JP2016012670A - Semiconductor module - Google Patents

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加藤 信之
Nobuyuki Kato
信之 加藤
健治 小宮
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健治 小宮
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable detection of a part of a semiconductor substrate subjected to high temperature while achieving downsizing of a physical size in a semiconductor module capable of detecting temperature of the semiconductor substrate to higher temperature.SOLUTION: A semiconductor module comprises: a semiconductor device 14 which has a semiconductor substrate having an IGBT element 15 on which a gate electrode is formed on one surface side, and a plurality of gate pads 34a, 34b for external connection which are arranged on the one surface of the semiconductor substrate and connected to gate electrodes via gate wiring; and a gate drive circuit 18 for detecting temperature of the semiconductor substrate. The semiconductor device 14 includes a relay gate electrode for electrically relaying the two gate pads 34a, 34b as a gate electrode. The gate drive circuit 18 energizes the relay gate electrode via the two gate pads 34a, 34b and obtains temperature from resistance Rg between the gate pads in an energized state.

Description

本発明は、ゲート電極を有するスイッチング素子が形成された半導体基板を備え、半導体基板の温度を検出可能に構成された半導体モジュールに関する。   The present invention relates to a semiconductor module including a semiconductor substrate on which a switching element having a gate electrode is formed, and configured to detect the temperature of the semiconductor substrate.

ゲート電極を有するスイッチング素子が形成された半導体基板を備え、半導体基板(スイッチング素子)の温度を検出可能に構成された半導体モジュールとして、たとえば特許文献1に記載のものが知られている。   As a semiconductor module including a semiconductor substrate on which a switching element having a gate electrode is formed and configured to be able to detect the temperature of the semiconductor substrate (switching element), for example, one disclosed in Patent Document 1 is known.

特許文献1では、多結晶シリコンからなるゲート電極が、半導体基板の一面上に配置されている。ゲート電極と同じ層には、多結晶シリコンからなる測温抵抗体が配置されている。測温抵抗体の両端には、センスパッドが接続されている。   In Patent Document 1, a gate electrode made of polycrystalline silicon is arranged on one surface of a semiconductor substrate. A resistance temperature detector made of polycrystalline silicon is disposed in the same layer as the gate electrode. Sense pads are connected to both ends of the resistance temperature detector.

これによれば、センスパッド間に定電流を流してセンスパッド間に生じる電位差として測温抵抗体の抵抗値を測定する。そして、抵抗値の温度特性から、測定した抵抗値を温度に換算することで、半導体基板の温度を検出できるようになっている。   According to this, the resistance value of the resistance temperature detector is measured as a potential difference generated between the sense pads by passing a constant current between the sense pads. Then, the temperature of the semiconductor substrate can be detected by converting the measured resistance value into a temperature from the temperature characteristic of the resistance value.

また、測温抵抗体を用いるため、多結晶シリコンからなるダイオードよりも、高い温度まで使用することができる。   Further, since the resistance temperature detector is used, it can be used up to a higher temperature than a diode made of polycrystalline silicon.

特開2013−98316号公報JP 2013-98316 A

しかしながら、特許文献1の構成によれば、半導体基板の一面上において、スイッチング素子の形成領域(アクティブ領域)とは別の領域に測温抵抗体を配置しなければならないため、半導体基板の体格を小型化するのが困難である。   However, according to the configuration of Patent Document 1, the resistance thermometer must be arranged in a region different from the switching element formation region (active region) on one surface of the semiconductor substrate. It is difficult to downsize.

また、測温抵抗体はアクティブ領域の周辺に配置されるため、スイッチング素子の駆動により半導体基板において高温となる部分の温度を検出することができない。   In addition, since the resistance temperature detector is disposed around the active region, the temperature of the portion of the semiconductor substrate that is at a high temperature cannot be detected by driving the switching element.

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、より高温まで半導体基板の温度を検出可能な半導体モジュールにおいて、体格を小型化しつつ、半導体基板の高温となる部分の温度を検出できるようにすることを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, the present invention has an object to enable detection of the temperature of a portion of a semiconductor substrate at a high temperature while reducing the size of the semiconductor module in a semiconductor module capable of detecting the temperature of the semiconductor substrate up to a higher temperature. And

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。   The invention disclosed herein employs the following technical means to achieve the above object. Note that the reference numerals in parentheses described in the claims and in this section indicate a corresponding relationship with specific means described in the embodiments described later as one aspect, and limit the technical scope of the invention. Not what you want.

開示された発明のひとつは、一面(20a)側にゲート電極(27)が形成されたスイッチング素子(15)を有する半導体基板(20)と、半導体基板の一面上に配置され、ゲート配線(33)を介してゲート電極と接続された外部接続用の複数のゲートパッド(34)と、半導体基板の温度を検出する温度検出部(18)と、を備えている。   One of the disclosed inventions is a semiconductor substrate (20) having a switching element (15) in which a gate electrode (27) is formed on one side (20a), a gate wiring (33 ) And a plurality of external connection gate pads (34) connected to the gate electrode, and a temperature detection unit (18) for detecting the temperature of the semiconductor substrate.

そして、ゲート電極として、2つのゲートパッド(34a,34b)を電気的に中継する中継ゲート電極(27a)を含んでいる。温度検出部は、2つのゲートパッドを介して中継ゲート電極に通電するとともに、通電状態におけるゲートパッド間の抵抗値から温度を求めることを特徴とする。   And as a gate electrode, the relay gate electrode (27a) which electrically relays two gate pads (34a, 34b) is included. The temperature detector is characterized in that the relay gate electrode is energized through two gate pads and the temperature is obtained from the resistance value between the gate pads in the energized state.

これによれば、中継ゲート電極を、温度検出用の抵抗体として用いる。したがって、温度検出部により通電したときのゲートパッド間の抵抗値から、半導体基板(スイッチング素子)の温度を求める、すなわち、半導体基板の温度を検出することができる。   According to this, the relay gate electrode is used as a temperature detection resistor. Therefore, the temperature of the semiconductor substrate (switching element) can be obtained from the resistance value between the gate pads when energized by the temperature detector, that is, the temperature of the semiconductor substrate can be detected.

また、中継ゲート電極を、温度検出用の抵抗体として用いるため、多結晶シリコンからなるダイオードを採用する場合に較べて、より高温まで使用することができる。   Further, since the relay gate electrode is used as a temperature detection resistor, it can be used at a higher temperature than when a diode made of polycrystalline silicon is employed.

また、中継ゲート電極を、ゲート電極としてだけでなく、温度検出用の抵抗体としても用いるため、ゲート電極とは別に温度検出用の抵抗体を設ける構成に較べて、半導体基板の体格を小型化することができる。   In addition, since the relay gate electrode is used not only as a gate electrode but also as a temperature detection resistor, the size of the semiconductor substrate is reduced compared to a configuration in which a temperature detection resistor is provided separately from the gate electrode. can do.

ところで、チャネル抵抗が、スイッチング素子のオン抵抗の大部分を占めている。すなわち、チャネル部分が最も発熱する。本発明では、中継ゲート電極により温度を検出するため、チャネル部分の温度、すなわち、半導体基板において高温となる部分の温度を検出することができる。   Incidentally, the channel resistance occupies most of the on-resistance of the switching element. That is, the channel portion generates the most heat. In the present invention, since the temperature is detected by the relay gate electrode, the temperature of the channel portion, that is, the temperature of the high temperature portion of the semiconductor substrate can be detected.

第1実施形態に係る半導体モジュールの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the semiconductor module which concerns on 1st Embodiment. 半導体モジュールのうち、半導体装置の概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of a semiconductor device among semiconductor modules. 図2のIII-III線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the III-III line of FIG. ゲート駆動回路の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of a gate drive circuit. IGBT素子駆動時のゲート駆動回路に動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement to the gate drive circuit at the time of IGBT element drive. 温度測定方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the temperature measurement method. 温度測定方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the temperature measurement method. ゲート駆動回路の第1変形例を示す図である。It is a figure which shows the 1st modification of a gate drive circuit. ゲート駆動回路の第2変形例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd modification of a gate drive circuit. ゲート駆動回路の第3変形例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd modification of a gate drive circuit. 第2実施形態に係る半導体モジュールのうち、半導体装置の概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of a semiconductor device among the semiconductor modules which concern on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る半導体モジュールのうち、半導体装置の概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of a semiconductor device among the semiconductor modules which concern on 3rd Embodiment.

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の各図相互において互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。また、半導体基板20の厚み方向をZ方向と示す。また、Z方向に直交し、ゲート電極27の延設方向をX方向と示す。また、X方向及びZ方向の両方向に直交する方向をY方向と示す。また、X方向及びY方向により規定される面に沿う形状を平面形状と示す。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is provided to the part which is mutually the same or equivalent in each figure below. Further, the thickness direction of the semiconductor substrate 20 is indicated as a Z direction. Further, the extending direction of the gate electrode 27 is perpendicular to the Z direction and is indicated as the X direction. A direction perpendicular to both the X direction and the Z direction is referred to as a Y direction. A shape along a plane defined by the X direction and the Y direction is referred to as a planar shape.

