JP2019197748A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 半導体モジュールに流れる過電流を遮断する。【解決手段】 半導体装置は、半導体モジュールとバスバーと接続部材とを備える。半導体モジュールは、半導体素子及び半導体素子に接続された電力端子を有する。半導体モジュールの電力端子は、接続部材を介してバスバーに接続されている。接続部材の溶断電流は、電力端子及びバスバーの各溶断電流よりも低い。即ち、電力端子、接続部材及びバスバーに同じ過電流が流れたときに、接続部材が電力端子及びバスバーよりも先に溶断される。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、半導体モジュールを備える半導体装置に関する。
特許文献１に、半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールは、過電流が流れたときに開放されるスイッチ構造を有する。
特開２０１３−１０１９９３号公報
上記した半導体モジュールのように、半導体モジュールに過電流が流れたときは、その過電流が速やかに遮断されることが望まれる。しかしながら、半導体モジュールにスイッチ構造を設けると、半導体モジュールの構造が複雑になるとともに、インピーダンスの増大といった電気的特性にも悪影響を与えてしまう。この点に関して、本明細書は、半導体モジュールに流れる過電流を遮断し得る新たな技術を提供する。
本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子及び半導体素子に接続された電力端子を有する半導体モジュールと、半導体モジュールの電力端子に接続部材を介して接続されたバスバーとを備える。接続部材の溶断電流は、電力端子及びバスバーの各溶断電流よりも低い。即ち、電力端子、接続部材及びバスバーに同じ過電流が流れたときに、接続部材が電力端子及びバスバーよりも先に溶断される。
上記した構成によると、半導体モジュールに過電流が流れたときは、接続部材が溶断されることによって、その過電流が速やかに遮断される。接続部材は、半導体モジュールの外部に設けられるので、半導体モジュールの構造を変更する必要はなく、半導体モジュールの電気的特性も変化しない。バスバーと電力端子とを直接的に接合する構造と比較して、バスバー又は電力端子の一部を接続部材に置き換えればよいので、半導体装置のサイズが特段に拡大することもない。なお、接続部材の溶断電流は、接続部材の構造や材料によって調整可能であり、半導体モジュールの許容最大電流（即ち、定格電流）に応じて定めることができる。
半導体装置２の構造を模式的に示す正面図。 半導体装置２の構造を模式的に示す平面図。 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図。 半導体装置２の電気的構造を示す回路図。 第１接続部材４０の側面図を示す。 第１接続部材４０の平面図を示す。 図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図。
本技術の一実施形態において、接続部材と電力端子との間の接合面は、接続部材とバスバーとの間の接合面と平行であってもよい。このような構成によると、電力端子とバスバーとの両者に対して、接続部材を同じ方向から接合することができる。
上記した実施形態では、接続部材と電力端子との間の接合面が、接続部材とバスバーとの間の接合面と同一平面内に位置してもよい。このような構成によると、接続部材と電力端子との間の接合と、接続部材とバスバーとの間の接合を、同時に又は連続して実施しやすい。
本技術の一実施形態では、半導体モジュールが、半導体素子を封止する封止体をさらに有してもよい。この場合、電力端子は、封止体から外部へ延びる第１部分と、第１部分の延びる方向に対して垂直な方向に延びる第２部分とを有してもよい。そして、接続部材は、電力端子の第２部分に接合されていてもよい。このような構成によると、例えば複数の半導体モジュールが積層配置されたときでも、半導体モジュールの電力端子に接続部材を接合しやすい。
