JP2020155690A - 半導体装置 - Google Patents

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俊 殿岡
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Abstract

【課題】電流経路の断面積の減少を抑制し、かつ、溶断特性を向上させることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】半導体素子と端子電極と内部配線とを備える。半導体素子は、ケースに収容されている。端子電極は、ケースの外部に電気的に接続可能なように設けられている。内部配線は、ケース内に設けられ、半導体素子と端子電極との間を電気的に接続している。内部配線は、内部配線の一部に、過電流によって溶断する溶断部を含む。溶断部は、一群の並列配線である複数の金属線を含む。複数の金属線のうち、一の金属線の抵抗値は、一の金属線よりも外側に配線された他の金属線の抵抗値よりも高い。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。
従来、半導体モジュールにおけるコンデンサ等の電子部品が短絡故障した場合、半導体モジュールに含まれる半導体装置には過大な短絡電流が流れ、半導体モジュールが破損する。さらに、定格を超える電流が半導体装置に流れるため、その半導体モジュールの破損の程度は大きくなる。
特許文献１には、パワースイッチング素子のチップに接続される配線の一部をヒューズとして用いるパワーモジュール素子が記載されている。特許文献１のパワーモジュールにおいては、板ヒューズの切り込み量を変えることにより、その溶断特性が調整されている。またはボンディングワイヤの本数、太さもしくは長さを変えることにより、その溶断特性が調整されている。例えば、溶断部が複数のボンディングワイヤで構成される場合、確実に全てのボンディングワイヤを溶断するには、各ワイヤの断面積を小さくしなければならない。
特開平８−１９５４１１号公報
電流経路における断面積の調整によって、溶断特性が調整される場合、溶断部の断面積は、その溶断部の前後の電流経路における断面積よりも小さい。例えば、電流経路における最小断面部が溶断部に対応する。
最小断面部は、高抵抗であるため、半導体装置が通常動作する場合には、発熱源となる。そのため、半導体装置は、通常動作時に温度が上昇し、他の電子部品等に悪影響を与える。
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、安定した溶断特性を担保し、かつ、通常使用時の溶断部における損失増大を防止することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、半導体素子と端子電極と内部配線とを備える。半導体素子は、ケースに収容されている。端子電極は、ケースの外部に電気的に接続可能なように設けられている。内部配線は、ケース内に設けられ、半導体素子と端子電極との間を電気的に接続している。内部配線は、内部配線の一部に、過電流によって溶断する溶断部を含む。溶断部は、一群の並列配線である複数の金属線を含む。複数の金属線のうち、一の金属線の抵抗値は、一の金属線よりも外側に配線された他の金属線の抵抗値よりも高い。
本発明によれば、安定した溶断特性を担保しつ、かつ、通常使用時の溶断部における損失増大を防止する半導体装置の提供が可能である。
本発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白になる。
実施の形態１における半導体装置の構成を示す平面図である。 実施の形態２における半導体装置の構成を示す平面図である。 実施の形態３における半導体装置の溶断部の構成を示す平面図である。 実施の形態３における半導体装置の溶断部の構成を示す平面図である。 実施の形態３におけるｎｏｕｔとΔＩとの関係を示す図である。
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１における半導体装置の構成を示す平面図である。半導体装置は、絶縁基板１、ケース１０、半導体素子３、端子電極５および内部配線９を含む。
絶縁基板１は、絶縁材をベース材料として含む。絶縁基板１は、主面に導電性を有する回路パターン２を含み、主面とは反対側の面に放熱性パターン（図示せず）を含む。図１には一例として、絶縁基板１の主面に、３つの回路パターン２が設けられている。回路パターン２は、例えばプリント配線である。
