JP2020025058A

JP2020025058A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2020025058A
Application number: JP2018149728A
Authority: JP
Inventors: 崇功川島; Takayoshi Kawashima; 今井　誠; Makoto Imai; 誠今井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2020-02-13

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、第１低融点部材と、前記第１低融点部材を介して前記電力端子に接続されたバスバーとを備える。前記第１低融点部材の融点が、前記電力端子及び前記バスバーの各融点よりも低い。過電流が流れると、第１低融点部材が溶融して、電力端子とバスバーの間の電流経路が切断される。【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

上記した特許文献１のように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り、インピーダンスの増大してしまう。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、第１低融点部材と、前記第１低融点部材を介して前記電力端子に接続されたバスバーを備えている。前記第１低融点部材の融点が、前記電力端子及び前記バスバーの各融点よりも低い。

上記した構成によると、第１低融点部材を介して電力端子とバスバーの間で過電流が流れると、その電流経路で発熱が生じる。すると、電力端子及びバスバーよりも低い融点を有する第１低融点部材が溶融し、電流経路が切断される。このため、過電流が遮断され、半導体モジュールが過電流から保護される。また、この構造によれば、電力端子とバスバーとを第１低融点部材を介して接続することで過電流を遮断できるので、半導体装置の構造が複雑化しない。このため、インピーダンスがそれほど大きくならない。このように、この半導体装置によれば、低いインピーダンスを実現しながら、半導体モジュールを過電流から保護することができる。

実施例１の半導体装置２の構造を模式的に示す正面図。半導体モジュール１０を有する電力変換回路の回路図。図１のＩＩＩ-ＩＩＩ線における断面図。半導体装置２の製造工程の説明図。実施例２の半導体装置の図３に対応する断面図。実施例２の半導体装置の製造工程の説明図。実施例３の半導体装置の図３に対応する断面図。図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における断面図。実施例３の半導体装置の製造工程の説明図。実施例４の半導体装置の図３に対応する断面図。実施例４の半導体装置の製造工程の説明図。実施例５の半導体装置の図３に対応する断面図。実施例５の半導体装置の製造工程の説明図。実施例６の半導体装置の断面図。実施例７の半導体装置の断面図。

本技術の一実施形態において、電力端子とバスバーの少なくとも一方がバネ部を有していてもよい。バネ部による力が、電力端子の第１低融点部材に対する接点とバスバーの第１低融点部材に対する接点とが互いから離れる方向に作用していてもよい。

この構成によれば、第１低融点部材が溶融すると、電力端子の接点とバスバーの接点の間の間隔が広がる。これによって、より確実に過電流を遮断することが可能となる。

本技術の一実施形態において、半導体装置が、第２低融点部材と中継部材をさらに備えていてもよい。前記第１低融点部材の融点が、前記中継部材の融点よりも低くてもよい。前記第２低融点部材の融点が、前記電力端子、前記バスバー及び前記中継部材の各融点よりも低くてもよい。前記中継部材が、前記第１低融点部材を介して前記電力端子に接続されているとともに前記第２低融点部材を介して前記バスバーに接続されていてもよい。

この構成によれば、過電流が流れると、第１低融点部材と第２低融点部材が溶融する。すると、中継部材が落下し、電流経路が切断される。このため、より確実に過電流を遮断することができる。

図面を参照して、実施例１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に示すように、半導体装置２は、半導体モジュール１０を備える。なお、図１では単一の半導体モジュール１０を示しているが、半導体装置２は、複数の半導体モジュール１０を有している。複数の半導体モジュール１０は、積層されている。各半導体モジュール１０の間に冷却器が配置されてもよい。

半導体モジュール１０は、半導体素子１２ａ、１２ｂと、半導体素子１２ａ、１２ｂを封止する封止体１４と、第１電力端子１６と、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と、第２電力端子１８と、複数の信号端子１９は、封止体１４の内部から外側に突出している。第１電力端子１６は、封止体１４の内部において半導体素子１２ａ及び１２ｂに接続されている。第２電力端子１８は、封止体１４の内部において半導体素子１２ａ及び１２ｂに接続されている。半導体素子１２ａ、１２ｂは、第１電力端子１６と第２電力端子１８との間において、並列に接続されている。各信号端子１９は、封止体１４の内部において半導体素子１２ａまたは１２ｂに接続されている。