本技術の一実施形態では、接続部材を構成する材料が、電力端子及びバスバーを構成する各材料よりも低い融点を有してもよい。但し、他の実施形態として、接続部材は、接続部材を構成する材料が、電力端子又はバスバーを構成する各材料と同じであってもよい。この場合、接続部材の溶断電流は、接続部材を構成する材料だけでなく、接続部材の構造（例えば、断面積の大きさ）によっても調整することができる。
本技術の一実施形態では、接続部材が、内側部分と、内側部分を覆う外側部分とを有してもよい。この場合、内側部分を構成する材料は、外側部分を構成する材料よりも、低い電気抵抗率を有してもよい。このような構成によると、接続部材に過電流が流れたときに、内側部分の発熱量が増大することによって、接続部材を確実に溶断させることができる。
本技術の一実施形態では、接続部材が、長手方向の中間位置に屈曲部を有してもよい。このような構成によると、例えば半導体モジュールが振動したときに、その振動を屈曲部において吸収することができる。これにより、接続部材と電力端子との間の接合面や、接続部材とバスバーとの間の接合面に、過大な力が作用することを避けることができる。
本技術の一実施形態では、接続部材が、長手方向に垂直な断面が局所的に縮小された脆弱部を有してもよい。このような構成によると、接続部材に過電流が流れたときに、脆弱部において接続部材を確実に溶断させることができる。
本技術の一実施形態では、半導体装置が、第１半導体モジュールと、第２半導体モジュールと、第１バスバーと、第２バスバーと、第３バスバーとを備えてもよい。この場合、第１半導体モジュールは、第１スイッチング素子と第１電力端子と第２電力端子とを有し、第１電力端子が第１スイッチング素子を介して第２電力端子に接続されている。第２半導体モジュールは、第２スイッチング素子と第３電力端子と第４電力端子とを有し、第３電力端子が第２スイッチング素子を介して第４電力端子に接続されている。第１バスバーには、第１半導体モジュールの第１電力端子が、第１接続部材を介して接続されている。第２バスバーには、第１半導体モジュールの第２電力端子が第２接続部材を介して接続されているとともに、第２半導体モジュールの第３電力端子が第３接続部材を介して接続されている。第３バスバーには、第２半導体モジュールの第４電力端子が、第４接続部材を介して接続されている。第１接続部材の溶断電流は、第１電力端子及び第１バスバーの各溶断電流よりも低く、第２接続部材の溶断電流は、第２電力端子及び第２バスバーの各溶断電流よりも低く、第３接続部材の溶断電流は、第３電力端子及び第２バスバーの各溶断電流よりも低く、第４接続部材の溶断電流は、第４電力端子及び第３バスバーの各溶断電流よりも低い。このような構成によると、第１半導体モジュールと第２半導体モジュールとの少なくとも一方で過電流が生じたときに、第１接続部材から第４接続部材のうちのいずれかが溶断されることによって、過電流が速やかに遮断される。
図面を参照して、実施例の半導体装置２について説明する。半導体装置２は、例えば電気自動車の電力制御装置に採用され、コンバータやインバータといった電力変換回路の少なくとも一部を構成することができる。ここでいう電気自動車は、車輪を駆動するモータを有する自動車を広く意味し、例えば、外部の電力によって充電される電気自動車、モータに加えてエンジンを有するハイブリッド車、及び燃料電池を電源とする燃料電池車等を含む。
図１−図４に示すように、半導体装置２は、第１半導体モジュール１０と、第２半導体モジュール２０とを備える。第２半導体モジュール２０は、第１半導体モジュール１０に対して積層配置されている。第１半導体モジュール１０と第２半導体モジュール２０の間には、冷却器４が配置されてもよい。なお、半導体装置２は、第１半導体モジュール１０と第２半導体モジュール２０に加えて、さらに多くの半導体モジュールを備えてもよい。この場合、本明細書で説明する第１半導体モジュール１０と第２半導体モジュール２０との組み合わせが、冷却器４を介在させながら繰り返し配列された構造を有してもよい。
第１半導体モジュール１０は、複数の第１半導体素子１２と、複数の第１半導体素子１２を封止する第１封止体１４と、第１封止体１４から突出する第１電力端子１６及び第２電力端子１８と、複数の信号端子１９とを備える。第１電力端子１６及び第２電力端子１８は、第１封止体１４の内部において、複数の第１半導体素子１２に接続されている。複数の第１半導体素子１２は、第１電力端子１６と第２電力端子１８との間において、互いに並列に接続されている。