ケース１０は、枠形状を有する。ケース１０は、その枠形状が絶縁基板１の外周部を囲うように設けられている。
半導体素子３は、ケース１０内に収容され、かつ、絶縁基板１の主面に保持されている。実施の形態１においては、２つの半導体素子３が、１つの回路パターン２上に配置されている。半導体素子３は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ショットキーバリアダイオード等である。半導体素子３は、例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体を材料として含む。半導体素子３は、例えば、電力用半導体素子（パワー半導体素子）である。
端子電極５は、ケース１０の外部に設けられる外部回路（図示せず）に、電気的に接続可能なように設けられている。ここでは、端子電極５は、ケース１０に設けられている。
内部配線９は、ケース１０内に設けられ、複数の金属線８および上記の回路パターン２を含む。複数の金属線８は、例えば、ボンディングワイヤである。複数の金属線８は、２つの半導体素子３の間、半導体素子３と回路パターン２との間、および回路パターン２と端子電極５との間のそれぞれを接続している。このような構成により、内部配線９は、半導体素子３と端子電極５との間を電気的に接続している。また、複数の金属線８の本数は、後述する溶断部６を構成する複数の金属線７の本数以上である。そのため、複数の金属線８は、溶断部６よりも溶断しにくい特性を有する。なお、複数の金属線８は一例であって、半導体素子３と端子電極５との間を電気的に接続するその配線は、ボンディングワイヤ等の金属線に限定されるものでない。半導体素子３と端子電極５との間の配線は、溶断部６よりも溶断しにくい特性を有するように構成されていればよい。
絶縁基板１と半導体素子３と内部配線９とは、ケース１０内で封止材（図示せず）によって封止されている。
内部配線９は、その一部に、過電流によって溶断する溶断部６をさらに含む。言い換えると、溶断部６はヒューズ機能を有する。溶断部６は、一群の並列配線である複数の金属線７を含む。一群の並列配線とは、例えば、複数の金属線７が１本の同じ内部配線９（電流経路）を形成している構成に対応する。つまり、複数の金属線７のそれぞれに対応する複数の一端は、同じ１本の内部配線９から枝分かれしており、また、それらの複数の他端も、１本の同じ内部配線９から枝分かれしている。
複数の金属線７のうち、一の金属線７Ａの抵抗値は、その一の金属線７Ａよりも外側に配線された他の金属線７Ｂの抵抗値よりも高い。実施の形態１においては、複数の金属線７のうち、中央側に配線された金属線７Ａの長さが、それよりも外側に配線された金属線７Ｂの長さよりも長い。そのため、中央側の金属線７Ａの抵抗値は、それよりも外側に配線された金属線７Ｂの抵抗値よりも高い。
複数の金属線７における抵抗値は２種類に限定されず、少なくとも２種類以上の抵抗値を有してもよい。例えば、図１に示されるように、複数の金属線７の各々が中央から外側にかけて徐々にその長さが短くなるように配線された場合、複数の金属線７は複数の抵抗値を有する。例えば、複数の金属線７のうち、中央に配線された金属線７Ａが最も高い抵抗値を有する。また、実施の形態１における各金属線７の太さは同一であるが、異なっていてもよい。
また好ましくは、溶断部６である複数の金属線７は、半導体素子３と端子電極５との間における２つの領域間を接続するように設けられる。その２つの領域の各々は、例えば、半導体素子３、端子電極５または回路パターン２である。実施の形態１における複数の金属線７は、２つの回路パターン２の間を接続するように設けられている。
複数の金属線７の各々は、例えば、ボンディングワイヤである。複数の金属線７の各々は、アルミニウム、金、銀もしくは銅からなる。または、複数の金属線７の各々は、アルミニウム、金、銀もしくは銅を含む合金からなる。
半導体装置が通常動作する場合には、中央側の金属線７Ａおよび外側の金属線７Ｂの両方によって電流経路が確保される。そのため、半導体装置は、複数の金属線７からなる溶断部６の発熱による、回路の温度上昇を抑制する。その一方で、複数の金属線７に定格を超える電流が流れた場合、つまり過電流が生じた場合、中央側の金属線７Ａに流れる電流値と外側の金属線７Ｂに流れる電流値とに差が生じる。これは、中央側の金属線７Ａの抵抗値と外側の金属線７Ｂの抵抗値とが異なるためである。複数の金属線７のうち、発熱量が多い外側の金属線７Ｂがまず先に溶断する。その結果、外側の金属線７Ｂよりも中央側の金属線７Ａを含む複数の金属線が電流経路として残る。その残った複数の金属線に電流が流れ、同様に、発熱量が多い外側の金属線がさらに溶断する。このような溶断現象が繰り返されることにより、中央側の金属線７Ａのみが電流経路として残る。そして、中央側の金属線７Ａに電流が集中し、金属線７Ａも溶断する。最終的には全ての複数の金属線７が溶断し、過電流の電流経路が絶たれ、過電流による半導体装置内の回路の破壊が防止される。