半導体素子１２ａ、１２ｂ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。本実施例における半導体素子１２ａ、１２ｂ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。半導体素子１２ａ、１２ｂ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、半導体素子１２ａ、１２ｂ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。半導体素子１２ａ、１２ｂ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。図２は、高電位配線３４と低電位配線３２の間に２つの半導体モジュール１０を直列に接続した回路を例示している。図２に示すように、各半導体モジュール１０は、複数のスイッチング素子（半導体素子１２ａ、１２ｂ）を並列に接続した回路を構成している。図２に示す回路は、コンバータやインバータといった電力変換回路として用いることができる。

図１に示す封止体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。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。本実施例における封止体１４は、概して板形状を有しており、半導体素子１２ａ、１２ｂ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、封止体１４内に設けられる半導体素子１２の数については特に限定されない。半導体モジュール１０は、少なくとも一つの半導体素子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、封止体１４の内部から外部に亘って延びている。図１、３に示すように、第１電力端子１６と第２電力端子１８は、封止体１４から上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。第１電力端子１６は、封止体１４の外側に、バネ部１６ａを有している。図３に示すように、バネ部１６ａでは、第１電力端子１６が蛇行するように厚み方向に屈曲している。バネ部１６ａにおいて、弾性変形により、第１電力端子１６が厚み方向に撓んでいる。図１に示すように、第２電力端子１８も、第１電力端子１６と同様に、バネ部１８ａを有している。

図３に示すように、半導体装置２は、バスバー３０と低融点部材４０を有している。バスバー３０は、第１電力端子１６の近傍においてＬ字状に曲がっている。バスバー３０の先端部３０ａは、第１電力端子１６に沿って上方向に伸びている。バスバー３０は、先端部３０ａに設けられた接点３０ｂにおいて低融点部材４０に接続されている。第１電力端子１６は、その先端部に設けられた接点１６ｂにおいて低融点部材４０に接続されている。低融点部材４０を介して、第１電力端子１６がバスバー３０に接続されている。低融点部材４０は、第１電力端子１６及びバスバー３０よりも低い融点を有する導電性材料によって構成されている。第１電力端子１６は、バネ部１６ａにおいて弾性変形によりバスバー３０側に撓んだ状態で、低融点部材４０によってバスバー３０に接続されている。したがって、図３の矢印８０に示すようにバネ部１６ａによる力が第１電力端子１６の接点１６ｂをバスバー３０の接点３０ｂから引き離す方向に作用している状態で、第１電力端子１６がバスバー３０に接続されている。バスバー３０、低融点部材４０及び第１電力端子１６は、半導体素子１２ａ、１２ｂに繋がる電流経路を構成している。第２電力端子１８も、第１電力端子１６と同様に、低融点部材によって図示しないバスバーに接続されている。

次に、過電流が流れるときの動作について説明する。なお、第１電力端子１６と第２電力端子１８とで過電流が流れるときの動作はほぼ等しいので、以下では第１電力端子１６についてのみ説明する。半導体装置２の動作中に、バスバー３０、低融点部材４０、及び、第１電力端子１６を介して半導体素子１２ａ、１２ｂに過電流が流れる場合がある。バスバー３０、低融点部材４０及び第１電力端子１６からなる電流経路に過電流が流れると、この電流経路が発熱する。低融点部材４０の融点がバスバー３０及び第１電力端子１６の各融点よりも低いので、電流経路が発熱すると低融点部材４０が溶融する。すると、図３の矢印８０に示すように、バネ部１６ａによる力によって、第１電力端子１６の接点１６ｂがバスバー３０の接点３０ｂから離れるように第１電力端子１６が変形する。その結果、第１電力端子１６がバスバー３０から切り離され、電流経路が切断される。このため、過電流が遮断される。このため、半導体素子１２ａ、１２ｂが過電流から保護される。