複数の第１半導体素子１２は、電力回路用のいわゆるパワー半導体素子であって、互いに同一の構成を有している。本実施例における第１半導体素子１２は、特に限定されないが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Reverse Conducting - Insulated Gate Bipolar Transistor）といった、スイッチング素子を有する。第１半導体素子１２の一端（例えばソース又はエミッタ）は、第１電力端子１６に接続されており、第１半導体素子１２の他端（例えばドレイン又はコレクタ）は、第２電力端子１８に接続されている。第１半導体素子１２は、スイッチング素子に加えて、ダイオードをさらに有してもよい。この場合、ダイオードのアノードは第１電力端子１６に接続され、ダイオードのカソードは第２電力端子１８に接続される。
第１封止体１４は、特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化性樹脂又はその他の絶縁体で構成されることができる。第１封止体１４は、例えばモールド樹脂又はパッケージとも称される。本実施例における第１封止体１４は、概して板形状を有しており、複数の第１半導体素子１２は、その板形状に平行な方向に沿って配列されている。なお、第１半導体素子１２の数については特に限定されない。第１半導体モジュール１０は、少なくとも一つの第１半導体素子１２を備えればよい。
第１電力端子１６及び第２電力端子１８は、銅又はアルミニウムといった導体で構成されている。第１電力端子１６及び第２電力端子１８は、第１封止体１４の内部から外部に亘って延びている。第１電力端子１６と第２電力端子１８は、第１封止体１４から同じ方向へ突出している。第１電力端子１６及び第２電力端子１８は、特に限定されないが、互いに同一の形状を有している。図３に示すように、第２電力端子１８は、屈曲された板状の部材であって、第１封止体１４から突出する第１部分１８ａと、第１部分１８ａの延びる方向（図３中の上下方向）に対して垂直な方向（図３中の左右方向）に延びる第２部分１８ｂを有する。第１電力端子１６についても、同様の第１部分及び第２部分を有する。
第２半導体モジュール２０は、複数の第２半導体素子２２と、複数の第２半導体素子２２を封止する第２封止体２４と、第２封止体２４から突出する第３電力端子２６及び第４電力端子２８と、複数の信号端子（図示省略）とを備える。第３電力端子２６及び第４電力端子２８は、第２封止体２４の内部において、複数の第２半導体素子２２に接続されている。複数の第２半導体素子２２は、第３電力端子２６と第４電力端子２８との間において、互いに並列に接続されている。
複数の第２半導体素子２２は、電力回路用のいわゆるパワー半導体素子であって、互いに同一の構成を有している。本実施例における第２半導体素子２２は、特に限定されないが、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴといった、スイッチング素子を有する。第２半導体素子２２の一端（例えばソース又はエミッタ）は、第３電力端子２６に接続されており、第２半導体素子２２の他端（例えばドレイン又はコレクタ）は、第４電力端子２８に接続されている。第２半導体素子２２は、スイッチング素子に加えて、ダイオードをさらに有してもよい。この場合、ダイオードのアノードは第３電力端子２６に接続され、ダイオードのカソードは第４電力端子２８に接続される。
第２封止体２４は、特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化性樹脂又はその他の絶縁体で構成されることができる。第２封止体２４は、例えばモールド樹脂又はパッケージとも称される。本実施例における第２封止体２４は、概して板形状を有しており、複数の第２半導体素子２２は、その板形状に平行な方向に沿って配列されている。なお、第２半導体素子２２の数については特に限定されない。第２半導体モジュール２０は、少なくとも一つの第２半導体素子２２を備えればよい。
