JP2019186239A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来の半導体装置では、温度に応じて起電される電圧が小さく、増幅時に大きな誤差を生じる場合がある。【解決手段】筐体と、放熱基板と、放熱基板上に設けられた第１の半導体チップと、筐体上に設けられた温度検出部と、第１の半導体チップと温度検出部とを電気的に接続する第１の熱電部材と、第１の半導体チップと前記温度検出部とを電気的に接続し、第１の熱電部材と異なる材料の第２の熱電部材とを備える半導体装置が提供される。放熱基板の熱伝導率は、筐体の熱伝導率よりも高い。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、半導体装置に関する。
従来、温度検出用ダイオードにより半導体チップの温度を検出する半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２００６−２３７３３１号公報
従来の半導体装置では、温度に応じて起電される電圧が小さく、増幅時に大きな誤差を生じる場合がある。
上記課題を解決するために、筐体と、放熱基板と、放熱基板上に設けられた第１の半導体チップと、筐体上に設けられた温度検出部と、第１の半導体チップと温度検出部とを電気的に接続する第１の熱電部材と、第１の半導体チップと温度検出部とを電気的に接続し、第１の熱電部材と異なる材料の第２の熱電部材とを備える半導体装置が提供されてよい。放熱基板の熱伝導率は、筐体の熱伝導率よりも高くてよい。
第１の半導体チップは、第１の熱電部材および第２の熱電部材が接続される、第１の導電性パッドを有してよい。
温度検出部は、温度検出素子を有し、温度検出部の温度と、第１の半導体チップの温度との温度差に基づいて、第１の半導体チップの温度を検出してよい。
温度検出部は、第１の熱電部材と第２の熱電部材とに接続された第２の導電性パッドを有してよい。
第１の半導体チップと温度検出部との間には、放熱基板よりも熱伝導率の低い材料が設けられてよい。
筐体は、放熱基板の上面と異なる平面上に上面を有する。
半導体装置は、第１の半導体チップと放熱基板との間に設けられた第１のリードフレームと、温度検出部と筐体との間に設けられた第２のリードフレームとを備えてよい。第１のリードフレームと第２のリードフレームとの間には、放熱基板よりも熱伝導率の低い材料が設けられてよい。
第１の熱電部材は、銅、およびニッケル−クロム合金のうちの少なくとも１つを有してよい。
第２の熱電部材は、銅−ニッケル合金、およびニッケル合金のうちの少なくとも１つを有してよい。
第１の半導体チップは、ダイオード部およびトランジスタ部を含んでよい。第１の導電性パッドは、ダイオード部に設けられてよい。
トランジスタ部は、エミッタ電極を含んでよい。第１の導電性パッドおよびエミッタ電極は、同一の材料により設けられてよい。
第１の半導体チップは、ダイオード部およびトランジスタ部にわたるエミッタ電極を含んでよい。第１の導電性パッドは、ダイオード部におけるエミッタ電極の上方に設けられてよい。
半導体装置は、ダイオード部を含む第２の半導体チップをさらに備えてよい。第１の半導体チップは、トランジスタ部を有してよい。第１の導電性パッドは、トランジスタ部に設けられてよい。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
半導体装置１００の一例の断面図を示す。 半導体装置１００の図１Ａとは別の例の断面図を示す 半導体装置１００の回路の一例を示したブロック図である。 比較例に係る半導体装置３００の断面図である。 半導体装置３００の回路の一例を示したブロック図である。 半導体チップ１１２がトランジスタ部２１２およびダイオード部２１４を含む例の上面図である。 半導体装置１００が半導体チップ１１２の他に半導体チップ６１０を有する実施形態を示す。 図５のＡ−Ａ'断面に沿って得られるＡ−Ａ'断面図である。 図５のＢ−Ｂ'断面の一実施形態を示す。 図８とは別の実施形態に係る図５のＢ−Ｂ'断面図を示す。 半導体チップ１１２の持つ過熱保護機能の動作シーケンスを示す図である。 実施例に係る半導体装置１００の過熱保護の概念図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１Ａは、半導体装置１００の一例の断面図を示す。半導体装置１００は、放熱基板１１０と、半導体チップ１１２と、筐体１３０と、温度検出部１３２と、熱電部材１４０と、熱電部材１４２とを備える。
