JP2007123644A - Power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、平滑コンデンサとしてセラミックコンデンサを用いた電力半導体装置、特に電気自動車、ハイブリッド自動車、アイドリングストップ車において制御装置として搭載される電力半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a power semiconductor device using a ceramic capacitor as a smoothing capacitor, and more particularly to a power semiconductor device mounted as a control device in an electric vehicle, a hybrid vehicle, and an idling stop vehicle.
近年、地球温暖化防止を背景にCO2の排出量削減が求められ、環境を配慮した、インバータ等の電力半導体装置の開発が進められている。特に、車載向けの電力半導体装置に対し、エンジンルームの高温、高湿といった厳しい環境下であるにも関わらず、高品質、高信頼性が要求され、さらには、エンジンルームといった限られたスペースに搭載するため、小型化が要求されている。 In recent years, reduction of CO 2 emissions has been demanded against the background of global warming prevention, and development of power semiconductor devices such as inverters considering the environment has been promoted. In particular, in-vehicle power semiconductor devices require high quality and high reliability in spite of the harsh environment such as high temperature and high humidity in the engine room. Miniaturization is required for mounting.
インバータ等の電力半導体装置において、スイッチングを行うとき、直流電源の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がりを平滑にするために、平滑コンデンサを用いる。この平滑コンデンサとしては、十分に大きな静電容量が必要となるため、一般的には、アルミ電解コンデンサが用いられている。 When switching is performed in a power semiconductor device such as an inverter, a smoothing capacitor is used in order to suppress voltage fluctuation of the DC power source and smooth the voltage jump. As this smoothing capacitor, an aluminum electrolytic capacitor is generally used because a sufficiently large capacitance is required.
しかしながら、このアルミ電解コンデンサは、サイズ(体積)が大きく、電力半導体装置の小型化には適していなかった。 However, this aluminum electrolytic capacitor has a large size (volume) and is not suitable for miniaturization of a power semiconductor device.
平滑コンデンサとして、セラミックコンデンサを用いると、電力半導体装置を大幅に小型化できるのであるが、セラミックコンデンサは、構造上、短絡破壊故障モードを有しており、また、アルミ電解コンデンサやフィルムコンデンサと異なり、保護機構が備わっていない。 If a ceramic capacitor is used as the smoothing capacitor, the power semiconductor device can be greatly reduced in size, but the ceramic capacitor has a short-circuit failure mode due to its structure, and unlike an aluminum electrolytic capacitor or film capacitor. There is no protection mechanism.
そこで、例えば、特許文献1に開示されているように、電力半導体装置の信頼性を高めるために、複数のヒューズを並列接続して設ける。 Therefore, for example, as disclosed in Patent Document 1, in order to increase the reliability of the power semiconductor device, a plurality of fuses are provided in parallel connection.
一般に、高電圧、大電流を扱うパワーエレクトロニクス回路に対応した、高圧ヒューズを使用しているのが現状であり、半導体装置の保護機構として、高価なヒューズを用いざるを得なかった。 In general, high-voltage fuses corresponding to power electronics circuits that handle high voltages and large currents are currently used, and expensive fuses have to be used as a protection mechanism for semiconductor devices.
また、そのヒューズは、信頼性が低く、また、バスバー等の配線接続部で接続されるため、組立性、生産性を悪化させていた。 In addition, the fuse has low reliability and is connected by a wiring connection portion such as a bus bar, so that the assemblability and productivity are deteriorated.
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、平滑コンデンサとしてセラミックコンデンサを採用することにより小型化され、かつ、組立性、生産性がよく、信頼性の高い電力半導体装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and is reduced in size by adopting a ceramic capacitor as a smoothing capacitor, and has good assembling and productivity, and highly reliable power. An object is to provide a semiconductor device.