第３電力端子２６及び第４電力端子２８は、銅又はアルミニウムといった導体で構成されている。第３電力端子２６及び第４電力端子２８は、第２封止体２４の内部から外部に亘って延びている。第３電力端子２６と第４電力端子２８は、第２封止体２４から同じ方向へ突出している。第３電力端子２６及び第４電力端子２８は、特に限定されないが、互いに同一の形状を有している。図３に示すように、第３電力端子２６は、屈曲された板状の部材であって、第２封止体２４から突出する第１部分２８ａと、第１部分２８ａの延びる方向（図３中の上下方向）に対して垂直な方向（図３中の左右方向）に延びる第２部分２８ｂを有する。第４電力端子２８についても、同様の第１部分及び第２部分を有する。
本実施例の半導体装置２では、第１半導体モジュール１０と第２半導体モジュール２０が、同一の構造を有するとともに、互いに反転させた姿勢で配置されている。但し、他の実施形態として、第１半導体モジュール１０と第２半導体モジュール２０は、互いに異なる構造を有してもよい。また、半導体モジュール１０、２０の数についても特に限定されない。半導体装置２は、少なくとも一つの半導体モジュールを備えればよい。
半導体装置２は、第１バスバー３０と、第２バスバー３２と、第３バスバー３４とをさらに備える。第１バスバー３０には、第１半導体モジュール１０の第１電力端子１６が、第１接続部材４０を介して接続されている。第２バスバー３２には、第１半導体モジュール１０の第２電力端子１８が、第２接続部材４２を介して接続されている。また、第２バスバー３２には、第２半導体モジュール２０の第３電力端子２６も、第３接続部材４４を介して接続されている。そして、第３バスバー３４には、第２半導体モジュール２０の第４電力端子２８が第４接続部材４６を介して接続されている。
上記した接続構造により、第１半導体モジュール１０と第２半導体モジュール２０は、第１バスバー３０と第３バスバー３４との間において、直列に接続されている。そして、第１半導体モジュール１０と第２半導体モジュール２０との間には、第２バスバー３２が接続されている。このような回路構造は、コンバータやインバータといった電力変換回路において、一対の上下アームを構成することができる。
第１接続部材４０は、例えば金属といった導体で構成されており、第１電力端子１６と第１バスバー３０との間を電気的に接続する。第１接続部材４０の溶断電流は、第１電力端子１６及び第１バスバー３０の各溶断電流よりも低い。従って、第１接続部材４０は、第１電力端子１６と第１バスバー３０との間において、ヒューズとして機能することができる。同様に、第２接続部材４２は、例えば金属といった導体で構成されており、第２電力端子１８と第２バスバー３２との間を電気的に接続する。第２接続部材４２の溶断電流は、第２電力端子１８及び第２バスバー３２の各溶断電流よりも低い。従って、第２接続部材４２は、第２電力端子１８と第２バスバー３２との間において、ヒューズとして機能することができる。これにより、第１半導体モジュール１０に過電流が流れたときは、第１接続部材４０又は第２接続部材４２が溶断されることによって、その過電流が速やかに遮断される。
ここで、第１接続部材４０の溶断電流を、第１電力端子１６及び第１バスバー３０の各溶断電流よりも低くするためには、第１接続部材４０の断面積を、第１電力端子１６及び第１バスバー３０の各断面積よりも小さくするとよい。加えて、又は代えて、第１接続部材４０を構成する材料が、第１電力端子１６及び第１バスバー３０を構成する各材料よりも、低い融点を有してもよい。同様に、第２接続部材４２の溶断電流を、第２電力端子１８及び第２バスバー３２の各溶断電流よりも低くするためには、第２接続部材４２の断面積を、第２電力端子１８及び第２バスバー３２の各断面積よりも小さくするとよい。加えて、又は代えて、第２接続部材４２を構成する材料が、第２電力端子１８及び第２バスバー３２を構成する各材料よりも、低い融点を有してもよい。
