JP2008198661A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、数十から数百Aの電流を通電する電力用半導体装置に関し、特に過電流を遮断する遮断機能の感度調整を行うことができる電力用半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a power semiconductor device that supplies a current of several tens to several hundreds A, and more particularly to a power semiconductor device capable of adjusting sensitivity of a cutoff function that cuts off an overcurrent.
電力用半導体装置は、電力用半導体素子のゲート電圧のオン・オフに応じて、数十から数百Aという大きな電流を通電・遮断する。即ち、電力用半導体装置は、小さなエネルギーの制御信号によって、大きなエネルギーの制御を行う。そして、電力用半導体素子は、一般にSi基板の表面に微細に作り込んだ構造を有し、電極間に電圧を印加してキャリアをコントロールするものである。従って、許容範囲外の電圧や電流が印加されて極端にエネルギー密度が高くなると、半導体素子の表面が破壊され、意図せずに電流が流れる可能性があるため、電流遮断が必要となる。 The power semiconductor device energizes and cuts off a large current of several tens to several hundreds of A depending on whether the gate voltage of the power semiconductor element is on or off. That is, the power semiconductor device performs large energy control by a small energy control signal. The power semiconductor element generally has a structure that is finely formed on the surface of the Si substrate, and controls carriers by applying a voltage between the electrodes. Therefore, if a voltage or current outside the allowable range is applied and the energy density becomes extremely high, the surface of the semiconductor element is destroyed and current may flow unintentionally, so that current interruption is necessary.
一般的な電流遮断の方策としては、ノーヒューズブレーカーやヒューズが挙げられる。しかし、これらは体積が大きいという問題がある。特に、自動車用の電力用半導体装置などでは、燃費効率の観点などから軽量化が求められている。これに対し、電力用半導体装置の電流遮断機能を小さな体積及びコストで実現するヒューズ機構が提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。このヒューズ機構は、過電流により金属線又は配線が溶断するものである。 Common current interruption measures include no-fuse breakers and fuses. However, there is a problem that these have a large volume. In particular, power semiconductor devices for automobiles and the like are required to be lightweight from the viewpoint of fuel efficiency. On the other hand, a fuse mechanism that realizes a current interrupting function of a power semiconductor device with a small volume and cost has been proposed (for example, see Patent Documents 1 and 2). In this fuse mechanism, a metal wire or wiring is melted by an overcurrent.
自動車が走行中に故障し、その後惰性で止まる場合に、車両の移動による車軸の回転が発電機で電力にエネルギー変換される。通常であれば、この電力は電池に回生する。しかし、例えばクラッチ機構などを持たず車軸に直結した発電機の場合、車両のパワエレシステムがダウンして電池への経路が遮断されると、エネルギーの持って行き先が無くなる。このため、予期せぬ大電流が無制御に電力用半導体装置に与えられ、過熱するなどの不具合が生じる可能性がある。このような時に電力用半導体装置と発電機との間を遮断する必要がある。 When an automobile breaks down while traveling and then stops due to inertia, the rotation of the axle caused by the movement of the vehicle is converted into electric power by the generator. Normally, this power is regenerated to the battery. However, for example, in the case of a generator that does not have a clutch mechanism or the like and is directly connected to the axle, when the vehicle power electronics system goes down and the path to the battery is cut off, there is no destination for energy. For this reason, an unexpectedly large current is applied to the power semiconductor device without control, and there is a possibility that problems such as overheating may occur. In such a case, it is necessary to interrupt between the power semiconductor device and the generator.
一方、通常動作領域の電流値であっても、パワエレシステムがダウンした場合には、同様にエネルギーの持って行き先が無く、電力用半導体装置の過熱が問題となる場合がある。このようにどの程度の電流値で遮断すべきかは状況によって異なるため、状況に応じて遮断機能の感度調整を行うことができれば安全性が高まる。しかし、従来の電力用半導体装置は遮断機能の感度調整を行うことはできなかった。 On the other hand, even if the current value is in the normal operation region, if the power electronics system goes down, there is no destination for energy, and overheating of the power semiconductor device may become a problem. As described above, the current value at which the current should be interrupted varies depending on the situation. Therefore, if the sensitivity adjustment of the interrupt function can be performed according to the situation, safety is improved. However, conventional power semiconductor devices cannot adjust the sensitivity of the cutoff function.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、過電流を遮断する遮断機能の感度調整を行うことができる電力用半導体装置を得るものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a power semiconductor device capable of adjusting the sensitivity of a blocking function for blocking an overcurrent.