半導体チップ１１２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の半導体素子を有する。半導体チップ１１２は、おもて面と裏面にそれぞれ電極を有する、トランジスタやダイオードなどの縦型の半導体素子を含んでよい。半導体チップ１１２は、スイッチング動作時に発熱する場合がある。一例において、半導体チップ１１２の温度は、熱電対を用いて測定される。半導体チップ１１２は、熱電対を接続するための導電性パッド１２０を有してよい。半導体チップ１１２は、第１の半導体チップの一例である。
温度検出部１３２は、半導体チップ１１２の温度を検出する。本例の温度検出部１３２は、半導体チップ１１２と温度検出部１３２との温度差ΔＴｊを検出する。温度検出部１３２は、温度検出部１３２の温度Ｔｊと温度差ΔＴｊとに基づいて、半導体チップ１１２の温度Ｔｊ＋ΔＴｊを検出する。温度検出部１３２は、熱電対を接続するための２つの導電性パッド１５０を有してよい。本例の温度検出部１３２は、温度検出用ダイオード等の温度検出素子を用いて温度Ｔｊを検出し、熱電対を用いて温度差ΔＴｊを検出する。温度検出部１３２は、熱電対を用いることにより、温度差ΔＴｊの検出用の増幅回路を有する必要がない。
熱電部材１４０および熱電部材１４２は、熱電対として機能する。熱電部材１４０および熱電部材１４２は、互いに異なる材料を有する。熱電部材１４０および熱電部材１４２は、半導体チップ１１２と温度検出部１３２とを電気的に接続する。熱電部材１４０および熱電部材１４２は、共通の導電性パッドに接続される。例えば、熱電部材１４０の一端および熱電部材１４２の一端は、半導体チップ１１２の導電性パッド１２０から引き出される。また、熱電部材１４０の他端および熱電部材１４２の他端はそれぞれ、温度検出部１３２の２つの導電性パッド１５０から引き出されてよい。
熱電部材１４０および熱電部材１４２には、ゼーベック効果により、半導体チップ１１２と温度検出部１３２との温度差ΔＴｊに応じた電位差が生じる。熱電部材１４０と熱電部材１４２との間の電位差に基づいて、温度検出部１３２は、半導体チップ１１２と温度検出部１３２との間の温度差ΔＴｊを算出することができる。
例えば、熱電部材１４０は、銅、およびニッケル−クロム合金等のうちの少なくとも１つを含む。熱電部材１４０は、熱電対の＋脚として機能する。熱電部材１４２は、銅−ニッケル合金、およびニッケル合金のうちの少なくとも１つを含んでよい。熱電部材１４２は、熱電対の−脚として機能する。
筐体１３０は、半導体チップ１１２および温度検出部１３２を収容する。筐体１３０は、絶縁性の材料を有する。筐体１３０は、熱伝導性が低く、耐熱性の高い樹脂等の材料を有してよい。例えば、筐体１３０は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）である。温度検出部１３２は、筐体１３０上に設けられる。
放熱基板１１０は、筐体１３０の内壁１９０内に設けられる。放熱基板１１０は、絶縁層１１４およびベースプレート１１６を有する。放熱基板１１０上には、半導体チップ１１２が設けられている。放熱基板１１０の熱伝導率は、筐体１３０の熱伝導率より高い材料で設けられる。これにより、放熱基板１１０は、半導体チップ１１２で発生した熱を半導体装置１００の外部に放熱する。
ベースプレート１１６は、熱伝導性および放熱性を有する。一例において、ベースプレート１１６は、アルミニウム、銅合金等を含む。ベースプレート１１６の下面は、半導体装置１００の下面に露出し、さらにヒートシンク等の放熱部材に接続される。ベースプレート１１６に接続されたヒートシンクは、半導体チップ１１２から伝導した熱を外部に放散する。
絶縁層１１４は、ベースプレート１１６の一方の面に設けられる。絶縁層１１４は、筐体１３０の熱伝導率より高い熱伝導率の材料を含み、一例として、絶縁層１１４は、熱伝導性フィラーを含有した有機絶縁材、および、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウム等のセラミックス材料を含む。本例の絶縁層１１４は、ベースプレート１１６と半導体チップ１１２との間に設けられる。
リードフレーム１７０は、放熱基板１１０と半導体チップ１１２との間に設けられる。半導体チップ１１２は、接着部材１８０でリードフレーム１７０に接続される。リードフレーム１７０は、導電性ワイヤ１７６によりリードフレーム１７４と接続される。