第３接続部材４４は、例えば金属といった導体で構成されており、第３電力端子２６と第２バスバー３２との間を電気的に接続する。第３接続部材４４の溶断電流は、第３電力端子２６及び第２バスバー３２の各溶断電流よりも低い。従って、第３接続部材４４は、第３電力端子２６と第２バスバー３２との間において、ヒューズとして機能することができる。同様に、第４接続部材４６は、例えば金属といった導体で構成されており、第４電力端子２８と第３バスバー３４との間を電気的に接続する。第４接続部材４６の溶断電流は、第４電力端子２８及び第３バスバー３４の各溶断電流よりも低い。従って、第４接続部材４６は、第４電力端子２８と第３バスバー３４との間において、ヒューズとして機能することができる。これにより、第２半導体モジュール２０に過電流が流れたときは、第３接続部材４４又は第４接続部材４６が溶断されることによって、その過電流が速やかに遮断される。
ここで、第３接続部材４４の溶断電流を、第３電力端子２６及び第２バスバー３２の各溶断電流よりも低くするためには、第３接続部材４４の断面積を、第３電力端子２６及び第２バスバー３２の各断面積よりも小さくするとよい。加えて、又は代えて、第３接続部材４４を構成する材料が、第３電力端子２６及び第２バスバー３２を構成する各材料よりも、低い融点を有してもよい。同様に、第４接続部材４６の溶断電流を、第４電力端子２８及び第３バスバー３４の各溶断電流よりも低くするためには、第４接続部材４６の断面積を、第４電力端子２８及び第３バスバー３４の各断面積よりも小さくするとよい。加えて、又は代えて、第４接続部材４６を構成する材料が、第４電力端子２８及び第３バスバー３４を構成する各材料よりも、低い融点を有してもよい。
図１、図５に示すように、第１接続部材４０と第１電力端子１６との間の接合面Ｓ１は、第１接続部材４０と第１バスバー３０との間の接合面Ｓ２と平行である。このような構成によると、互いに平行な第１電力端子１６と第１バスバー３０との両者に対して、第１接続部材４０を同じ方向から接合することができる。加えて、本実施例の半導体装置２では、第１接続部材４０と第１電力端子１６との間の接合面Ｓ１が、第１接続部材４０と第１バスバー３０との間の接合面Ｓ２と同一平面内に位置している。このような構成によると、第１接続部材４０と第１電力端子１６との間の接合と、第１接続部材４０と第１バスバー３０との間の接合を、同時に又は連続して実施しやすい。このような構成は、他の接続部材４２、４４、４６においても採用されている。
図１、図３に示すように、第２接続部材４２は、第２電力端子１８の第２部分１８ｂに接合されている。第２部分１８ｂは、二つの半導体モジュール１０、２０が積層された方向（図３中の左右方向）に平行であり、第２バスバー３２とも平行である。このような構成によると、二つの半導体モジュール１０、２０が積層配置されていても、第１半導体モジュール１０の第２電力端子１８に、過大な力が作用することを避けることができる。なお、本実施例における第１接続部材４０は、Ｕ字形状の屈曲部４０ａを有するが、屈曲部４０ａの形状については特に限定されない。他の接続部材４２、４４、４６においても、屈曲部４０ａと同様の構造が採用されている。
図６に示すように、第１接続部材４０は、長手方向の中間位置に、脆弱部４０ｂを有する。脆弱部４０ｂには複数のスロット４０ｃが形成されており、第１接続部材４０の長手方向に垂直な断面は、脆弱部４０ｂにおいて局所的に縮小されている。このような構成によると、第１接続部材４０に過電流が流れたときに、脆弱部４０ｂにおいて電流密度が高まることから、脆弱部４０ｂにおいて第１接続部材４０を確実に溶断させることができる。ここで、脆弱部４０ｂには、スロット４０ｃのような孔に加えて、又は代えて、一又は複数の切欠きが設けられてもよい。あるいは、第１接続部材４０の幅、厚み、直径といった寸法が、脆弱部４０ｂにおいて局所的に減少されてもよい。他の接続部材４２、４４、４６においても、脆弱部４０ｂと同様の構造が採用されている。
図７に示すように、第１接続部材４０は、内側部分４０ｄと、内側部分４０ｄを覆う外側部分４０ｅとを有する。内側部分４０ｄと外側部分４０ｅは異なる材料で構成されており、内側部分４０ｄを構成する材料は、外側部分４０ｅを構成する材料よりも低い電気抵抗率を有する。このような構成によると、第１接続部材４０に過電流が流れたときに、内側部分４０ｄの発熱量は外側部分４０ｅの発熱量よりも多くなる。内側部分４０ｄで発生した熱は、外部へ放出され難く、第１接続部材４０の温度を急速に上昇させる。これにより、第１接続部材４０に過電流が流れたときは、第１接続部材４０が短時間で溶断されることによって、過電流が速やかに遮断される。このような多層構造は、他の接続部材４２、４４、４６においても採用されている。