溶断部が全て同じ抵抗値を有する複数の金属線からなる場合、過電流により、全ての金属線が同時に溶断する。そのため、溶断には高いエネルギーを必要とし、全ての金属線の溶断までに時間を要する。一方で、実施の形態１における溶断部６に過電流が生じた場合、まず外側の金属線７Ｂから順次溶断し、最後に金属線７Ａが溶断する。複数の金属線７は、段階的に溶断するため、その溶断エネルギーは小さい。このような溶断部６は、最小限の時間で電流遮断を可能とし、回路の破壊を防止するという効果を奏する。
以上をまとめると、実施の形態１における半導体装置は、半導体素子３と端子電極５と内部配線９とを備える。半導体素子３は、ケース１０に収容されている。端子電極５は、ケース１０の外部に電気的に接続可能なように設けられている。内部配線９は、ケース１０内に設けられ、半導体素子３と端子電極５との間を電気的に接続している。内部配線９は、内部配線９の一部に、過電流によって溶断する溶断部６を含む。溶断部６は、一群の並列配線である複数の金属線７を含む。複数の金属線７のうち、一の金属線７Ａの抵抗値は、一の金属線７Ａよりも外側に配線された他の金属線７Ｂの抵抗値よりも高い。
このような半導体装置は、安定した溶断特性を担保し、かつ、通常使用時の溶断部６における損失増大を防止する。半導体装置は、例えば、過電流による溶断特性を満足しながら、主電流経路の断面積を最大化することを可能にする。例えば、複数のボンディングワイヤで構成されている溶断部６に定格の電流値を超える電流が流れた場合、確実に全てのボンディングワイヤが溶断される。
溶断部６が複数の金属線７によって構成されているため、半導体装置が通常動作する場合には、中央側の金属線７Ａおよび外側の金属線７Ｂの両方によって電流経路が確保される。そのため、半導体装置は、複数の金属線７からなる溶断部６の発熱による、回路の温度上昇を抑制する。
その一方で、中央側の金属線７Ａおよび外側の金属線７Ｂの抵抗値が異なるため、複数の金属線７に定格を超える電流が流れた場合、中央側の金属線７Ａに流れる電流値と外側の金属線７Ｂに流れる電流値とに差が生じる。複数の金属線７のうち、発熱量が多い外側の金属線７Ｂから中央側の金属線７Ａに向かって順次溶断し、最終的には全ての金属線７が溶断する。そのため、半導体装置は、過電流による回路の破壊を防止する。
また、複数の金属線７内に、意図的に高抵抗な金属線が設けられているため、過電流によって破壊される金属線の位置の特定が容易である。また、実施の形態１における半導体装置は、溶断部６の断面の面積を可能な限り大きくすることを可能にする。このような半導体装置は、例えば、発電および送電用途の半導体装置、効率的なエネルギーの利用および再生用途の半導体装置として利用可能である。
また、実施の形態１における複数の金属線７は、複数の金属線７の各々ごとの抵抗値として、少なくとも２種類以上の抵抗値を有する。
このような半導体装置は、各金属線７が溶断する過電流の電流値が異なるため、様々な大きさの過電流に対し、溶断特性の確保および通常時の電流経路の確保を両立する。
また、実施の形態１における内部配線９は、回路パターン２をさらに含む。回路パターン２は、導電性を有し、かつ、ケース１０内に設けられる絶縁基板１の主面に配線されている。複数の金属線７は、半導体素子３と端子電極５との間における２つの領域間を接続する。２つの領域の各々は、半導体素子３、端子電極５または回路パターン２である。
このような半導体装置は、ボンディングワイヤによって構成される溶断部６に適した構造を提供可能にする。
また、実施の形態１における複数の金属線７の各々は、ボンディングワイヤである。
このような半導体装置は、ボンディングワイヤの長さによって、溶断部６を構成する複数の金属線７の各々の抵抗値を調整することを可能にする。
また、実施の形態１における複数の金属線７の各々は、アルミニウム、金、銀もしくは銅からなる。または複数の金属線７の各々は、アルミニウム、金、銀もしくは銅を含む合金からなる。
このような半導体装置は、様々な材料およびその組み合わせによって複数の金属線７の抵抗値を容易に調整することを可能にする。
＜実施の形態２＞
実施の形態２における半導体装置を説明する。なお、実施の形態１と同様の構成および動作については説明を省略する。
