JP2006332176A

JP2006332176A - Semiconductor device

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Publication number: JP2006332176A
Application number: JP2005150889A
Authority: JP
Inventors: Kazushige Namiki; 一茂並木; Sukeyuki Furukawa; 資之古川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2006-12-07

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device where performance of a semiconductor element can sufficiently be derived. <P>SOLUTION: A sensor diode 302 is arranged in an almost center of a region which is press-fitted by a press fitting heat spreader 304 so that a periphery is surrounded by an IGBT cell 1001. A groove 305 is disposed on the lower face side of the press-fitting heat spreader 304 which is brought into contact with an emitter electrode 1007 of IGBT 101, so that the press-fitting heat spreader 304 does not depress the sensor diode 302 and a temperature sensor harness 303. Thus, responsiveness of a temperature detected by the sensor diode 302 can be improved with respect to a temperature change of IGBT 101 by heat generation of an active region 301. Thus, unnecessary margin is not required as in a conventional semiconductor device at the time of protecting a temperature rise of IGBT 101 based on the temperature detected by the sensor diode 302, and performance of IGBT 101 can sufficiently be derived. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体チップを圧接して保持する圧接型の半導体装置に関する。 The present invention relates to a pressure contact type semiconductor device that holds a semiconductor chip in pressure contact.

インバータなど電力制御に用いられる半導体装置が知られている。この半導体装置では、半導体素子の温度上昇を検出するため、温度検出素子を半導体素子の近傍に設けている（特許文献１参照）。 A semiconductor device used for power control such as an inverter is known. In this semiconductor device, a temperature detection element is provided in the vicinity of the semiconductor element in order to detect a temperature rise of the semiconductor element (see Patent Document 1).

特開２００２−１２４６１８号公報JP 2002-124618 A

しかし、この半導体装置では、半導体素子と温度検出素子とが離れているため、温度上昇の検出に遅れが生じてしまう。したがって、温度検出素子での検出温度に基づいて、上述した検出遅れを加味した上で半導体素子の温度上昇保護を行う必要があり、半導体素子の能力が必要以上に抑制されてしまう。 However, in this semiconductor device, since the semiconductor element and the temperature detecting element are separated from each other, there is a delay in detecting the temperature rise. Therefore, based on the temperature detected by the temperature detection element, it is necessary to protect the temperature rise of the semiconductor element in consideration of the detection delay described above, and the capability of the semiconductor element is suppressed more than necessary.

（１）請求項１の発明による半導体装置は、半導体チップを圧接して保持する圧接型の半導体装置において、半導体チップの圧接方向から見て半導体チップのセルで囲われた領域に半導体チップの温度を検出するダイオードを設けることを特徴とする。
（２）請求項２の発明による半導体装置は、半導体チップを圧接して保持する圧接型の半導体装置において、半導体チップのセルが設けられる領域の一部に、セルに代えて半導体チップの温度を検出するダイオードを設けることを特徴とする。 (1) A semiconductor device according to the invention of claim 1 is a pressure-contact type semiconductor device in which a semiconductor chip is pressed and held, and the temperature of the semiconductor chip is in a region surrounded by the cells of the semiconductor chip when viewed from the pressure-contact direction of the semiconductor chip It is characterized by providing a diode for detecting.
(2) A semiconductor device according to the invention of claim 2 is a pressure-contact type semiconductor device in which a semiconductor chip is pressed and held, and the temperature of the semiconductor chip is set in a part of a region where the cell of the semiconductor chip is provided instead of the cell. A diode for detection is provided.

本発明によれば、半導体チップの圧接方向から見て半導体チップのセルで囲われた領域に半導体チップの温度を検出するダイオードを設けたり、セルに代えてダイオードを設けるように構成した。これにより、半導体素子の温度変化に対してダイオードで検出される温度の応答性を向上できる。したがって、ダイオードで検出される温度に基づいて半導体素子の温度上昇保護を行う際のマージンを減らすことができるので、半導体素子の性能を十分に引き出すことができる。 According to the present invention, the diode for detecting the temperature of the semiconductor chip is provided in a region surrounded by the cells of the semiconductor chip as viewed from the pressure contact direction of the semiconductor chip, or the diode is provided in place of the cell. Thereby, the responsiveness of the temperature detected by the diode with respect to the temperature change of the semiconductor element can be improved. Therefore, the margin for protecting the temperature rise of the semiconductor element based on the temperature detected by the diode can be reduced, so that the performance of the semiconductor element can be fully exploited.

−−−第１の実施の形態−−−
図１〜７を参照して、本発明による半導体装置の第１の実施の形態を説明する。図１は、第１の実施の形態に係る半導体装置を示す図であり、とくに電気自動車に搭載される三相インバータの回路図を示している。なお、図１では、ＩＧＢＴ１０１〜１０６とフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）１１１〜１１６を用いて直流Ｐ，Ｎを交流Ｕ，Ｖ，Ｗに変換している。 --- First embodiment ---
A first embodiment of a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing a semiconductor device according to the first embodiment, and particularly shows a circuit diagram of a three-phase inverter mounted on an electric vehicle. In FIG. 1, the direct currents P and N are converted into alternating currents U, V, and W using IGBTs 101 to 106 and free wheel diodes (FWD) 111 to 116.