本発明に係る電力用半導体装置は、電力用半導体素子と、電力用半導体素子に接続された第1配線導体と、電力を供給する第2配線導体と、第1配線導体と第2配線導体とを連結し、所定以上の温度で溶断する遮断導体と、遮断導体に熱を供給するヒーターと、遮断導体を冷却するヒートシンクと、ヒートシンクに冷媒を供給する冷媒供給手段と、ヒーターへの通電を制御し、冷媒供給手段による冷媒の供給量を制御する制御手段とを備えている。 A power semiconductor device according to the present invention includes a power semiconductor element, a first wiring conductor connected to the power semiconductor element, a second wiring conductor that supplies power, a first wiring conductor, and a second wiring conductor. And a heater that supplies heat to the interrupting conductor, a heat sink that cools the interrupting conductor, a refrigerant supply means that supplies refrigerant to the heat sink, and control of energization to the heater And a control means for controlling the amount of refrigerant supplied by the refrigerant supply means.
本発明により、過電流を遮断する遮断機能の感度調整を行うことができる。 According to the present invention, it is possible to adjust the sensitivity of the interruption function for interrupting overcurrent.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置を示す断面図である。例えば銅からなるヒートスプレッダ11が、例えばエポキシ樹脂からなる絶縁シート12を介して、ヒートシンク13上に搭載されている。ヒートスプレッダ11上に、IGBT等の電力用半導体素子14が半田接合されている。電力用半導体素子14は、アルミニウムワイヤ15によりリードフレーム16と接続されている。これらのヒートスプレッダ11等は、トランスファーモールド法を用いて、例えばエポキシ樹脂からなるモールド樹脂17で封止されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a sectional view showing a power semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. For example, a
第1配線導体21は、リードフレーム16にネジにより連結されている。従って、第1配線導体21は、リードフレーム16及びアルミニウムワイヤ15を介して電力用半導体素子14に接続されている。第1配線導体21と第2配線導体22とは遮断導体23により連結されている。第2配線導体22は、遮断導体23、第1配線導体21及びリードフレーム16を介して、外部の電力源(不図示)からの電力を電力用半導体素子14に供給する。
The
ここで、第1配線導体21,第2配線導体22は、例えば厚み1mm程度のCu又はCu合金からなる。遮断導体23は、第1配線導体21や第2配線導体22よりも融点の低いSn,半田,Zn,Alなどの低融点材料からなり、所定以上の温度で溶断する。遮断導体23は、遮断性能を確保するために細長い形状とするのが好ましい。また、図のように、断面積の小さい部分を設けることで遮断導体23の遮断性能が向上する。
Here, the
遮断導体23が溶融すると、表面エネルギーを小さくするように、第1配線導体21,第2配線導体22にそれぞれ接する2つの球に近い形状に分断される。これにより、第1配線導体21と第2配線導体22とが遮断される。従って、遮断が容易となるように、遮断導体23の体積の1/2の球の直径が第1配線導体21と第2配線導体22の間の距離よりも小さくなるようにするのが好ましい。
When the blocking
ヒートシンク13上に基板24が搭載されている。基板24の材料として、例えばエポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂やPPS(ポリフェニレンサルファイド)を所定の形に成型した板や、マイカ紙、ポリイミドシートなど、耐熱性と絶縁性を有する材料が用いられる。端子台25は、耐熱性を有する絶縁性の樹脂からなり、ヒートシンク13に接着、かしめ、ねじ止めなどで固定されている。第1配線導体21と第2配線導体22は、接着やネジ固定などにより基板24上に固着され、端子台25に内包されたナットにネジで締結されている。遮断導体23は基板24に直接接するように配置されている。
A
遮断導体23に熱を供給するヒーター26が、遮断導体23に近接して設けられている。ヒーター26としては、セラミックヒーターなどの平坦面を有するヒーターを用いるのが好ましい。平坦面を有するヒーターであれば遮断導体23に対する熱抵抗を小さくすることができるため、不必要に発熱量を大きくしなくても確実に遮断導体23を溶融させることができる。また、ヒーター26は遮断導体23に直接接してもよいし、絶縁性の被膜などを介して接していてもよい。ただし、遮断導体23が溶融した後に第1配線導体21と第2配線導体22との間の絶縁性を保つために、ヒーター26の遮断導体23と接する面は少なくとも絶縁性の材料で構成されるか又は絶縁性の被覆で覆われている必要がある。