本発明に係る電力半導体装置は、直流から交流または交流から直流への電力変換を行う半導体素子を備えた回路と、直流電源出力を平滑するための平滑コンデンサと、上記半導体素子の電力変換を制御する制御回路部と、上記回路に過電流が流れた際に上記半導体素子及び平滑コンデンサを保護する保護機構とを備えた電力半導体装置において、
上記平滑コンデンサは、セラミックコンデンサであり、
上記保護機構は、上記回路に過電流が流れたときに溶融し断線するエレメントと上記エレメントの両端に設けられた電極部とを備え、
上記回路の配線が、放熱機能を備えたベース板上に形成され、
上記半導体素子、平滑コンデンサ及び保護機構の電極部は、上記ベース板上に形成された回路の配線に接合部材で接合されているものである。
A power semiconductor device according to the present invention controls a circuit including a semiconductor element that performs power conversion from direct current to alternating current or from alternating current to direct current, a smoothing capacitor for smoothing a DC power supply output, and controls power conversion of the semiconductor element. A power semiconductor device comprising: a control circuit unit that protects the semiconductor element and a smoothing capacitor when an overcurrent flows in the circuit;
The smoothing capacitor is a ceramic capacitor,
The protection mechanism includes an element that melts and breaks when an overcurrent flows through the circuit, and electrode portions that are provided at both ends of the element.
The circuit wiring is formed on a base plate having a heat dissipation function,
The semiconductor element, the smoothing capacitor, and the electrode portion of the protection mechanism are joined to a circuit wiring formed on the base plate by a joining member.
本発明に係る電力半導体装置によれば、平滑コンデンサとしてセラミックコンデンサを採用することにより小型化され、かつ、組立性、生産性がよく、信頼性の高い電力半導体装置を提供することができる。 According to the power semiconductor device of the present invention, it is possible to provide a highly reliable power semiconductor device that is miniaturized by adopting a ceramic capacitor as a smoothing capacitor and that has good assembling and productivity.
以下、本発明に係る電子機器装置について、図を用いて好適な実施の形態を説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明に係る電力半導体装置の実施の形態1を示す断面図である。本実施の形態1の電力半導体装置は、Cuパターン5aによる配線回路に電気的に接続された半導体素子1、平滑コンデンサ2及び保護機構3、外部と接続する入力端子4a及び出力端子4b、入力端子4a及び出力端子4bと接続され、配線回路と入力端子4a及び出力端子4bとを電気的に接続するバスバー11、これらが搭載、実装された金属基板5、半導体素子1を制御するための制御回路部6、金属基板5と制御回路部6と入出力端子4を一体化した筐体7、金属ベース板5cの裏面にグリース層8を介して取り付けられた放熱器9を備えている。
Hereinafter, preferred embodiments of an electronic device apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a power semiconductor device according to the present invention. The power semiconductor device according to the first embodiment includes a semiconductor element 1, a
半導体素子1は、例えば、スイッチングを行うMOSFETを用いることができるが、MOSFETに限定するものでなく、例えば、IGBT、トランジスタ等を用いてもよい。本実施の形態1において、半導体素子1の形状は、ディスクリート形状となっているが、ベアチップ、もしくは上アーム、下アームが一対となって樹脂等により一体化されたパワーモジュールでもよい。 For example, a MOSFET that performs switching can be used as the semiconductor element 1. However, the semiconductor element 1 is not limited to the MOSFET, and may be an IGBT, a transistor, or the like. In the first embodiment, the shape of the semiconductor element 1 is a discrete shape, but it may be a bare chip or a power module in which a pair of upper and lower arms are integrated with resin or the like.