リードフレーム１７２およびリードフレーム１７４は、半導体装置１００の外部と電気的に接続される。リードフレーム１７２は、筐体１３０と温度検出部１３２との間に設けられる。温度検出部１３２は、接着部材１８０でリードフレーム１７２に接続される。リードフレーム１７２は、導電性ワイヤ１７６により温度検出部１３２と接続され、温度検出部１３２からの信号を外部に出力する。
一例において、リードフレーム１７０は、リードフレーム１７２より熱伝導率の高い部材で製造されてよい。これにより、リードフレーム１７０は、半導体チップ１１２の熱を放熱基板１１０に伝導しやすくなる。一方、リードフレーム１７２は、筐体１３０の熱を温度検出部１３２に伝導しにくくなり、温度検出部１３２の温度変化を低減することができる。
封止材１６０は、半導体チップ１１２および温度検出部１３２の周囲を覆う。封止材１６０は、樹脂等の絶縁性の材料を含む。一例において、封止材１６０は、放熱基板１１０よりも熱伝導率が低い材料を含む。これにより、半導体チップ１１２で発生した熱が、放熱基板１１０に優先的に放熱される。
接着部材１８０は、はんだ等の導電性の接着部材であってよい。接着部材１８０は、熱伝導率の高い材料を含むことが好ましい。
本例の筐体１３０は、放熱基板１１０よりも熱伝導率が低い材料で設けられる。これにより、半導体チップ１１２で発生した熱が、放熱基板１１０に優先して放熱されやすくなる。これにより、半導体チップ１１２で発生した熱が、温度検出部１３２側に伝導されにくくなる。
半導体チップ１１２と温度検出部１３２との間は、熱伝導率の低い封止材１６０等の材料で封止される。従って、温度検出部１３２は、半導体チップ１１２の発熱の影響を受けにくくなる。本例の封止材１６０は、リードフレーム１７０とリードフレーム１７２との間にも設けられる。これにより、各リードフレームを通じた温度検出部１３２への熱伝導を低減することができる。
また、半導体チップ１１２の上面は、温度検出部１３２の上面と異なる平面上に上面を有する。半導体チップ１１２および温度検出部１３２の上面が同一平面上にある場合と比較して、半導体チップ１１２と温度検出部１３２との距離を大きくしやすくなる。半導体チップ１１２の発熱の影響が温度検出部１３２に伝わりにくくなる。
本例の半導体装置１００は、熱電対として機能する熱電部材１４０および熱電部材１４２を有するので、半導体チップ１１２の温度変化を発生する起電力を増幅せずに大きな起電力を発生させることができる。従って、半導体装置１００は、半導体チップ１１２の温度変化を精密に測定することができるので、過熱限界に近い温度において、より正確なタイミングで過熱保護のための警告を発することができる。これにより、半導体チップ１１２の過熱限界に近い値まで動作可能範囲を広げることができる。
図１Ｂは、半導体装置１００の図１Ａとは別の例の断面図を示す。図１Ｂにおいては、半導体チップ１１２と、温度検出部１３２との距離を離間するために好適な実施形態が示される。
本例の半導体チップ１１２は、図１Ａの場合と比較して、温度検出部１３２が設けられた側と逆側の方向にずらした位置に配置されている。即ち、本例の半導体チップ１１２は、温度検出部１３２とは逆側の内壁１９０に近い位置に配置されている。これにより、温度検出部１３２は、半導体チップ１１２の発熱の影響を受けにくくなる。
本例の導電性ワイヤ１７６は、半導体チップ１１２の上方にまたがってリードフレーム１７４に接続される。即ち、導電性ワイヤ１７６とリードフレーム１７０との接続点は、半導体チップ１１２と温度検出部１３２との間に設けられている。半導体チップ１１２を温度検出部１３２の設けられた側と逆側の内壁１９０に隣接させて配置し、半導体チップ１１２の上面を温度検出部１３２の上面と異なる平面上に配置することにより、半導体チップ１１２と温度検出部１３２との距離を大きく離間している。従って、半導体チップ１１２から温度検出部１３２への熱伝導が低減され、温度検出部１３２の温度変化が低減される。
図２は、半導体装置１００の回路の一例を示したブロック図である。同図は、半導体チップ１１２および温度検出部１３２が有する回路をブロック図で示している。本例の半導体チップ１１２は、ＲＣ−ＩＧＢＴ２１０を含むが、これに限られない。
ＲＣ−ＩＧＢＴ２１０は、トランジスタ部２１２およびダイオード部２１４を同一のチップに有する。トランジスタ部２１２は、ＩＧＢＴを含んでよい。ダイオード部２１４は、還流ダイオード（ＦＷＤ）を含んでよい。