ＩＧＢＴ１０１〜１０３のコレクタ（ドレイン）はそれぞれＰ極用ブスバー６ｃに接続され、ＩＧＢＴ１０４〜１０６のエミッタ（ソース）はそれぞれＮ極用ブスバー６ｅに接続されている。ＩＧＢＴ１０１のエミッタおよびＩＧＢＴ１０４のコレクタはそれぞれインバータ出力用（Ｕ相）のブスバー６ｅｃに接続され、ＩＧＢＴ１０２のエミッタおよびＩＧＢＴ１０５のコレクタはそれぞれＶ相用のブスバー６ｅｃに接続され、ＩＧＢＴ１０３のエミッタおよびＩＧＢＴ１０６のコレクタはそれぞれＷ相用のブスバー６ｅｃに接続されている。なお、ＩＧＢＴ１０１〜１０６のゲートは、不図示の信号入出力用の端子に接続されている。各ＩＧＢＴ１０１〜１０６にはそれぞれＦＷＤ１１１〜１１６が並列に接続されている。 The collectors (drains) of the IGBTs 101 to 103 are respectively connected to the P pole bus bar 6c, and the emitters (sources) of the IGBTs 104 to 106 are respectively connected to the N pole bus bar 6e. The emitter of IGBT 101 and the collector of IGBT 104 are each connected to a bus bar 6ec for inverter output (U phase), the emitter of IGBT 102 and the collector of IGBT 105 are respectively connected to the bus bar 6ec for V phase, and the emitter of IGBT 103 and the collector of IGBT 106 are Each is connected to a W-phase bus bar 6ec. The gates of the IGBTs 101 to 106 are connected to signal input / output terminals (not shown). FWDs 111 to 116 are connected in parallel to the IGBTs 101 to 106, respectively.

図２は、ＩＧＢＴ１０１およびＦＷＤ１１１についての平面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図であり、図４は、ＩＧＢＴ１０１のセル構造を模式的に表した図である。なお、ＩＧＢＴ１０２〜１０６およびＦＷＤ１１２〜１１６についてもＩＧＢＴ１０１およびＦＷＤ１１１と同様であるので、以下の説明ではＩＧＢＴ１０１およびＦＷＤ１１１について説明し、ＩＧＢＴ１０２〜１０６およびＦＷＤ１１２〜１１６についての説明を省略する。 2 is a plan view of the IGBT 101 and the FWD 111, FIG. 3 is a view taken along the line III-III of FIG. 2, and FIG. 4 is a diagram schematically showing the cell structure of the IGBT 101. Note that the IGBTs 102 to 106 and the FWDs 112 to 116 are the same as the IGBT 101 and the FWD 111, and therefore, the IGBT 101 and the FWD 111 will be described in the following description, and the descriptions of the IGBTs 102 to 106 and the FWDs 112 to 116 will be omitted.

図４に示すように、ＩＧＢＴ１０１は、半導体の基板上に多数のＩＧＢＴセル１００１が設けられた半導体チップであり、裏面側にコレクタ電極１００８が設けられ、表面側にエミッタ電極１００７およびゲート電極１００３が設けられている。なお、１００４は絶縁膜である。図２に示すように、ＩＧＢＴセル１００１が設けられている領域の略中央には、ＩＧＢＴ１０１の温度を検出するセンサダイオード３０２が設けられている（図２，４）。センサダイオード３０２の検出信号はアノード電極１００５とカソード電極１００６から取り出される。ＦＷＤ１１１は、半導体の基板上に多数のダイオードセルが設けられた半導体チップであり、裏面側にカソード電極（不図示）が設けられ、表面側にアノード電極（不図示）が設けられている。 As shown in FIG. 4, the IGBT 101 is a semiconductor chip in which a number of IGBT cells 1001 are provided on a semiconductor substrate, a collector electrode 1008 is provided on the back side, and an emitter electrode 1007 and a gate electrode 1003 are provided on the front side. Is provided. Reference numeral 1004 denotes an insulating film. As shown in FIG. 2, a sensor diode 302 for detecting the temperature of the IGBT 101 is provided in the approximate center of the region where the IGBT cell 1001 is provided (FIGS. 2 and 4). A detection signal of the sensor diode 302 is taken out from the anode electrode 1005 and the cathode electrode 1006. The FWD 111 is a semiconductor chip in which a large number of diode cells are provided on a semiconductor substrate, a cathode electrode (not shown) is provided on the back surface side, and an anode electrode (not shown) is provided on the front surface side.

ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極１００８およびＦＷＤ１１１のカソード電極は、それぞれＰ極用ブスバー６ｃの上にハンダ６０２によってボンディングされている。ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極１００７およびＦＷＤ１１１のアノード電極は、それぞれ圧接用ヒートスプレッダ３０４，２１４の下面で押圧されている。圧接用ヒートスプレッダ３０４，２１４の上面にはＵ相用のブスバー６ｅｃが接続されている。圧接用ヒートスプレッダ３０４，２１４は、たとえば、銅やモリブデンなどからなる板状部材であり、上述のようにＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極１００７およびＦＷＤ１１１のアノード電極とＵ相用のブスバー６ｅｃとを電気的および熱的に接続する。圧接用ヒートスプレッダ３０４がＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極１００７を押圧してもセンサダイオード３０２および後述する温度センサハーネス３０３を押圧しないように、ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極１００７に接触する圧接用ヒートスプレッダ３０４の下面側には溝部３０５が設けられている。 The collector electrode 1008 of the IGBT 101 and the cathode electrode of the FWD 111 are bonded to the P pole bus bar 6c by solder 602, respectively. The emitter electrode 1007 of the IGBT 101 and the anode electrode of the FWD 111 are pressed by the lower surfaces of the heat spreaders 304 and 214 for pressure welding, respectively. A U-phase bus bar 6 ec is connected to the upper surfaces of the heat-spreading heat spreaders 304 and 214. The heat spreaders 304 and 214 for pressure welding are, for example, plate-like members made of copper, molybdenum, or the like. As described above, the emitter electrode 1007 of the IGBT 101 and the anode electrode of the FWD 111 and the bus bar 6ec for U phase are electrically and thermally connected. Connect to. The groove portion 305 is formed on the lower surface side of the pressure contact heat spreader 304 that contacts the emitter electrode 1007 of the IGBT 101 so that the pressure contact heat spreader 304 does not press the emitter electrode 1007 of the IGBT 101 and does not press the sensor diode 302 and a temperature sensor harness 303 described later. Is provided.

ＩＧＢＴ１０１の表面の周縁近傍には、エミッタセンスパッド２０４と、エミッタパッド２０５と、ゲートパッド２０６と、温度センスアノードパッド２０７と、温度センスカソードバッド２１０とが設けられている。温度センスアノードパッド２０７はセンサダイオード３０２のアノード電極１００５に、温度センスカソードバッド２１０はセンサダイオード３０２のカソード電極１００６にそれぞれ温度センサハーネス３０３で接続されている。温度センサハーネス３０３はアルミなどの導電材料による配線パターンであるため、ＩＧＢＴ１０１の表面の温度センサハーネス３０３が配設される部分にはＩＧＢＴセル１００１は設けられていない。 In the vicinity of the periphery of the surface of the IGBT 101, an emitter sense pad 204, an emitter pad 205, a gate pad 206, a temperature sense anode pad 207, and a temperature sense cathode pad 210 are provided. The temperature sensing anode pad 207 is connected to the anode electrode 1005 of the sensor diode 302, and the temperature sensing cathode pad 210 is connected to the cathode electrode 1006 of the sensor diode 302 via the temperature sensor harness 303. Since the temperature sensor harness 303 is a wiring pattern made of a conductive material such as aluminum, the IGBT cell 1001 is not provided in a portion where the temperature sensor harness 303 is disposed on the surface of the IGBT 101.

ＩＧＢＴ１０１が動作する際、ＯＮ損失やスイッチング損失によってＩＧＢＴ１０１が発熱するが、ＯＮ損失やスイッチング損失はＩＧＢＴ１０１の表面のエミッタ電極１００７電極の付近で多く発生する。以下の説明では、エミッタ電極１００７が設けられていて発熱が大きい領域を活性領域と呼ぶ。したがって、活性領域はＩＧＢＴセル１００１が設けられた領域と一致し、図２において、太線で囲んだ領域３０１となる。 When the IGBT 101 operates, the IGBT 101 generates heat due to ON loss and switching loss, but many ON loss and switching loss occur near the emitter electrode 1007 electrode on the surface of the IGBT 101. In the following description, a region where the emitter electrode 1007 is provided and heat is generated is called an active region. Therefore, the active region coincides with the region in which the IGBT cell 1001 is provided, and becomes a region 301 surrounded by a thick line in FIG.

上述のように、ＩＧＢＴ１０１の温度変化はセンサダイオード３０２によって検出される。具体的には、センサダイオード３０２の順方向に定電流を流した際の電圧降下が温度に依存するという性質を利用してＩＧＢＴ１０１の温度変化を検出する。図２に示すように、本実施の形態の半導体装置では、活性領域３０１の中央近傍、換言すると圧接用ヒートスプレッダ３０４の略中央直下にセンサダイオード３０２が設けられている。すなわち、センサダイオード３０２は、その周囲が、少なくともその周囲の３方がＩＧＢＴセル１００１で囲われた状態となっている。 As described above, the temperature change of the IGBT 101 is detected by the sensor diode 302. Specifically, the temperature change of the IGBT 101 is detected by utilizing the property that the voltage drop when a constant current flows in the forward direction of the sensor diode 302 depends on the temperature. As shown in FIG. 2, in the semiconductor device of the present embodiment, a sensor diode 302 is provided in the vicinity of the center of the active region 301, in other words, directly below the center of the pressure heat spreader 304. That is, the sensor diode 302 is surrounded by at least three sides of the sensor diode 302 by the IGBT cell 1001.

なお、上述のように、温度センサハーネス３０３が配設されるため、温度センサハーネス３０３が接続されるセンサダイオード３０２の近傍の周囲にはＩＧＢＴセル１００１が設けられていないが、ＩＧＢＴ１０１の温度変化を感度よく検出するためには、センサダイオード３０２の周囲でＩＧＢＴセル１００１が設けられていない部分は少ない方が望ましい。たとえば、本実施の形態の半導体装置では、図２に示すように、センサダイオード３０２が設けられた略方形の領域の３方がＩＧＢＴセル１００１で囲われた状態となっている。 Since the temperature sensor harness 303 is provided as described above, the IGBT cell 1001 is not provided around the sensor diode 302 to which the temperature sensor harness 303 is connected. In order to detect with high sensitivity, it is desirable that the portion where the IGBT cell 1001 is not provided around the sensor diode 302 is small. For example, in the semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 2, three sides of a substantially rectangular region where the sensor diode 302 is provided are surrounded by the IGBT cell 1001.