また、図３の構成では、第１電力端子１６及びバスバー３０の構造がそれほど複雑ではないので、インダクタンスは小さい。このように、実施例１の構成によれば、低いインダクタンスを実現しながら、半導体素子１２ａ、１２ｂを過電流から保護することができる。

なお、半導体装置２の製造工程においては、図４に示すように、冶具１００によって第１電力端子１６をバスバー３０に向かって押し付けた状態で、レーザ１１０を用いた加熱によって低融点部材４０を第１電力端子１６とバスバー３０の間に溶着することで、図３の構造を得ることができる。

以下に、実施例２〜７について説明する。なお、実施例２〜７の半導体装置では、電力端子とバスバーの接続構造が実施例１の半導体装置２とは異なる。実施例２〜７の半導体装置のその他の構造は、実施例１の半導体装置２と等しい。したがって、実施例２〜７については、第１電力端子１６とバスバー３０の接続構造についてのみ説明する。

図５に示すように、実施例２の半導体装置では、第１電力端子１６の一部１６ｃが局所的に弾性変形によりバスバー３０側に撓んでいる。第１電力端子１６の撓んだ部分１６ｃが、低融点部材４０によってバスバー３０に接続されている。また、バスバー３０は、接点３０ｂよりも先端側で折れ曲がっている。バスバー３０の先端は、絶縁部材５０を介して第１電力端子１６に当接している。図５の接続構造は、図６に示すように、冶具１０１によって加圧することで平板状の第１電力端子１６の一部をバスバー３０側に撓ませ、撓んだ部分１６ｃを低融点部材４０によってバスバー３０に接続することで得られる。したがって、撓んだ部分１６ｃは、第１電力端子１６の接点１６ｂをバスバー３０の接点３０ｂから引き離す方向に力を加えている。すなわち、撓んだ部分１６ｃは、接点１６ｂを接点３０ｂから引き離す方向に力を加えるバネ部である。過電流によって低融点部材４０が溶融すると、撓んだ部分１６ｃが変形して平板状となり、第１電力端子１６の接点１６ｂとバスバー３０の接点３０ｂの間に間隔が形成される。これによって、電流経路が切断され、過電流が遮断される。

また、実施例２の構成では、第１電力端子１６及びバスバー３０の構造がそれほど複雑ではないので、インダクタンスは小さい。このように、実施例２の構成によれば、低いインダクタンスを実現しながら、半導体素子１２ａ、１２ｂを過電流から保護することができる。

図７、８に示すように、実施例３の半導体装置では、第１電力端子１６に貫通孔１６ｅが形成されており、貫通孔１６ｅに囲まれた端子部１６ｄが弾性変形によってバスバー３０側に撓んでいる。端子部１６ｄは、低融点部材４０によってバスバー３０に接続されている。また、バスバー３０は、接点３０ｂの周辺で第１電力端子１６側に向かって折れ曲がった支持部３０ｃを有している。支持部３０ｃは、絶縁部材５１を介して第１電力端子１６に当接している。図７、８の接続構造は、図９に示すように、冶具１０２によって加圧することで平板状の端子部１６ｄをバスバー３０側に弾性変形により撓ませ、撓んだ端子部１６ｄを低融点部材４０によってバスバー３０に接続することで得られる。したがって、端子部１６ｄは、第１電力端子１６の接点１６ｂをバスバー３０の接点３０ｂから引き離す方向に力を加えている。すなわち、端子部１６ｄは、接点１６ｂを接点３０ｂから引き離す方向に力を加えるバネ部である。過電流によって低融点部材４０が溶融すると、端子部１６ｄが変形して平板状となり、第１電力端子１６の接点１６ｂとバスバー３０の接点３０ｂの間に間隔が形成される。これによって、電流経路が切断され、過電流が遮断される。