温度検出部１３２は、温度差検出回路２２２と、演算回路２２４と、温度検出回路２２６と、アラーム出力回路２２８と、温度警報出力用端子２３０とを有する。温度差検出回路２２２は、熱電部材１４０および熱電部材１４２により、半導体チップ１１２と接続されている。温度差検出回路２２２は、熱電部材１４０および熱電部材１４２の電位差に応じた演算により温度差ΔＴｊを検出する。
半導体チップ１１２の動作時の温度上昇ΔＴｊは、１２５度以下であってよく、１５０度以下であってよく、２００度以下であってもよい。例えば、半導体チップ１１２の動作時に熱電部材１４０と熱電部材１４２との間に生じる電位差は、１Ｖ以上、１０Ｖ以下である。
温度検出回路２２６は、温度検出部１３２の温度Ｔｊを検出する。温度検出部１３２は、半導体チップ１１２よりも発熱しにくい。温度検出部１３２は、半導体チップ１１２の発熱の影響を受けにくいことが好ましい。これにより、半導体装置１００の動作時であっても、温度検出部１３２の温度変化が半導体チップ１１２の温度変化よりも小さくなる。温度検出部１３２の温度変化は、１度以下であってよく、５度以下であってもよい。
例えば、温度検出回路２２６は、温度検出素子２４０が検出した電圧を増幅し、増幅された電圧に基づいて温度検出部１３２の温度Ｔｊを検出する。温度検出部１３２の温度変化が小さいので、温度検出素子２４０の電圧を増幅しても測定誤差が小さい。温度検出素子２４０は、一例として温度検出用のダイオードである。
演算回路２２４は、温度差検出回路２２２および温度検出回路２２６と接続されている。演算回路２２４は、温度Ｔｊに温度差ΔＴｊを加算することにより、半導体チップ１１２の温度Ｔｊ＋ΔＴｊを算出する。
アラーム出力回路２２８は、警報信号を出力する。アラーム出力回路２２８は、温度警報出力用端子２３０に接続されている。例えば、アラーム出力回路２２８は、温度Ｔｊ＋ΔＴｊが予め定められた閾値を超えた場合に、温度警報出力用端子２３０から異常値を示す警報信号を出力する。温度警報出力用端子２３０は、半導体チップ１１２を駆動する外部回路に接続されていてよい。外部回路は、温度警報出力用端子２３０からＴｊ＋ΔＴｊが過熱保護温度ＴｊＯＨを超えたことを示す警報信号を受信した場合、半導体チップ１１２の動作を停止する。
本例の温度検出部１３２は、温度検出素子２４０を用いて温度Ｔｊを検出し、熱電対を用いて温度差ΔＴｊを検出する。ここで、温度Ｔｊは、半導体チップ１１２の発熱の影響を受けにくいので変動しにくい。一方、温度差ΔＴｊは、半導体チップ１１２の発熱により変動しやすい。温度検出部１３２は、熱電対を用いて比較的変動の大きな温度差ΔＴｊを検出することにより、半導体チップ１１２の発熱の影響を低減することができる。温度検出部１３２は、温度検出部１３２の温度を温度検出素子２４０を用いて検出するものの、半導体チップ１１２の発熱の影響が小さいので、温度検出誤差を生じにくい。温度検出部１３２において、温度差検出回路２２２が設けられた領域は、温度検出回路２２６および温度検出素子２４０が設けられた領域と半導体チップ１１２との間に配置されてよい。
図３は、比較例に係る半導体装置３００の断面図である。半導体装置３００は、放熱基板１１０と、放熱基板１１０の上方に設けられた半導体チップ３１２および温度検出部３３２を備える。
半導体チップ３１２は、導電性パッド３２０を有する。導電性パッド３２０から温度検出部３３２へと接続用ワイヤ３３０が接続される。温度検出用ダイオード４１０の正極側から接続用ワイヤ３３０が引き出されている。
一方、半導体装置１００は、導電性パッド１２０から熱電部材１４０および熱電部材１４２の二本のワイヤが引き出されている。熱電部材１４０および熱電部材１４２が熱電対として動作するために、半導体チップ１１２と温度検出部１３２との間は、異なる熱電部材で接続されている。
図４は、比較例に係る半導体装置３００の回路の一例を示したブロック図である。同図は、半導体チップ３１２と温度検出部３３２とを有する回路をブロック図で示している。
半導体チップ３１２は、ＲＣ−ＩＧＢＴ２１０を含む。ただし、半導体チップ３１２が含む回路は異なる回路であってもよい。
温度検出部３３２は、温度検出回路４２０およびアラーム出力回路２２８を有する。アラーム出力回路２２８は、ＯＰアンプ等を含む増幅回路４２２を含む。