半導体素子1、平滑コンデンサ2、保護機構3をはじめとした電子部品が搭載された金属基板5は、上層から順にCuパターン(配線)5a、絶縁層5b、厚さ2〜3mm程のアルミニウム(Al)または銅(Cu)といった良好な熱伝導性を有した金属ベース板5cを備えた放熱性の高いものであり、半導体素子1、平滑コンデンサ2、保護機構3の熱は金属基板5から放熱器9に拡散され、放熱、冷却される。このように、半導体素子1、平滑コンデンサ2、保護機構3は、はんだ15により金属基板5のCuパターン(配線)5aに接合され、バスバー11を介して入力端子4a及び出力端子4bへと電気的に接続されている。
A
また、マイコン、メモリ等の電子部品が搭載された駆動回路、電源回路から構成された半導体素子1のスイッチング制御を行うための制御回路部6が、金属基板5のCuパターン(配線)5aと電気的に接続されている。
In addition, a control circuit unit 6 for performing switching control of the semiconductor element 1 composed of a drive circuit and a power supply circuit on which electronic components such as a microcomputer and a memory are mounted is electrically connected to the Cu pattern (wiring) 5 a of the
入力端子4a及び出力端子4b、入力端子4a及び出力端子4bに接続されたバスバー11及び金属基板5が、PPSやPBTにて一体成形された筐体7に取り付けられ、入力端子4a及び出力端子4bを介して外部の負荷、直流電源と電気的接続ができるようになっている。
An
電力半導体装置等のパワーエレクトロニクス回路では、大電流を扱い、発熱量も大きくなるため、放熱、冷却能力が要求される。そこで金属基板5の金属ベース板5cをグリース層8を介して放熱器9に取り付けている。放熱器9は、複数のフィンを有し、風により空冷されるもの、あるいは冷却水通路が設けられ水冷されるものなどが用いられる。
Power electronics circuits such as power semiconductor devices handle large currents and generate large amounts of heat, so heat dissipation and cooling capabilities are required. Therefore, the
放熱器9と対向する側には、防塵、防水性の役割を担うカバー10を筐体7を蓋するように設ける。
On the side facing the radiator 9, a
図2は、本実施の形態1の電力半導体装置における動作を説明するための概略回路図である。電力半導体装置14は、U相、V相、W相を構成する半導体素子1、半導体素子1を制御する制御回路部6によって構成され、直流電源13を三相交流に変換し、三相交流モータ等の交流負荷12を駆動する回路構成となっており、直流電源13からの電流を、半導体素子1にて、各U相、V相、W相とからなる三相交流に変換して、交流負荷12を駆動させる。また、回生により、交流負荷12の三相交流を直流に変換して直流電源13に戻している。
FIG. 2 is a schematic circuit diagram for explaining the operation of the power semiconductor device according to the first embodiment. The
保護機構3は、平滑コンデンサ2と直列に接続され、保護機構3及び平滑コンデンサ2はU相、V相、W相と並列に接続されている。
The
本実施の形態1の電力半導体装置においては、平滑コンデンサ2としてセラミックコンデンサを採用し、回路上に組み込むことで、電力半導体装置の小型化を実現している。
In the power semiconductor device according to the first embodiment, a ceramic capacitor is employed as the
セラミックコンデンサは、構造上、製造する過程の中で、不良率が高く、また故障率も大きい上に、アルミ電解コンデンサやフィルムコンデンサのように保護機構が備わっていないという問題がある。この問題を解決するために、回路上に新たに保護機構3を配設し、セラミックコンデンサに短絡故障が生じると、本回路においては、数百〜1200A程度の電流が流れ、保護機構3が作動して半導体素子1及びセラミックコンデンサの破壊が阻止されることが実験により確認されている。
Ceramic capacitors have a problem in that they have a high defect rate and a high failure rate in the manufacturing process, and do not have a protective mechanism like an aluminum electrolytic capacitor or a film capacitor. In order to solve this problem, when a
図3は、本実施の形態1における保護機構3の断面図、図4は、本実施の形態1における保護機構3の平面図である。図3及び図4に示したように、保護機構3は、エレメント3a及び電極部3bが同一の導電部材から構成されている。電極部3bが、金属基板5の配線部であるCuパターン(配線)5aと接合部材であるはんだ15で接合されている。
3 is a cross-sectional view of the
このように、保護機構3を配線に接合することにより、セラミックコンデンサが短絡故障し、急激な過電流が回路内を流れても、保護機構3のエレメント3aが、即座に溶融し、断線することによって、セラミックコンデンサあるいは電力半導体装置1内部において、破壊、焼損、発煙、発火といった事態が発生するのを未然に防ぐことができる。