(第1実施形態)
先ず、図1に基づき、半導体モジュールの概略構成について説明する。
(First embodiment)
First, a schematic configuration of the semiconductor module will be described with reference to FIG.

図1に示す半導体モジュール10(電力変換装置)は、直流電源100から供給される直流電圧を、三相交流に変換して、モータジェネレータ101(以下、MG101と示す)に出力するように構成されている。このような半導体モジュール10は、例えば電気自動車やハイブリッド車に搭載される。半導体モジュール10は、MG101により発電された電力を、直流に変換して直流電源100(バッテリ)に充電することもできる。なお、図1に示す符号102は、平滑コンデンサである。図1では、直流入力部として直流電源100のみを示しているが、それ以外に昇圧コンバータ等の電圧変換部を備えても良い。   A semiconductor module 10 (power converter) shown in FIG. 1 is configured to convert a DC voltage supplied from a DC power supply 100 into a three-phase AC and output it to a motor generator 101 (hereinafter referred to as MG101). ing. Such a semiconductor module 10 is mounted on, for example, an electric vehicle or a hybrid vehicle. The semiconductor module 10 can also convert the electric power generated by the MG 101 into a direct current and charge the direct current power supply 100 (battery). In addition, the code | symbol 102 shown in FIG. 1 is a smoothing capacitor. In FIG. 1, only the DC power supply 100 is shown as the DC input unit, but a voltage conversion unit such as a boost converter may be provided in addition thereto.

半導体モジュール10は、三相インバータ11を有している。三相インバータ11は、直流電源100の正極(高電位側)に接続された高電位電源ライン12と、負極(低電位側)に接続された低電位電源ライン13との間に設けられた三相分の上下アームを有している。そして、各相の上下アームは、2つの半導体装置14によって構成されている。   The semiconductor module 10 has a three-phase inverter 11. The three-phase inverter 11 is provided between a high-potential power line 12 connected to the positive electrode (high potential side) of the DC power supply 100 and a low-potential power line 13 connected to the negative electrode (low potential side). It has upper and lower arms for each phase. The upper and lower arms of each phase are constituted by two semiconductor devices 14.

半導体装置14は、スイッチング素子と、該スイッチング素子に逆並列に接続された還流用素子と、を備えている。本実施形態では、同一の半導体基板に、スイッチング素子としてのIGBT素子15と、還流用素子としてのFWD素子16が構成されている。このIGBT素子15が、特許請求の範囲に記載のスイッチング素子に相当し、FWD素子16が還流ダイオードに相当する。しかしながら、IGBT素子とFWD素子が別チップに構成されても良い。本実施形態では、nチャネル型のIGBT素子を採用している。FWD素子16のカソード電極は、IGBT素子15のコレクタ電極15cと共通化され、アノード電極はエミッタ電極15eと共通化されている。   The semiconductor device 14 includes a switching element and a reflux element connected to the switching element in antiparallel. In the present embodiment, an IGBT element 15 as a switching element and an FWD element 16 as a reflux element are configured on the same semiconductor substrate. The IGBT element 15 corresponds to a switching element described in the claims, and the FWD element 16 corresponds to a free-wheeling diode. However, the IGBT element and the FWD element may be configured in separate chips. In the present embodiment, an n-channel IGBT element is employed. The cathode electrode of the FWD element 16 is shared with the collector electrode 15c of the IGBT element 15, and the anode electrode is shared with the emitter electrode 15e.

上アーム側の半導体装置14において、IGBT素子15のコレクタ電極15cは、高電位電源ライン12と電気的に接続され、エミッタ電極15eは、MG101への出力ライン17に接続されている。下アーム側の半導体装置14において、IGBT素子15のコレクタ電極15cは、MG101への出力ライン17に接続され、エミッタ電極15eは、低電位電源ライン13と電気的に接続されている。   In the semiconductor device 14 on the upper arm side, the collector electrode 15 c of the IGBT element 15 is electrically connected to the high potential power supply line 12, and the emitter electrode 15 e is connected to the output line 17 to the MG 101. In the semiconductor device 14 on the lower arm side, the collector electrode 15 c of the IGBT element 15 is connected to the output line 17 to the MG 101, and the emitter electrode 15 e is electrically connected to the low potential power supply line 13.

また、半導体モジュール10は、ゲート駆動回路18を有している。ゲート駆動回路18は、図示しない外部の制御回路(たとえば、MGECU)からの制御指令に従って、三相インバータ11、すなわち各IGBT素子15を駆動するものである。ゲート駆動回路18は、駆動制御信号として、MG101が発生すべき駆動トルクに応じた信号をIGBT素子15のゲート電極15gに出力する。本実施形態では、このゲート駆動回路18が、IGBT素子15の構成された半導体基板の温度を検出する機能を有している。すなわち、ゲート駆動回路18が、特許請求の範囲に記載の温度検出部に相当する。   In addition, the semiconductor module 10 has a gate drive circuit 18. The gate drive circuit 18 drives the three-phase inverter 11, that is, each IGBT element 15, according to a control command from an external control circuit (for example, MGECU) (not shown). The gate drive circuit 18 outputs a signal corresponding to the drive torque to be generated by the MG 101 to the gate electrode 15g of the IGBT element 15 as a drive control signal. In the present embodiment, the gate drive circuit 18 has a function of detecting the temperature of the semiconductor substrate on which the IGBT element 15 is configured. That is, the gate drive circuit 18 corresponds to the temperature detection unit described in the claims.

次に、図2及び図3に基づき、半導体装置14の概略構成について説明する。なお、図2では、便宜上、エミッタ電極、保護膜、層間絶縁膜などを省略するとともに、アクティブ領域を破線で示している。図3は、図2のIII-III線の断面に対応している。   Next, a schematic configuration of the semiconductor device 14 will be described with reference to FIGS. In FIG. 2, for convenience, the emitter electrode, the protective film, the interlayer insulating film, and the like are omitted, and the active region is indicated by a broken line. FIG. 3 corresponds to a cross section taken along line III-III in FIG.

本実施形態では、一例として、パンチスルー型のIGBT素子15を示す。しかしながら、これに限定されず、ノンパンチスルー型や、フィールドストップ型などのIGBT素子15を採用することもできる。   In this embodiment, a punch-through type IGBT element 15 is shown as an example. However, the present invention is not limited to this, and a non-punch through type or field stop type IGBT element 15 can also be employed.

図2及び図3に示すように、半導体装置14は、半導体基板20を有しており、この半導体基板20のアクティブ領域21に、上記したIGBT素子15が構成されている。また、半導体基板20には、FWD素子16も内蔵されている。なお、アクティブ領域21は、複数のIGBTセルで構成されるIGBT素子15が配置され、主電流を導通させる領域である。このアクティブ領域21が、特許請求の範囲に記載のスイッチング素子形成領域に相当する。   As shown in FIGS. 2 and 3, the semiconductor device 14 includes a semiconductor substrate 20, and the IGBT element 15 described above is formed in the active region 21 of the semiconductor substrate 20. Further, the FWD element 16 is also built in the semiconductor substrate 20. The active region 21 is a region in which the IGBT element 15 composed of a plurality of IGBT cells is arranged and conducts the main current. The active region 21 corresponds to a switching element forming region described in the claims.

半導体基板20は、シリコンを材料として形成されており、Z方向において一面20a及び該一面20aと反対の裏面20bを有している。半導体基板20は、比較的不純物濃度が高い第1導電型(p+)の基板層22と、基板層22上にエピタキシャル結晶成長させた比較的不純物濃度の低い第2導電型(n−)のドリフト層23と、を有している。基板層22は、IGBT素子15のコレクタ領域として機能する。そして、基板層22におけるドリフト層23と反対の面が、裏面20bをなしている。なお、基板層22とドリフト層23の間に、比較的不純物濃度の高い第2導電型(n+)のバッファ層を有してもよい。   The semiconductor substrate 20 is formed using silicon as a material, and has one surface 20a and a back surface 20b opposite to the one surface 20a in the Z direction. The semiconductor substrate 20 includes a first conductivity type (p +) substrate layer 22 having a relatively high impurity concentration, and a second conductivity type (n−) drift having a relatively low impurity concentration that is epitaxially grown on the substrate layer 22. Layer 23. The substrate layer 22 functions as a collector region of the IGBT element 15. The surface of the substrate layer 22 opposite to the drift layer 23 forms the back surface 20b. Note that a second conductivity type (n +) buffer layer having a relatively high impurity concentration may be provided between the substrate layer 22 and the drift layer 23.