半導体チップ３１２がＲＣ−ＩＧＢＴ２１０を含む場合、半導体チップ３１２は、トランジスタ部２１２およびダイオード部２１４を同一のチップ内の回路に含む。
半導体チップ３１２は、図２の実施形態に係る熱電部材１４０および熱電部材１４２の代わりに温度検出用ダイオード４１０を含む。温度検出用ダイオード４１０の正極側は、接続用ワイヤ３３０を用いて温度検出部３３２に接続される。
接続用ワイヤ３３０は、温度検出部３３２の増幅回路４２２に接続される。温度検出用ダイオード４１０の負極側は、外部に接続されてよく、さらに、負極側は接地されてもよい。
温度検出用ダイオード４１０の温度特性により、温度検出用ダイオード４１０の正極と負極との間に、温度検出用ダイオード４１０の接続された半導体チップ１１２の温度Ｔｊ＋ΔＴｊに応じた起電力が生じる。当該起電力により発生した電圧は、例えば０．７Ｖから１．０Ｖ程度の大きさであり、増幅回路４２２により増幅される。
温度検出回路４２０は、増幅回路４２２により増幅された電圧値から、半導体チップ３１２のＴｊ＋ΔＴｊに相当する温度の絶対値を読み取ることができる。この構成においては、半導体チップ３１２と温度検出部３３２の温度差ΔＴｊでなく、半導体チップ３１２の温度Ｔｊ＋ΔＴｊに比例する電圧を増幅して読み取る。
図４の実施形態では、温度Ｔｊ＋ΔＴｊに比例する電圧を熱電対より低い起電力の温度検出用ダイオード４１０に生じる電圧を増幅して読み取ることで温度を検出している。従って、温度検出回路４２０の測定に伴う誤差は、温度検出用ダイオード４１０の特性により生じる誤差と、増幅回路４２２の特性により生じる誤差との両方の影響を受け、大きな値となる。
一方、半導体装置１００は、ΔＴｊに比例した電圧を熱電対で検出する。熱電対の起電力は、温度検出用ダイオード４１０の起電力より大きく、増幅回路を要せず、増幅回路の増幅に伴う誤差を生じない。従って、測定誤差が少ない精密な測定が可能となる。
図５は、半導体チップ１１２がトランジスタ部２１２およびダイオード部２１４を含む例の上面図である。半導体チップ１１２がＲＣ−ＩＧＢＴ２１０を含む場合、半導体チップ１１２上面に長方形の領域を占めるＦＷＤを含むダイオード部２１４が並び、それ以外の部分にＩＧＢＴを含むトランジスタ部２１２が配置される。
ダイオード部２１４の上方には、ＲＣ−ＩＧＢＴ２１０の外部へと延伸するダイオード部用ワイヤ５１０がはんだボール５１２により接続されてよい。導電性パッド１２０は、ダイオード部２１４の上面に配置されている。導電性パッド１２０から熱電部材１４０および熱電部材１４２が引き出されている。
図５においては、ダイオード部２１４が２つある例を例示しているが、２つに限定されない。導電性パッド１２０、熱電部材１４０および熱電部材１４２は、より発熱し易い位置、または、熱が蓄積し易い位置に存在するダイオード部２１４に設けられてよいが、導電性パッド１２０、熱電部材１４０および熱電部材１４２の設けられる位置および個数は限定されない。
近年、半導体の集積度向上の要求により、半導体チップ１１２全体のサイズを小さくする要求が存在する。トランジスタ部２１２およびダイオード部２１４を比較した場合、構造上の理由からダイオード部２１４のサイズが優先的に低減される場合がある。
例えば、ダイオード部２１４のサイズが小さくなると、ダイオード部２１４の熱容量が低減する。トランジスタ部２１２およびダイオード部２１４はともに動作時に発熱する回路であるが、ＲＣ−ＩＧＢＴにおいて、ダイオード部のサイズをトランジスタ部２１２に対して相対的に低減した場合には、ダイオード部２１４の温度変化が大きくなる。
このため、半導体チップ１１２がＲＣ−ＩＧＢＴ２１０を有する場合には、導電性パッド１２０は、ダイオード部２１４に設けられてよい。これにより、トランジスタ部２１２より温度変化し易いダイオード部２１４の温度変化を測定することが可能となり、精密な過熱保護が実現できる。
図６は、半導体装置１００が半導体チップ１１２の他に半導体チップ６１０を有する実施形態を示す。半導体装置１００は、半導体チップ１１２の他に半導体チップ６１０を有してよい。
一例として、半導体チップ１１２はトランジスタ部２１２を含み、半導体チップ６１０はダイオード部２１４を含む。トランジスタ部２１２およびダイオード部２１４が異なるチップに設けられる場合、半導体チップ１１２および半導体チップ６１０のそれぞれにおいてチップサイズの低減および集積度の向上が図られる。
