JP2019149439A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】省スペースで正確な温度検出が可能なパワーモジュールを提供する。【解決手段】パワーモジュール１Ａは、パワー半導体素子３ａ，３ｂと、このパワー半導体素子３ａ，３ｂの温度を検出する温度センサ１０Ａと、がパッケージ２内に収容されている。温度センサ１０Ａは、複数のＰＮ接合ダイオード１１−１，１１−２を有している。そして、パワー半導体素子３ａ，３ｂ上に、それらの複数のＰＮ接合ダイオード１１−１，１１−２が上下交互に横方向に配列されて直列に接続されている。なお、パワーモジュールの他の構成として、パワー半導体素子３ａ，３ｂ上に、複数のＰＮ接合ダイオード１１−１，１１−２が順方向に積層されて直列に接続された構成であっても良い。【選択図】図１

Description

本発明は、温度センサとしてＰＮ接合ダイオードを内蔵したパワーモジュールに関するものである。

パワーモジュールは、複数のパワー半導体素子（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等）を組み合わせて１パッケージ化した製品である。

従来のパワーモジュールでは、内蔵されたパワー半導体素子の温度を検出するための温度センサとして、サーミスタを使用している。しかし、サーミスタの場合、部品ばらつきや温度ばらつきが大きく、正確な温度検出が困難である。そこで、特許文献１、２等において、温度センサとしてダイオードを使用し、このダイオードの順方向降下電圧Ｖｆを検出して、内蔵されたパワー半導体素子の温度を検出する技術が開示されている。

特開２０１０−１７１１６９号公報 特開２０１０−２１９２４３号公報

従来のパワーモジュールにおいて、ダイオードを使用してパワー半導体素子の温度を検出する技術では、ダイオードの順方向降下電圧Ｖｆが低いため、ダイナミックレンジが小さく、又、ノイズの影響を受けやすいという欠点がある。

この欠点を解決するために、ダイオードの直列数を増やして順方向降下電圧Ｖｆを高くし、温度検出精度を向上させることも考えられる。しかし、ダイオードの直列数を増やすと、広い設置スペースが必要になり、限られた容積のパッケージ内においてその設置スペースを確保できない、といったスペース上の課題がある。このように、従来の技術では、温度センサを設置する場所が省スペースで、且つ、正確な温度検出が困難であった。

本発明のうちの第１発明は、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の温度を検出する温度センサと、がパッケージ内に収容されたパワーモジュールであって、前記温度センサは、複数のＰＮ接合ダイオードを有し、前記パワー半導体素子上に、前記複数のＰＮ接合ダイオードが上下交互に横方向に配列されて直列に接続されている、ことを特徴とする。

本発明のうちの第２発明は、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の温度を検出する温度センサと、がパッケージ内に収容されたパワーモジュールであって、前記温度センサは、複数のＰＮ接合ダイオードを有し、前記パワー半導体素子上に、前記複数のＰＮ接合ダイオードが順方向に積層されて直列に接続されている、ことを特徴とする。

本発明のパワーモジュールによれば、パワー半導体素子上に、複数のＰＮ接合ダイオードが上下交互に横方向に配列された設置構成、あるいは、その複数のＰＮ接合ダイオードが順方向に積層された設置構成になっているので、省スペースで正確な温度検出が可能なパワーモジュールを提供できる。

本発明の実施例１のパワーモジュール１Ａを示す構成図 図１の温度測定回路２０を示す回路図 本発明の実施例２のパワーモジュール１Ｂを示す構成図 参考例のパワーモジュール１を示す構成図

本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

（実施例１の参考例）
図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例１における参考例のパワーモジュール１を示す構成図であり、同図（ａ）はパワーモジュール１の概略の縦断断面、及び同図（ｂ）はパワーモジュール１中の温度センサ１０の回路図である。

この参考例のパワーモジュール１は、パッケージ２の内部に、パワー半導体３を収容して１パッケージ化した製品である。パワー半導体３内には、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の複数（例えば、２つ）のパワー半導体素子３ａ，３ｂが形成されている。パワー半導体３上には、絶縁性の基板４が配置されている。基板４の表面には、銅箔等でできた複数（例えば、３つ）の配線パターン５−１，５−２，５−３が所定間隔隔てて形成されている。配線パターン５−１〜５−３の内、例えば、２つの配線パターン５−２，５−３上に、温度センサ１０が固着され、更に、２つの配線パターン５−１，５−３上に、棒状の第１、第２外部端子１５−１，１５−２がそれぞれ突設されている。