図２は、実施の形態２における半導体装置の構成を示す平面図である。実施の形態２における半導体装置は、実施の形態１における半導体装置とは、複数の金属線７の構成が異なる。
実施の形態２においては、複数の金属線７のうち、中央側に配線された金属線７Ｃの断面積が、それよりも外側に配線された金属線７Ｄの断面積よりも小さい。例えば、図２に示されるように、中央側の３本の金属線７Ｃの断面積は、それらの外側の４本の金属線７Ｄの断面積よりも小さい。そのため、中央側の金属線７Ｃの抵抗値は、それよりも外側に配線された金属線７Ｄの抵抗値よりも高い。
このような半導体装置は、安定した溶断特性を担保し、かつ、通常使用時の溶断部６における損失増大を防止する。
溶断部６が複数の金属線７によって構成されているため、半導体装置が通常動作する場合には、中央側の金属線７Ｃおよび外側の金属線７Ｄの両方によって電流経路が確保される。そのため、半導体装置は、複数の金属線７からなる溶断部６の発熱による、回路の温度上昇を抑制する。
その一方で、中央側の金属線７Ｃおよび外側の金属線７Ｄの抵抗値が異なるため、複数の金属線７に過電流が生じた場合、中央側の金属線７Ｃに流れる電流値と外側の金属線７Ｄに流れる電流値とに差が生じる。複数の金属線７のうち、発熱量が多い外側の金属線７Ｄがまず溶断する。その後、中央側の金属線７Ｃが溶断し、最終的には全ての金属線７が溶断する。そのため、半導体装置は、過電流による回路の破壊を防止する。
また、このような半導体装置は、複数の金属線７の各々の断面積の大きさによって、溶断部６を構成する複数の金属線７の各々の抵抗値を調整することを可能にする。半導体装置は、様々な大きさの過電流に対して、溶断特性の確保および通常時の電流経路の確保を両立する。
＜実施の形態３＞
実施の形態３における半導体装置を説明する。なお、実施の形態１または２と同様の構成および動作については説明を省略する。
溶断部６である複数の金属線７に定格を超える電流が流れた場合、例えば図１における中央側の金属線７Ａに流れる電流値と外側の金属線７Ｂに流れる電流値とに差が生じる。その電流値の差に応じて、金属線７の溶断特性の１つである溶断の許容度が決定される。例えば、過電流による電流値の差が小さい場合、複数の金属線７は一度に溶断する。そのため、溶断には高いエネルギーを必要とし、全ての金属線の溶断までに時間を要する。しかし、電流値の差が十分であれば、外側の金属線７Ｂから中央側の金属線７Ａに向かって順次溶断する。複数の金属線７は、段階的に溶断するため、その溶断エネルギーは小さい。このような溶断部６は、最小限の時間で電流遮断を可能とし、回路の破壊を防止する。
実施の形態３における半導体装置は、電流値の差をΔＩとし、複数の金属線７に流れる電流値をＩとし、複数の金属線７の本数をｎとし、複数の金属線７にそれぞれ対応して流れる複数の電流のうち最大電流値をＩｍａｘとし、複数の電流のうち最小電流値をＩｍｉｎとした場合に、式（１）の関係を満たす。ここで、Ｉで示される複数の金属線７に流れる電流値とは、各金属線７に流れる電流値の総和に対応する。
Figure 2020155690
図３および４は、実施の形態３における半導体装置の溶断部６の構成を示す平面図である。溶断部６は、２つの回路パターン２の間に設けられる１８本の金属線７で構成されている。それら金属線７は、ボンディングワイヤである。
図３に示される半導体装置は、１８本の金属線７のうち、最も外側に配線された２本の金属線７Ｆの長さが、それらよりも中央側に配線された１６本の金属線７Ｅの長さよりも短い。また、ここでは、１６本の金属線７Ｅの各々の長さは同一である。このような構成においては、中央側の各金属線７Ｅの抵抗値は、それよりも外側に配線された各金属線７Ｆの抵抗値よりも高い。したがって、式（１）におけるＩｍａｘは、最も外側に配線された２本の金属線７Ｆの各々に流れる電流値に対応する。また、Ｉｍｉｎは、中央側の１６本の金属線７Ｅの各々に流れる電流値に対応する。
図４に示される半導体装置は、１８本の金属線７のうち、最も外側に配線された２本、および、それらよりも内側に配線された２本の合計４本の金属線７Ｆの長さが、中央側に配線された１４本の金属線７Ｅの長さよりも短い。したがって、式（１）におけるＩｍａｘは、外側に配線された４本の金属線７Ｆの各々に流れる電流値に対応する。また、Ｉｍｉｎは、中央側の１４本の金属線７Ｅの各々に流れる電流値に対応する。
ここで、１８本の金属線７のうち、外側に配線された金属線７Ｆの本数をｎｏｕｔとする。図５は、実施の形態３におけるｎｏｕｔとΔＩとの関係を示す図である。図３に示される半導体装置は、ｎｏｕｔ＝２に対応する。図４に示される半導体装置は、ｎｏｕｔ＝６に対応する。
