JP2022134584A - 電気機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】第2搭載部に搭載された第2半導体チップの物理量が検出される構成が開示された電気機器を提供する【解決手段】第1スイッチを備える第1半導体チップ310と第1半導体チップを搭載する第1搭載部531を備える第1積層体330と、第2スイッチを備える第2半導体チップ320と第2半導体チップを搭載する第2搭載部532を備え、第1積層体よりも放熱性の高い第2積層体340と、第1積層体と第2積層体のうちの第1積層体に設けられ、第1スイッチの温度を検出する温度検出器523と、第1積層体と第2積層体のうちの第2積層体に設けられ、第2スイッチに流れる電流を検出する電流検出器545と、を有する電気機器。【選択図】図4
Description
本明細書に記載の開示は、半導体チップを備える電気機器に関するものである。
特許文献1には、複数の半導体デバイスと、複数の半導体デバイスの搭載される基板と、複数の半導体デバイスのうちの1つの温度を検出する温度検出器を備える電源装置が記載されている。
基板は厚さの薄い薄板部と薄板部よりも厚さの厚い厚板部を有している。薄板部に複数の半導体デバイスのうちの1つが搭載されている。厚板部に複数の半導体デバイスのうちの残りが搭載されている。
薄板部に搭載された半導体デバイスに温度検出器が設けられている。しかしながら厚板部(第2搭載部)に搭載された半導体デバイスの物理量を検出する構成の開示がなかった。
そこで本開示の目的は、第2搭載部に搭載された第2半導体チップの物理量が検出される構成が開示された電気機器を提供することである。
本開示の一態様による電気機器は、
第1スイッチ(521)を備える第1半導体チップ(310)と第1半導体チップを搭載する第1搭載部(531)を備える第1積層体(330)と、
第2スイッチ(522)を備える第2半導体チップ(320)と第2半導体チップを搭載する第2搭載部(532)を備え、第1積層体よりも放熱性の高い第2積層体(340)と、
第1積層体と第2積層体のうちの第1積層体に設けられ、第1スイッチの温度を検出する温度検出器(523)と、
第1積層体と第2積層体のうちの第2積層体に設けられ、第2スイッチに流れる電流を検出する電流検出器(545)と、を有する。
第1スイッチ(521)を備える第1半導体チップ(310)と第1半導体チップを搭載する第1搭載部(531)を備える第1積層体(330)と、
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第1積層体と第2積層体のうちの第1積層体に設けられ、第1スイッチの温度を検出する温度検出器(523)と、
第1積層体と第2積層体のうちの第2積層体に設けられ、第2スイッチに流れる電流を検出する電流検出器(545)と、を有する。
これによれば、第2搭載部(532)に搭載された第2半導体チップ(320)の物理量として電流量が検出される構成が開示された。
なお、上記の括弧内の参照番号は、後述の実施形態に記載の構成との対応関係を示すものに過ぎず、技術的範囲を何ら制限するものではない。
以下、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。
また、各実施形態で組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士、実施形態と変形例、および、変形例同士を部分的に組み合せることも可能である。
以下、実施形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
先ず、図1に基づいて電力変換装置300の設けられる車載システム100を説明する。この車載システム100は電気自動車用のシステムを構成している。車載システム100はバッテリ200、電力変換装置300、モータ400、および、図示しない基板を有する。基板には複数のECUと、複数のECUから出力される制御信号に基づいてスイッチの駆動を制御する図示しないゲートドライバが搭載されている。
先ず、図1に基づいて電力変換装置300の設けられる車載システム100を説明する。この車載システム100は電気自動車用のシステムを構成している。車載システム100はバッテリ200、電力変換装置300、モータ400、および、図示しない基板を有する。基板には複数のECUと、複数のECUから出力される制御信号に基づいてスイッチの駆動を制御する図示しないゲートドライバが搭載されている。
これら複数のECUは車両の各所に搭載された複数の別のECUと相互に信号を送受信している。これら複数のECUはバス配線を介して互いに協調して電気自動車を制御している。これら複数のECUの制御により、バッテリ200のSOCに応じたモータ400の回生と力行が制御される。SOCはstate of chargeの略である。ECUはelectronic control unitの略である。
ECUは制御信号としてパルス信号を生成している。ECUはこのパルス信号のオンデューティ比と周波数を調整している。このオンデューティ比と周波数は、図示しないセンサの出力、および、モータ400の目標トルクやバッテリ200のSOCなどに基づいて決定される。
バッテリ200は複数の二次電池を有する。これら複数の二次電池は直列接続された電池スタックを構成している。この電池スタックのSOCがバッテリ200のSOCに相当する。二次電池としてはリチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、および、有機ラジカル電池などを採用することができる。
電力変換装置300はインバータ500を有する。インバータ500として電力変換装置300はバッテリ200とモータ400との間の電力変換を行う。電力変換装置300はバッテリ200の直流電力を交流電力に変換する。電力変換装置300はモータ400の発電(回生)によって生成された交流電力を直流電力に変換する。