In this way, by joining the
また、電極部3bが、金属基板5の配線部であるCuパターン(配線)5aと接合部材であるはんだ15で接合され、かつ、金属基板5の絶縁層5bの熱伝導率は凡そ1.5〜2.5W/mkと良好であるので、定常状態においてはエレメント3a及び電極部3bで発生したジュール熱が電極部3bから放熱機能(放熱器9)を備えた金属ベース板5cに放熱されエレメント3aが溶断しないようにし、かつ、接合部材であるはんだ15が溶融しないようにすることができ、過電流がエレメント3aに流れたときに過電流によるジュール熱により溶断するようにできるので電力半導体装置を信頼性の高いものとすることができる。また、保護機構3を、半導体素子1、平滑コンデンサの実装と同時に実装することができるので、組立性がよくなり、生産性が向上する。
The
また、絶縁層5bの弾性率を凡そ100〜1000MPaとし、金属基板5の低弾性率化を図ることにより、例えば、エンジンルームといった高温度の厳しい環境下においても、電極部3bにおける構造的な高い信頼性が得られ、かつ、電気的特性及び十分な放熱性を維持することができる。また、生産性も向上する。
Further, the elastic modulus of the insulating
また、エレメント3a及び電極部3bを同一の導電部材から構成することにより、保護機構を簡単な構造とし、金型を用いたプレス等により製造することができるので、量産性のよいものにすることができる。
In addition, since the
また、エレメント3aは、断面の一辺の長さが、おおよそ0.1mm〜2.0mmといった細線形状であるのに対して、電極部3bの実装面積は、定常時、エレメント3aで発生したジュール熱をはんだ15で接合された電極部3bを介して金属基板5へ放熱させるために可能な限り大きくするのが好ましい。
The
また、エレメント3aは同一長でかつ複数の細線を並列に配設した構成とすることにより、エレメント3aを短くすることができ、ひいては、電力半導体装置を小型化することができる。
In addition, since the
また、エレメント3aが複数個の細線を並列配設したものとすることにより、電流を分散しはんだ15の温度上昇を抑えることができる。
Further, by providing the
エレメント3aにおける細線の並列数は、保護機能としての溶断特性に依存する。つまり、エレメント3aにおける細線の並列数、細線の長さ、細線の断面積と、溶断特性とは、厳密な関係があるので、エレメント3aの抵抗と流れる電流からジュール熱を計算し、細線の並列数を求める。一例として、図4には、エレメント3aにおける細線の並列数を3個とした場合を示したが、エレメント3aにおける細線の数は1個の場合もある。
The number of parallel thin wires in the
保護機構3の小型化を行うためには、例えば、エレメント3aの長さを短くし、断面積を小さくする、または、エレメント3aの長さを短くし、かつ複数個の細線を並列配設する。
In order to reduce the size of the
本実施の形態1においては、保護機構3は、おおよそ100〜2000Aの大きな過電流に対し、おおよそ1s以内(100ms程度)にて断線、溶断させる必要があり、かつ定常時において、おおよそ50A以下の電流に対し、エレメント3aを断線、溶断させないという条件を満たさなければならない。また、電極部3bと金属基板5との接合部分、すなわち、はんだ15が、エレメント3aや電極部3bで発熱した熱影響を受けて溶融しないように、はんだ15の温度上昇を抑える必要があるので、既に述べたように、保護機構3の電極部3bを放熱機能を備えた金属基板5の配線部に接合する。
In the first embodiment, the
一般に、保護機構あるいはヒューズは、エレメント中央部において極細にしており、エレメント中央部を極細にした場合は、大きな過電流に対し、おおよそ1s以内(100ms程度)にて断線、溶断させ、かつ定常時において、おおよそ50A以下の電流に対し、エレメント3aを溶融、断線させないという条件を満すように形状寸法を設定するのが困難になるが、本実施の形態1においては、電極部3b間におけるエレメント3aの長さ方向の断面積を一様にし、また、エレメント3aが複数個の細線から構成されるものにおいて細線の長さも同一としているので、形状寸法の設定が容易になる。
In general, the protection mechanism or fuse is extremely thin at the center of the element. When the center of the element is extremely thin, it is disconnected or melted within about 1 s (about 100 ms) against a large overcurrent, and at steady state. However, in the first embodiment, it is difficult to set the shape and dimension so as to satisfy the condition that the
電力半導体装置の過電流における保護機構3の溶断特性は、一定以上の長さになると、長さに関らず、略同一の溶断時間となることが実験よりわかった。図5は、ニッケル(Ni)からなるエレメント2aの断面積0.2mm×0.25mm、長さを5mm、10mm、20mmとしたときの溶断時間と溶断電流との関係を示す図である。図5の結果から、30Aの溶断電流で見た場合、C:20mm、B:10mmでは長さに関係なく溶断時間が100msとなっており、長さの影響は無視できる。したがって、エレメント3aの長さは20mmといった不要に長くする必要はなく、10mm以下とすればよい。
Experiments have shown that the fusing characteristics of the