A
また、ヒーター26は、遮断導体23に対してヒートシンク13とは反対側に配置されている。これにより、遮断導体23を基板24上に直接配置して放熱性を確保することができる。ただし、ヒーター26を遮断導体23よりもヒートシンク13側に配置することもできる。この場合、遮断導体23からヒーター26を通ってヒートシンク13へ放熱される。そこで、放熱性を確保するために、ヒーター26の材料として熱伝導率が例えば10W/mK以上の良熱伝導性の材料を用いる。
Further, the
冷媒供給手段27は、ヒートシンク13に冷却水や冷却風などの冷媒を供給する。制御手段28は、ヒーター26への通電を制御し、冷媒供給手段27による冷媒の供給量を制御する。
The coolant supply means 27 supplies coolant such as cooling water and cooling air to the
次に、上記の構成を有する電力用半導体装置の動作について説明する。まず、遮断機能の感度を上げる場合、制御手段28は、ヒーター26に通電し、かつ冷媒供給手段27による冷媒の供給量を絞るか又は冷媒の供給をストップさせる。これにより、遮断導体23は加熱されるため、定格電流以下でも溶断される。一方、遮断機能の感度を下げる場合、制御手段28は、ヒーター26に通電せず、かつ冷媒供給手段27による冷媒の供給量を増やす。これにより、遮断導体23は冷却されるため、大きな電流が流れても溶断され難い。このように、本実施の形態に係る電力用半導体装置は、過電流を遮断する遮断機能の感度調整を行うことができる。
Next, the operation of the power semiconductor device having the above configuration will be described. First, when increasing the sensitivity of the blocking function, the
また、本実施の形態によれば、抵抗値が小さい遮断導体23でも遮断することができる。逆に言うと、抵抗値が小さい遮断導体23を用いることができるため、遮断機構の体積を小さくすることができる。また、一般的に電力用半導体装置には電力用半導体素子14を冷やすためのヒートシンク13が設けられている。従って、このヒートシンク13を遮断導体23を冷やすのに流用すれば、本実施の形態を実現するためのコストの増加を抑えることができる。
Moreover, according to this Embodiment, it can interrupt | block also with the interruption | blocking
実施の形態2.
図2は、本発明の実施の形態2に係る電力用半導体装置を示す断面図である。実施の形態1と同様の構成については説明を省略し、実施の形態1と異なる構成について説明する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 2 is a sectional view showing a power semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. A description of the same configuration as that of the first embodiment will be omitted, and a configuration different from that of the first embodiment will be described.
遮断導体23及びヒーター26が、例えばエポキシ樹脂やポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂などのモールド樹脂31で一括封止されている。遮断導体23は、モールド樹脂31の表面から露出しているか、又は0.1mm程度の薄皮を介して表面に近接して配置されている。モールド樹脂31の中に配線パターンを細く波打たせるようにヒーター26を形成している。
The blocking
このように遮断機構をユニット型とすることで、遮断機構の取り付け性が増し、かつ小型軽量化が可能となった。 Thus, by making the shut-off mechanism a unit type, the mountability of the shut-off mechanism is increased, and the size and weight can be reduced.
また、遮断導体23がモールド樹脂31の表面から露出しているか又は表面に近接して配置されていることで、溶融した遮断導体23はモールド樹脂31の外部空間へ流出する。このため、第1配線導体21と第2配線導体22を遮断するための空隙を形成することができる。
Further, since the blocking
ヒーター26は、フレームと異なる厚みの部材で構成されているが、適切な抵抗値を実現できるのであればフレームの一部で構成してもよい。
The
遮断導体23の断面積を不必要に大きくしないために、遮断導体23からヒートシンク13への放熱性を確保する必要がある。そこで、ICなどで一般的に用いられる0.7W/mK程度の熱伝導率を有するモールド樹脂31よりも、シリカなどのフィラーの含有率を大きくして3W/mK程度の熱伝導率を有するモールド樹脂31を用いるのが好ましい。
In order not to unnecessarily increase the cross-sectional area of the blocking
なお、遮断導体23を熱伝導グリスなどでヒートシンク13に密着させることで、遮断導体23の温度上昇特性を安定化することができる。
In addition, the temperature rise characteristic of the interruption | blocking
実施の形態3.