モータ400は図示しない電気自動車の出力軸に連結されている。モータ400の回転エネルギーは出力軸を介して電気自動車の走行輪に伝達される。逆に、走行輪の回転エネルギーは出力軸を介してモータ400に伝達される。
モータ400は電力変換装置300から供給される交流電力によって力行する。これにより走行輪への推進力の付与が成される。またモータ400は走行輪から伝達される回転エネルギーによって回生する。この回生によって発生した交流電力は、電力変換装置300によって直流電力に変換される。この直流電力がバッテリ200に供給される。また直流電力は電気自動車に搭載された各種電気負荷にも供給される。
<インバータ>
インバータ500はコンデンサ303と複数のスイッチモジュール510を有する。バッテリ200に第1給電バスバ301と第2給電バスバ302とが接続されている。第1給電バスバ301と第2給電バスバ302との間にコンデンサ303と複数のスイッチモジュール510が並列接続されている。複数のスイッチモジュール510とモータ400が出力バスバ440を介して接続されている。なお、スイッチモジュール510が電気機器に相当する。
インバータ500はコンデンサ303と複数のスイッチモジュール510を有する。バッテリ200に第1給電バスバ301と第2給電バスバ302とが接続されている。第1給電バスバ301と第2給電バスバ302との間にコンデンサ303と複数のスイッチモジュール510が並列接続されている。複数のスイッチモジュール510とモータ400が出力バスバ440を介して接続されている。なお、スイッチモジュール510が電気機器に相当する。
モータ400を力行する場合、ECUからの制御信号によって複数のスイッチモジュール510の備えるハイサイドスイッチとローサイドスイッチそれぞれがPWM制御される。これによりインバータ500で3相交流が生成される。モータ400が発電(回生)する場合、ECUは例えば制御信号の出力を停止する。これによりモータ400の発電によって生成された交流電力が3相の複数のスイッチモジュール510の備えるダイオードを通る。この結果、交流電力が直流電力に変換される。
<スイッチモジュール>
複数のスイッチモジュール510それぞれはスイッチとして、第1スイッチ521と第2スイッチ522を有する。また複数のスイッチモジュール510それぞれは、第1スイッチ521と第2スイッチ522の他に、第1ダイオード521aと、第2ダイオード522aと、感温ダイオード523と、電流センサ545と、信号端子549と、を有する。なお感温ダイオード523が温度検出器に相当する。電流センサ545が電流検出器に相当する。
複数のスイッチモジュール510それぞれはスイッチとして、第1スイッチ521と第2スイッチ522を有する。また複数のスイッチモジュール510それぞれは、第1スイッチ521と第2スイッチ522の他に、第1ダイオード521aと、第2ダイオード522aと、感温ダイオード523と、電流センサ545と、信号端子549と、を有する。なお感温ダイオード523が温度検出器に相当する。電流センサ545が電流検出器に相当する。
信号端子549は、ゲート端子543a、電流センサ端子545a、アノード端子546、カソード端子547、および、ケルビンエミッタ端子548を有する。なお、ゲート端子543aとケルビンエミッタ端子548は共通端子に相当する。
第1スイッチ521、第2スイッチ522、第1ダイオード521a、第2ダイオード522a、感温ダイオード523、電流センサ545、および、信号端子549が被覆樹脂600に被覆されることでスイッチモジュール510が構成されている。
なお、本実施形態では第1スイッチ521と第2スイッチ522それぞれに第1ダイオード521a、第2ダイオード522aが一体化したRCIGBTを適用した例について説明する。もちろん、スイッチとダイオードが別体構造でもよい。なお、第1スイッチ521と第2スイッチ522それぞれはIGBTに限定されない。第1スイッチ521と第2スイッチ522はMOSFETなどの半導体素子であってもよい。
図1に示すように、第1スイッチ521のコレクタ電極541に第1ダイオード521aのカソード電極が接続されている。第1スイッチ521のエミッタ電極542に第1ダイオード521aのアノード電極が接続されている。第1スイッチ521に第1ダイオード521aが逆並列接続されている。
第1スイッチ521のゲート電極543にゲート端子543aが接続されている。
また第1スイッチ521に感温ダイオード523が配置されている。感温ダイオード523は第1スイッチ521の温度を測定するための温度検出器である。感温ダイオード523のアノードにアノード端子546が接続されている。感温ダイオード523のカソードにカソード端子547が接続されている。
第2スイッチ522のコレクタ電極541に第2ダイオード522aのカソード電極が接続されている。第2スイッチ522のエミッタ電極542に第2ダイオード522aのアノード電極が接続されている。第2スイッチ522に第2ダイオード522aが逆並列接続されている。
第2スイッチ522のゲート電極543にゲート端子543aが接続されている。
また第2スイッチ522に電流センサ545が接続されている。電流センサ545は第2スイッチ522に流れる電流を測定するための電流検出器である。
さらに第1スイッチ521のエミッタ電極542と第2スイッチ522のエミッタ電極542にケルビンエミッタ端子548が電気的に接続されている。ケルビンエミッタ端子548は第1スイッチ521と第2スイッチ522それぞれのエミッタ電極542の電位を取り出すための端子である。
図1に示すように第1スイッチ521のコレクタ電極541と第2スイッチ522のコレクタ電極541とが第1導電部530を介して接続されている。第1スイッチ521のエミッタ電極542と第2スイッチ522のエミッタ電極542とが第2導電部560を介して接続されている。これによって第1スイッチ521と第2スイッチ522が並列接続されている。第1スイッチ521と第2スイッチ522に同時に通電されるようになっている。