同一導電性材料からなる保護機構の材料として、ニッケル(Ni)またはアルミニウム(Al)を用いるのが好ましい。Ni及びAlは、温度が上がるにつれて抵抗率が大きくなる。つまり、定常時においては温度が低く、抵抗率が小さく、ジュール熱の発生は小さくて、溶融、断線することはない。過電流が流れると温度上昇により抵抗率が大きくなり、急激に大きいジュール熱が発生して温度上昇し、即座に溶融、断線させることができるので、電力半導体装置に最も適している。 It is preferable to use nickel (Ni) or aluminum (Al) as the material of the protection mechanism made of the same conductive material. Ni and Al increase in resistivity as the temperature increases. That is, in a steady state, the temperature is low, the resistivity is small, the generation of Joule heat is small, and it does not melt or break. When an overcurrent flows, the resistivity increases due to a temperature rise, and a large Joule heat is generated and the temperature rises, so that it can be melted and disconnected instantly, which is most suitable for a power semiconductor device.
また、保護機構3において、特に、金属基板5への接合部分である電極部3bにSn、はんだ等のめっきを施すことにより、はんだ15の濡れ性を改善することができる。
In the
また、電極部3bと金属基板5の配線部との接合は、はんだ15に限らず、はんだ15に代えて導電性を有する接着性樹脂を使用することもできる。
Further, the bonding between the
実施の形態2.
図6は、本発明に係る電力半導体装置の実施の形態2を説明するための断面図であり、保護機構の構造を示している。本実施の形態2は、保護機構を除く部分は実施の形態1と同様であり、上記実施の形態1と相違する点は保護機構の構造である。
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the power semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, and shows the structure of the protection mechanism. The second embodiment is the same as the first embodiment except for the protection mechanism, and the difference from the first embodiment is the structure of the protection mechanism.
図6に示したように、本実施の形態2における保護機構3のエレメント3aは曲線状になっており、エレメント3aの長さを直線状の場合同じとするのに、電極部3b間の距離を短くして保護機構3の小型化を図ることができる。
As shown in FIG. 6, the
また、エレメント3aを曲線状とすることによって、図示のように、限られた電極部3b間の空間を有効活用して上下方向にエレメント3aの細線を配設し、必要十分なエレメント3aの長さを確保することができ、保護機構3の小型化を図ることができる。
Further, by making the
実施の形態3.
図7は、本発明に係る電力半導体装置の実施の形態3を説明するための断面図であり、保護機構の構造を示している。本実施の形態3は、保護機構を除く部分は実施の形態1と同様であり、上記実施の形態1と相違する点は保護機構の構造である。
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a third embodiment of the power semiconductor device according to the present invention, and shows the structure of the protection mechanism. The third embodiment is the same as the first embodiment except for the protection mechanism, and the difference from the first embodiment is the structure of the protection mechanism.
図7に示したように、本実施の形態3における保護機構3は、少なくともエレメント3aが、樹脂、難燃性の材料等からなる絶縁材16で覆われている。
As shown in FIG. 7, in the
絶縁材16は、エレメント3a全体を覆う必要はなく、エレメント3aの一部、特にエレメント3aの中央部付近を覆うように設ければよい。
The insulating
本実施の形態3の保護機構3によれば、絶縁材16により高熱で溶融、断線したエレメント3aの破片が散乱、飛散するのを防止し、溶融、断線したエレメント3aが配線接続部、電子部品の電極等と接触するのを防止し、短絡、焼損、発煙等が生じないようにすることができる。
According to the
絶縁材16は、半導体素子1、平滑コンデンサ2、保護機構3をはじめとした電子部品を金属基板5に実装した後、樹脂をポッティングする等の方法で形成することができ、この形成方法により、生産性を向上させることができる。
The insulating
実施の形態4.