ドリフト層23における基板層22と反対の表層には、第1導電型(p)のベース領域24が選択的に形成されている。そして、半導体基板20の一面20a側からベース領域24を貫通し、先端がドリフト層23に到達するように、トレンチ25が所定深さを有して形成されている。トレンチ25の壁面には、ゲート絶縁膜26が配置されている。そして、ゲート絶縁膜26を介して、トレンチ25を埋めるように、多結晶シリコンからなるゲート電極27が形成されている。このように、本実施形態では、トレンチゲート型のIGBT素子15となっている。   A base region 24 of the first conductivity type (p) is selectively formed on the surface layer of the drift layer 23 opposite to the substrate layer 22. Then, a trench 25 is formed with a predetermined depth so as to penetrate the base region 24 from the one surface 20a side of the semiconductor substrate 20 and the tip reaches the drift layer 23. A gate insulating film 26 is disposed on the wall surface of the trench 25. A gate electrode 27 made of polycrystalline silicon is formed so as to fill the trench 25 via the gate insulating film 26. Thus, in this embodiment, the trench gate type IGBT element 15 is formed.

ゲート電極27(トレンチ25)は、図2に示すように、X方向に沿って延設されるとともに、複数本のゲート電極27がY方向に所定ピッチで並設されている。このようにゲート電極27をストライプ状に設けることで、アクティブ領域21に複数のIGBTセルが構成されている。   As shown in FIG. 2, the gate electrode 27 (trench 25) extends along the X direction, and a plurality of gate electrodes 27 are arranged in parallel at a predetermined pitch in the Y direction. By providing the gate electrodes 27 in a stripe shape in this way, a plurality of IGBT cells are formed in the active region 21.

ベース領域24の表層には、トレンチ構造のゲート電極27に隣接するように、比較的不純物濃度が高い第2導電型(n+)のエミッタ領域28が形成されている。また、ベース領域24の表層には、エミッタ領域28に隣接して、比較的不純物濃度が高い第1導電型(p+)のコンタクト領域29が形成されている。したがって、表層にエミッタ領域28及びコンタクト領域29が設けられている部分では、エミッタ領域28及びコンタクト領域29の表面が、半導体基板20の一面20aをなしている。   A second conductivity type (n +) emitter region 28 having a relatively high impurity concentration is formed in the surface layer of the base region 24 so as to be adjacent to the gate electrode 27 having a trench structure. A contact region 29 of the first conductivity type (p +) having a relatively high impurity concentration is formed adjacent to the emitter region 28 on the surface layer of the base region 24. Therefore, in the portion where the emitter region 28 and the contact region 29 are provided on the surface layer, the surfaces of the emitter region 28 and the contact region 29 form one surface 20 a of the semiconductor substrate 20.

ゲート電極27は、層間絶縁膜30によって覆われている。層間絶縁膜30上には、金属材料を用いてエミッタ電極31が形成されている。このエミッタ電極31は、エミッタ領域28及びコンタクト領域29と電気的に接続されている。エミッタ電極31は、アクティブ領域21のほぼ全域に設けられている。一方、半導体基板20の裏面20b上には、金属材料を用いてコレクタ電極32が形成されている。コレクタ電極32は、裏面20bのほぼ全面に形成されている。   The gate electrode 27 is covered with an interlayer insulating film 30. An emitter electrode 31 is formed on the interlayer insulating film 30 using a metal material. The emitter electrode 31 is electrically connected to the emitter region 28 and the contact region 29. The emitter electrode 31 is provided in almost the entire active region 21. On the other hand, a collector electrode 32 is formed on the back surface 20b of the semiconductor substrate 20 using a metal material. The collector electrode 32 is formed on almost the entire back surface 20b.

半導体基板20の一面20a上におけるアクティブ領域21の周辺には、図示しないフィールド酸化膜や層間絶縁膜を介して、ゲート配線33が形成されている。このゲート配線33は、アルミニウムなどの金属材料を用いて形成されている。ゲート電極27は、層間絶縁膜30に設けられた図示しない層間接続部(ビア)を介して、ゲート配線33と電気的に接続されている。本実施形態では、アクティブ領域21が平面略矩形状をなしている。ゲート配線33は、Y方向に延設された第1ゲート配線33a及び第2ゲート配線33bを有している。第1ゲート配線33aは、アクティブ領域21の矩形の1辺に沿って配置され、第2ゲート配線33bが、第1ゲート配線33aと反対の辺に沿って配置されている。すなわち、X方向において、2本のゲート配線33a,33bにより、アクティブ領域21が挟まれている。   A gate wiring 33 is formed around the active region 21 on the one surface 20a of the semiconductor substrate 20 via a field oxide film or an interlayer insulating film (not shown). The gate wiring 33 is formed using a metal material such as aluminum. The gate electrode 27 is electrically connected to the gate wiring 33 via an interlayer connection (via) (not shown) provided in the interlayer insulating film 30. In the present embodiment, the active area 21 has a substantially rectangular plane shape. The gate wiring 33 has a first gate wiring 33a and a second gate wiring 33b extending in the Y direction. The first gate wiring 33a is arranged along one rectangular side of the active region 21, and the second gate wiring 33b is arranged along the opposite side to the first gate wiring 33a. That is, in the X direction, the active region 21 is sandwiched between the two gate wirings 33a and 33b.

ゲート配線33の一部は、ゲート駆動回路18から駆動制御信号を受け入れるためのゲートパッド34となっている。したがって、ゲートパッド34より入力された駆動制御信号は、ゲート配線33を経由してゲート電極27に供給される。本実施形態では、第1ゲート配線33aの一部として第1ゲートパッド34aが設けられ、第2ゲート配線33bの一部として第2ゲートパッド34bが設けられている。このように、2つのゲートパッド34(34a,34b)を有している。   A part of the gate wiring 33 serves as a gate pad 34 for receiving a drive control signal from the gate drive circuit 18. Therefore, the drive control signal input from the gate pad 34 is supplied to the gate electrode 27 via the gate wiring 33. In the present embodiment, a first gate pad 34a is provided as a part of the first gate wiring 33a, and a second gate pad 34b is provided as a part of the second gate wiring 33b. Thus, the two gate pads 34 (34a, 34b) are provided.

そして、すべてのゲート電極27は、その一端が第1ゲート配線33aを介して第1ゲートパッド34aに電気的に接続され、他端が第2ゲート配線33bを介して第2ゲートパッド34bに電気的に接続されている。すなわち、すべてのゲート電極27が、2つのゲートパッド34a,34bを電気的に中継する中継ゲート電極27aとなっている。   All the gate electrodes 27 have one end electrically connected to the first gate pad 34a via the first gate wiring 33a and the other end electrically connected to the second gate pad 34b via the second gate wiring 33b. Connected. That is, all the gate electrodes 27 are relay gate electrodes 27a that electrically relay the two gate pads 34a and 34b.

このように構成される半導体装置14では、図3に示すように、たとえば、エミッタ電極31に0V(グランド)、コレクタ電極に正の電圧を印加した状態で、ゲート電極27に閾値電圧Vt以上の電圧を印加すると、ゲート電極27に隣接するベース領域24の部分が、第1導電型(p)から第2電動型(n)に反転し、矢印で示すようにコレクタ電極32からエミッタ電極31に向けて電流(コレクタ電流)が流れる。IGBT素子15のオン抵抗のうち、チャネル抵抗Rcが最も高い。したがって、IGBT素子15の駆動時においては、チャネル部分から最も発熱する。   In the semiconductor device 14 configured as described above, as shown in FIG. 3, for example, in a state where 0 V (ground) is applied to the emitter electrode 31 and a positive voltage is applied to the collector electrode, the gate electrode 27 has a threshold voltage Vt or higher. When a voltage is applied, the portion of the base region 24 adjacent to the gate electrode 27 is inverted from the first conductivity type (p) to the second electric type (n), and from the collector electrode 32 to the emitter electrode 31 as indicated by an arrow. A current (collector current) flows in the direction. Of the on-resistances of the IGBT element 15, the channel resistance Rc is the highest. Therefore, when the IGBT element 15 is driven, heat is generated most from the channel portion.

次に、図4に基づき、ゲート駆動回路18について説明する。図4では、ゲート駆動回路18による温度検出対象として、便宜上、1つの半導体装置14(1つのIGBT素子15)のみを示す。しかしながら、残りの5つの半導体装置14(IGBT素子15)についても、同じくゲート駆動回路18により、温度が検出可能となっている。   Next, the gate drive circuit 18 will be described with reference to FIG. In FIG. 4, only one semiconductor device 14 (one IGBT element 15) is shown as a temperature detection target by the gate drive circuit 18 for convenience. However, the temperature of the remaining five semiconductor devices 14 (IGBT elements 15) can also be detected by the gate drive circuit 18.