なお、図面においては第1スイッチ521と第2スイッチ522に共通する要素については、第1スイッチ521と第2スイッチ522のどちらか一方に符号を付与している。
複数のスイッチモジュール510にはハイサイド側に位置するハイサイドスイッチモジュール517とローサイド側に位置するローサイドスイッチモジュール518が含まれている。
図1に示すようにハイサイドスイッチモジュール517の被覆樹脂600から露出した第1導電部530の一部が第1主端子として第1給電バスバ301に接続されている。
ローサイドスイッチモジュール518の被覆樹脂600から露出した第2導電部560の一部が第2主端子として第2給電バスバ302に接続されている。
ハイサイドスイッチモジュール517の被覆樹脂600から露出された第2導電部560の一部が、ローサイドスイッチモジュール518の被覆樹脂600から露出された第1導電部530の一部に接続されている。
これによってハイサイドスイッチモジュール517とローサイドスイッチモジュール518とが第1給電バスバ301と第2給電バスバ302の間で直列接続されている。
さらにハイサイドスイッチモジュール517の第2導電部560の一部とローサイドスイッチモジュール518の第1導電部530の一部に出力バスバ440が接続されている。
またハイサイドスイッチモジュール517には第1スイッチモジュール511と第3スイッチモジュール513と第5スイッチモジュール515が含まれている。
ローサイドスイッチモジュール518には第2スイッチモジュール512と第4スイッチモジュール514と第6スイッチモジュール516が含まれている。
出力バスバ440にはU相ステータコイルに接続されるU相バスバ410と、V相ステータコイルに接続されるV相バスバ420と、W相ステータコイルに接続されるW相バスバ430が含まれている。
第1スイッチモジュール511の第2導電部560の一部と第2スイッチモジュール512の第1導電部530の一部がU相バスバ410を介してモータ400のU相ステータコイルに接続されている。
第3スイッチモジュール513の第2導電部560の一部と第4スイッチモジュール514の第1導電部530の一部がV相バスバ420を介してモータ400のV相ステータコイルに接続されている。
第5スイッチモジュール515の第2導電部560と第6スイッチモジュール516の第1導電部530の一部がW相バスバ430を介してモータ400のW相ステータコイルに接続されている。
<スイッチモジュールの機械的構成>
以下においては互いに直交の関係にある3方向をx方向、y方向、および、z方向とする。なお、図面においては「方向」の記載を省略している。x方向は第1方向に相当する。y方向は第2方向に相当する。なお、図面においてはバッテリ200を「BATT」と略している。
以下においては互いに直交の関係にある3方向をx方向、y方向、および、z方向とする。なお、図面においては「方向」の記載を省略している。x方向は第1方向に相当する。y方向は第2方向に相当する。なお、図面においてはバッテリ200を「BATT」と略している。
スイッチモジュール510はこれまでに説明した構成要素の他に、第1半導体基板311と、第2半導体基板321と、複数のパッド570と、複数のワイヤ580と、第1ターミナル591と、第2ターミナル592と、はんだ700と、を有する。はんだ700は接合部材に相当する。
図2はスイッチモジュール510の上面図を示している。図3は図2から被覆樹脂600と、第2導電部560と、第1ターミナル591と、第2ターミナル592と、第2導電部560とターミナルの間のはんだ700を省略したスイッチモジュール510の上面図を示している。図3では被覆樹脂600の輪郭を二点鎖線で示している。また第1搭載部531と第2搭載部532の境界を破線で示している。以下に説明する図面においても同様である。図4では図2に示すIV-IV線に沿ったスイッチモジュール510の断面図を示している。
<第1半導体基板>
第1半導体基板311とは第1スイッチ521と第1ダイオード521aと感温ダイオード523の形成される基板のことである。第1半導体基板311はシリコン、シリコンよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体などから形成されている。
第1半導体基板311とは第1スイッチ521と第1ダイオード521aと感温ダイオード523の形成される基板のことである。第1半導体基板311はシリコン、シリコンよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体などから形成されている。
なお、ワイドバンドギャップ半導体としては、たとえばシリコンカーバイド、窒化ガリウム、酸化ガリウム、ダイヤモンドがある。図2および図3においては感温ダイオード523を模式的に破線で示している。
図4に示すように第1半導体基板311はz方向に厚さの薄い扁平形状を成している。第1半導体基板311はz方向に並ぶ第1基板面311aと第2基板面311bを有する。
第1半導体基板311の第1基板面311aには、コレクタ電極541が設けられている。コレクタ電極541は、第1基板面311aのほぼ全面に設けられている。コレクタ電極541は、第1ダイオード521aのカソード電極を兼ねている。
第1半導体基板311の第2基板面311bには、エミッタ電極542とゲート電極543とが設けられている。エミッタ電極542とゲート電極543は第2基板面311bの一部に設けられている。エミッタ電極542は、第1ダイオード521aのアノード電極を兼ねている。ゲート電極543は例えばトレンチゲート構造を成している。図示しないがゲート電極543は第1半導体基板311に埋め込まれている。
図2または図3に示すように第2基板面311bには上記したエミッタ電極542とゲート電極543の他に、少なくとも4つの機能のパッド570が設けられている。4つのパッド570はエミッタ電極542とy方向で並ぶ態様で第2基板面311bのy方向の端にまとめて設けられている。パッド570は、信号用の電極である。パッド570は、エミッタ電極542と電気的に分離されている。
