JP4579259B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、数十から数百Ａの電流を通電する電力用半導体装置に関し、特に過電流を遮断する遮断機能の感度調整を行うことができる電力用半導体装置に関するものである。

電力用半導体装置は、電力用半導体素子のゲート電圧のオン・オフに応じて、数十から数百Ａという大きな電流を通電・遮断する。即ち、電力用半導体装置は、小さなエネルギーの制御信号によって、大きなエネルギーの制御を行う。そして、電力用半導体素子は、一般にＳｉ基板の表面に微細に作り込んだ構造を有し、電極間に電圧を印加してキャリアをコントロールするものである。従って、許容範囲外の電圧や電流が印加されて極端にエネルギー密度が高くなると、半導体素子の表面が破壊され、意図せずに電流が流れる可能性があるため、電流遮断が必要となる。

一般的な電流遮断の方策としては、ノーヒューズブレーカーやヒューズが挙げられる。しかし、これらは体積が大きいという問題がある。特に、自動車用の電力用半導体装置などでは、燃費効率の観点などから軽量化が求められている。これに対し、電力用半導体装置の電流遮断機能を小さな体積及びコストで実現するヒューズ機構が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。このヒューズ機構は、過電流により金属線又は配線が溶断するものである。

特開２００５−１７５４３９号公報 特開２００６−１２０９７０号公報

自動車が走行中に故障し、その後惰性で止まる場合に、車両の移動による車軸の回転が発電機で電力にエネルギー変換される。通常であれば、この電力は電池に回生する。しかし、例えばクラッチ機構などを持たず車軸に直結した発電機の場合、車両のパワエレシステムがダウンして電池への経路が遮断されると、エネルギーの持って行き先が無くなる。このため、予期せぬ大電流が無制御に電力用半導体装置に与えられ、過熱するなどの不具合が生じる可能性がある。このような時に電力用半導体装置と発電機との間を遮断する必要がある。

一方、通常動作領域の電流値であっても、パワエレシステムがダウンした場合には、同様にエネルギーの持って行き先が無く、電力用半導体装置の過熱が問題となる場合がある。このようにどの程度の電流値で遮断すべきかは状況によって異なるため、状況に応じて遮断機能の感度調整を行うことができれば安全性が高まる。しかし、従来の電力用半導体装置は遮断機能の感度調整を行うことはできなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、過電流を遮断する遮断機能の感度調整を行うことができる電力用半導体装置を得るものである。

本発明に係る電力用半導体装置は、電力用半導体素子と、電力用半導体素子に接続された第１配線導体と、電力を供給する第２配線導体と、第１配線導体と第２配線導体とを連結し、所定以上の温度で溶断する遮断導体と、遮断導体に熱を供給するヒーターと、遮断導体を冷却するヒートシンクと、ヒートシンクに冷媒を供給する冷媒供給手段と、ヒーターへの通電を制御し、冷媒供給手段による冷媒の供給量を制御する制御手段とを備えている。

本発明により、過電流を遮断する遮断機能の感度調整を行うことができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す断面図である。例えば銅からなるヒートスプレッダ１１が、例えばエポキシ樹脂からなる絶縁シート１２を介して、ヒートシンク１３上に搭載されている。ヒートスプレッダ１１上に、ＩＧＢＴ等の電力用半導体素子１４が半田接合されている。電力用半導体素子１４は、アルミニウムワイヤ１５によりリードフレーム１６と接続されている。これらのヒートスプレッダ１１等は、トランスファーモールド法を用いて、例えばエポキシ樹脂からなるモールド樹脂１７で封止されている。

第１配線導体２１は、リードフレーム１６にネジにより連結されている。従って、第１配線導体２１は、リードフレーム１６及びアルミニウムワイヤ１５を介して電力用半導体素子１４に接続されている。第１配線導体２１と第２配線導体２２とは遮断導体２３により連結されている。第２配線導体２２は、遮断導体２３、第１配線導体２１及びリードフレーム１６を介して、外部の電力源（不図示）からの電力を電力用半導体素子１４に供給する。

ここで、第１配線導体２１，第２配線導体２２は、例えば厚み１ｍｍ程度のＣｕ又はＣｕ合金からなる。遮断導体２３は、第１配線導体２１や第２配線導体２２よりも融点の低いＳｎ，半田，Ｚｎ，Ａｌなどの低融点材料からなり、所定以上の温度で溶断する。遮断導体２３は、遮断性能を確保するために細長い形状とするのが好ましい。また、図のように、断面積の小さい部分を設けることで遮断導体２３の遮断性能が向上する。

遮断導体２３が溶融すると、表面エネルギーを小さくするように、第１配線導体２１，第２配線導体２２にそれぞれ接する２つの球に近い形状に分断される。これにより、第１配線導体２１と第２配線導体２２とが遮断される。従って、遮断が容易となるように、遮断導体２３の体積の１／２の球の直径が第１配線導体２１と第２配線導体２２の間の距離よりも小さくなるようにするのが好ましい。

