JP2013205293A - 温度検出装置及び温度検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の温度を精度良く検出することができる温度検出装置等を提供する。
【解決手段】本発明に係る温度検出装置１は、基板２の上面に実装された半導体素子３と、半導体素子３の下方の基板２の内部に設けられ、半導体素子３の温度を検出する温度センサ４とを具備する。また、基板２は、半導体素子３に電流を供給する電流経路１１と、温度センサ４に電流を供給するアナログ信号ライン１２とを具備し、電流経路１１とアナログ信号ライン１２は略直交する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、車両に搭載される電源供給装置を構成する回路基板上に備えられた温度検出装置及び温度検出方法に関し、特にパワーＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴ等の電力制御用半導体素子の温度を精度良く検出することができる温度検出装置及び温度検出方法に関する。

従来から、電流センシング用半導体素子の温度依存性を補償する温特補償や、過電流等に起因する過度な発熱からパワーＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴ等電力制御用の半導体素子を過熱から保護する過熱保護のために、回路基板に温度センサを設けて、半導体素子の周辺環境温度や半導体素子自身の温度を検出する方法がよく知られている。例えば、車両の電源供給装置に搭載されている電力制御用半導体素子（以下、パワーデバイスという）では、モータロック等過負荷時やショート時に過大な電流が流れるので、発熱する。過度な発熱はパワーデバイスの破壊や、制御系への熱伝達により制御系の故障や特性悪化の要因となる。そこで、パワーデバイスを実装する回路基板の特定位置の温度をサーミスタ等の温度センサで検出し、検出結果に応じて作動する過熱保護機能を設けている。

例えば、特許文献１では、回路基板上の複数の半導体素子間の配線パターン（パワーライン）を熱伝導経路として兼用し、面実装タイプの温度センサを配線パターン（熱伝導経路）上に配置するようにしていた。

特開２００５-２７８３４４号公報

しかし、特許文献１に係る発明では、そもそも配線パターンの温度を測定している。半導体素子と温度センサの距離が離れているため、半導体素子の温度を精度良く検出できないという問題点があった。また、面実装タイプの温度センサとしては長形チップタイプが主流であるが、同一の回路基板上に配置された半導体素子へより近接な配置を求めると、パワーラインと平行なラインが発生するため、大電流ノイズ、カップリング（クロストーク）等のノイズの影響受けやすいという問題があった。面実装タイプの半導体素子の温度を測定するたには回路基板裏面に配置するという手段があるが、部品搭載面が表裏となるため、半導体素子との温度差が発生し、温度を精度よく検出できないという問題があった。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、半導体素子の温度を精度良く検出することができる温度検出装置及び温度検出方法を提供することを目的とする。さらに、電流経路の影響を受けやすい温度センサの配置においても、ノイズの影響を受けにくい温度検出装置及び温度検出方法を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために、第１の発明は、基板の上面に実装された半導体素子と、前記半導体素子の下方の前記基板の内部に設けられ、前記半導体素子の温度を検出する温度センサと、を具備することを特徴とする温度検出装置である。

また、前記温度センサが、前記半導体素子の近傍に設けられるようにしてもよい。

また、前記基板は、部品内蔵多層回路基板であってもよい。

また、前記基板は、前記半導体素子に電流を供給する電流経路と、前記温度センサに電流を供給するアナログ信号ラインと、を具備し、前記電流経路と前記アナログ信号ラインが略直交するようにしてもよい。

また、前記基板は、前記半導体素子に電流を供給する電流経路と、前記温度センサから信号を出力するセンサ出力信号ラインと、を具備し、前記温度センサは、前記半導体素子の直下に配置され、前記センサ出力信号ラインは、前記電流経路と略直交するようにしてもよい。

また、前記温度センサは、前記半導体素子と同電位の金属で囲まれていてもよい。

また、前記金属は、前記半導体素子と接続された導体パターン又はスルーホールとして形成されるようにしてもよい。

第１の発明によれば、温度センサが半導体素子の下方の基板の内部に設けられるため、温度センサを半導体素子の近傍に配置することができ、半導体素子の温度を精度良く検出することが可能となる。