4つパッド570とは具体的に、ゲート電極543用のパッド570と、感温ダイオード523のアノード用のパッド570と、感温ダイオード523のカソード用のパッド570と、ケルビンエミッタ用のパッド570である。
ゲート電極543用のパッド570がワイヤ580を介してゲート端子543aに接続されている。感温ダイオード523のアノード用のパッド570がワイヤ580を介してアノード端子546に接続されている。感温ダイオード523のカソード用のパッド570がワイヤ580を介してカソード端子547に接続されている。ケルビンエミッタ用のパッド570がワイヤ580を介してケルビンエミッタ端子548に接続されている。
以下、第1半導体基板311とコレクタ電極541とエミッタ電極542とゲート電極543を併せて第1半導体チップ310と示す。
<第2半導体基板>
第2半導体基板321とは第2スイッチ522と第2ダイオード522aと電流センサ545の設けられる基板のことである。第2半導体基板321も同様にシリコン、シリコンよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体などから形成されている。
第2半導体基板321とは第2スイッチ522と第2ダイオード522aと電流センサ545の設けられる基板のことである。第2半導体基板321も同様にシリコン、シリコンよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体などから形成されている。
なお、図2および図3においては電流センサ545を模式的に破線で示している。
図4に示すように第2半導体基板321はz方向に厚さの薄い扁平形状を成している。第2半導体基板321はz方向に並ぶ第3基板面321aと第4基板面321bを有する。
第2半導体基板321の第3基板面321aには、コレクタ電極541が設けられている。コレクタ電極541は、第3基板面321aのほぼ全面に設けられている。コレクタ電極541は、第2ダイオード522aのカソード電極を兼ねている。
第2半導体基板321の第4基板面321bには、エミッタ電極542とゲート電極543とが設けられている。エミッタ電極542とゲート電極543は第4基板面321bの一部に設けられている。エミッタ電極542は、第2ダイオード522aのアノード電極を兼ねている。図示しないがゲート電極543は第2半導体基板321に埋め込まれている。
また第4基板面321bには上記したゲート電極543とエミッタ電極542の他に、少なくとも3つの機能のパッド570が設けられている。3つのパッド570はエミッタ電極542とy方向で並ぶ態様で第4基板面321bのy方向の端にまとめて設けられている。
3つパッド570とは具体的に、ゲート電極543用のパッド570と、電流センサ545用のパッド570と、ケルビンエミッタ用のパッド570である。
ゲート電極543用のパッド570がワイヤ580を介してゲート端子543aに接続されている。電流センサ545用のパッド570がワイヤ580を介して電流センサ端子545aに接続されている。ケルビンエミッタ用のパッド570がワイヤ580を介してケルビンエミッタ端子548に接続されている。
なお、図2および図3に示すようにゲート端子543aは、第1半導体基板311に設けられる4つのパッド570のうちの1つと、第2半導体基板321に設けられる3つのパッド570のうちの1つそれぞれに異なるワイヤ580を介して接続されている。
ケルビンエミッタ端子548は、第1半導体基板311に設けられる4つのパッド570のうちの1つと、第2半導体基板321に設けられる3つのパッド570のうちの1つそれぞれに異なるワイヤ580を介して接続されている。
なお、端子に複数のワイヤ580が接続される場合、複数のワイヤ580は別々に端子に接続されていなくてもよい。複数のワイヤ580が端子とパッド570の間の中継点で1つに束ねられていてもよい。束ねられた複数のワイヤ580と端子が電気的に接続されていればよい。
以下、第2半導体基板321とコレクタ電極541とエミッタ電極542とゲート電極543を併せて第2半導体チップ320と示す。
<第1導電部>
第1導電部530は銅などを含む金属部材から構成されている。図4に示すように第1導電部530はz方向に厚さの薄い扁平形状を成している。第1導電部530はz方向に並ぶ第1導電搭載面530aと第1導電露出面530bを有する。第1導電露出面530bが露出面に相当する。
第1導電部530は銅などを含む金属部材から構成されている。図4に示すように第1導電部530はz方向に厚さの薄い扁平形状を成している。第1導電部530はz方向に並ぶ第1導電搭載面530aと第1導電露出面530bを有する。第1導電露出面530bが露出面に相当する。
図2および図3に示すように第1導電部530はx方向とy方向に沿う面積の異なる第1搭載部531と第2搭載部532を有している。第1搭載部531の第1導電搭載面530aの面積が第2搭載部532の第1導電搭載面530aの面積よりも小さくなっている。第1搭載部531の第1導電露出面530bの面積が第2搭載部532の第1導電露出面530bの面積よりも小さくなっている。第1搭載部531のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積が、第2搭載部532のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積よりも小さくなっている。
第1搭載部531と第2搭載部532がx方向に並んでいる。第1搭載部531と第2搭載部532が一体的に連結されている。第1搭載部531の形成材料と第2搭載部532の形成材料が等しくなっている。
図4に示すように第1搭載部531の第1導電搭載面530aにはんだ700が設けられている。はんだ700にコレクタ電極541が接触する態様で、第1搭載部531に第1半導体チップ310が搭載されている。さらに第1半導体チップ310のエミッタ電極542にはんだ700が設けられている。