また、実施例３の構成では、第１電力端子１６及びバスバー３０の構造がそれほど複雑ではないので、インダクタンスは小さい。このように、実施例３の構成によれば、低いインダクタンスを実現しながら、半導体素子１２ａ、１２ｂを過電流から保護することができる。

図１０に示すように、実施例４の半導体装置では、第１電力端子１６の形状は、平板状である。バスバー３０は、接点３０ｂよりも先端側でループ状に屈曲しており、その先端が第１電力端子１６に向かって伸びている。バスバー３０の先端は、絶縁部材５２を介して第１電力端子１６に当接している。図１０の接続構造は、図１１に示すように、冶具１０３によって加圧することでバスバー３０のループ部３０ｄを弾性変形により撓ませた状態で、低融点部材４０によってバスバー３０の接点３０ｂを第１電力端子１６の接点１６ｂに接続することで得られる。したがって、ループ部３０ｄは、バスバー３０の接点３０ｂを第１電力端子１６の接点１６ｂから引き離す方向に力を加えている。すなわち、ループ部３０ｄは、接点３０ｂを接点１６ｂから引き離す方向に力を加えるバネ部である。過電流によって低融点部材４０が溶融すると、ループ部３０ｄが元の形状に戻る。すると、バスバー３０の先端によって第１電力端子１６が押され、接点１６ｂが接点３０ｂから離れる方向に移動する。したがって、第１電力端子１６の接点１６ｂとバスバー３０の接点３０ｂの間に間隔が形成される。これによって、電流経路が切断され、過電流が遮断される。

また、実施例４の構成では、第１電力端子１６及びバスバー３０の構造がそれほど複雑ではないので、インダクタンスは小さい。このように、実施例４の構成によれば、低いインダクタンスを実現しながら、半導体素子１２ａ、１２ｂを過電流から保護することができる。

図１２に示すように、実施例５の半導体装置では、第１電力端子１６が折れ曲がっており、その先端部がほぼ水平に伸びている。バスバー３０は、第１電力端子１６の先端部と対抗するように水平に伸びている。バスバー３０に貫通孔３０ｅが形成されており、貫通孔３０ｅに囲まれた端子部３０ｆが第１電力端子１６側に弾性変形により撓んでいる。端子部３０ｆは、低融点部材４０によって第１電力端子１６の先端部に接続されている。図１２の接続構造は、図１３に示すように、冶具１０４によって加圧することで平板状の端子部３０ｆを第１電力端子１６側に弾性変形により撓ませ、撓んだ端子部３０ｆを低融点部材４０によって第１電力端子１６に接続することで得られる。したがって、端子部３０ｆは、バスバー３０の接点３０ｂを第１電力端子１６の接点１６ｂから引き離す方向に力を加えている。すなわち、端子部３０ｆは、接点３０ｂを接点１６ｂから引き離す方向に力を加えるバネ部である。過電流によって低融点部材４０が溶融すると、端子部３０ｆが変形して平板状となり、第１電力端子１６の接点１６ｂとバスバー３０の接点３０ｂの間に間隔が形成される。これによって、電流経路が切断され、過電流が遮断される。

また、実施例５の構成では、第１電力端子１６及びバスバー３０の構造がそれほど複雑ではないので、インダクタンスは小さい。このように、実施例５の構成によれば、低いインダクタンスを実現しながら、半導体素子１２ａ、１２ｂを過電流から保護することができる。

なお、上述した実施例１〜５では、第１電力端子１６とバスバー３０の一方にバネ部が設けられていたが、第１電力端子１６とバスバー３０の両方にバネ部が設けられていてもよい。また、バネ部を設けなくても低融点部材４０が溶融することで接点１６ｂ、３０ｂを互いから切断することが可能な場合には、第１電力端子１６とバスバー３０のいずれにもバネ部を設けなくてもよい。