図8は、本発明に係る電力半導体装置の実施の形態4を説明するための断面図であり、保護機構の構造を示している。本実施の形態4は、保護機構を除く部分は実施の形態1と同様である。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a power semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention and shows the structure of the protection mechanism. The fourth embodiment is the same as the first embodiment except for the protection mechanism.
上記実施の形態1と相違する点は保護機構の構造である。図8に示したように、本実施の形態4における保護機構3は、少なくともエレメント3aがシールド板17で覆われている。
The difference from the first embodiment is the structure of the protection mechanism. As shown in FIG. 8, in the
シールド板17は、エレメント3a全体を覆う必要はなく、エレメント3aの一部、特にエレメント3aの中央部付近を覆うように設ければよい。
The
本実施の形態4の保護機構3によれば、シールド板17により、高熱で溶融、断線したエレメント3aの破片が散乱、飛散するのを防止し、溶融、断線したエレメント3aが配線接続部、電子部品の電極と接触するのを防止し、短絡、焼損、発煙等が生じないようにすることができる。
According to the
発明に係る電力半導体装置は、電気自動車、ハイブリッド自動車、アイドリングストップ車等に搭載される回転電機の制御装置として有効に利用できる。 The power semiconductor device according to the invention can be effectively used as a control device for a rotating electrical machine mounted on an electric vehicle, a hybrid vehicle, an idling stop vehicle, or the like.
1 半導体素子、2 平滑コンデンサ、3 保護機構、3a エレメント、
3b 電極部、4 入出力端子、4a 入力端子、4b 出力端子、5 金属基板、
5a Cuパターン、5b 絶縁層、5c 金属ベース板、6 制御回路部、7 筐体、8 グリース層、9 放熱器、10 カバー、11 バスバー、12 交流負荷、
13 直流電源、14 電力半導体装置、15 はんだ、16 絶縁材、
17 シールド板。
1 semiconductor element, 2 smoothing capacitor, 3 protection mechanism, 3a element,
3b electrode part, 4 input / output terminal, 4a input terminal, 4b output terminal, 5 metal substrate,
5a Cu pattern, 5b insulating layer, 5c metal base plate, 6 control circuit section, 7 housing, 8 grease layer, 9 radiator, 10 cover, 11 bus bar, 12 AC load,
13 DC power supply, 14 Power semiconductor device, 15 Solder, 16 Insulating material,
17 Shield plate.
Claims (9)
上記平滑コンデンサは、セラミックコンデンサであり、
上記保護機構は、上記回路に過電流が流れたときに溶融し断線するエレメントと上記エレメントの両端に設けられた電極部とを備え、
上記回路の配線が、放熱機能を備えたベース板上に形成され、
上記半導体素子、平滑コンデンサ及び保護機構の電極部は、上記ベース板上に形成された回路の配線に接合部材で接合されていることを特徴とする電力半導体装置。 A circuit including a semiconductor element for performing power conversion from direct current to alternating current or alternating current to direct current, a smoothing capacitor for smoothing a DC power supply output, a control circuit unit for controlling power conversion of the semiconductor element, and the circuit In a power semiconductor device comprising a protection mechanism for protecting the semiconductor element and the smoothing capacitor when an overcurrent flows,
The smoothing capacitor is a ceramic capacitor,
The protection mechanism includes an element that melts and breaks when an overcurrent flows through the circuit, and electrode portions that are provided at both ends of the element.
The circuit wiring is formed on a base plate having a heat dissipation function,
The power semiconductor device, wherein the semiconductor element, the smoothing capacitor, and the electrode portion of the protection mechanism are joined to a circuit wiring formed on the base plate by a joining member.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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