同様に第2搭載部532の第1導電搭載面530aにはんだ700が設けられている。はんだ700にコレクタ電極541が接触する態様で、第2搭載部532に第2半導体チップ320が搭載されている。さらに第2半導体チップ320のエミッタ電極542にはんだ700が設けられている。
<第1ターミナル>
第1ターミナル591は銅などの金属を含む形成材料で形成されたブロック体である。
第1ターミナル591は銅などの金属を含む形成材料で形成されたブロック体である。
第1半導体チップ310のエミッタ電極542に設けられたはんだ700に接触する態様で、第1半導体チップ310に第1ターミナル591が搭載されている。さらに第1ターミナル591の第1半導体チップ310からz方向で離間した側の部位にはんだ700が設けられている。
<第2ターミナル>
第2ターミナル592は銅などの金属を含む形成材料で形成されたブロック体である。
第2ターミナル592は銅などの金属を含む形成材料で形成されたブロック体である。
第2半導体チップ320のエミッタ電極542に設けられたはんだ700に接触する態様で、第2半導体チップ320に第2ターミナル592が搭載されている。さらに第2ターミナル592の第2半導体チップ320からz方向で離間した側の部位にはんだ700が設けられている。
<第2導電部>
第2導電部560は銅などを含む金属部材から構成されている。図4に示すように第2導電部560はz方向に厚さの薄い扁平形状を成している。第2導電部560はz方向に並ぶ第2導電搭載面560aと第2導電露出面560bを有する。
第2導電部560は銅などを含む金属部材から構成されている。図4に示すように第2導電部560はz方向に厚さの薄い扁平形状を成している。第2導電部560はz方向に並ぶ第2導電搭載面560aと第2導電露出面560bを有する。
第2導電部560はx方向とy方向に沿う面積の異なる第3搭載部561と第4搭載部562を有している。第3搭載部561は第1搭載部531と同様の形状を成している。第4搭載部562は第2搭載部532と同様の形状を成している。
第3搭載部561の第2導電搭載面560aの面積が、第4搭載部562の第2導電搭載面560aの面積よりも小さくなっている。第3搭載部561の第2導電露出面560bの面積が、第4搭載部562の第2導電露出面560bの面積よりも小さくなっている。
なお、第3搭載部561の第2導電搭載面560aの面積が、第4搭載部562の第2導電搭載面560aの面積と等しくなっていてもよい。第3搭載部561の第2導電露出面560bの面積が、第4搭載部562の第2導電露出面560bの面積と等しくなっていてもよい。
第3搭載部561と第4搭載部562がx方向に並んでいる。第3搭載部561と第4搭載部562が一体的に連結されている。第3搭載部561の形成材料と第4搭載部562の形成材料が等しくなっている。
第1ターミナル591に設けられたはんだ700と第2ターミナル592に設けられたはんだ700それぞれに接触する態様で、第1ターミナル591および第2ターミナル592に第2導電部560が搭載されている。
より具体的に言えば、第1ターミナル591の第1半導体チップ310からz方向で離間した側の部位に設けられたはんだ700に接触する態様で、第1ターミナル591に第3搭載部561が搭載されている。
第2ターミナル592の第2半導体チップ320からz方向で離間した部位に設けられたはんだ700に接触する態様で、第2ターミナル592に第4搭載部562が搭載されている。
<被覆樹脂>
被覆樹脂600は、たとえばエポキシ系樹脂を材料とする。被覆樹脂600はトランスファモールド法により成形されている。被覆樹脂600にこれまでに説明した構成要素の一部が被覆されている。
被覆樹脂600は、たとえばエポキシ系樹脂を材料とする。被覆樹脂600はトランスファモールド法により成形されている。被覆樹脂600にこれまでに説明した構成要素の一部が被覆されている。
図4に示すように、被覆樹脂600は略矩形状を成している。被覆樹脂600は、z方向に並ぶ第1主面600aと、第2主面600bと、第1主面600aと第2主面600bを連結する4つの連結面を有している。
第1主面600aから第1搭載部531の第1導電露出面530bと第2搭載部532の第1導電露出面530bが露出されている。
第2主面600bから第3搭載部561の第2導電露出面560bと第4搭載部562の第2導電露出面560bが露出している。
4つの連結面のうちの一つから信号端子549の一部が露出されている。連結面から露出した信号端子549は基板に向かって延びている。そして信号端子549が基板に搭載されたゲートドライバやECUに電気的に接続されている。
<第1半導体チップと第2半導体チップ>
これまでに説明したように第1半導体基板311に第1スイッチ521が形成されている。第2半導体基板321に第2スイッチ522が形成されている。第1スイッチ521と第2スイッチ522それぞれにはIGBTが適用されている。
これまでに説明したように第1半導体基板311に第1スイッチ521が形成されている。第2半導体基板321に第2スイッチ522が形成されている。第1スイッチ521と第2スイッチ522それぞれにはIGBTが適用されている。
図4に示すように第1半導体基板311のz方向の厚さが、第2半導体基板321のz方向の厚さと等しくなっている。
図2~図4に示すように第1半導体基板311の第1基板面311aの面積と第2半導体基板321の第3基板面321aの面積が等しくなっている。第1半導体基板311の第2基板面311bと第2半導体基板321の第4基板面321bの面積が等しくなっている。第1半導体基板311のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積が、第2半導体基板321のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積と等しくなっている。
