝導絶縁シートを挿入することにより、前記冷却フィンと電気的に絶縁したので、前記半導体素子が搭載される絶縁基板が熱破損した場合でも地絡状態に陥るのを防止することができ、シリコンゲル等の樹脂の発火を抑制できる。

実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１を、図１〜図３を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態１である半導体装置の縦断面図であり、図２はこれを上から見た図である。なお、各図において図６に示すものと同一部分には同一符号を付してある。
図１および図２において、５０はケース３０の上部開口部を閉塞するガラスエポキシ樹脂製の蓋、５１は図２に示すような櫛歯状の樹脂製構造部材であり、図１のＡの部分（蓋５０の一辺部分）で蓋５０をケース３０との間で挟持し、また図のＢの部分（蓋５０の挟持された辺と対向する辺部分）では蓋３１との間に隙間を構成するように、ケース３０にねじ込まれ導体３、４と外部導出端子１０とを電気的接続するネジ１１により、ケース３０に共締め固定されている。また、５２は銅製導体バー２８における外部導出端子１０のできるだけ近く（この実施の形態では導体バー２８のケース３０内に位置する水平部分）に設けた切り欠き部であり、過電流による内圧上昇により蓋５０が開口する前に、この部分が過電流の通電にて溶断するように構成されている。なお、切り欠き部５２は、導体バー２８におけるケース３０埋設部分に設けてもよい。さらに、蓋５０とケース３０はエポキシ樹脂で接着してある。また、６０は半導体装置本体１と放熱フィン２の間に挿入された高熱伝導絶縁シートであり、半導体装置本体１で発生した熱を放熱フィン２に伝達するとともに、半導体装置本体１と放熱フィン２を電気的に絶縁する。６１は絶縁ブッシュであり、半導体装置本体１はこの絶縁ブッシュ６１を介して冷却フィン２にネジ６止めされている。
なお、その他の構成は、図６に示すものと同様のものである。

上記の構造において、短絡事故等によって半導体素子２５、ボンディングワイヤ２６、２７、導体バー２８などに過電流が流れ、上記半導体装置本体１の内圧が急激に上昇してケース３０が破壊される前に前記蓋５０が開口するが、この蓋５０が開口する場合、図１に示すように、蓋５０はＡの部分で構造部材５１とケース３０で挟持されているので、蓋５０は図３に示すようにＢの部分で開口することになり、シリコンゲル３２が飛散する方向をＢの方向に制限することができる。また、この時、蓋５０の開口幅が構造部材５１によって制限されるので、シリコンゲル３２の飛散量も最小限に抑えることができる。

また、蓋５０の素材として、従来は熱可塑性エンジニアリングプラスチックが一般的に用いられていたが、本実施の形態では、耐圧、耐熱、所定の曲げ強度を有する、熱的、機械的強度の強いガラスエポキシ樹脂を用いている。従来の熱可塑性エンジニアリングプラスチックは強度が弱いため、蓋５０とケース３０の接着が剥がれる前に蓋５０が破断し、内部のシリコンゲル３２が飛散することがあった。しかし、本実施の形態では強度の強いガラスエポキシ樹脂製の蓋５０を用いているので、蓋５０とケース３０の接着が剥がれる前に蓋５０が破断することがなく、シリコンゲル３２の飛散方向と飛散量を確実に制限することが可能となる。

さらに、シリコンゲル３２が発火するには、シリコンゲル３２が高温に加熱されると同時に外部から空気が供給される必要がある。本実施の形態では、蓋５０が開口する前に導体バー２８の溶断部である切り欠き部５２が溶断し、短絡電流が遮断されるように構成されている。このため、蓋５０が開口して外部から空気が供給されるようになったときには、短絡電流による温度上昇が停止しており、シリコンゲル３２の発火を防止することができる。