図4に示すように、ゲート駆動回路18は、2つの電圧源40,41を有している。これら電圧源40,41は、図示しないMGECUから入力される信号に基づいて、出力電圧を可変に構成されている。第1電圧源40は、IGBT素子15の閾値電圧Vt以上の電圧と、閾値未満の電圧を生成し、電圧Vg3として出力する。具体的には、閾値電圧Vtを15Vとすると、所定のタイミングで閾値以上の電圧である15.1Vを生成し、15.1Vの電圧生成とは異なるタイミングで閾値未満の電圧である0.1Vを生成する。   As shown in FIG. 4, the gate drive circuit 18 has two voltage sources 40 and 41. These voltage sources 40 and 41 are configured so that the output voltage is variable based on a signal input from an MGECU (not shown). The first voltage source 40 generates a voltage equal to or higher than the threshold voltage Vt of the IGBT element 15 and a voltage lower than the threshold, and outputs the voltage as the voltage Vg3. Specifically, when the threshold voltage Vt is 15 V, 15.1 V that is a voltage equal to or higher than the threshold is generated at a predetermined timing, and 0.1 V that is less than the threshold is generated at a timing different from the voltage generation of 15.1 V. Is generated.

第2電圧源41も、MGECUから入力される信号に基づいて、IGBT素子15の閾値電圧Vt以上の電圧と、閾値未満の電圧を生成し、出力する。具体的には、所定のタイミングで閾値以上の電圧である15Vを生成し、15Vの電圧生成とは異なるタイミングで閾値未満の電圧である0Vを生成する。   The second voltage source 41 also generates and outputs a voltage equal to or higher than the threshold voltage Vt of the IGBT element 15 and a voltage lower than the threshold based on a signal input from the MGECU. Specifically, 15V that is a voltage equal to or higher than the threshold is generated at a predetermined timing, and 0V that is a voltage lower than the threshold is generated at a timing different from the voltage generation of 15V.

第1電圧源40は、電流検出用抵抗R1を介して、半導体装置14の第1ゲートパッド34aと電気的に接続されている。電流検出用抵抗R1は、温度検出時に各電圧源40,41が生成する電圧に対し、後述する電圧Vg1,Vg2が互いに異なる値となるように設定されている。たとえば、後述するスイッチSW1が閉の状態において、第1電圧源40が15.1V、第2電圧源41が15Vを生成したときに、電圧Vg1,Vg2が互いに異なる値(Vg1>Vg2)となるように設定されている。   The first voltage source 40 is electrically connected to the first gate pad 34a of the semiconductor device 14 via the current detection resistor R1. The current detection resistor R1 is set such that voltages Vg1 and Vg2, which will be described later, have different values with respect to the voltages generated by the voltage sources 40 and 41 during temperature detection. For example, when the switch SW1, which will be described later, is closed, when the first voltage source 40 generates 15.1V and the second voltage source 41 generates 15V, the voltages Vg1 and Vg2 have different values (Vg1> Vg2). Is set to

第2電圧源41は、スイッチSW1を介して、半導体装置14の第2ゲートパッド34bに接続される。スイッチSW1は、MGECUから入力される信号に基づいて、その開閉が制御される。スイッチSW1が閉の状態において、第2電圧源41と第2ゲートパッド34bが電気的に接続される。スイッチSW1が開の状態になると、第2電圧源41と第2ゲートパッド34bは遮断され、第2ゲートパッド34bは、スイッチSW1及び電流検出用抵抗R1を介して、第1電圧源40と電気的に接続される。図4の破線は、スイッチSW1の開の状態を示す。   The second voltage source 41 is connected to the second gate pad 34b of the semiconductor device 14 via the switch SW1. The switch SW1 is controlled to open and close based on a signal input from the MGECU. When the switch SW1 is closed, the second voltage source 41 and the second gate pad 34b are electrically connected. When the switch SW1 is in an open state, the second voltage source 41 and the second gate pad 34b are cut off, and the second gate pad 34b is electrically connected to the first voltage source 40 via the switch SW1 and the current detection resistor R1. Connected. The broken line in FIG. 4 indicates the open state of the switch SW1.

ゲート駆動回路18は、さらに、電流検出部42、電圧検出部43、演算部44、及びメモリ45を有している。電流検出部42は、電流検出用抵抗R1の両端の電位差と電流検出用抵抗R1の抵抗値(固定値)から、電流検出用抵抗R1に流れる電流を算出する。このように、電流検出部42は、電流検出用抵抗R1に流れる電流、すなわち、後述する抵抗Rgに流れる電流を検出する。   The gate drive circuit 18 further includes a current detection unit 42, a voltage detection unit 43, a calculation unit 44, and a memory 45. The current detection unit 42 calculates the current flowing through the current detection resistor R1 from the potential difference between both ends of the current detection resistor R1 and the resistance value (fixed value) of the current detection resistor R1. In this way, the current detection unit 42 detects the current flowing through the current detection resistor R1, that is, the current flowing through the resistor Rg described later.

電圧検出部43は、第1ゲートパッド34aに印加される電圧Vg1と、第2ゲートパッド34bに印加される電圧Vg2との差(電位差)を検出する。すなわち、電圧検出部43は、抵抗Rgの両端に印加される電圧を検出する。   The voltage detector 43 detects a difference (potential difference) between the voltage Vg1 applied to the first gate pad 34a and the voltage Vg2 applied to the second gate pad 34b. That is, the voltage detection unit 43 detects a voltage applied to both ends of the resistor Rg.

演算部44は、電流検出部42から、電流検出用抵抗R1に流れる電流の値を取得するとともに、電圧検出部43から2つのゲートパッド34a,34bの電位差を取得する。そして、これらの値から、中継ゲート電極27aの抵抗Rg(以下、ゲート内部抵抗Rgと示す)の値を算出する。多結晶シリコンからなる中継ゲート電極27aの抵抗値は温度特性(温度依存性)を有している。演算部44は、たとえば、予めメモリ45に格納された抵抗値と温度との関係を示すマップから、抵抗値を温度に換算する。そして、算出した温度が予め設定された温度以上の場合に、フェールセーフ信号をMGECUに出力する。   The calculation unit 44 acquires the value of the current flowing through the current detection resistor R1 from the current detection unit 42, and acquires the potential difference between the two gate pads 34a and 34b from the voltage detection unit 43. From these values, the value of the resistance Rg of the relay gate electrode 27a (hereinafter referred to as the gate internal resistance Rg) is calculated. The resistance value of the relay gate electrode 27a made of polycrystalline silicon has temperature characteristics (temperature dependence). For example, the calculation unit 44 converts the resistance value into a temperature from a map indicating the relationship between the resistance value and the temperature stored in advance in the memory 45. When the calculated temperature is equal to or higher than a preset temperature, a fail safe signal is output to the MGECU.

このように、中継ゲート電極27aを温度測定用の抵抗体として用いることで、ゲート駆動回路18により、半導体基板20(IGBT素子15)の温度を検出することができる。   Thus, the temperature of the semiconductor substrate 20 (IGBT element 15) can be detected by the gate drive circuit 18 by using the relay gate electrode 27a as a temperature measurement resistor.

なお、ゲート内部抵抗Rgは、2つのゲートパッド34a,34b間の抵抗であるため、厳密には、上記した中継ゲート電極27aだけでなく、ゲート配線33などの抵抗も含む。しかしながら、ゲート配線33は、アルミニウムなどの導電性に優れる金属材料を用いて形成されているため、多結晶シリコンからなる中継ゲート電極27aが、抵抗の大部分を占めている。   Since the gate internal resistance Rg is a resistance between the two gate pads 34a and 34b, strictly speaking, the resistance includes not only the above-described relay gate electrode 27a but also the gate wiring 33 and the like. However, since the gate wiring 33 is formed using a metal material having excellent conductivity such as aluminum, the relay gate electrode 27a made of polycrystalline silicon occupies most of the resistance.

次に、図5〜図7に基づき、温度測定方法について説明する。   Next, a temperature measurement method will be described with reference to FIGS.

先ず、IGBT素子15の駆動方法(温度測定なし)について説明する。図5に示す電圧Veはエミッタ電極31に印加されるエミッタ電圧である。電圧Veは0V(グランド)であり、第1電圧源40は、電圧Veを基準として、15.1Vの電圧Vg3を出力する。また、SW1を開の状態とし、これにより、電圧Vg1,Vg2は互いに等しくなる。なお、この場合、電流検出用抵抗R1を、外部のゲート抵抗として用いることもできる。第2電圧源41は、スイッチSW1により、第2ゲートパッド34bと遮断されているため、その生成電圧については特に限定されない。   First, a driving method (without temperature measurement) of the IGBT element 15 will be described. A voltage Ve shown in FIG. 5 is an emitter voltage applied to the emitter electrode 31. The voltage Ve is 0 V (ground), and the first voltage source 40 outputs a voltage Vg3 of 15.1 V with respect to the voltage Ve. Further, the SW1 is opened, so that the voltages Vg1 and Vg2 are equal to each other. In this case, the current detection resistor R1 can also be used as an external gate resistor. Since the second voltage source 41 is disconnected from the second gate pad 34b by the switch SW1, the generated voltage is not particularly limited.