第1半導体基板311に形成される第1スイッチ521の数が、第2半導体基板321に形成される第2スイッチ522の数と等しくなっている。第1半導体チップ310に設けられる第1スイッチ521の数が、第2半導体チップ320に設けられる第2スイッチ522の数と等しくなっている。
<信号端子の配置>
これまでに説明したように第1搭載部531のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積が、第2搭載部532のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積よりも小さくなっている。
これまでに説明したように第1搭載部531のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積が、第2搭載部532のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積よりも小さくなっている。
そのために図3に示すように第1搭載部531のy方向への投影領域と、第2搭載部532のx方向への投影領域の重なる重なり領域800が空隙になっている。この重なり領域800に信号端子549が設けられている。
また上記したように信号端子549には第1半導体チップ310と第2半導体チップ320それぞれに共通して接続されるゲート端子543aとケルビンエミッタ端子548が含まれている。なお、図面においては重なり領域800をハッチングで示している。
<半導体チップから搭載部への放熱性>
これまでに説明したように第1搭載部531のz方向の厚さと第2搭載部532のz方向の厚さが等しくなっている。第1搭載部531のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積が、第2搭載部532のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積よりも小さくなっている。これは即ち、第1搭載部531の体積が第2搭載部532の体積よりも小さいともいえる。
これまでに説明したように第1搭載部531のz方向の厚さと第2搭載部532のz方向の厚さが等しくなっている。第1搭載部531のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積が、第2搭載部532のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積よりも小さくなっている。これは即ち、第1搭載部531の体積が第2搭載部532の体積よりも小さいともいえる。
上記したように第1半導体基板311に形成される第1スイッチ521の数が、第2半導体基板321に形成される第2スイッチ522の数と等しくなっている。
第2半導体チップ320から第2搭載部532への放熱性が、第1半導体チップ310から第1搭載部531への放熱性よりも高くなっている。第1半導体チップ310が第2半導体チップ320よりも放熱されにくくなっている。
言い換えれば、第2搭載部532に第2半導体チップ320の搭載された第2積層体340の放熱性が、第1搭載部531に第1半導体チップ310の搭載された第1積層体330の放熱性よりも高くなっている。第1積層体330が第2積層体340よりも放熱されにくくなっている。
<作用効果>
これまでに説明したように第1スイッチ521の温度を測定する感温ダイオード523が第1半導体基板311に設けられている。第2スイッチ522に流れる電流を測定する電流センサ545が第2半導体基板321に設けられている。
これまでに説明したように第1スイッチ521の温度を測定する感温ダイオード523が第1半導体基板311に設けられている。第2スイッチ522に流れる電流を測定する電流センサ545が第2半導体基板321に設けられている。
これによれば第2積層体340に第2半導体チップ320の物理量として第2スイッチ522に流れる電流を測定する電流センサ545の搭載された構成が開示された。
これまでに説明したように第1スイッチ521と第2スイッチ522とが並列接続されている。そして第1スイッチ521と第2スイッチ522に同時に通電されるようになっている。
また上記したように第2半導体チップ320から第2搭載部532への放熱性が、第1半導体チップ310から第1搭載部531への放熱性よりも高くなっている。第1半導体チップ310の温度が第2半導体チップ320の温度よりも高くなりやすくなっている。
そのために第1スイッチ521の温度が第2スイッチ522の温度よりも高くなりやすくなっている。それに伴って第1スイッチ521のオン抵抗が、第2スイッチ522のオン抵抗よりも高くなりやすくなっている。第2スイッチ522のオン抵抗が、第1スイッチ521のオン抵抗よりも低くなりやすくなっている。そのために第1スイッチ521よりも第2スイッチ522に電流が流れやすくなっている。
これによれば第1スイッチ521の温度に基づいて第2スイッチ522の温度を推定できるようになっている。第2スイッチ522に流れる電流の電流値に基づいて第1スイッチ521に流れる電流値を推定できるようになっている。このように、第1スイッチ521に流れる電流ではなく第2スイッチ522に流れる電流量を検出する構成が有効な構成になっている。
言い換えれば第1半導体チップ310の温度に基づいて第2半導体チップ320の温度を推定できるようになっている。第2半導体チップ320に流れる電流の電流値に基づいて第1半導体チップ310に流れる電流値を推定できるようになっている。
これまでに説明したように基板には複数のECUと、複数のECUの信号に基づいてスイッチの駆動を制御する図示しないゲートドライバが搭載されている。ゲートドライバやECUには信号端子549が電気的に接続されている。そのために第1スイッチ521および第2スイッチ522は感温ダイオード523の検出結果と電流センサ545の検出結果に基づいて駆動の制御が行われる。