さらに、ボンディングワイヤ２６，２７が前記切り欠き部５２より先に溶断し、その溶断端が前記半導体素子２５と外部導出端子１０との間を接続する導体バー（内部配線）２８に接触する場合があり、この場合、今なおボンディングワイヤ２６，２７を通じて前記内部配線に過電流が流れ続ける。ところが、溶断部を構成する切り欠き部５２が前記外部導出端子１０のできるだけ近くに設けられているため、前記溶断端が前記切り欠き部５２の作用を妨げる個所に接触しなくなり、即ち、切り欠き部５２と金属箔２２，２４との間の導体バー２８部分に接触するので、前記溶断端が導体バー２８に接触後、ボンディングワイヤ２６，２７を通じて前記導体バー２８に過電流が流れ続けると、前記切り欠き部５２が確実に溶断し、よってシリコンゲル等の樹脂３２の発火を確実に防止できる。
因みに、溶断部を構成する切り欠き部５２が前記金属箔２２，２４近くに設けられている場合、前記溶断端が、前記導体バー２８における前記金属箔２２，２４との間に切り欠き部が位置する部分に接触することになり、中々切り欠き部が溶断せず、ボンディングワイヤ２６，２７を通じて前記導体バー２８に過電流が流れ続けることになる。

さらに、本実施の形態では、蓋５０とケース３０とが高温（例えばシリコンゲルが発火する８００℃以下の高温）でも接着力を保持するエポキシ樹脂で接着されている。エポキシ樹脂は高温でも接着力の強いため、蓋５０が開口するタイミングを遅らせることができ、これによって、蓋５０が開口する前に導体バー２８の切り欠き部５２が確実に溶断することになる。

また、従来の構成では、前記のように絶縁基板２１が熱破損すると地絡状態になり、地絡電流による急激な温度上昇がシリコンゲル３２の発火を促進していた。本実施の形態では、高熱伝導絶縁シート６０と絶縁ブッシュ６１を用いて半導体装置本体１と放熱フィン２とを絶縁しているので、絶縁基板２１が熱破損した場合でも地絡状態となることがなく、シリコンゲル３２の発火を抑制することができる。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２である半導体装置の縦断面図であり、図５はこれを上から見た図である。なお、各図において図１〜図３に示すものと同一部分には同一符号を付してある。
図４および図５において、半導体装置本体１の外部導出端子１０と電力回路基板７とを電気的接続する、所定の機械的強度を有する導体４は、後方（蓋５０側）に延長するとともに、該延長部分４Ａを蓋５０側に向かって折り曲げてあり、この折り曲げた部分とケース３０とで蓋５０を挟持している。また、半導体装置本体１の外部導出端子１０と外部の電気回路とを接続する導体３は、後方（蓋５０側）に延長するとともに、該延長部分３Ａを反蓋５０側に向かって折り曲げてあり、この折り曲げた部分と蓋５０の間に隙間を形成するように構成している。
なお、その他の構成は実施の形態１と同様である。

図１に示す実施の形態１では、構造部材５１によって蓋５０の開口方向と開口幅を制限するように構成していたが、図４および図５に示す実施の形態２では、導体３および導体４が前記構造部材５１の機能を果たすように構成している。本実施の形態の作用は実施の形態１の作用と同じである（短絡事故等によって半導体素子２５、ボンディングワイヤ２６、２７、導体バー２８などに過電流が流れ、上記半導体装置本体１の内圧が急激に上昇して、前記蓋５０が開口する場合、蓋５０はＡの部分で延長部分４Ａとケース３０で挟持されているので、蓋５０はＢの部分で開口することになり、シリコンゲル３２が飛散する方向をＢの方向に制限することができる。また、この時、蓋５０の開口幅が延長部分３Ａによって制限されるので、シリコンゲル３２の飛散量も最小限に抑えることができる）が、構造部材５１が不要となり、安価に構成することができる。

実施の形態３．
前記実施の形態１、２では、導体バー２８に切り欠き部５２を設けて、この部分が溶断するように構成しているが、導体バー２８に切り欠き部５２を設けるかわりに、ボンディング２７の本数を減らしたり、ワイヤ径を小さくしたりするなどして、ボンディングワイヤ２６、２７が溶断するように構成してもよい。