以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。
２：半導体装置
４：冷却器
１０、２０：半導体モジュール
１２、２２：半導体素子
１４、１６：封止体
１６、１８、２６、２８：電力端子
３０、３２、３４：バスバー
４０、４２、４４、４６：接続部材
４０ａ：接続部材の屈曲部
４０ｂ：接続部材の脆弱部
４０ｄ：接続部材の内側部分
４０ｅ：接続部材の外側部分

Claims (9)

  1. 半導体素子及び前記半導体素子に接続された電力端子を有する半導体モジュールと、
    前記半導体モジュールの前記電力端子に接続部材を介して接続されたバスバーと、を備え、
    前記接続部材の溶断電流は、前記電力端子及び前記バスバーの各溶断電流よりも低い、半導体装置。
  2. 前記接続部材と前記電力端子との間の接合面は、前記接続部材と前記バスバーとの間の接合面と平行である、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記接続部材と前記電力端子との間の前記接合面は、前記接続部材と前記バスバーとの間の前記接合面と同一平面内に位置する、請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体モジュールは、前記半導体素子を封止する封止体をさらに有し、
    前記電力端子は、前記封止体から外部へ延びる第１部分と、前記第１部分の延びる方向に対して垂直な方向に延びる第２部分とを有し、
    前記接続部材は、前記電力端子の前記第２部分に接合されている、請求項２又は３に記載の半導体装置。
  5. 前記接続部材を構成する材料は、前記電力端子及び前記バスバーを構成する各材料よりも、低い融点を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記接続部材は、内側部分と、前記内側部分を覆う外側部分とを有し、
    前記内側部分を構成する材料は、前記外側部分を構成する材料よりも、低い電気抵抗率を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記接続部材は、長手方向の中間位置に屈曲部を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記接続部材は、長手方向に垂直な断面が局所的に縮小された脆弱部を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 第１スイッチング素子と第１電力端子と第２電力端子とを有し、前記第１電力端子が前記第１スイッチング素子を介して前記第２電力端子に接続された、第１半導体モジュールと、
    第２スイッチング素子と第３電力端子と第４電力端子とを有し、前記第３電力端子が前記第２スイッチング素子を介して前記第４電力端子に接続された、第２半導体モジュールと、
    前記第１半導体モジュールの前記第１電力端子が第１接続部材を介して接続された第１バスバーと、
    前記第１半導体モジュールの前記第２電力端子が第２接続部材を介して接続されているとともに、前記第２半導体モジュールの前記第３電力端子が第３接続部材を介して接続されている第２バスバーと、
    前記第２半導体モジュールの前記第４電力端子が第４接続部材を介して接続された第３バスバーと、
    を備え、
    前記第１接続部材の溶断電流は、前記第１電力端子及び前記第１バスバーの各溶断電流よりも低く、
    前記第２接続部材の溶断電流は、前記第２電力端子及び前記第２バスバーの各溶断電流よりも低く、
    前記第３接続部材の溶断電流は、前記第３電力端子及び前記第２バスバーの各溶断電流よりも低く、
    前記第４接続部材の溶断電流は、前記第４電力端子及び前記第３バスバーの各溶断電流よりも低い、半導体装置。
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