溶断部６が１８本の金属線７で構成される場合、外側に配線される金属線７Ｆの本数が１６本以下であれば、半導体装置はΔＩ＞５０％の関係を満たす。また、最も外側に配線される２本の金属線７Ｆだけが、中央側の１６本の金属線７Ｅよりも短い場合であっても、半導体装置はΔＩ＞５０％の関係を満たす。
このような半導体装置は、安定した溶断特性を担保し、かつ、通常使用時の溶断部６における損失増大を防止する。
実施の形態３における溶断部６は、複数の金属線７に流れる電流値の差が５０％以上となるように構成されているため、半導体装置が通常動作する場合には、中央側の金属線７Ｅおよび外側の金属線７Ｆの両方によって電流経路が確保される。そのため、半導体装置は、複数の金属線７からなる溶断部６の発熱による、回路の温度上昇を抑制する。
その一方で、中央側の金属線７Ｅおよび外側の金属線７Ｆの抵抗値が異なるため、複数の金属線７に過電流が生じた場合、中央側の金属線７Ｅに流れる電流値と外側の金属線７Ｆに流れる電流値とに差が生じる。複数の金属線７のうち、発熱量が多い外側の金属線７Ｆがまず溶断する。その後、中央側の金属線７Ｅが溶断し、最終的には全ての金属線７が溶断する。そのため、半導体装置は、過電流による回路の破壊を防止する。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
１ 絶縁基板、２ 回路パターン、３ 半導体素子、５ 端子電極、６ 溶断部、７ 金属線、８ 金属線、９ 内部配線、１０ ケース。

Claims (8)

  1. ケースに収容された半導体素子と、
    前記ケースの外部に電気的に接続可能なように設けられた端子電極と、
    前記ケース内に設けられ、前記半導体素子と前記端子電極との間を電気的に接続する内部配線と、を備え、
    前記内部配線は、前記内部配線の一部に、過電流によって溶断する溶断部を含み、
    前記溶断部は、一群の並列配線である複数の金属線を含み、
    前記複数の金属線のうち、一の金属線の抵抗値は、前記一の金属線よりも外側に配線された他の金属線の抵抗値よりも高い、半導体装置。
  2. 前記複数の金属線は、前記複数の金属線の各々ごとの前記抵抗値として、少なくとも２種類以上の抵抗値を有する、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記内部配線は、
    導電性を有し、かつ、前記ケース内に設けられる絶縁基板の主面に配線された回路パターンをさらに含み、
    前記複数の金属線は、前記半導体素子と前記端子電極との間における２つの領域間を接続し、
    前記２つの領域の各々は、前記半導体素子、前記端子電極または前記回路パターンである、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記ケースと、
    前記絶縁基板と、をさらに備え、
    前記半導体素子は、前記絶縁基板の前記主面に保持されている、請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記複数の金属線の各々は、ボンディングワイヤである、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記複数の金属線の各々は、アルミニウム、金、銀もしくは銅からなる、またはアルミニウム、金、銀もしくは銅を含む合金からなる、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記複数の金属線のうち、前記一の金属線の断面積は、前記一の金属線よりも外側に配線された前記他の金属線の断面積よりも小さい、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記複数の金属線に流れる電流値をＩとし、前記複数の金属線の本数をｎとし、前記複数の金属線にそれぞれ対応して流れる複数の電流のうち最大電流値をＩｍａｘとし、前記複数の電流のうち最小電流値をＩｍｉｎとした場合に、
    （Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉ／ｎ）＞５０％
    の関係式を満たす、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置。
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