また、前記実施の形態２において、導体３，４の一部を延長させ、この延長部分を構造部材５１の代替としたが、半導体装置の構成部品の一部を構造部材５１の代替としてもよい。
例えば、内部配線の一部である外部導出端子１０を折曲・延長することにより、導体３，４の延長部分３Ａ，４Ａと同等の機能を持たせることにより、構造部材５１の代替としてもよい。
また、前記実施の形態１、２では、蓋５０の一辺を構造部材５１（または導体４）とケース３０との間に挟持することなく、ネジ１１によりケース３０に直接固定するとともに、ケース３０の一部に、構造部材５１または導体３の延長部分３Ａと同様の機能を有する蓋受止め部（機械的固定された一辺に対向する辺との間に所定の間隙を有し、蓋の開口時に蓋が所定以上開口しないよう蓋を受止める蓋受止め部）を形成することにより、構造部材５１の代替としてもよい。

本発明に係る半導体装置は、インバータやモータ駆動装置の電力変換装置等に用いられる半導体装置に利用されるのに適している。

本発明の実施の形態１である半導体装置の縦断面図である。本発明の実施の形態１である半導体装置の平面図である。実施の形態１において蓋が開口した状態を示した図である。本発明の実施の形態２である半導体装置の縦断面図である。本発明の実施の形態２である半導体装置の平面図である。従来の半導体装置の縦断面図である。

符号の説明

１半導体装置、２放熱フィン、３、４導体、３Ａ延長部分、４Ａ延長部分、６ネジ、１０外部導出端子、１１ネジ、２５電力用半導体、２６，２７ボンディングワイヤ、２８導体バー、３０ケース、３２シリコンゲル（樹脂）、５０蓋、５１構造部材、５２切り欠き部、６０高熱伝導絶縁シート、６１絶縁ブッシュ。

Claims

上部が開放され、底部に半導体素子を配置したケースと、このケース内に前記半導体素子を覆うように充填された樹脂と、前記ケースの開口部を覆う蓋と、前記ケースの内圧の上昇によって前記樹脂が破断して前記蓋が開口する場合に、前記蓋の開口方向と開口幅とを制限する構造部材とを備えてなる半導体装置。
前記構造部材は、前記蓋の一部分を前記ケースに機械的固定するとともに、前記蓋の他の部分においては前記蓋との間に隙間を形成するよう前記ケースに設けられるものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記構造部材は、前記蓋の一部分を前記ケースとの間で挟持するとともに、前記蓋の他の部分においては前記蓋との間に隙間を形成するよう前記ケースに設けられるものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記構造部材は、該半導体装置を外部の電気回路と電気的接続する導体と内部配線とを電気的接続し前記ケースに固定するネジにて、共締めされて前記ケースに固定されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
前記構造部材は、該半導体装置を外部の電気回路と接続する、所定の機械的強度を有する導体の一部、または半導体装置構成部品の一部によって構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
前記蓋は、ガラスエポキシ樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の半導体装置。
前記蓋は、エポキシ樹脂によって前記ケースに固着されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
前記半導体素子と外部導出端子との間を接続する内部配線の一部に、過電流によって速やかに溶断する溶断部を設け、且つこの溶断部を、過電流に起因するケースの内圧に上昇によって前記蓋が開口する前に溶断するように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の半導体装置。
前記内部配線に切り欠き部を形成することにより前記溶断部を構成するとともに、前記切り欠き部を前記外部導出端子のできるだけ近くに設けたことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
前記内部配線は半導体素子と前記外部導出端子との間を接続するボンディングワイヤであり、このボンディングワイヤによって前記溶断部を構成したことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
絶縁ブッシュを介して冷却フィンにネジ止めされるとともに、前記冷却フィンとの間に高熱伝導絶縁シートを挿入することにより、前記冷却フィンと電気的に絶縁されたことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の半導体装置。