また、温度センサが、半導体素子の近傍に設けられるようにすれば、半導体素子の温度をさらに精度良く検出することが可能となる。

また、基板が、部品内蔵多層回路基板であれば、温度センサが半導体素子の下方の基板の内部に設けられることにより、半導体素子の温度検出の精度向上の効果が大きくなる。

また、基板が、半導体素子に電流を供給する電流経路と、温度センサに電流を供給するアナログ信号ラインと、を具備し、電流経路とアナログ信号ラインが略直交するようにすれば、電流経路とアナログ信号ラインの間でクロストークが発生するのを防止することができる。

また、基板が、半導体素子に電流を供給する電流経路と、温度センサから信号を出力するセンサ出力信号ラインと、を具備し、温度センサが、半導体素子の直下に配置され、センサ出力信号ラインが、電流経路と略直交するようにすれば、半導体素子の温度を精度良く検出することができ、電流経路とセンサ出力信号ラインの間でクロストークが発生するのを防止することが可能となる。

また、温度センサが、半導体素子と同電位の金属で囲まれていれば、温度センサも半導体素子と熱的にほぼ同等となり、半導体素子の温度をさらに精度良く検出することが可能となる。

また、金属が、半導体素子と接続された導体パターン又はスルーホールとして形成されるようにすれば、半導体素子と温度センサを熱的にほぼ同等にすることができ、半導体素子の温度をさらに精度良く検出することが可能となる。

第２の発明は、基板の上面に半導体素子を実装するステップと、前記半導体素子の下方の前記基板の内部に温度センサを設けるステップと、前記温度センサにより前記半導体素子の温度を検出するステップと、を含むことを特徴とする温度検出方法である。

第２の発明によれば、温度センサが半導体素子の下方の基板の内部に設けられるため、温度センサを半導体素子の近傍に配置することができ、半導体素子の温度を精度良く検出することが可能となる。

本発明により、半導体素子の温度を精度良く検出することができる温度検出装置及び温度検出方法を提供することができる。

第１の実施の形態に係る温度検出装置の構成例を示す図である。 第１の実施の形態に係る温度検出装置を含む回路の構成例を示す回路図である。 第２の実施の形態に係る温度検出装置の構成例を示す図である。 第３の実施の形態に係る温度検出装置の構成例を示す図である。 第３の実施の形態に係る温度検出装置を含む回路の構成例を示す回路図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本実施の形態に係る温度検出装置１の構成例を示す図である。図１（ａ）は、本実施の形態に係る温度検出装置１の断面図であり、図１（ｂ）は、本実施の形態に係る温度検出装置１の上面図である。なお、図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ断面を示している。

図１に示す温度検出装置１は、基板２、半導体素子３、温度センサ４、配線５、配線６、電流経路１１、アナログ信号ライン１２等を有する。

基板２は、回路基板であり、金属等からなる配線６が設けられている。また、本実施の形態では、基板２は、部品内蔵多層回路基板であり、配線６が基板２の上面や下面のほか、基板２の内部にも複数層に亘って設けられている。なお、図１においては図示していないが、基板２の内部には抵抗、コンデンサ等の受動素子や、ＭＯＳ−ＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor)等の能動素子が設けられているものとする。

基板２の上面には、半導体素子３が実装されており、配線５によって基板２の配線６に接続されている。半導体素子３は、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ等のスイッチング素子であり、駆動電源（図１において図示せず）から負荷（図１において図示せず）に供給される電流を制御する。なお、半導体素子３は、ＭＯＳ−ＦＥＴ以外のＦＥＴや、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体素子であってもよい。また、図１（ｂ）に示すように、半導体素子３には、半導体素子３に電流を供給する電流経路１１が接続されている。