次いで、IGBT素子15の駆動時(オン期間)に、温度測定をする方法について説明する。ゲート駆動回路18は、IGBT素子15のオン期間において、一時的に温度測定を行う。図6に示すように、スイッチSW1を閉の状態にするとともに、第1電圧源40が15.1Vを生成し、第2電圧源41が15Vを生成する。これにより、電流検出用抵抗R1に電流Iaが流れ、既知の抵抗値と、電圧Vg3と電圧Vg1の差から、電流Iaを算出する。また、電圧Vg1と電圧Vg2は、互いに異なる値となる。すなわち、2つのゲートパッド34a,34bには、互いに異なる電圧が印加される。したがって、電圧Vg1と電圧Vg2との差と上記電流Iaから、ゲート内部抵抗Rgを算出し、ゲート内部抵抗Rgの温度特性から温度を求めることができる。   Next, a method for measuring temperature when the IGBT element 15 is driven (on period) will be described. The gate drive circuit 18 temporarily measures the temperature during the ON period of the IGBT element 15. As shown in FIG. 6, the switch SW1 is closed, the first voltage source 40 generates 15.1V, and the second voltage source 41 generates 15V. Thereby, the current Ia flows through the current detection resistor R1, and the current Ia is calculated from the known resistance value and the difference between the voltage Vg3 and the voltage Vg1. Further, the voltage Vg1 and the voltage Vg2 have different values. That is, different voltages are applied to the two gate pads 34a and 34b. Therefore, the gate internal resistance Rg can be calculated from the difference between the voltage Vg1 and the voltage Vg2 and the current Ia, and the temperature can be obtained from the temperature characteristics of the gate internal resistance Rg.

なお、第1電圧源40及び第2電圧源41の生成する電圧は、ともに閾値電圧Vt以上であり、且つ、互いに近い値であるため、温度測定をしつつ、IGBT素子15をオンさせることができる。   Since the voltages generated by the first voltage source 40 and the second voltage source 41 are both equal to or higher than the threshold voltage Vt and close to each other, it is possible to turn on the IGBT element 15 while measuring the temperature. it can.

次いで、IGBT素子15の非駆動時(オフ期間)に、温度測定をする方法について説明する。ゲート駆動回路18は、IGBT素子15のオフ期間において、一時的に温度測定を行う。第1電圧源40及び第2電圧源41の生成する電圧が異なる点を除けば、図6と同じである。図7に示すように、スイッチSW1を閉の状態にするとともに、第1電圧源40が0.1Vを生成し、第2電圧源41が0Vを生成する。これにより、電流検出用抵抗R1に電流Iaが流れるため、既知の抵抗値と、電圧Vg3と電圧VG1の差から、電流Iaを算出する。また、電圧Vg1と電圧Vg2は、互いに異なる値となる。すなわち、2つのゲートパッド34a,34bには、互いに異なる電圧が印加される。したがって、電圧Vg1と電圧Vg2との差と上記電流Iaから、ゲート内部抵抗Rgを算出し、ゲート内部抵抗Rgの温度特性から温度を求めることができる。   Next, a method for measuring temperature when the IGBT element 15 is not driven (off period) will be described. The gate drive circuit 18 temporarily measures the temperature during the off period of the IGBT element 15. Except for the fact that the voltages generated by the first voltage source 40 and the second voltage source 41 are different, this is the same as FIG. As shown in FIG. 7, the switch SW1 is closed, the first voltage source 40 generates 0.1V, and the second voltage source 41 generates 0V. As a result, since the current Ia flows through the current detection resistor R1, the current Ia is calculated from the known resistance value and the difference between the voltage Vg3 and the voltage VG1. Further, the voltage Vg1 and the voltage Vg2 have different values. That is, different voltages are applied to the two gate pads 34a and 34b. Therefore, the gate internal resistance Rg can be calculated from the difference between the voltage Vg1 and the voltage Vg2 and the current Ia, and the temperature can be obtained from the temperature characteristics of the gate internal resistance Rg.

なお、第1電圧源40及び第2電圧源41の生成する電圧が、ともに閾値電圧Vt未満であるため、温度測定をしつつ、IGBT素子15をオフさせることができる。   Since the voltages generated by the first voltage source 40 and the second voltage source 41 are both less than the threshold voltage Vt, the IGBT element 15 can be turned off while measuring the temperature.

次に、上記した半導体装置14及び半導体モジュール10の効果について説明する。   Next, effects of the semiconductor device 14 and the semiconductor module 10 described above will be described.

本実施形態では、中継ゲート電極27aを、温度検出用の抵抗体として用いる。したがって、ゲート駆動回路18により通電したときのゲート内部抵抗Rgの値から、半導体基板20(IGBT素子15)の温度を求める、すなわち、半導体基板20の温度を検出することができる。   In this embodiment, the relay gate electrode 27a is used as a temperature detection resistor. Therefore, the temperature of the semiconductor substrate 20 (IGBT element 15) can be obtained from the value of the gate internal resistance Rg when the gate drive circuit 18 is energized, that is, the temperature of the semiconductor substrate 20 can be detected.

また、中継ゲート電極27aを、温度検出用の抵抗体として用いるため、多結晶シリコンからなるダイオードを採用する場合に較べて、より高温まで使用することができる。また、半導体装置14の製造工程を簡素化することもできる。   Further, since the relay gate electrode 27a is used as a temperature detecting resistor, the relay gate electrode 27a can be used at a higher temperature than when a diode made of polycrystalline silicon is employed. In addition, the manufacturing process of the semiconductor device 14 can be simplified.

また、中継ゲート電極27aを、ゲート電極27としてだけでなく、温度検出用の抵抗体としても用いるため、ゲート電極とは別に温度検出用の抵抗体を設ける構成に較べて、半導体装置14(半導体基板20)の体格を小型化することができる。   Further, since the relay gate electrode 27a is used not only as the gate electrode 27 but also as a temperature detecting resistor, the semiconductor device 14 (semiconductor device 14) is compared with a configuration in which a temperature detecting resistor is provided separately from the gate electrode. The size of the substrate 20) can be reduced.

ところで、チャネル抵抗Rcが、IGBT素子15のオン抵抗の大部分を占めている。すなわち、IGBT素子15のオン期間において、チャネル部分から最も発熱する。これに対し、本実施形態では、チャネルに隣接する中継ゲート電極27aを温度検出用の抵抗体として温度を検出するため、チャネル部分の温度、すなわち、半導体基板20において高温となる部分の温度を精度よく検出することができる。これにより、フェールセーフ処理の精度を向上することができる。また、半導体基板20の温度変化に対応して応答性良く温度を検出することができる。   By the way, the channel resistance Rc occupies most of the on-resistance of the IGBT element 15. That is, most heat is generated from the channel portion during the ON period of the IGBT element 15. On the other hand, in this embodiment, since the temperature is detected using the relay gate electrode 27a adjacent to the channel as a temperature detection resistor, the temperature of the channel portion, that is, the temperature of the semiconductor substrate 20 at a high temperature is accurately measured. Can be detected well. Thereby, the accuracy of fail-safe processing can be improved. Further, the temperature can be detected with good responsiveness in response to the temperature change of the semiconductor substrate 20.

本実施形態の構成によれば、ゲート駆動回路18により、IGBT素子15のオン期間において、2つのゲートパッド34a,34bに対し、閾値電圧Vt以上の値であって互いに異なる値の電圧を印加することができる。したがって、温度測定をしつつ、IGBT素子15を駆動させることができる。すなわち、IGBT素子15の駆動状態の温度を検出することができる。   According to the configuration of the present embodiment, the gate driving circuit 18 applies voltages having a value equal to or higher than the threshold voltage Vt to the two gate pads 34a and 34b during the ON period of the IGBT element 15. be able to. Therefore, the IGBT element 15 can be driven while measuring the temperature. That is, the temperature of the driving state of the IGBT element 15 can be detected.

また、本実施形態の構成によれば、ゲート駆動回路18により、IGBT素子15のオフ期間において、2つのゲートパッド34a,34bに対し、閾値電圧Vt未満の値であって互いに異なる値の電圧を印加することができる。したがって、温度測定をしつつ、IGBT素子15をオフさせることができる。すなわち、FWD素子16による回生時の半導体基板20の温度を検出することができる。   Further, according to the configuration of the present embodiment, the gate driving circuit 18 applies voltages having different values to the two gate pads 34a and 34b that are less than the threshold voltage Vt during the off period of the IGBT element 15. Can be applied. Therefore, the IGBT element 15 can be turned off while measuring the temperature. That is, the temperature of the semiconductor substrate 20 during regeneration by the FWD element 16 can be detected.