温度センサ１０は、パワー半導体３の温度を検出するものであり、複数（例えば、２つ）のＰＮ接合ダイオード（以下単に「ダイオード」という。）１１−１，１１−２を有している。各ダイオード１１−１，１１−２は、Ｐ型半導体からなるアノード側のＰ層と、Ｎ型半導体からなるカソード側のＮ層と、が接合されて形成されている。ダイオード１１−１，１１−２は、例えば、Ｐ層とＮ層が上下に積層されたメサ型構造、あるいは、Ｐ層とＮ層が拡散されて形成されたプレーナ型構造になっている。

２つのダイオード１１−１，１１−２は、２つの配線パターン５−２，５−３上において、Ｐ層とＮ層が同一方向になるように配置されて横方向に配列されている。例えば、ダイオード１１−１のＮ層は、導電性接着剤等によって配線パターン５−２上に固着され、更に、ダイオード１１−２のＮ層も、導電性接着剤等によって配線パターン５−３上に固着されている。ダイオード１１−１のＰ層は、細い板状の導電部材１４−１によって配線パターン５−１に接続され、その配線パターン５−１が、第１外部端子１５−１に接続されている。ダイオード１１−１のＮ層が固着された配線パターン５−２は、細い板状の導電部材１４−２により、ダイオード１１−２のＰ層に接続され、そのダイオード１１−２のＮ層が、配線パターン５−３を介して第２外部端子１５−２に接続されている。このようにして、第１外部端子１５−１と第２外部端子１５−２との間に、２つのダイオード１１−１，１１−２が順方向に直列に接続されている。
温度センサ１０が搭載されたパワー半導体３は、合成樹脂等の封止材１６によって封止されている。

各ダイオード１１−１，１１−２は、温度上昇によって順方向降下電圧Ｖｆが小さくなるという温度特性を有している。この温度特性を利用し、例えば、第１外部端子１５−１及び第２外部端子１５−２間に一定電流を流し、その第１外部端子１５−１及び第２外部端子１５−２間の電圧変化を検出する。この検出電圧に基づき、直列接続された２つのダイオード１１−１，１１−２におけるダイオード順方向降下電圧２×Ｖｆの温度変化率を利用してパワー半導体３付近の温度を検出することができる。

しかしながら、参考例のパワーモジュール１では、２つのダイオード１１−１，１１−２のＰ層とＮ層が同一方向になるように配置されて横方向に配列されているので、そのダイオード１１−１，１１−２を２本の導電部材１４−１，１４−２を用いて直列に接続しなければならない。そのため、２つのダイオード１１−１，１１−２の横方向の設置スペースが大きくなり、省スペースを図る上で課題が残る。
そこで、本実施例１では、以下のようにしてその課題を解決している。

（実施例１の構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例１のパワーモジュール１Ａを示す構成図であり、同図（ａ）はパワーモジュール１Ａの概略の縦断面図、及び同図（ｂ）はパワーモジュール１Ａ中の温度センサ１０Ａの回路図である。この図１において、参考例を示す図４中の要素と共通の要素には、共通の符号が付されている。

本実施例１のパワーモジュール１Ａでは、基板４の表面に所定間隔隔てて形成された複数（例えば、２つ）の配線パターン５−２，５−３上に、温度センサ１０Ａを構成している複数（例えば、２つ）のダイオード１１−１，１１−２がそれぞれ固着されている。２つのダイオード１１−１，１１−２は、２つの配線パターン５−２，５−３上において、Ｐ層とＮ層が上下交互に逆方向になるように配置されて横方向に配列されている。例えば、ダイオード１１−１のＰ層は、導電性接着剤等によって配線パターン５−２上に固着され、更に、ダイオード１１−２のＮ層が、導電性接着剤等によって配線パターン５−３上に固着されている。

ダイオード１１−１のＮ層とダイオード１１−２のＰ層とは、細い板状の導電部材１４−２によって相互に接続されている。配線パターン５−１上には、第１外部端子１５−１が突設されている。第１外部端子１５−１は、配線パターン５−２を通して、ダイオード１１−１のＰ層に接続されている。更に、配線パターン５−３上には、第２外部端子１５−２が突設されている。第２外部端子１５−２は、配線パターン５−３を通して、ダイオード１１−２のＮ層に接続されている。このようにして、第１外部端子１５−１と第２外部端子１５−２との間に、２つのダイオード１１−１，１１−２が順方向に直列に接続されている。