これによれば第1スイッチ521および第2スイッチ522が過昇温になるよりも前に、第1スイッチ521および第2スイッチ522の駆動の制限が可能になっている。第1スイッチ521および第2スイッチ522に過電流が流れるよりも前に、第1スイッチ521および第2スイッチ522の駆動の制限が可能になっている。インバータ500の保護機能が高まっている。
これまでに説明したように、第1搭載部531のy方向への投影領域と、第2搭載部532のx方向への投影領域の重なる重なり領域800に信号端子549が設けられている。これによればスイッチモジュール510のx方向の体格が抑制される。
これまでに説明したように、信号端子549には第1半導体チップ310と第2半導体チップ320それぞれに共通して接続されるゲート端子543aとケルビンエミッタ端子548が含まれている。これによれば信号端子549の本数の増大が抑制される。部品点数の増大が抑制される。
(第1変形例)
図5に示すように第1搭載部531と第2搭載部532それぞれの第1導電搭載面530aと第1導電搭載面530aを含む表面に、銅よりも熱伝導率の低いニッケルを含むメッキ810が施されている。第2搭載部532の表面に施されるメッキ810の厚さが、第1搭載部531の表面に施されるメッキ810の厚さよりも薄くなっていても良い。
図5に示すように第1搭載部531と第2搭載部532それぞれの第1導電搭載面530aと第1導電搭載面530aを含む表面に、銅よりも熱伝導率の低いニッケルを含むメッキ810が施されている。第2搭載部532の表面に施されるメッキ810の厚さが、第1搭載部531の表面に施されるメッキ810の厚さよりも薄くなっていても良い。
(第2変形例)
図6に示すように第1搭載部531のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積と、第2搭載部532のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積が等しくなっていてもよい。
図6に示すように第1搭載部531のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積と、第2搭載部532のx方向とy方向に沿う任意の平面の面積が等しくなっていてもよい。
その場合、第2搭載部532の少なくとも一部に、第1搭載部531の形成材料よりも熱伝導率の高い異材料が含まれていればよい。なお、図6においては第1搭載部531と第2搭載部532の形成材料の違いをハッチングの違いで示している。
(第3変形例)
図7に示すように第2搭載部532のz方向の厚さが、第1搭載部531のz方向の厚さがよりも厚くなっていてもよい。さらに第4搭載部562のz方向の厚さが、第3搭載部561のz方向の厚さがよりも厚くなっていてもよい。
図7に示すように第2搭載部532のz方向の厚さが、第1搭載部531のz方向の厚さがよりも厚くなっていてもよい。さらに第4搭載部562のz方向の厚さが、第3搭載部561のz方向の厚さがよりも厚くなっていてもよい。
(第4変形例)
図8に示すように第2半導体チップ320と第2搭載部532の間に設けられるはんだ700の少なくとも一部に、第1半導体チップ310と第1搭載部531の間に設けられるはんだ700よりも熱伝導の高い異材料が含まれていてもよい。
図8に示すように第2半導体チップ320と第2搭載部532の間に設けられるはんだ700の少なくとも一部に、第1半導体チップ310と第1搭載部531の間に設けられるはんだ700よりも熱伝導の高い異材料が含まれていてもよい。
なお、図8においては、第1半導体チップ310と第1搭載部531の間に設けられるはんだ700と、第2半導体チップ320と第2搭載部532の間に設けられるはんだ700の違いをハッチングの違いで示している。
(第5変形例)
図9および図10に示すように第1積層体330と第2積層体340が異なる被覆樹脂600に被覆されていてもよい。第1スイッチ521と第2スイッチ522の電気的接続形態については図11に示す。
図9および図10に示すように第1積層体330と第2積層体340が異なる被覆樹脂600に被覆されていてもよい。第1スイッチ521と第2スイッチ522の電気的接続形態については図11に示す。
図11に示すように第1スイッチ521のコレクタ電極541が、第2スイッチ522のコレクタ電極541に第1搭載部531と第2搭載部532を介して電気的および機械的に接続される。同様に、第1スイッチ521のエミッタ電極542が、第2スイッチ522のエミッタ電極542に第3搭載部561と第4搭載部562を介して電気的および機械的に接続される。
(第6変形例)
図12に示すように第1スイッチ521と第2スイッチ522が直列接続されていてもよい。その場合、図13に示すように第1搭載部531と第2搭載部532とが別体になっている。
図12に示すように第1スイッチ521と第2スイッチ522が直列接続されていてもよい。その場合、図13に示すように第1搭載部531と第2搭載部532とが別体になっている。
図14に示すように第1搭載部531は第4搭載部562側に向かって延びる第1継手531aを有している。第4搭載部562は第3搭載部561側に向かって延びるとともに第1継手531aに接続される第2継手562aを有している。なお、第1継手531aと第2継手562aとははんだ700を介して電気的および機械的に接続されている。これによって第1半導体チップ310と第2半導体チップ320とが電気的に接続されている。
また、第1スイッチ521のコレクタ電極541が第2搭載部532を介して第1給電バスバ301に電気的および機械的に接続される。第2スイッチ522のエミッタ電極542が第3搭載部561を介して第2給電バスバ302に電気的および機械的に接続される。
(第7変形例)
図15に示すように第1半導体チップ310のz方向の厚さが、第2半導体チップ320のz方向の厚さよりも厚くなっていてもよい。その場合、第1半導体チップ310と第2半導体チップ320に通電されていない状態において、第1半導体チップ310のオン抵抗が第2半導体チップ320のオン抵抗よりも高くなっている。