なお、本実施形態では、IGBT素子15の駆動時(温度測定なし)において、スイッチSW1を開状態とし、第1電圧源40の電圧Vg3を、2つのゲートパッド34a,34bに印加する例を示した。しかしながら、スイッチSW1を第1電圧源40側における電流検出用抵抗R1と第1ゲートパッド34aとの間に設け、IGBT素子15の駆動時(温度測定なし)に、スイッチSW1を開状態としてもよい。この場合、第2電圧源41の電圧15Vを、2つのゲートパッド34a,34bに印加することとなる。なお、IGBT素子15の非駆動時(温度測定なし)には、同じようにして、第2電圧源41の電圧0Vを、2つのゲートパッド34a,34bに印加することとなる。   In the present embodiment, when the IGBT element 15 is driven (without temperature measurement), the switch SW1 is opened and the voltage Vg3 of the first voltage source 40 is applied to the two gate pads 34a and 34b. It was. However, the switch SW1 may be provided between the current detection resistor R1 on the first voltage source 40 side and the first gate pad 34a, and the switch SW1 may be opened when the IGBT element 15 is driven (without temperature measurement). . In this case, the voltage 15V of the second voltage source 41 is applied to the two gate pads 34a and 34b. When the IGBT element 15 is not driven (without temperature measurement), the voltage 0 V of the second voltage source 41 is applied to the two gate pads 34a and 34b in the same manner.

本記実施形態では、ゲート駆動回路18が、2つの電圧源40,41を有する例を示した。しかしながら、図8に示す第1変形例のように、第1電圧源40のみを有する構成を採用することもできる。図8では、ゲート駆動回路18が、第2電圧源41に代えて、降圧回路46を有している。それ以外の構成は、図4と同じである。この場合、第1電圧源40が15.1Vを生成すると、降圧回路46はその電圧を降圧して15Vを生成する。また、第1電圧源40が0.1Vを生成すると、降圧回路46はその電圧を降圧して0Vを生成する。なお、第2電圧源41のみを有し、この出力を昇圧回路によって昇圧する構成としてもよい。   In the present embodiment, an example in which the gate drive circuit 18 includes two voltage sources 40 and 41 has been described. However, a configuration having only the first voltage source 40 as in the first modification shown in FIG. 8 may be employed. In FIG. 8, the gate drive circuit 18 has a step-down circuit 46 instead of the second voltage source 41. Other configurations are the same as those in FIG. In this case, when the first voltage source 40 generates 15.1V, the step-down circuit 46 reduces the voltage to generate 15V. When the first voltage source 40 generates 0.1V, the step-down circuit 46 steps down the voltage to generate 0V. Note that only the second voltage source 41 may be provided, and this output may be boosted by a booster circuit.

また、図9に示す第2変形例のように、スイッチSW1を有さない構成を採用することもできる。図9では、ゲート駆動回路18が、第1電圧源47と、第2電圧源41を有している。第2電圧源41は、上記実施形態同様、15Vと0Vを生成する。一方、第1電圧源47は、上記実施形態と異なり、15.1V,15V,0.1V,0Vを生成する。詳しくは、IGBT素子15の駆動時(温度測定なし)において、第1電圧源47は、15Vを生成する。IGBT素子15の駆動時に温度測定をする場合、第1電圧源47は、15.1Vを生成する。IGBT素子15の非駆動時に温度測定をする場合、第1電圧源47は、0.1Vを生成する。IGBT素子15の非駆動時(温度測定なし)において、第1電圧源47は、0Vを生成する。なお、図9において、符号R2は、第2電圧源14側の外部のゲート抵抗である。   Further, a configuration without the switch SW1 as in the second modified example shown in FIG. 9 may be employed. In FIG. 9, the gate drive circuit 18 includes a first voltage source 47 and a second voltage source 41. The second voltage source 41 generates 15 V and 0 V as in the above embodiment. On the other hand, unlike the above embodiment, the first voltage source 47 generates 15.1V, 15V, 0.1V, and 0V. Specifically, the first voltage source 47 generates 15 V when the IGBT element 15 is driven (without temperature measurement). When the temperature is measured when the IGBT element 15 is driven, the first voltage source 47 generates 15.1V. When the temperature is measured when the IGBT element 15 is not driven, the first voltage source 47 generates 0.1V. When the IGBT element 15 is not driven (without temperature measurement), the first voltage source 47 generates 0V. In FIG. 9, reference symbol R2 is an external gate resistance on the second voltage source 14 side.

さらには、図10に示す第3変形例のように、ゲート駆動回路18が定電流源48を有する構成を採用することもできる。図10に示すゲート駆動回路18は、電圧源に代えて、定電流源48を有しており、定電流駆動のゲート駆動回路として構成されている。定電流源48は第1ゲートパッド34aと接続されている。また、ゲート駆動回路18は、ゲート内部抵抗Rgに並列に接続されたスイッチSW2を有している。このスイッチSW2が開の状態において温度測定を行い、閉の状態において通常制御を行う。スイッチSW2は、MGECUから入力される信号に基づいて、その開閉が制御される。   Furthermore, a configuration in which the gate drive circuit 18 includes a constant current source 48 as in the third modification shown in FIG. The gate drive circuit 18 shown in FIG. 10 includes a constant current source 48 instead of the voltage source, and is configured as a constant current drive gate drive circuit. The constant current source 48 is connected to the first gate pad 34a. Further, the gate drive circuit 18 has a switch SW2 connected in parallel to the gate internal resistance Rg. Temperature measurement is performed when the switch SW2 is open, and normal control is performed when the switch SW2 is closed. The switch SW2 is controlled to open and close based on a signal input from the MGECU.

具体的には、定電流源48から定電流を出力し、定電流によりゲート電極27の電位が一定になった後、スイッチSW2を図10に示す開状態とする。この開状態で、瞬間的に電流を引き抜く、すなわち、定電流源48による供給を一瞬ストップさせると、電圧Vg1,Vg2に差が生じる。この電位差を電圧検出部43にて検出し、検出した電位差と定電流の値から、演算部44がゲート内部抵抗Rgの値を算出し、ひいては、抵抗値を温度に換算する。このようにして、IGBT素子15の駆動時に温度測定をすることができる。   Specifically, a constant current is output from the constant current source 48, and after the potential of the gate electrode 27 becomes constant due to the constant current, the switch SW2 is opened as shown in FIG. In this open state, when the current is instantaneously extracted, that is, when the supply by the constant current source 48 is stopped for a moment, a difference occurs between the voltages Vg1 and Vg2. This potential difference is detected by the voltage detection unit 43, and the calculation unit 44 calculates the value of the gate internal resistance Rg from the detected potential difference and constant current value, and in turn converts the resistance value into temperature. Thus, temperature measurement can be performed when the IGBT element 15 is driven.

一方、電流を引き抜き、ゲート電極27の電位が0Vになった後、スイッチSW2を開の状態とする。この開状態で瞬間的に電流を入れる、すなわち、定電流源48から定電流を供給すると、電圧Vg1,Vg2に差が生じる。この電位差を電圧検出部43にて検出し、検出した電位差と定電流の値から、演算部44がゲート内部抵抗Rgの値を算出する。また、抵抗値を温度に換算する。このようにして、IGBT素子15の非駆動時に温度測定をすることができる。   On the other hand, after the current is drawn and the potential of the gate electrode 27 becomes 0 V, the switch SW2 is opened. When a current is instantaneously supplied in this open state, that is, when a constant current is supplied from the constant current source 48, a difference occurs between the voltages Vg1 and Vg2. This potential difference is detected by the voltage detection unit 43, and the calculation unit 44 calculates the value of the gate internal resistance Rg from the detected potential difference and the constant current value. Also, the resistance value is converted into temperature. In this way, the temperature can be measured when the IGBT element 15 is not driven.

(第2実施形態)
本実施形態において、第1実施形態に示した半導体装置14及び半導体モジュール10と共通する部分についての説明は割愛する。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, descriptions of parts common to the semiconductor device 14 and the semiconductor module 10 shown in the first embodiment are omitted.

第1実施形態では、すべてのゲート電極27が中継ゲート電極27aとされる例を示した。これに対し、本実施形態では、図11に示すように、ゲート電極27の一部のみが中継ゲート電極27aとされ、残りのゲート電極27がゲートパッド34a,34bのいずれか1つのみと接続されている。   In the first embodiment, an example in which all the gate electrodes 27 are relay gate electrodes 27a has been described. On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 11, only a part of the gate electrode 27 is used as the relay gate electrode 27a, and the remaining gate electrode 27 is connected to only one of the gate pads 34a and 34b. Has been.

半導体装置14のエミッタ電極31は、リードなどの図示しない部材に対して、はんだ接合される。はんだは、エミッタ電極31のほぼ全面に配置される。このエミッタ電極31が、特許請求の範囲に記載の、はんだ接合される表面電極に相当する。第1実施形態同様、複数のゲート電極27は、それぞれX方向に延設されるとともに、Y方向に並設されている。このY方向が、特許請求項の範囲に記載の第1方向に相当する。   The emitter electrode 31 of the semiconductor device 14 is soldered to a member (not shown) such as a lead. Solder is disposed on almost the entire surface of the emitter electrode 31. The emitter electrode 31 corresponds to a surface electrode to be soldered according to the claims. As in the first embodiment, the plurality of gate electrodes 27 are each extended in the X direction and juxtaposed in the Y direction. This Y direction corresponds to the first direction described in the claims.