図４の参考例と同様に、温度センサ１０Ａが搭載されたパワー半導体３は、封止材１６によって封止されている。その他の構成は、図４の参考例の構成と同様である。

図２は、図１の温度測定回路２０の構成例を示す回路図である。
温度測定回路２０は、例えば、電流源２１、電圧検出部２２、及び温度検出部２３を有している。パワーモジュール１Ａの外部において、第１外部端子１５−１及び第２外部端子１５−２間には、一定電流を供給する電流源２１が接続される。更に、第１外部端子１５−１及び第２外部端子１５−２間には、電圧計等の電圧検出部２２が接続される。電圧検出部２２には、温度検出部２３が接続されている。

（実施例１の動作）
パワーモジュール１Ａにおいて、第１外部端子１５−１及び第２外部端子１５−２間に電源電圧が印加され、図示しない外部端子から、スイッチング駆動信号が入力されると、パワー半導体３中のパワー半導体素子３ａ，３ｂがオン／オフ動作する。そのため、パワー半導体３の温度が上昇する。
パワーモジュール１Ａの外部には、図２の温度測定回路２０が設けられ、この温度測定回路２０中の電流源２１及び電圧検出部２２が、第１、第２外部端子１５−１，１５−２に接続されている。

各ダイオード１１−１，１１−２は、温度上昇によって順方向降下電圧Ｖｆが小さくなるという温度特性を有している。そのため、電流源２１により、第１外部端子１５−１及び第２外部端子１５−２間に一定電流を流し、その第１外部端子１５−１及び第２外部端子１５−２間の電圧変化を電圧検出部２２で検出し、この検出電圧を温度検出部２３へ出力する。温度検出部２３では、入力された検出電圧に基づき、直列接続された２つのダイオード１１−１，１１−２におけるダイオード順方向降下電圧２×Ｖｆの温度変化率を利用してパワー半導体３付近の温度を検出する。そのため、温度検出部２３によって正確に、パワー半導体３付近の温度を検出することができる。

（実施例１の効果）
本実施例１のパワーモジュール１Ａによれば、２つのダイオード１１−１，１１−２が、２つの配線パターン５−２，５−３上において、Ｐ層とＮ層が上下交互に逆方向になるように配置されて横方向に配列されている。そのため、ダイオー１１−１のＮ層とダイオード１１−２のＰ層とを、導電部材１４−２を用いて相互に接続することにより、その２つのダイオード１１−１，１１−２を順方向に直列接続できる。これにより、２つのダイオード１１−１，１１−２の設置間隔を縮小でき、省スペースで正確な温度検出が可能なパワーモジュール１Ａを提供できる。

（実施例２の構成）
図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例２のパワーモジュール１Ｂを示す構成図であり、同図（ａ）はパワーモジュール１Ｂの概略の縦断面図、及び同図（ｂ）はパワーモジュール１Ｂ中の温度センサ１０Ｂの回路図である。この図３において、参考例を示す図４と実施例１を示す図１及び図２中の要素と共通の要素には、共通の符号が付されている。

本実施例２のパワーモジュール１Ｂでは、基板４の表面に所定間隔隔てて形成された複数（例えば、２つ）の配線パターン５−１，５−３の内の１つの配線パターン５−３上に、温度センサ１０Ｂを構成している複数（例えば、２つ）のダイオード１１−１，１１−２が固着されている。例えば、２つのダイオード１１−１，１１−２は、１つの配線パターン５−３上において、Ｐ層とＮ層が同一方向（即ち、順方向）になるように積層されて直列に接続されている。ダイオード１１−２のＮ層は、導電性接着剤等によって配線パターン５−３上に固着されている。ダイオード１１−２のＰ層上には、導電性接着剤１１ａによってダイオード１１−１のＮ層が固着されている。

配線パターン５−３上には、棒状の第２外部端子１５−２が突設されている。配線パターン５−１上には、棒状の第１外部端子１５−１と、太い柱状の導電部材１４−３と、が突設されている。導電部材１４−３の上端と、ダイオード１１−１のＰ層と、は板状の導電部材１４−４によって相互に接続されている。このようにして、２つのダイオード１１−１，１１−２は、第１、第２外部端子１５−１，１５−２間において、配線パターン５−１、導電部材１４−３，１４−４、及び配線パターン５−３を介して、順方向に直列に接続されている。