トランジスタ部２１２およびダイオード部２１４が異なるチップに設けられる場合、導電性パッド１２０は、トランジスタ部２１２に設けられてよい。トランジスタ部２１２は、熱に対してダイオード部２１４より過熱に弱い部品であることが多い。トランジスタ部２１２の過熱を監視することで、回路により十分な過熱保護を与えることが可能となる。
導電性パッド１２０をトランジスタ部２１２に設けた上で、ダイオード部２１４にも導電性パッド１２０に相当する導電性パッドが設けられてもよい。これにより、回路全体に対し、さらに過熱保護を与えることができる。製造コストおよび回路配置上のスペースとのバランスを考慮の上で、設けられる導電性パッドの数は増減されてよい。
図７は、図５のＡ−Ａ'断面に沿って得られるＡ−Ａ'断面図である。半導体チップ１１２は半導体基板７００を有する。
半導体基板７００は、ダイオード部２１４においてｎ−型のドリフト領域７１０を有する。それぞれのｐ型ボディ領域７２０は、ドリフト領域７１０内に金属層７７０の下面に接するように設けられる。
さらに、トランジスタ部２１２において、半導体基板７００の上面に接する部分に、ｐ型ボディ領域７２０一つ毎に２箇所のｎ＋型のエミッタ領域７３０が設けられる。ゲート電極７４０を覆う層間絶縁膜７４２は、エミッタ領域７３０の上面に、異なるｐ型ボディ領域７２０内のエミッタ領域７３０にわたって設けられる。
ダイオード部２１４において、それぞれのｐ型ボディ領域７２０の間にまたがってダイオード部絶縁膜７４４が設けられる。金属層７７０は、半導体基板７００の上面、層間絶縁膜７４２、ダイオード部絶縁膜７４４の上面を覆って設けられる。
金属層７７０は、エミッタ電極として動作する。ダイオード部用ワイヤ５１０は、はんだボール５１２によって金属層７７０に接続される。
ドリフト領域の下部の半導体基板７００の下面と接する領域には、トランジスタ部２１２においては、ｐ＋型のコレクタ領域７５０が設けられる。一方、ダイオード部２１４においては、ｎ＋型のカソード領域７６０が設けられる。
図８は、図５のＢ−Ｂ'断面の一実施形態を示す。図８において、ダイオード部２１４の上面に、導電性パッド１２０が形成されている。
ダイオード部２１４において複数のｐ型ボディ領域７２０上面に絶縁膜８１０が設けられている。導電性パッド１２０は、金属層７７０の一部を分離することにより設けられる。即ち、半導体基板７００上面に金属層７７０を提供する工程は、ダイオード部２１４の上方に導電性パッド１２０を提供する工程を含む。
熱電部材１４０および熱電部材１４２が、導電性パッド１２０の上方に接続されている。図８における導電性パッド１２０は金属層７７０と同一の材料によって設けられ、導電性パッド１２０の形成に別個のプロセスを有しないため、プロセス全体を簡略化することができて、コストを低減できる。
図８に係る実施形態において、トランジスタ部２１２は、トランジスタ部２１２における半導体基板７００の上面に設けられた金属層７７０を含む。金属層７７０は、トランジスタ部２１２のエミッタ電極として機能する。
ダイオード部２１４は、半導体基板７００の上面に金属層７７０を含む。金属層７７０は、半導体基板７００の上面において、絶縁膜８１０が設けられている領域以外の領域に設けられている。半導体基板７００内のキャリアの受け渡しは、絶縁膜８１０の下部においても他の部分同様に行われる。従って、絶縁膜８１０を設けてもダイオード部２１４の機能は影響を受けない。
図９は、図８とは別の実施形態に係る図５のＢ−Ｂ'断面図を示す。図９の実施形態においては、Ｂ−Ｂ'断面において、金属層７７０は、トランジスタ部２１２およびダイオード部２１４にわたる。ダイオード部２１４の上面に設けられた金属層７７０の上面に、さらに絶縁パッド９１０が設けられている。導電性パッド１２０は、絶縁パッド９１０の上面に設けられる。
図１０は、半導体チップ１１２の持つ過熱保護機能の動作シーケンスを示す図である。半導体チップ１１２に対して、入力信号Ｖｉｎは常に一定のパルス間隔で入力される。
半導体チップ１１２は、トランジスタ部２１２およびダイオード部２１４等の発熱するスイッチング素子を有している。時刻ｔ１において、半導体チップ１１２のチップ温度Ｔｊ＋ΔＴｊが予め定められた警報レベルに達した場合、アラーム出力回路２２８は警報信号の値を変化させ、信号を受け取った外部回路が警報を発する。
時刻ｔ２において、半導体チップ１１２のチップ温度Ｔｊ＋ΔＴｊが予め定められた過熱保護温度ＴｊＯＨに達すると、アラーム出力回路２２８の送出する保護アラーム信号の値が変化し、異常を示す値となり、半導体チップ１１２の電流が切断される。半導体チップ１１２の電流が切断されると、半導体チップ１１２は発熱しなくなり、半導体チップ１１２の温度Ｔｊ＋ΔＴｊが下がり始める。