このような構成では、アクティブ領域21の中心21a付近の温度が最も高くなる。図11に示す符号21bは、アクティブ領域21のうち、IGBT素子15の駆動によって温度が高くなる部分、すなわち温度上昇部を示している。温度上昇部21bの中心は、上記中心21aとほぼ一致する。   In such a configuration, the temperature near the center 21a of the active region 21 is the highest. Reference numeral 21 b illustrated in FIG. 11 indicates a portion of the active region 21 where the temperature is increased by driving the IGBT element 15, that is, a temperature increasing portion. The center of the temperature rise portion 21b substantially coincides with the center 21a.

そこで、本実施形態では、アクティブ領域21のうち、中心21aを含む第1領域21cに、中継ゲート電極27aが配置されている。第1領域21cは、温度上昇部21bに対応して設定されている。一方、アクティブ領域21のうち、第1領域21cを除く領域である第2領域21dに、ゲートパッド34a,34bのいずれか1つにのみ電気的に接続されるゲート専用電極27bが配置されている。ゲート専用電極27bは、ゲートパッド34a,34bのいずれか1つにのみ電気的に接続されるため、温度検出用の抵抗体としては機能せず、ゲート電極としてのみ機能する。   Therefore, in the present embodiment, the relay gate electrode 27a is disposed in the first region 21c including the center 21a in the active region 21. The 1st field 21c is set up corresponding to temperature rise part 21b. On the other hand, a gate-dedicated electrode 27b that is electrically connected to only one of the gate pads 34a and 34b is disposed in the second region 21d that is the region excluding the first region 21c in the active region 21. . Since the gate-dedicated electrode 27b is electrically connected to only one of the gate pads 34a and 34b, it does not function as a temperature detection resistor but only as a gate electrode.

詳しくは、Y方向において、第2領域21d、第1領域21c、第2領域21dの順に設定されている。また、2つの第2領域21dのうち、一方の第2領域21dのゲート専用電極27bは、第1ゲート配線33aを介して第1ゲートパッド34aに接続され、他方の第2領域21dのゲート専用電極27bは、第2ゲート配線33bを介して第2ゲートパッド34bに接続されている。   Specifically, in the Y direction, the second area 21d, the first area 21c, and the second area 21d are set in this order. Of the two second regions 21d, the gate-dedicated electrode 27b of one second region 21d is connected to the first gate pad 34a via the first gate wiring 33a, and is dedicated to the gate of the other second region 21d. The electrode 27b is connected to the second gate pad 34b through the second gate wiring 33b.

このように、本実施形態によれば、半導体基板20(IGBT素子15)のうち、特に温度が高くなる部分の温度を検出することができる。また、温度が高くなる温度上昇部21bを含む第1領域21cのみ、温度検出用の抵抗体として機能する中継ゲート電極27aを配置し、第2領域21dには、温度検出用の抵抗体として機能すしないゲート専用電極27bを配置している。これによれば、(温度変化するゲート電極27の抵抗)/(すべてのゲート電極27の抵抗)において、温度変化するゲート電極27の抵抗の項を高めることができる。すなわち、センサ感度を高めることができる。   Thus, according to the present embodiment, it is possible to detect the temperature of the portion of the semiconductor substrate 20 (IGBT element 15) where the temperature is particularly high. Further, the relay gate electrode 27a that functions as a temperature detection resistor is disposed only in the first region 21c including the temperature rise portion 21b where the temperature rises, and the second region 21d functions as a temperature detection resistor. A gate-dedicated electrode 27b is provided. According to this, the term of the resistance of the gate electrode 27 that changes in temperature can be increased in (resistance of the gate electrode 27 that changes in temperature) / (resistance of all the gate electrodes 27). That is, sensor sensitivity can be increased.

(第3実施形態)
本実施形態において、第2実施形態に示した半導体装置14及び半導体モジュール10と共通する部分についての説明は割愛する。
(Third embodiment)
In the present embodiment, descriptions of parts common to the semiconductor device 14 and the semiconductor module 10 shown in the second embodiment are omitted.

第2実施形態では、エミッタ電極31がはんだ接合される構成において、中継ゲート電極27aが一部のみに配置される例を示した。これに対し、本実施形態では、表面電極としてのエミッタ電極31に、図示しないボンディングワイヤが接合される。第2実施形態同様、複数のゲート電極27は、それぞれX方向に延設されるとともに、Y方向に並設されている。   In the second embodiment, the example in which the relay gate electrode 27a is arranged only in part in the configuration in which the emitter electrode 31 is joined by soldering has been described. On the other hand, in this embodiment, a bonding wire (not shown) is joined to the emitter electrode 31 as the surface electrode. As in the second embodiment, the plurality of gate electrodes 27 are each extended in the X direction and juxtaposed in the Y direction.

このような構成では、アクティブ領域21のうち、ボンディングワイヤの接合領域付近、詳しくは、ボンディングワイヤの接合領域の直下部分の温度が、IGBT素子15の駆動時において高くなる。図12に示す符号21eは、アクティブ領域21のうち、IGBT素子15の駆動時に温度が高くなる部分、すなわち温度上昇部を示している。温度上昇部21eは、上記したボンディングワイヤの接合領域に対応している。図12に示す例では、ボンディングワイヤが3か所に接合される。   In such a configuration, the temperature of the active region 21 in the vicinity of the bonding region of the bonding wire, specifically, the portion immediately below the bonding region of the bonding wire becomes high when the IGBT element 15 is driven. Reference numeral 21 e shown in FIG. 12 indicates a portion of the active region 21 where the temperature becomes high when the IGBT element 15 is driven, that is, a temperature increasing portion. The temperature rise portion 21e corresponds to the bonding region of the bonding wire described above. In the example shown in FIG. 12, bonding wires are joined at three locations.

そこで、本実施形態では、アクティブ領域21のうち、ボンディングワイヤの接合領域、すなわち温度上昇部21eを含む第3領域21fに、中継ゲート電極27aが配置されている。一方、アクティブ領域21のうち、第3領域21fを除く領域である第4領域21gに、ゲート専用電極27bが配置されている。   Therefore, in the present embodiment, the relay gate electrode 27a is disposed in the bonding region of the bonding wire, that is, the third region 21f including the temperature rising portion 21e in the active region 21. On the other hand, the gate-dedicated electrode 27b is arranged in the fourth region 21g, which is the region excluding the third region 21f, in the active region 21.

詳しくは、Y方向において、第4領域21g、第3領域21f、第4領域21g、第3領域21f、第4領域21g、第3領域21fの順に設定されている。また、ゲート専用電極27bは、Y方向の並び順において、第1ゲートパッド34aへの接続と、第2ゲートパッド34bへの接続が交互となっている。   Specifically, in the Y direction, the fourth region 21g, the third region 21f, the fourth region 21g, the third region 21f, the fourth region 21g, and the third region 21f are set in this order. Further, the gate dedicated electrode 27b is alternately connected to the first gate pad 34a and connected to the second gate pad 34b in the order of arrangement in the Y direction.

このように、本実施形態によれば、半導体基板20(IGBT素子15)のうち、特に温度が高くなる部分の温度を検出することができる。また、温度が高くなる温度上昇部21eを含む第3領域21fのみ、温度検出用の抵抗体として機能する中継ゲート電極27aを配置し、第4領域21gには、温度検出用の抵抗体として機能しないゲート専用電極27bを配置している。これによれば、(温度変化するゲート電極27の抵抗)/(すべてのゲート電極27の抵抗)において、温度変化するゲート電極27の抵抗の項を高めることができる。すなわち、センサ感度を高めることができる。   Thus, according to the present embodiment, it is possible to detect the temperature of the portion of the semiconductor substrate 20 (IGBT element 15) where the temperature is particularly high. In addition, the relay gate electrode 27a that functions as a temperature detection resistor is disposed only in the third region 21f including the temperature rise portion 21e where the temperature rises, and the fourth region 21g functions as a temperature detection resistor. A gate-dedicated electrode 27b is disposed. According to this, the term of the resistance of the gate electrode 27 that changes in temperature can be increased in (resistance of the gate electrode 27 that changes in temperature) / (resistance of all the gate electrodes 27). That is, sensor sensitivity can be increased.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

トレンチゲート型のIGBT素子15の例を示したが、これに限定されない。それ以外の構造、たとえばプレーナゲート型を採用することもできる。   Although an example of the trench gate type IGBT element 15 has been shown, the present invention is not limited to this. Other structures such as a planar gate type may be employed.

半導体基板20に形成されるスイッチング素子として、IGBT素子15の例を示したが、これに限定されない。たとえば、パワーMOSFETを採用することもできる。   Although the example of the IGBT element 15 was shown as a switching element formed in the semiconductor substrate 20, it is not limited to this. For example, a power MOSFET can be employed.