半導体素子３の下方の基板２の内部には、温度センサ４が設けられている。温度センサ４は、例えば、ＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient)サーミスタ、ＮＴＣ(Negative
Temperature Coefficient)サーミスタ等の感温抵抗からなり、半導体素子３の温度を検出する。また、温度センサ４は、温度センサ４に電流を供給するアナログ信号ライン１２に接続されている。

温度センサ４は、半導体素子３の直下の基板２の内部に配置し、半導体素子３の近傍に設けるのが望ましい。これにより、基板２の下面等に温度センサを配置する場合よりも、精度良く半導体素子３の温度を検出することができる。

本実施の形態では、半導体素子３には、例えば、基板２の上面に形成された電流経路１１を介して電流が供給される。また、温度センサ４には、例えば、基板２の内部に形成されたアナログ信号ライン１２を介して電流が供給される。また、本実施の形態では、図１（ｂ）に示すように、電流経路１１とアナログ信号ライン１２が直交するようになっている。なお、アナログ信号ライン１２は、温度センサ４から信号を出力するセンサ出力信号ラインとしても機能する。

温度センサ４を半導体素子３が実装された基板２の上面に配置した場合、図１に示すような縦長の抵抗からなる一般的な温度センサ４では、最も半導体素子３に近接して配置しようとすると、電流経路１１とアナログ信号ライン１２の少なくとも一部が平行になる。また、電流経路１１とアナログ信号ライン１２を直交させようとすると、温度センサ４の重心が半導体素子３から離れてしまう。

プリント基板等の基板２では、静電誘導や電磁誘導によるクロストーク（誘導ノイズ）が発生するのを防止するため、信号レベルが高い電流経路１１を信号レベルの低いアナログ信号ライン１２と平行且つ近接して走らせないようにするのが望ましい。なお、電流経路１１とアナログ信号ライン１２が平行であっても、十分離れていれば問題がない。また、本実施の形態のように、電流経路１１とアナログ信号ラインが直交していれば、クロストークは無視することができる。

上記のように、温度センサ４を半導体素子３が実装された基板２の上面に配置した場合、温度センサ４を半導体素子３に近接して配置することと、電流経路１１とアナログ信号ライン１２を直交させることを両立することができない。しかし、本実施の形態に係る温度検出装置１では、半導体素子３が基板２の上面に実装され、半導体素子３の下方の基板２の内部に温度センサ４を設けるため、温度センサ４を半導体素子３に近接して配置することと、電流経路１１とアナログ信号ライン１２を直交させることを両立することができ、電流経路１１とアナログ信号ライン１２の間でクロストークが発生するのを防止することができる。

図２は、本実施の形態に係る温度検出装置１を含む回路の構成例を示す回路図である。

図２に示すように、温度検出装置１には、半導体素子３と温度センサ４が近接して配置されている。図２の例では、半導体素子３がＭＯＳ−ＦＥＴであり、半導体素子３のゲートが制御部２１に接続されている。また、半導体素子３のドレインには駆動電圧Ｖｂが供給され、半導体素子３のソースは負荷２４に接続されている。

温度センサ４には、定電圧のバイアス電源２３によってバイアス電圧Ｖｃｃが供給される。また、温度センサ４は、制御部２１に設けられた温度モニタ２２に接続されている。なお、温度センサ４と温度モニタ２２を接続する配線は、抵抗２５を介してグランドに接続されている。

図２に示す温度検出装置１、制御部２１、負荷２４等を含む回路は、例えば、自動車に搭載され、エンジン等の負荷２４を駆動する。制御部２１は、半導体素子３を制御して、負荷２４に供給される電流を制御する。温度モニタ２２は、温度センサ４により検出された半導体素子３の温度を感知し、半導体素子３の温度が過熱状態となった場合には、負荷２４に供給される電流を遮断し、半導体素子３を熱破壊から保護する。