時刻ｔ３において、半導体チップ温度Ｔｊ＋ΔＴｊが予め定められた過熱保護リセットレベルまで下がると、保護アラーム信号の値が正常値に戻る。時刻ｔ３においては、安全のために、半導体チップ１１２に電流は導通されない。
時刻ｔ４において、半導体チップ温度Ｔｊ＋ΔＴｊが予め定められた警報リセットレベルにまで下がった場合において、警報信号の値が変化し、警報の送信が停止される。ｔ４を経過すると、半導体チップ１１２の導通電流は、再びスイッチング素子に流れ始める。以上のように、半導体チップ温度Ｔｊ＋ΔＴｊが過熱状態になることが防がれる。
図１１は、半導体チップ１１２の過熱保護の概念図である。半導体チップ１１２は、温度Ｔｊ＋ΔＴｊが動作温度Ｔｊｏｐの範囲で過熱の危険性なく動作することができる。
Ｔｊｏｐの下限は、半導体チップ１１２に含まれる半導体チップ１１２の動作時接合温度下限Ｔｊｏｐ（ｍｉｎ）である。Ｔｊｏｐの上限は、半導体チップ１１２の動作時接合温度Ｔｊｏｐ（ｍａｘ）である。
Ｔｊｏｐ（ｍａｘ）は、図１０の警報レベルと同一の温度であってよい。この場合、半導体チップ１１２がＴｊｏｐ（ｍａｘ）まで温度上昇すると、アラーム出力回路２２８は、警報信号を送信する。
半導体チップ１１２の最大接合温度Ｔｊ（ｍａｘ）は、半導体チップ１１２上の回路に損傷を与えることがなく動作可能な最大温度である。回路全体がＴｊ（ｍａｘ）まで温度上昇しないよう、温度が監視されている。
半導体チップ１１２の温度Ｔｊ＋ΔＴｊが過熱保護温度ＴｊＯＨに達した場合、半導体チップ１１２の電流が切断される。この場合、ＴｊＯｐ（ｍａｘ）からＴｊＯＨまでの温度範囲が警報範囲９９６となる。ＴｊＯＨは、温度ばらつきによる動作可能温度領域のマージン９９０の分、Ｔｊ（ｍａｘ）から低い値に設定される。
マージン９９０は、熱電部材１４０および熱電部材１４２の特性ばらつき９９２および温度検出部１３２の測定ばらつき９９４を含む。測定ばらつき９９４は、増幅回路４２２の特性により生じる誤差を含む。
マージン９９０は、特性ばらつき９９２および測定ばらつき９９４の和以上の幅を有する。マージン９９０を特性ばらつき９９２および測定ばらつき９９４の和未満に設定すると、温度検出部１３２により、半導体チップ温度Ｔｊ＋ΔＴｊがＴｊＯＨに達したと判断された時点で、実際には半導体チップ１１２の温度がＴｊ（ｍａｘ）を超えている可能性を生じるためである。
熱電部材１４０および熱電部材１４２を用いる実施形態においては、特性ばらつき９９２および測定ばらつき９９４の両方が、温度検出用ダイオード４１０を用いる比較例に比べて小さくできる。熱電対は比較例の温度検出用ダイオード４１０より温度に対して精度のよい反応特性を有するので、特性ばらつき９９２が小さくなる。比較例では、半導体装置３００が増幅回路４２２含むために測定ばらつき９９４も大きくなるが、熱電対を用いた場合には、増幅回路４２２を要しないため、測定ばらつき９９４も小さくできる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１００・・・半導体装置、１１０・・・放熱基板、１１２・・・半導体チップ、１１４・・・絶縁層、１１６・・・ベースプレート、１２０・・・導電性パッド、１３０・・・筐体、１３２・・・温度検出部、１４０・・・熱電部材、１４２・・・熱電部材、１５０・・・導電性パッド、１６０・・・封止材、１７０・・・リードフレーム、１７２・・・リードフレーム、１７４・・・リードフレーム、１７６・・・導電性ワイヤ、１８０・・・接着部材、１９０・・・内壁、２１０・・・ＲＣ−ＩＧＢＴ、２１２・・・トランジスタ部、２１４・・・ダイオード部、２２２・・・温度差検出回路、２２４・・・演算回路、２２６・・・温度検出回路、２２８・・・アラーム出力回路、２３０・・・温度警報出力用端子、２４０・・・温度検出素子、３００・・・半導体装置、３１２・・・半導体チップ、３２０・・・導電性パッド、３３０・・・接続用ワイヤ、３３２・・・温度検出部、４１０・・・温度検出用ダイオード、４２０・・・温度検出回路、４２２・・・増幅回路、５１０・・・ダイオード部用ワイヤ、５１２・・・はんだボール、６１０・・・半導体チップ、７００・・・半導体基板、７１０・・・ドリフト領域、７２０・・・ｐ型ボディ領域、７３０・・・エミッタ領域、７４０・・・ゲート電極、７４２・・・層間絶縁膜、７４４・・・ダイオード部絶縁膜、７５０・・・コレクタ領域、７６０・・・カソード領域、７７０・・・金属層、８１０・・・絶縁膜、９１０・・・絶縁パッド、９９０・・・マージン、９９２・・・特性ばらつき、９９４・・・測定ばらつき、９９６・・・警報範囲