ゲートパッド34が、2つのゲートパッド34a,34bを有する例を示した。しかしながら、ゲートパッド34の個数は2つに限定されない。3つ以上備える構成としてもよい。この場合にも、3つ以上のゲートパッド34のうち、中継ゲート電極27aに接続された2つのゲートパッドを介して中継ゲート電極27aに通電することで、温度を検出することができる。   In the example, the gate pad 34 has two gate pads 34a and 34b. However, the number of gate pads 34 is not limited to two. It is good also as a structure provided with three or more. Also in this case, the temperature can be detected by energizing the relay gate electrode 27a through two gate pads connected to the relay gate electrode 27a among the three or more gate pads 34.

ゲート駆動回路18の制御対象としては、三相インバータ11に限定されない。少なくとも1つのIGBT素子15(半導体装置14)の駆動を制御するものであればよい。   The control target of the gate drive circuit 18 is not limited to the three-phase inverter 11. What is necessary is just to control the drive of at least one IGBT element 15 (semiconductor device 14).

10…半導体モジュール、11…三相インバータ、12…高電位電源ライン、13…低電位電源ライン、14…半導体装置、15…IGBT素子、16…FWD素子、17…出力ライン、18…ゲート駆動回路、20…半導体基板、20a…一面、20b…裏面、21…アクティブ領域、21a…中心、21b,21e…温度上昇部、21c…第1領域、21d…第2領域、21f…第3領域、21g…第4領域、22…基板層、23…ドリフト層、24…ベース領域、25…トレンチ、26…ゲート絶縁膜、27…ゲート電極、27a…中継ゲート電極、27b…ゲート専用電極、28…エミッタ領域、29…コンタクト領域、30…層間絶縁膜、31…エミッタ電極、32…コレクタ電極、33…ゲート配線、33a…第1ゲート配線、33b…第2ゲート配線、34…ゲートパッド、34a…第1ゲートパッド、34b…第2ゲートパッド、40,47…第1電圧源、41…第2電圧源、42…電流検出部、43…電圧検出部、44…演算部、45…メモリ、46…降圧回路、48…定電流源、100…直流電源、101…モータジェネレータ、102…平滑コンデンサ、R1…電流検出用抵抗、R2…ゲート抵抗、Rc…チャネル抵抗、Rg…ゲート電極抵抗 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor module, 11 ... Three-phase inverter, 12 ... High potential power line, 13 ... Low potential power line, 14 ... Semiconductor device, 15 ... IGBT element, 16 ... FWD element, 17 ... Output line, 18 ... Gate drive circuit 20 ... Semiconductor substrate, 20a ... One side, 20b ... Back side, 21 ... Active region, 21a ... Center, 21b, 21e ... Temperature rising part, 21c ... First region, 21d ... Second region, 21f ... Third region, 21g ... 4th region, 22 ... Substrate layer, 23 ... Drift layer, 24 ... Base region, 25 ... Trench, 26 ... Gate insulating film, 27 ... Gate electrode, 27a ... Relay gate electrode, 27b ... Gate-dedicated electrode, 28 ... Emitter Region, 29 ... contact region, 30 ... interlayer insulating film, 31 ... emitter electrode, 32 ... collector electrode, 33 ... gate wiring, 33a ... first gate wiring, 3b ... second gate wiring, 34 ... gate pad, 34a ... first gate pad, 34b ... second gate pad, 40, 47 ... first voltage source, 41 ... second voltage source, 42 ... current detection unit, 43 ... Voltage detection unit, 44: arithmetic unit, 45: memory, 46: step-down circuit, 48: constant current source, 100: DC power supply, 101: motor generator, 102: smoothing capacitor, R1: resistance for current detection, R2: gate resistance , Rc: channel resistance, Rg: gate electrode resistance

Claims (7)

一面(20a)側にゲート電極(27)が形成されたスイッチング素子(15)を有する半導体基板(20)と、
前記半導体基板の前記一面上に配置され、ゲート配線(33)を介して前記ゲート電極と接続された外部接続用の複数のゲートパッド(34)と、
前記半導体基板の温度を検出する温度検出部(18)と、
を備え、
前記ゲート電極として、2つの前記ゲートパッド(34a,34b)を電気的に中継する中継ゲート電極(27a)を含み、
前記温度検出部は、2つの前記ゲートパッドを介して前記中継ゲート電極に通電するとともに、通電状態における前記ゲートパッド間の抵抗値から温度を求めることを特徴とする半導体モジュール。
A semiconductor substrate (20) having a switching element (15) having a gate electrode (27) formed on one surface (20a) side;
A plurality of gate pads (34) for external connection disposed on the one surface of the semiconductor substrate and connected to the gate electrode via a gate wiring (33);
A temperature detector (18) for detecting the temperature of the semiconductor substrate;
With
The gate electrode includes a relay gate electrode (27a) that electrically relays the two gate pads (34a, 34b),
The temperature detection unit energizes the relay gate electrode through the two gate pads, and obtains a temperature from a resistance value between the gate pads in an energized state.
前記温度検出部は、2つの前記ゲートパッドに互いに異なる値の電圧を印加することを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 1, wherein the temperature detection unit applies different voltages to the two gate pads. 前記温度検出部は、前記スイッチング素子をオンさせる期間において、2つの前記ゲートパッドに対し、前記ゲート電極の閾値電圧以上の値であって互いに異なる値の電圧を印加することを特徴とする請求項2に記載の半導体モジュール。   The temperature detection unit applies a voltage having a value that is equal to or higher than a threshold voltage of the gate electrode to the two gate pads during a period in which the switching element is turned on. 2. The semiconductor module according to 2. 前記半導体基板には、前記スイッチング素子に逆並列に接続される還流ダイオード(16)が形成されており、
前記温度検出部は、前記スイッチング素子をオフさせる期間において、2つの前記ゲートパッドに対し、前記ゲート電極の閾値電圧よりも低い値であって互いに異なる値の電圧を印加することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の半導体モジュール。
On the semiconductor substrate, a free-wheeling diode (16) connected in reverse parallel to the switching element is formed,
The temperature detecting unit applies a voltage having a value lower than a threshold voltage of the gate electrode and different from each other to the two gate pads in a period in which the switching element is turned off. The semiconductor module of Claim 2 or Claim 3.
前記温度検出部は、2つの前記ゲートパッド間に定電流を流すことを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 1, wherein the temperature detection unit causes a constant current to flow between the two gate pads. 前記半導体基板における前記スイッチング素子の形成領域(21)に対応して前記一面上に配置され、はんだ接合される表面電極(31)をさらに備え、
前記半導体基板は、前記ゲート電極を複数有し、
複数の前記ゲート電極は、前記半導体基板の前記一面に沿う第1方向に並設されるとともに、前記第1方向において、前記スイッチング素子形成領域の中心(21a)を含む第1領域(21c)に前記中継ゲート電極が配置され、前記第1領域を除く第2領域(21d)に、前記ゲートパッドのいずれか1つにのみ電気的に接続されるゲート電極(27b)が配置されていることを特徴とする請求項1〜5いずれか1項に記載の半導体モジュール。
The semiconductor substrate further includes a surface electrode (31) disposed on the one surface corresponding to the switching element formation region (21) in the semiconductor substrate and solder-joined.
The semiconductor substrate has a plurality of the gate electrodes,
The plurality of gate electrodes are juxtaposed in a first direction along the one surface of the semiconductor substrate, and in the first direction, in a first region (21c) including the center (21a) of the switching element formation region. The relay gate electrode is disposed, and the gate electrode (27b) electrically connected to only one of the gate pads is disposed in the second region (21d) excluding the first region. The semiconductor module according to claim 1, wherein the semiconductor module is characterized in that:
前記半導体基板における前記スイッチング素子の形成領域(21)に対応して前記一面上に配置され、ボンディングワイヤが接合される表面電極(31)をさらに備え、
前記半導体基板は、前記ゲート電極を複数有し、
複数の前記ゲート電極は、前記半導体基板の前記一面に沿う第1方向に並設されるとともに、前記第1方向において、前記ボンディングワイヤの接合領域を含む第3領域(21f)に前記中継ゲート電極が配置され、前記第3領域を除く第4領域(21g)に、前記ゲートパッドのいずれか1つのみに電気的に接続されるゲート電極(27b)が配置されていることを特徴とする請求項1〜5いずれか1項に記載の半導体モジュール。
A surface electrode (31) disposed on the one surface corresponding to the switching element formation region (21) in the semiconductor substrate and to which a bonding wire is bonded is further provided.
The semiconductor substrate has a plurality of the gate electrodes,
The plurality of gate electrodes are arranged in parallel in a first direction along the one surface of the semiconductor substrate, and the relay gate electrodes are arranged in a third region (21f) including a bonding region of the bonding wires in the first direction. The gate electrode (27b) electrically connected to only one of the gate pads is disposed in the fourth region (21g) excluding the third region. Item 6. The semiconductor module according to any one of Items 1 to 5.
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