このように、本実施の形態の半導体装置では、センサダイオード３０２が周囲をＩＧＢＴセル１００１で囲われた状態となっているので、ＩＧＢＴ１０１の温度変化を感度よく検出できる。図５は、ＩＧＢＴ１０１の活性領域３０１に所定の損失を与えた場合のＩＧＢＴ１０１内の最大温度とセンサダイオード３０２で検出される温度の応答を熱解析シミュレーションにより求めたグラフである。 Thus, in the semiconductor device of the present embodiment, since the sensor diode 302 is surrounded by the IGBT cell 1001, a temperature change of the IGBT 101 can be detected with high sensitivity. FIG. 5 is a graph obtained by thermal analysis simulation of the response between the maximum temperature in the IGBT 101 and the temperature detected by the sensor diode 302 when a predetermined loss is given to the active region 301 of the IGBT 101.

また、図６は、図７に示すようにセンサダイオード２０８を活性領域２０３の外に設けた従来の半導体装置について、活性領域２０３に所定の損失を与えた場合のＩＧＢＴ２０２の中央部の温度とセンサダイオード２０８で検出される温度の応答を熱解析シミュレーションにより求めたグラフである。通常、ＩＧＢＴ２０２において最大温度となる箇所は、熱干渉の影響により、活性領域２０３の中央部となる。なお、図７において、２１３は圧接用ヒートスプレッダである。従来のＩＧＢＴ２０２では、センサダイオード２０８の一辺だけが活性領域２０３に面しているだけであり、また、他の方向にはパッド２０７，２１０が設けられているので、ＩＧＢＴ２０２の発熱に対する応答性が悪い。 FIG. 6 shows the temperature and the sensor at the center of the IGBT 202 when a predetermined loss is given to the active region 203 in the conventional semiconductor device in which the sensor diode 208 is provided outside the active region 203 as shown in FIG. It is the graph which calculated | required the response of the temperature detected with the diode 208 by thermal analysis simulation. Usually, the location where the maximum temperature is in the IGBT 202 is the central portion of the active region 203 due to the influence of thermal interference. In FIG. 7, reference numeral 213 denotes a heat spreader for pressure welding. In the conventional IGBT 202, only one side of the sensor diode 208 faces the active region 203, and the pads 207 and 210 are provided in the other directions, so that the responsiveness to the heat generation of the IGBT 202 is poor. .

したがって、従来の半導体装置では、図６に示すように、時間経過につれて活性領域２０３の中央部の温度（最大温度）とセンサダイオード２０８で検出される温度との乖離が著しくなる。これに対して、本実施の形態の半導体装置では、図５に示すように、時間が経過しても、ＩＧＢＴ１０１内の最大温度とセンサダイオード３０２で検出される温度との乖離が少ない。すなわち、センサダイオード３０２で検出される温度は、ＩＧＢＴ１０１の温度変化に対する応答性がよい。また、センサダイオード３０２を活性領域３０１の中央近傍に設けているので、最大温度とセンサダイオード３０２で検出される温度は、ＩＧＢＴ１０１内の最大温度により近づく。 Therefore, in the conventional semiconductor device, as shown in FIG. 6, the difference between the temperature (maximum temperature) of the central portion of the active region 203 and the temperature detected by the sensor diode 208 becomes significant as time elapses. On the other hand, in the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIG. 5, even if time elapses, the difference between the maximum temperature in the IGBT 101 and the temperature detected by the sensor diode 302 is small. That is, the temperature detected by the sensor diode 302 has good responsiveness to the temperature change of the IGBT 101. In addition, since the sensor diode 302 is provided near the center of the active region 301, the maximum temperature and the temperature detected by the sensor diode 302 are closer to the maximum temperature in the IGBT 101.

上述した第１の実施の形態の半導体装置では、次の作用効果を奏する。
（１）周囲がＩＧＢＴセル１００１で囲われるようにセンサダイオード３０２を配設するように構成したので、センサダイオード３０２で検出される温度に関して、活性領域３０１の発熱によるＩＧＢＴ１０１の温度変化に対する応答性を向上できる。これにより、センサダイオード３０２で検出される温度に基づいてＩＧＢＴ１０１の温度上昇保護を行う際に、従来の半導体装置のように不必要な熱的なマージンをとる必要がないので、ＩＧＢＴ１０１の性能を十分に引き出すことができる。 The semiconductor device of the first embodiment described above has the following operational effects.
(1) Since the sensor diode 302 is arranged so that the periphery is surrounded by the IGBT cell 1001, with respect to the temperature detected by the sensor diode 302, the responsiveness to the temperature change of the IGBT 101 due to heat generation of the active region 301 is achieved. It can be improved. As a result, when the temperature rise protection of the IGBT 101 is performed based on the temperature detected by the sensor diode 302, it is not necessary to take an unnecessary thermal margin as in the conventional semiconductor device, so that the performance of the IGBT 101 is sufficient. Can be pulled out.