図１の実施例１と同様に、温度センサ１０Ｂが搭載されたパワー半導体３は、封止材１６によって封止されている。その他の構成は、図１の実施例１と同様である。

（実施例２の動作）
実施例１と同様に、パワーモジュール１Ｂにおいて、第１外部端子１５−１及び第２外部端子１５−２間に電源電圧が印加され、図示しない外部端子から、スイッチング駆動信号が入力されると、パワー半導体３中のパワー半導体素子３ａ，３ｂがオン／オフ動作する。そのため、パワー半導体３の温度が上昇する。

パワーモジュール１Ｂの外部には、図１の実施例１と同様に、図２の温度測定回路２０が設けられ、この温度測定回路２０中の電流源２１及び電圧検出部２２が、第１、第２外部端子１５−１，１５−２に接続されている。そのため、実施例１と同様に、温度測定回路２０中の温度検出部２３によって正確にパワー半導体３付近の温度を検出することができる。

（実施例２の効果）
本実施例２のパワーモジュール１Ｂによれば、２つのダイオード１１−１，１１−２が、１つの配線パターン５−３上において、Ｐ層とＮ層が同一方向（順方向）になるように積層されて直列に接続されている。そのため、２つのダイオード１１−１，１１−２の横方向の設置スペースを、実施例１よりも更に縮小でき、より省スペースで、正確な温度検出が可能なパワーモジュール１Ｂを提供できる。

（実施例１、２の変形例）
本発明は、上記実施例１、２に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（ａ）、（ｂ）のようなものがある。

（ａ） 図１及び図３において、温度センサ１０Ａ，１０Ｂは２つのダイオード１１−１，１１−２により構成されているが、そのダイオードは３つ以上であっても良い。パッケージ２内に収容可能な設置スペースの範囲内で、ダイオードの数を増やすことにより、温度検出感度を向上できる。
（ｂ） 図１及び図３のパワーモジュール１Ａ，１Ｂにおいて、ダイオード１１−１，１１−２の配置形態、構成材料等、更に、パッケージ２の構造、形状等は、種々の変更が可能である。

１，１Ａ，１Ｂ パワーモジュール
２ パッケージ
３ パワー半導体
３ａ，３ｂ パワー半導体素子
４ 基板
５−１，５−２，５−３ 配線パターン
１０，１０Ａ，１０Ｂ 温度センサ
１１−１，１１−２，１１−３ ＰＮ接合ダイオード
１４−１，１４−２，１４−３ 導電部材
１５−１，１５−２ 第１、第２外部端子

Claims (5)

1. パワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子の温度を検出する温度センサと、
   がパッケージ内に収容されたパワーモジュールであって、
   前記温度センサは、
   複数のＰＮ接合ダイオードを有し、
   前記パワー半導体素子上に、前記複数のＰＮ接合ダイオードが上下交互に横方向に配列されて直列に接続されている、
   ことを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記複数のＰＮ接合ダイオードは、基板の表面に所定間隔隔てて形成された複数の配線パターン上にそれぞれ固着され、
   前記複数のＰＮ接合ダイオードにおいて互いに隣接する前記ＰＮ接合ダイオード間が導電部材により直列に接続され、
   前記直列の一端電極と他端電極に相当する２つの前記配線パターンには、第１外部端子及び第２外部端子がそれぞれ接続されて、前記パッケージから引き出されている、
   ことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
3. パワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子の温度を検出する温度センサと、
   がパッケージ内に収容されたパワーモジュールであって、
   前記温度センサは、
   複数のＰＮ接合ダイオードを有し、
   前記パワー半導体素子上に、前記複数のＰＮ接合ダイオードが順方向に積層されて直列に接続されている、
   ことを特徴とするパワーモジュール。
4. 前記複数のＰＮ接合ダイオードは、基板の表面に形成された第１配線パターン上に積層されて直列に接続され、
   上端の前記ＰＮ接合ダイオードには、導電部材と、前記基板の表面に形成された第２配線パターンと、を介して第１外部端子が接続され、
   前記第１配線パターンには、第２外部端子が接続され、
   前記第１外部端子及び前記第２外部端子が、前記パッケージから引き出されている、
   ことを特徴とする請求項３記載のパワーモジュール。
5. 前記第１外部端子及び前記第２外部端子間の電圧の変化から、前記パワー半導体素子の温度を検出する、
   ことを特徴とする請求項２又は４記載のパワーモジュール。

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