図3は、本発明の実施の形態3に係る電力用半導体装置を示す断面図であり、図4は、本発明の実施の形態3に係る遮断機構を示す平面図である。実施の形態1と同様の構成については説明を省略し、実施の形態1と異なる構成について説明する。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a power semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a plan view showing a blocking mechanism according to the third embodiment of the present invention. A description of the same configuration as that of the first embodiment will be omitted, and a configuration different from that of the first embodiment will be described.
ヒーター26は、遮断導体23に対して絶縁性と熱伝導性を両立する距離で垂直方向にオーバーラップして配置され、ヒーター電極33を介して制御手段28に接続されている。遮断導体23及びヒーター26が、例えばエポキシ樹脂やポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂などのモールド樹脂31で一括封止されている。
The
遮断導体23とヒートシンク13との間のモールド樹脂31の厚さは0.3mm以上1mm以下である。この部分の厚さを0.3mm以上とすることで、ピンホールやボイドなどによる不良発生を防いで絶縁性を確保することができ、かつ生産に不都合のない厚みのモールド樹脂31を底面側に確保することができる。一方、この部分の厚さを1mm以下とすることで、遮断導体23からヒートシンク13への放熱性が向上するため、遮断導体23の抵抗値の選択可能範囲が増大する。
The thickness of the
モールド樹脂31には、遮断導体23上に0.1mm程度の薄皮を残して凹部32が設けられている。これにより、溶融した遮断導体23はモールド樹脂31の外部空間へ流出する。このため、第1配線導体21と第2配線導体22を遮断するための空隙を形成することができる。なお、凹部32の上方に絶縁性を確保する必要のある部材はなく、ピンホールなどがあっても構わないため、凹部32上のモールド樹脂31は更に薄くてもよい。
The
実施の形態4.
図5は、本発明の実施の形態4に係る電力用半導体装置を示す断面図である。図示のように、電力用半導体素子14、ヒーター26及び遮断導体23がモールド樹脂34で一括封止されている。即ち、樹脂封止型パワーモジュールの一部に遮断機構及びヒーターを内蔵している。その他の構成は実施の形態2又は3と同様である。これにより、実施の形態2又は3と同様の効果を奏する他、電力用半導体装置の組み立て性が向上し、小型・軽量・低コスト化することができる。特に、図示のようにモールド樹脂34がヒーター26の下に回りこむことで、基板が不要となり低コストとなる。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 5 is a sectional view showing a power semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. As illustrated, the
13 ヒートシンク
14 電力用半導体素子
21 第1配線導体
22 第2配線導体
23 遮断導体
26 ヒーター
27 冷媒供給手段
28 制御手段
31,34 モールド樹脂
32 凹部
13
Claims (4)
前記電力用半導体素子に接続された第1配線導体と、
電力を供給する第2配線導体と、
前記第1配線導体と前記第2配線導体とを連結し、所定以上の温度で溶断する遮断導体と、
前記遮断導体に熱を供給するヒーターと、
前記遮断導体を冷却するヒートシンクと、
前記ヒートシンクに冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記ヒーターへの通電を制御し、前記冷媒供給手段による冷媒の供給量を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする電力用半導体装置。 A power semiconductor element;
A first wiring conductor connected to the power semiconductor element;
A second wiring conductor for supplying power;
A blocking conductor that connects the first wiring conductor and the second wiring conductor and melts at a predetermined temperature or more;
A heater for supplying heat to the blocking conductor;
A heat sink for cooling the blocking conductor;
Refrigerant supply means for supplying refrigerant to the heat sink;
A power semiconductor device comprising: control means for controlling energization to the heater and controlling the amount of refrigerant supplied by the refrigerant supply means.
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