（２）温度センサハーネス３０３が接続されるセンサダイオード３０２の近傍を除き、センサダイオード３０２の周囲にはＩＧＢＴセル１００１が設けられるように構成した。すなわち、センサダイオード３０２が、その周囲の少なくとも３方をＩＧＢＴセル１００１で囲まれるように構成した。これにより、センサダイオード３０２の周囲をできる限り活性領域３０１で囲うことができるので、活性領域３０１からの発熱を受け易くなるとともに、活性領域３０１ではない領域への熱伝達を少なくできるので、センサダイオード３０２で検出される温度がＩＧＢＴ１０１内の温度により近づくことになる。したがって、ＩＧＢＴ１０１を温度上昇から適切に保護できる。 (2) Except for the vicinity of the sensor diode 302 to which the temperature sensor harness 303 is connected, an IGBT cell 1001 is provided around the sensor diode 302. That is, the sensor diode 302 is configured to be surrounded by the IGBT cell 1001 in at least three sides around the sensor diode 302. Accordingly, since the sensor diode 302 can be surrounded by the active region 301 as much as possible, it is easy to receive heat from the active region 301 and heat transfer to a region other than the active region 301 can be reduced. The temperature detected at 302 becomes closer to the temperature in the IGBT 101. Therefore, the IGBT 101 can be appropriately protected from the temperature rise.

（３）圧接用ヒートスプレッダ３０４の下面側に溝部３０５を設け、センサダイオード３０２を圧接用ヒートスプレッダ３０４で押圧しないようにした上で、ＩＧＢＴ１０１が圧接用ヒートスプレッダ３０４で圧接される領域内にセンサダイオード３０２を設けるように構成した。これにより、センサダイオード３０２を活性領域３０１の中央近傍に設けることができるので、センサダイオード３０２で検出される温度がＩＧＢＴ１０１内の最大温度により近づくことになる。したがって、センサダイオード３０２で検出される温度に基づいてＩＧＢＴ１０１の温度上昇保護を行うことで、ＩＧＢＴ１０１の温度上昇保護に対する信頼性を向上できる。 (3) The groove portion 305 is provided on the lower surface side of the pressure heat spreader 304 so that the sensor diode 302 is not pressed by the pressure heat spreader 304, and the sensor diode 302 is placed in the region where the IGBT 101 is pressed by the pressure heat spreader 304. It comprised so that it might provide. Thereby, since the sensor diode 302 can be provided in the vicinity of the center of the active region 301, the temperature detected by the sensor diode 302 becomes closer to the maximum temperature in the IGBT 101. Therefore, by performing the temperature rise protection of the IGBT 101 based on the temperature detected by the sensor diode 302, the reliability of the IGBT 101 with respect to the temperature rise protection can be improved.

−−−第２の実施の形態−−−
図８，９を参照して、本発明による半導体装置の第２の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。図８は、ＩＧＢＴ１２１およびＦＷＤ１１１についての平面図である。ＩＧＢＴ１２１ではセンサダイオード３０２は、圧接用ヒートスプレッダ３０４で圧接される領域外に設けられて、その周囲が活性領域４０１で囲われている。 --- Second Embodiment ---
A second embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the following description, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and different points will be mainly described. Points that are not particularly described are the same as those in the first embodiment. FIG. 8 is a plan view of the IGBT 121 and the FWD 111. In the IGBT 121, the sensor diode 302 is provided outside the area pressed by the pressure heat spreader 304, and the periphery thereof is surrounded by the active area 401.

センサダイオード３０２は、温度センスアノードパッド２０７および温度センスカソードバッド２１０が設けられた方向に面した一辺を除いて他の３辺が活性領域４０１に隣接するように設けられている。このため、センサダイオード３０２は、上述した第１の実施の形態と同様に、周囲の活性領域４０１からの発熱を受けやすく、各パッド２０７，２１０などとは隣接していないため、冷却されにくくなる。したがって、ＩＧＢＴ１２１の温度変化を感度よく検出できる。 The sensor diode 302 is provided such that the other three sides are adjacent to the active region 401 except for one side facing the direction in which the temperature sense anode pad 207 and the temperature sense cathode pad 210 are provided. For this reason, the sensor diode 302 is likely to receive heat from the surrounding active region 401 and is not adjacent to the pads 207, 210, etc., as in the first embodiment described above, and thus is difficult to be cooled. . Therefore, the temperature change of the IGBT 121 can be detected with high sensitivity.

図９は、ＩＧＢＴ１２１の活性領域４０１に所定の損失を与えた場合のＩＧＢＴ１２１の中央部の温度とセンサダイオード３０２で検出される温度の応答を熱解析シミュレーションにより求めたグラフである。上述した従来の半導体装置における熱解析シミュレーション結果のグラフ（図６）と比較すると、本実施の形態の半導体装置では、時間が経過しても、ＩＧＢＴ１２１の中央部の温度とセンサダイオード３０２で検出される温度との乖離が少ない。 FIG. 9 is a graph obtained by thermal analysis simulation of the response between the temperature at the center of the IGBT 121 and the temperature detected by the sensor diode 302 when a predetermined loss is given to the active region 401 of the IGBT 121. Compared to the graph (FIG. 6) of the thermal analysis simulation result in the conventional semiconductor device described above, in the semiconductor device of the present embodiment, the temperature at the center portion of the IGBT 121 and the sensor diode 302 are detected even if time passes. There is little deviation from the temperature.