図15に示すように第1半導体チップ310のz方向の厚さが、第2半導体チップ320のz方向の厚さよりも厚くなっていてもよい。その場合、第1半導体チップ310と第2半導体チップ320に通電されていない状態において、第1半導体チップ310のオン抵抗が第2半導体チップ320のオン抵抗よりも高くなっている。
そのために第1半導体チップ310と第2半導体チップ320に同時に通電された際に、第1半導体チップ310の温度が第2半導体チップ320の温度よりも高くなりやすくなっている。
第1半導体チップ310の温度に基づいて第2半導体チップ320の温度を推定できるようになっている。第2半導体チップ320に流れる電流の電流値に基づいて第1半導体チップ310に流れる電流値を推定できるようになっている。
(第8変形例)
図16に示すように第1半導体チップ310のx方向とy方向それぞれに沿う任意の平面の面積が、第2半導体チップ320のx方向とy方向それぞれに沿う任意の平面の面積よりも小さくなっていてもよい。
図16に示すように第1半導体チップ310のx方向とy方向それぞれに沿う任意の平面の面積が、第2半導体チップ320のx方向とy方向それぞれに沿う任意の平面の面積よりも小さくなっていてもよい。
その場合、第1半導体チップ310と第2半導体チップ320に通電されていない状態において、第1半導体チップ310のオン抵抗が第2半導体チップ320のオン抵抗よりも高くなっている。
そのために第1半導体チップ310と第2半導体チップ320に同時に通電された際に、第1半導体チップ310の温度が第2半導体チップ320の温度よりも高くなりやすくなっている。
第1半導体チップ310の温度に基づいて第2半導体チップ320の温度を推定できるようになっている。第2半導体チップ320に流れる電流の電流値に基づいて第1半導体チップ310に流れる電流値を推定できるようになっている。
(その他の変形例)
スイッチモジュール510に含まれる半導体チップは第1半導体チップ310と第2半導体チップ320に限定されない。スイッチモジュール510に第1半導体チップ310と第2半導体チップ320の他に、別の半導体チップが含まれていても良い。その場合、別の半導体チップに感温ダイオード523が設けられていなくても良い。別の半導体チップに電流センサ545が設けられていなくても良い。
スイッチモジュール510に含まれる半導体チップは第1半導体チップ310と第2半導体チップ320に限定されない。スイッチモジュール510に第1半導体チップ310と第2半導体チップ320の他に、別の半導体チップが含まれていても良い。その場合、別の半導体チップに感温ダイオード523が設けられていなくても良い。別の半導体チップに電流センサ545が設けられていなくても良い。
その他の例として、第1スイッチ521と第2スイッチ522に適用される半導体素子の種類が異なっていても良い。
310…第1半導体チップ、320…第2半導体チップ、330…第1積層体、340…第2積層体、521…第1スイッチ、522…第2スイッチ、523…感温ダイオード、530b…第1導電露出面、531…第1搭載部、532…第2搭載部、543a…ゲート端子、548…ケルビンエミッタ端子、545…電流センサ、549…信号端子、700…はんだ、800…重なり領域
Claims (8)
- 第1スイッチ(521)を備える第1半導体チップ(310)と前記第1半導体チップを搭載する第1搭載部(531)を備える第1積層体(330)と、
第2スイッチ(522)を備える第2半導体チップ(320)と前記第2半導体チップを搭載する第2搭載部(532)を備え、前記第1積層体よりも放熱性の高い第2積層体(340)と、
前記第1積層体と前記第2積層体のうちの前記第1積層体に設けられ、前記第1スイッチの温度を検出する温度検出器(523)と、
前記第1積層体と前記第2積層体のうちの前記第2積層体に設けられ、前記第2スイッチに流れる電流を検出する電流検出器(545)と、を有する電気機器。 - 前記第1スイッチと前記第2スイッチとが並列接続されている請求項1に記載の電気機器。
- 前記第1搭載部の形成材料と前記第2搭載部の形成材料が等しく、
前記第1搭載部の体積が前記第2搭載部の体積よりも小さくなっている請求項1または2に記載の電気機器。 - 前記第1スイッチと前記第2スイッチに接続される信号端子(549)と、
前記第1積層体と前記第2積層体と前記信号端子を被覆する被覆樹脂(600)と、を有し、
前記第1搭載部と前記第2搭載部それぞれは前記被覆樹脂から露出される露出面(530b)を有し、
前記第1積層体と前記第2積層体とが前記露出面に沿う第1方向で並んでおり、
前記第1搭載部の前記露出面に沿い前記第1方向に直交する第2方向への投影領域と、前記第2搭載部の前記第1方向への投影領域の重なる重なり領域(800)に、前記信号端子の一部が位置している請求項3に記載の電気機器。 - 前記信号端子に前記第1スイッチと前記第2スイッチそれぞれに電気的に接続される共通端子(543a、548)が含まれている請求項4に記載の電気機器。
- 前記第2搭載部の形成材料の少なくとも一部に前記第1搭載部の形成材料とは異なる異材料が含まれ、
前記第2搭載部の熱伝導率が前記第1搭載部の熱伝導率よりも高くなっている請求項1~5のいずれか1項に記載の電気機器。 - 前記第1半導体チップと前記第1搭載部の間に設けられ、前記第1半導体チップと前記第1搭載部を接合するとともに、前記第2半導体チップと前記第2搭載部の間に設けられ、前記第2半導体チップと前記第2搭載部を接合する接合部材(700)を有し、
前記第2半導体チップと前記第2搭載部の間に設けられる前記接合部材の少なくとも一部に、前記第1半導体チップと前記第1搭載部の間に設けられる前記接合部材よりも熱伝導率の高い異材料が含まれている請求項1~6のいずれか1項に記載の電気機器。 - 前記第1半導体チップのオン抵抗が前記第2半導体チップのオン抵抗よりも高くなっている請求項1~7のいずれか1項に記載の電気機器。
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