本実施の形態に係る温度検出装置１では、温度センサ４が半導体素子３の下方の基板２の内部に設けられるため、温度センサ４を半導体素子３の近傍に配置することができ、半導体素子３の温度を精度良く検出することが可能となる。また、温度センサ４を半導体素子３の下方の基板２の内部に設けることで、温度センサ４を半導体素子３に近接して配置することと、電流経路１１とアナログ信号ライン１２を直交させることを両立することができ、電流経路１１とアナログ信号ライン１２の間でクロストークが発生するのを防止することができる。

また、本実施の形態に係る温度検出装置１では、温度センサ４が半導体素子３の下方の基板２の内部に設けられるため、基板２等を小型化することができ、また測定対象以外の外乱の影響を小さくすることができる。また、温度センサ４を半導体素子３に内蔵することで、基板２のレイアウトの自由度が高くなり、また温度センサ４にかかる応力が小さくなるため、半導体素子３の温度を精度良く検出することができる。

［第２の実施の形態］
図３は、本実施の形態に係る温度検出装置１ａの構成例を示す図である。なお、図３は、図１（ａ）と同様に、温度検出装置１の断面図である。また、本実施の形態に係る温度検出装置１ａは、以下に説明する点を除いて第１の実施の形態に係る温度検出装置１と同様であり、同じ構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態に係る温度検出装置１ａでは、基板２に、半導体素子３に接続され、半導体素子３と同電位の金属膜７が設けられている。金属膜７は、銅等の金属から構成されており、同じく銅等の金属からなる配線６と共に温度センサ４を囲むようになっている。なお、配線６の温度センサ４を囲む部分は、金属膜７と接続され、半導体素子３と同電位となっている。金属膜７は、例えば、銅箔等の導体パターンや金属メッキされたスルーホールから構成することができる。

本実施の形態に係る温度検出装置１ａでは、温度センサ４が、半導体素子３と同電位の金属で囲まれているため、温度センサ４も半導体素子３と熱的にほぼ同等となり、半導体素子３の温度をさらに精度良く検出することが可能となる。なお、その他の効果については、第１の実施の形態に係る温度検出装置１と同様である。

［第３の実施の形態］
図４は、本実施の形態に係る温度検出装置１ｂの構成例を示す図である。なお、図４は、図１（ｂ）と同様に、温度検出装置１の上面図である。また、本実施の形態に係る温度検出装置１ｂは、以下に説明する点を除いて第１の実施の形態に係る温度検出装置１と同様であり、同じ構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態に係る温度検出装置１ｂでは、基板２の上面に複数の半導体素子３が実装されている。また、それぞれの半導体素子３の下方の基板２の内部には、温度センサ４が設けられている。図４の例では、半導体素子３、温度センサ４がそれぞれ５個ずつ設けられている。

また、それぞれの半導体素子３には、半導体素子３に電流を供給する電流経路１１が接続されている。さらに、複数の温度センサ４は、温度センサ４に電流を供給する１本のアナログ信号ライン１２に直列に接続されている。

本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、電流経路１１とアナログ信号ライン１２が直交するようになっている。これにより、電流経路１１とアナログ信号ライン１２の間でクロストークが発生するのを防止することができる。

図５は、本実施の形態に係る温度検出装置１ｂを含む回路の構成例を示す回路図である。

図５に示すように、温度検出装置１ｂには、複数の半導体素子３と温度センサ４が近接して配置されている。図５の例では、半導体素子３がＭＯＳ−ＦＥＴであり、半導体素子３のゲートが制御部２１に接続されている。また、半導体素子３のドレインには駆動電圧Ｖｂが供給され、半導体素子３のソースは負荷２４に接続されている。

複数の温度センサ４には、定電圧のバイアス電源２３によってバイアス電圧Ｖｃｃが供給される。また、複数の温度センサ４は、制御部２１に設けられた温度モニタ２２に直列に接続されている。なお、温度センサ４と温度モニタ２２を接続する配線は、抵抗２５を介してグランドに接続されている。

制御部２１は、図２に示す回路と同様に半導体素子３を制御して、負荷２４に供給される電流を制御する。温度モニタ２２は、温度センサ４により検出された半導体素子３の温度を感知し、半導体素子３の温度が過熱状態となった場合には、負荷２４に供給される電流を遮断し、半導体素子３を熱破壊から保護する。