特に、温度上昇開始直後の初期段階では、ＩＧＢＴ１２１の中央部の温度とセンサダイオード３０２とがよく一致する。これは、上述したようにセンサダイオード３０２が周囲の活性領域４０１からの発熱を受けやすく、かつ、冷却されにくくなっていることに加えて、センサダイオード３０２およびその周囲の活性領域４０１が圧接用ヒートスプレッダ２１３の熱容量による影響を受けにくくなっているからである。 In particular, in the initial stage immediately after the start of the temperature rise, the temperature at the center of the IGBT 121 and the sensor diode 302 agree well. This is because, as described above, the sensor diode 302 easily receives heat from the surrounding active region 401 and is not easily cooled. In addition, the sensor diode 302 and the surrounding active region 401 are pressed against heat spreaders. This is because it is less affected by the heat capacity of 213.

すなわち、ＩＧＢＴ１２１における電力が変動する際、ＩＧＢＴ１２１内で最大温度となるＩＧＢＴ１２１の中央部近傍は、圧接用ヒートスプレッダ２１３の熱容量の影響で温度上昇が緩やかとなるが、センサダイオード３０２およびその周囲の活性領域４０１は、圧接用ヒートスプレッダ２１３の熱容量による影響を受けにくいため温度上昇し易い。このため、定常状態では温度差が生じてしまうが、過渡状態ではＩＧＢＴ１２１内で最大温度とセンサダイオード３０２による検出温度とがよい一致を示す。 That is, when the power in the IGBT 121 fluctuates, the temperature rise in the vicinity of the central portion of the IGBT 121 that becomes the maximum temperature in the IGBT 121 is moderately affected by the heat capacity of the heat spreader 213 for pressure welding, but the sensor diode 302 and the surrounding active region The temperature 401 is not easily affected by the heat capacity of the heat spreader 213 for pressure welding, so the temperature is likely to rise. For this reason, a temperature difference occurs in the steady state, but in the transient state, the maximum temperature in the IGBT 121 agrees well with the temperature detected by the sensor diode 302.

上述した第２の実施の形態の半導体装置では、第１の実施の形態の作用効果に加えて次の作用効果を奏する。
（１）センサダイオード３０２を圧接用ヒートスプレッダ３０４で圧接される領域外に設けるとともに、その周囲が活性領域４０１で囲われるように構成した。これにより、センサダイオード３０２が周囲の活性領域４０１からの発熱を受けやすく、かつ、冷却されにくくなっていることに加えて、センサダイオード３０２およびその周囲の活性領域４０１が圧接用ヒートスプレッダ２１３の熱容量による影響を受けにくくなるので、過渡状態におけるＩＧＢＴ１２１内で最大温度とセンサダイオード３０２による検出温度とがよく一致する。したがって、負荷変動の激しい用途におけるＩＧＢＴ１２１の温度上昇保護を適切に行うことができる。 The semiconductor device according to the second embodiment described above has the following effects in addition to the effects of the first embodiment.
(1) The sensor diode 302 is provided outside the area pressed by the pressure heat spreader 304 and the periphery thereof is surrounded by the active area 401. As a result, the sensor diode 302 easily receives heat from the surrounding active region 401 and is not easily cooled. In addition, the sensor diode 302 and the surrounding active region 401 depend on the heat capacity of the heat spreader 213 for pressure welding. Since it becomes difficult to be influenced, the maximum temperature in the IGBT 121 in the transient state and the temperature detected by the sensor diode 302 agree well. Therefore, it is possible to appropriately protect the temperature rise of the IGBT 121 in an application where the load fluctuation is severe.

−−−変形例−−−
（１）第２の実施の形態では、図８に示したように、センサダイオード３０２が温度センスアノードパッド２０７および温度センスカソードバッド２１０が設けられた方向に面した一辺を除いて他の３辺が活性領域４０１に隣接するように設けられているが、本発明はこれに限定されない。たとえば、図１０〜１４に示すように、センサダイオード３０２が圧接用ヒートスプレッダ３０４で圧接される領域外に設けられて、センサダイオード３０２の周囲を活性領域で囲うように構成されていればよく、上述した作用効果と同様の作用効果を奏する。 ---- Modified example ---
(1) In the second embodiment, as shown in FIG. 8, the sensor diode 302 has three other sides except for one side facing the direction in which the temperature sense anode pad 207 and the temperature sense cathode pad 210 are provided. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIGS. 10 to 14, the sensor diode 302 may be provided outside the region to be pressed by the pressure heat spreader 304, and the sensor diode 302 may be surrounded by the active region. The same effect as the effect obtained.