Ｔｊｏｐの下限は、半導体チップ１１２に含まれるスイッチング素子の動作時接合温度下限Ｔｊｏｐ（ｍｉｎ）である。Ｔｊｏｐの上限は、半導体チップ１１２に含まれるスイッチング素子の動作時接合温度Ｔｊｏｐ（ｍａｘ）である。

Claims (13)

  1. 筐体と、
    放熱基板と、
    前記放熱基板上に設けられた第１の半導体チップと、
    前記筐体上に設けられた温度検出部と、
    前記第１の半導体チップと前記温度検出部とを電気的に接続する第１の熱電部材と、
    前記第１の半導体チップと前記温度検出部とを電気的に接続し、前記第１の熱電部材と異なる材料の第２の熱電部材と
    を備え、
    前記放熱基板の熱伝導率は、前記筐体の熱伝導率よりも高い
    半導体装置。
  2. 前記第１の半導体チップは、前記第１の熱電部材および前記第２の熱電部材が接続される、第１の導電性パッドを有する、
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記温度検出部は、温度検出素子を有し、前記温度検出部の温度と、前記第１の半導体チップの温度との温度差に基づいて、前記第１の半導体チップの温度を検出する、
    請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記温度検出部は、前記第１の熱電部材と前記第２の熱電部材とに接続された第２の導電性パッドを有する、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記第１の半導体チップと前記温度検出部との間には、前記放熱基板よりも熱伝導率の低い材料が設けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記筐体は、前記放熱基板の上面と異なる平面上に上面を有する
    請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記第１の半導体チップと前記放熱基板との間に設けられた第１のリードフレームと、
    前記温度検出部と前記筐体との間に設けられた第２のリードフレームとを更に備え、
    前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとの間には、前記放熱基板よりも熱伝導率の低い材料が設けられる、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記第１の熱電部材は、銅、およびニッケル−クロム合金のうちの少なくとも１つを有する、
    請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記第２の熱電部材は、銅−ニッケル合金、およびニッケル合金のうちの少なくとも１つを有する、
    請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10. 前記第１の半導体チップは、ダイオード部およびトランジスタ部を含み、
    前記第１の導電性パッドは、前記ダイオード部に設けられる、
    請求項２に記載の半導体装置。
  11. 前記トランジスタ部は、エミッタ電極を含み、
    前記第１の導電性パッドおよび前記エミッタ電極は、同一の材料により設けられる、
    請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 前記第１の半導体チップは、前記ダイオード部および前記トランジスタ部にわたるエミッタ電極を含み、
    前記第１の導電性パッドは、前記ダイオード部における前記エミッタ電極の上方に設けられる、
    請求項１０に記載の半導体装置。
  13. ダイオード部を含む第２の半導体チップをさらに備え、
    前記第１の半導体チップは、トランジスタ部を有し、
    前記第１の導電性パッドは、前記トランジスタ部に設けられる、
    請求項２に記載の半導体装置。
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