このとき、本実施の形態では、複数の半導体素子３の一部が過熱状態となった場合でも、複数の半導体素子３が全体的に過熱状態になった場合でも、負荷２４に供給される電流を遮断する。例えば、すべての温度センサ４の検出温度が７０℃以上になった場合に負荷２４に供給される電流を遮断するように設定し、どれか一つの温度センサ４の検出温度が８０℃以上になった場合にも負荷２４に供給される電流を遮断するように設定してもよい。

本実施の形態に係る温度検出装置１ｂでは、複数の半導体素子３の下方の基板２の内部に、それぞれ温度センサ４が設けられるため、温度センサ４を半導体素子３の近傍に配置することができ、半導体素子３の温度を精度良く検出することが可能となる。また、複数の半導体素子３の一部が過熱状態となった場合でも、複数の半導体素子３が全体的に過熱状態になった場合でも、負荷２４に供給される電流を遮断するようにすれば、複数の半導体素子３を適切に熱破壊から保護することができる。なお、その他の効果については、第１の実施の形態に係る温度検出装置１と同様である。

本願発明においては、パワーデバイスの温度を正確に検出するためには、パワーデバイスと温度センサの温度差がないことが重要な課題である。例えばパワーデバイス近傍に温度センサを配置し熱結合させることが望ましい。しかし、構造や配置の都合で近くに配置できない場合が多く、回路基板上では、電気的な絶縁性や配線の制約により近接して配置するのにも限界があった。そのため従来は、温度検出の（精度、確からしさ、誤差分）の余裕を考慮し、実際よりも低めに過熱保護動作温度を設定していた。

本願発明により、パワーデバイスと温度センサの温度差を低減することができる。これにより、パワーデバイスの許容電流値を増やすことができ、その結果、パワーデバイス、電源供給装置の小型化を実現することができる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る温度検出装置等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記の実施の形態では、電流経路１１とアナログ信号ライン１２が直交するものとしたが、電流経路１１とアナログ信号ライン１２は厳密に直交しなくてもよい。

１、１ａ、１ｂ………温度検出装置
２………基板
３………半導体素子
４………温度センサ
５………配線
６………配線
７………金属膜
１１………電流経路
１２………アナログ信号ライン
２１………制御部
２２………温度モニタ
２３………バイアス電源
２４………負荷
２５………抵抗

Claims (8)

1. 基板の上面に実装された半導体素子と、
   前記半導体素子の下方の前記基板の内部に設けられ、前記半導体素子の温度を検出する温度センサと、
   を具備することを特徴とする温度検出装置。
2. 前記温度センサは、前記半導体素子の近傍に設けられることを特徴とする請求項１に記載の温度検出装置。
3. 前記基板は、部品内蔵多層回路基板であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の温度検出装置。
4. 前記基板は、前記半導体素子に電流を供給する電流経路と、前記温度センサに電流を供給するアナログ信号ラインと、を具備し、
   前記電流経路と前記アナログ信号ラインは、略直交することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の温度検出装置。
5. 前記基板は、前記半導体素子に電流を供給する電流経路と、前記温度センサから信号を出力するセンサ出力信号ラインと、を具備し、
   前記温度センサは、前記半導体素子の直下に配置され、
   前記センサ出力信号ラインは、前記電流経路と略直交することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の温度検出装置。
6. 前記温度センサは、前記半導体素子と同電位の金属で囲まれていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載の温度検出装置。
7. 前記金属は、前記半導体素子と接続された導体パターン又はスルーホールとして形成されることを特徴とする請求項６に記載の温度検出装置。
8. 基板の上面に半導体素子を実装するステップと、
   前記半導体素子の下方の前記基板の内部に温度センサを設けるステップと、
   前記温度センサにより前記半導体素子の温度を検出するステップと、
   を含むことを特徴とする温度検出方法。

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