すなわち、図１０，１１に示すように、活性領域５０１，６０１のうち、圧接用ヒートスプレッダ２１３で圧接されていない領域にセンサダイオード３０２を設けてセンサダイオード３０２の周囲３方が活性領域５０１，６０１で囲われるようにＩＧＢＴ１２２，１２３を構成する。そして、温度センサハーネス３０３を一旦温度センスアノードパッド２０７および温度センスカソードバッド２１０が設けられた方向とは異なる方向に引き出した後、各パッド２０７，２１０に向けて配設してもよい。 That is, as shown in FIGS. 10 and 11, the sensor diode 302 is provided in a region not pressed by the pressure heat spreader 213 in the active regions 501 and 601, and the three sides around the sensor diode 302 are the active regions 501 and 601. The IGBTs 122 and 123 are configured to be enclosed. Then, the temperature sensor harness 303 may be arranged toward the pads 207 and 210 after being pulled out in a direction different from the direction in which the temperature sense anode pad 207 and the temperature sense cathode pad 210 are provided.

図１２に示すように、温度センスアノードパッド２０７および温度センスカソードバッド２１０の間であって、圧接用ヒートスプレッダ２１３で圧接されていない領域にも活性領域７０１を設け、その領域にセンサダイオード３０２を設けてセンサダイオード３０２の周囲３方が活性領域７０１で囲われるようにＩＧＢＴ１２４を構成してもよい。 As shown in FIG. 12, an active region 701 is also provided in a region between the temperature sense anode pad 207 and the temperature sense cathode pad 210 that is not pressed by the pressure heat spreader 213, and a sensor diode 302 is provided in that region. The IGBT 124 may be configured so that the three sides around the sensor diode 302 are surrounded by the active region 701.

図１３に示すように、温度センスアノードパッド２０７および温度センスカソードバッド２１０の近傍にセンサダイオード３０２を配設し、センサダイオード３０２の周囲３方が活性領域８０１で囲われるようにＩＧＢＴ１２５を構成してもよい。また、図１４に示すように、センサダイオード３０２と温度センスアノードパッド２０７および温度センスカソードバッド２１０とを活性領域９０１で囲うようにＩＧＢＴ１２６を構成してもよい。この場合、センサダイオード３０２の周囲３方が活性領域９０１で囲われるように構成されていればよい。 As shown in FIG. 13, the sensor diode 302 is disposed in the vicinity of the temperature sense anode pad 207 and the temperature sense cathode pad 210, and the IGBT 125 is configured so that the three sides around the sensor diode 302 are surrounded by the active region 801. Also good. Further, as shown in FIG. 14, the IGBT 126 may be configured so that the sensor diode 302, the temperature sense anode pad 207, and the temperature sense cathode pad 210 are surrounded by an active region 901. In this case, the sensor diode 302 may be configured so that the three sides around the sensor diode 302 are surrounded by the active region 901.

なお、上述した従来の半導体装置（図６）や、第２の実施の形態の半導体装置（図８）、上述の変形例の半導体装置（図１０〜１４）における各ＩＧＢＴ近傍の断面は、図１５に示すとおりとなる。ここで、圧接用ヒートスプレッダ２１３には、第１の実施の形態の圧接用ヒートスプレッダ３０４とは異なり、溝部３０５は設けられていない。 The cross section of each of the IGBTs in the conventional semiconductor device (FIG. 6), the semiconductor device of the second embodiment (FIG. 8), and the semiconductor device of the above-described modification (FIGS. 10 to 14) is shown in FIG. As shown in FIG. Here, unlike the press-contact heat spreader 304 of the first embodiment, the press-contact heat spreader 213 is not provided with the groove portion 305.

（２）上述の説明では、各ＩＧＢＴ１０１，１２１〜１２６は直接圧接用ヒートスプレッダ２１３，３０４によって圧接されているが、本発明はこれに限定されない。たとえば図１６に示すように、各ＩＧＢＴ１０１，１２１〜１２６と圧接用ヒートスプレッダ２１３，３０４との間に応力緩衝材３３１を設け、各ＩＧＢＴ１０１，１２１〜１２６が応力緩衝材３３１を介して圧接されるように構成してもよい。なお、ＩＧＢＴ１０１に接する応力緩衝材３３１の下面側には、センサダイオード３０２および温度センサハーネス３０３を押圧しないように、溝部を設けることが望ましい。 (2) In the above description, the IGBTs 101 and 121 to 126 are pressed by the direct pressure heat spreaders 213 and 304, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 16, a stress buffer material 331 is provided between each IGBT 101, 121-126 and the pressure heat spreader 213, 304 so that each IGBT 101, 121-126 is pressure-contacted via the stress buffer material 331. You may comprise. In addition, it is desirable to provide a groove on the lower surface side of the stress buffer material 331 in contact with the IGBT 101 so as not to press the sensor diode 302 and the temperature sensor harness 303.

また、図１７に示すように、各ＩＧＢＴ１０１，１２１〜１２６とＰ極用ブスバー６ｃとの間に応力緩衝材３３２を設けることで、ハンダ６０２を用いず応力緩衝材３３２を介して各ＩＧＢＴ１０１，１２１〜１２６とＰ極用ブスバー６ｃとが圧接されるように構成してもよい。
（３）上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。 In addition, as shown in FIG. 17, by providing a stress buffer material 332 between each IGBT 101, 121 to 126 and the P pole bus bar 6 c, each IGBT 101, 121 is interposed via the stress buffer material 332 without using the solder 602. To 126 and the P pole bus bar 6c may be configured to be in pressure contact with each other.
(3) You may combine each embodiment and modification which were mentioned above, respectively.