図１４に示すように、実施例６の半導体装置では、第１電力端子１６が封止体１４から下方向に伸びている。バスバー３０は、Ｌ字上に曲がっている。バスバー３０の先端部は、第１電力端子１６に沿って伸びている。実施例６の半導体装置は、第１低融点部材４０、中継部材４２、及び、第２低融点部材４４を有している。中継部材４２は、バスバー３０の先端部と第１電力端子１６の先端部の間に配置されている。第１低融点部材４０は、第１電力端子１６と中継部材４２の間を接続している。第２低融点部材４４は、バスバー３０の先端部と中継部材４２の間を接続している。第１低融点部材４０の融点は、バスバー３０、中継部材４２及び第１電力端子１６の各融点よりも低い。第２低融点部材４４の融点は、バスバー３０、中継部材４２及び第１電力端子１６の各融点よりも低い。バスバー３０、第２低融点部材４４、中継部材４２、第１低融点部材４０及び第１電力端子１６は、半導体素子１２ａ、１２ｂに繋がる電流経路を構成している。この電流経路に過電流が流れると、第１低融点部材４０及び第２低融点部材４４が溶融する。すると、中継部材４２が自重により落下する。その結果、電流経路が切断され、過電流が遮断される。

また、実施例６の構成では、第１電力端子１６及びバスバー３０の構造がそれほど複雑ではないので、インダクタンスは小さい。このように、実施例６の構成によれば、低いインダクタンスを実現しながら、半導体素子１２ａ、１２ｂを過電流から保護することができる。

図１５に示すように、実施例７の半導体装置では、第１電力端子１６が封止体１４から下方向に伸びている。第１電力端子１６はＬ字上に曲がっており、第１電力端子１６の先端部はほぼ水平に伸びている。バスバー３０は、第１電力端子１６の先端部とほぼ同じ高さで水平に伸びている。実施例７の半導体装置は、実施例６と同様に、第１低融点部材４０、中継部材４２、及び、第２低融点部材４４を有している。第１低融点部材４０は、第１電力端子１６の先端部の下面に接続されている。第２低融点部材４４は、バスバー３０の下面に接続されている。中継部材４２は、第１低融点部材４０及び第２低融点部材４４に対して下側から接続されている。バスバー３０、第２低融点部材４４、中継部材４２、第１低融点部材４０及び第１電力端子１６は、半導体素子１２ａ、１２ｂに繋がる電流経路を構成している。この電流経路に過電流が流れると、第１低融点部材４０及び第２低融点部材４４が溶融する。すると、中継部材４２が自重により落下する。その結果、電流経路が切断され、過電流が遮断される。

また、実施例７の構成では、第１電力端子１６及びバスバー３０の構造がそれほど複雑ではないので、インダクタンスは小さい。このように、実施例７の構成によれば、低いインダクタンスを実現しながら、半導体素子１２ａ、１２ｂを過電流から保護することができる。

以上に説明したように、実施例１〜７のいずれの構成でも、低いインダクタンスを実現することができる。また、実施例１〜７のいずれの構成でも、過電流が流れるときに電流経路が切断されるので、半導体素子を過電流から保護することができる。

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
１０：半導体モジュール
１２ａ：半導体素子
１２ｂ：半導体素子
１４：封止体
１６：第１電力端子
１８：第２電力端子
１９：信号端子
３０：バスバー
４０：低融点部材

Claims

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、
第１低融点部材と、
前記第１低融点部材を介して前記電力端子に接続されたバスバーと、
を備え、
前記第１低融点部材の融点が、前記電力端子及び前記バスバーの各融点よりも低い、
半導体装置。
前記電力端子と前記バスバーの少なくとも一方がバネ部を有しており、
前記バネ部による力が、前記電力端子の前記第１低融点部材に対する接点と前記バスバーの前記第１低融点部材に対する接点とが互いから離れる方向に作用している、
請求項１の半導体装置。
第２低融点部材と、
中継部材、
をさらに備え、
前記第１低融点部材の融点が、前記中継部材の融点よりも低く、
前記第２低融点部材の融点が、前記電力端子、前記バスバー及び前記中継部材の各融点よりも低く、
前記中継部材が、前記第１低融点部材を介して前記電力端子に接続されているとともに前記第２低融点部材を介して前記バスバーに接続されている、
請求項１の半導体装置。