以上の実施の形態および変形例において、たとえば、半導体チップはＩＧＢＴ１０１〜１０６，１２１〜１２６に、セルはＩＧＢＴセル１００１に、ダイオードはセンサダイオード３０２に、ハーネスは温度センサハーネス３０３にそれぞれ対応する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係になんら限定も拘束もされない。 In the above embodiments and modifications, for example, the semiconductor chip corresponds to the IGBTs 101 to 106, 121 to 126, the cell corresponds to the IGBT cell 1001, the diode corresponds to the sensor diode 302, and the harness corresponds to the temperature sensor harness 303. The above description is merely an example, and when interpreting the invention, there is no limitation or restriction on the correspondence between the items described in the above embodiment and the items described in the claims.

第１の実施の形態に係る半導体装置を示す図である。1 is a diagram illustrating a semiconductor device according to a first embodiment. ＩＧＢＴ１０１およびＦＷＤ１１１についての平面図である。It is a top view about IGBT101 and FWD111. 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。It is the III-III arrow line view of FIG. ＩＧＢＴ１０１のセル構造を模式的に表した図である。It is the figure which represented typically the cell structure of IGBT101. ＩＧＢＴ１０１内の最大温度とセンサダイオード３０２で検出される温度の応答を示すグラフである。3 is a graph showing a response between a maximum temperature in the IGBT 101 and a temperature detected by a sensor diode 302. 従来の半導体装置のＩＧＢＴ２０２の中央部の温度とセンサダイオード２０８で検出される温度の応答を示すグラフである。It is a graph which shows the response of the temperature detected by the sensor diode 208 with the temperature of the center part of IGBT202 of the conventional semiconductor device. 従来の半導体装置のＩＧＢＴ２０２およびＦＷＤ１１１についての平面図である。It is a top view about IGBT202 and FWD111 of the conventional semiconductor device. 第２の実施の形態のＩＧＢＴ１２１およびＦＷＤ１１１についての平面図である。It is a top view about IGBT121 and FWD111 of a 2nd embodiment. ＩＧＢＴ１２１の中央部の温度とセンサダイオード３０２で検出される温度の応答を示すグラフである。6 is a graph showing the response of the temperature at the center of the IGBT 121 and the temperature detected by the sensor diode 302. 変形例であるＩＧＢＴ１２２およびＦＷＤ１１１についての平面図である。It is a top view about IGBT122 and FWD111 which are modifications. 変形例であるＩＧＢＴ１２３およびＦＷＤ１１１についての平面図である。It is a top view about IGBT123 and FWD111 which are modifications. 変形例であるＩＧＢＴ１２４およびＦＷＤ１１１についての平面図である。It is a top view about IGBT124 and FWD111 which are modifications. 変形例であるＩＧＢＴ１２５およびＦＷＤ１１１についての平面図である。It is a top view about IGBT125 and FWD111 which are modifications. 変形例であるＩＧＢＴ１２６およびＦＷＤ１１１についての平面図である。It is a top view about IGBT126 and FWD111 which are modifications. ＩＧＢＴ２０２，１２１〜１２６の近傍の断面図である。It is sectional drawing of the vicinity of IGBT202, 121-126. 変形例についての、ＩＧＢＴ１０１，１２１〜１２６の近傍の断面図である。It is sectional drawing of the vicinity of IGBT101, 121-126 about a modification. 変形例についての、ＩＧＢＴ１０１，１２１〜１２６の近傍の断面図である。It is sectional drawing of the vicinity of IGBT101, 121-126 about a modification.

Explanation of symbols

１０１〜１０６，１２１〜１２６ＩＧＢＴ
１１１〜１１６フリーホイールダイオード（ＦＷＤ）
２０３、３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１，９０１活性領域
２１３，３０４圧接用ヒートスプレッダ
３０２センサダイオード
３０３温度センサハーネス
３０５溝部
１００１ＩＧＢＴセル 101-106, 121-126 IGBT
111-116 Freewheeling diode (FWD)
203, 301, 401, 501, 601, 701, 801, 901 Active region 213, 304 Pressure heat spreader 302 Sensor diode 303 Temperature sensor harness 305 Groove 1001 IGBT cell

Claims

In a pressure-contact type semiconductor device that holds a semiconductor chip in pressure contact,
A semiconductor device comprising: a diode for detecting a temperature of the semiconductor chip in a region surrounded by the cells of the semiconductor chip as viewed from the pressure-contact direction of the semiconductor chip.

In a pressure-contact type semiconductor device that holds a semiconductor chip in pressure contact,
A semiconductor device comprising a diode for detecting a temperature of the semiconductor chip in place of the cell in a part of a region where the cell of the semiconductor chip is provided.

The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The diode is surrounded by the cell except for a region necessary for disposing a harness connected to an anode and a cathode of the diode toward an outside of a region where the cell is provided. Semiconductor device.

The semiconductor device according to claim 1 or 2,
A semiconductor device, wherein the diode is provided in a region surrounded by the cells and closed.

The semiconductor device according to claim 1 or 2,
When it is assumed that the diode has a substantially square shape, the cell is provided in at least three directions of the square shape.

In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The semiconductor device is characterized in that the diode is provided in a region to be pressed.

In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The semiconductor device is characterized in that the diode is provided outside a region to be pressed.