ヒートシンク１３上に基板２４が搭載されている。基板２４の材料として、例えばエポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を所定の形に成型した板や、マイカ紙、ポリイミドシートなど、耐熱性と絶縁性を有する材料が用いられる。端子台２５は、耐熱性を有する絶縁性の樹脂からなり、ヒートシンク１３に接着、かしめ、ねじ止めなどで固定されている。第１配線導体２１と第２配線導体２２は、接着やネジ固定などにより基板２４上に固着され、端子台２５に内包されたナットにネジで締結されている。遮断導体２３は基板２４に直接接するように配置されている。

遮断導体２３に熱を供給するヒーター２６が、遮断導体２３に近接して設けられている。ヒーター２６としては、セラミックヒーターなどの平坦面を有するヒーターを用いるのが好ましい。平坦面を有するヒーターであれば遮断導体２３に対する熱抵抗を小さくすることができるため、不必要に発熱量を大きくしなくても確実に遮断導体２３を溶融させることができる。また、ヒーター２６は遮断導体２３に直接接してもよいし、絶縁性の被膜などを介して接していてもよい。ただし、遮断導体２３が溶融した後に第１配線導体２１と第２配線導体２２との間の絶縁性を保つために、ヒーター２６の遮断導体２３と接する面は少なくとも絶縁性の材料で構成されるか又は絶縁性の被覆で覆われている必要がある。

また、ヒーター２６は、遮断導体２３に対してヒートシンク１３とは反対側に配置されている。これにより、遮断導体２３を基板２４上に直接配置して放熱性を確保することができる。ただし、ヒーター２６を遮断導体２３よりもヒートシンク１３側に配置することもできる。この場合、遮断導体２３からヒーター２６を通ってヒートシンク１３へ放熱される。そこで、放熱性を確保するために、ヒーター２６の材料として熱伝導率が例えば１０Ｗ／ｍＫ以上の良熱伝導性の材料を用いる。

冷媒供給手段２７は、ヒートシンク１３に冷却水や冷却風などの冷媒を供給する。制御手段２８は、ヒーター２６への通電を制御し、冷媒供給手段２７による冷媒の供給量を制御する。

次に、上記の構成を有する電力用半導体装置の動作について説明する。まず、遮断機能の感度を上げる場合、制御手段２８は、ヒーター２６に通電し、かつ冷媒供給手段２７による冷媒の供給量を絞るか又は冷媒の供給をストップさせる。これにより、遮断導体２３は加熱されるため、定格電流以下でも溶断される。一方、遮断機能の感度を下げる場合、制御手段２８は、ヒーター２６に通電せず、かつ冷媒供給手段２７による冷媒の供給量を増やす。これにより、遮断導体２３は冷却されるため、大きな電流が流れても溶断され難い。このように、本実施の形態に係る電力用半導体装置は、過電流を遮断する遮断機能の感度調整を行うことができる。

また、本実施の形態によれば、抵抗値が小さい遮断導体２３でも遮断することができる。逆に言うと、抵抗値が小さい遮断導体２３を用いることができるため、遮断機構の体積を小さくすることができる。また、一般的に電力用半導体装置には電力用半導体素子１４を冷やすためのヒートシンク１３が設けられている。従って、このヒートシンク１３を遮断導体２３を冷やすのに流用すれば、本実施の形態を実現するためのコストの増加を抑えることができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。実施の形態１と同様の構成については説明を省略し、実施の形態１と異なる構成について説明する。

遮断導体２３及びヒーター２６が、例えばエポキシ樹脂やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂などのモールド樹脂３１で一括封止されている。遮断導体２３は、モールド樹脂３１の表面から露出しているか、又は０．１ｍｍ程度の薄皮を介して表面に近接して配置されている。モールド樹脂３１の中に配線パターンを細く波打たせるようにヒーター２６を形成している。

このように遮断機構をユニット型とすることで、遮断機構の取り付け性が増し、かつ小型軽量化が可能となった。

また、遮断導体２３がモールド樹脂３１の表面から露出しているか又は表面に近接して配置されていることで、溶融した遮断導体２３はモールド樹脂３１の外部空間へ流出する。このため、第１配線導体２１と第２配線導体２２を遮断するための空隙を形成することができる。

ヒーター２６は、フレームと異なる厚みの部材で構成されているが、適切な抵抗値を実現できるのであればフレームの一部で構成してもよい。

遮断導体２３の断面積を不必要に大きくしないために、遮断導体２３からヒートシンク１３への放熱性を確保する必要がある。そこで、ＩＣなどで一般的に用いられる０．７Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率を有するモールド樹脂３１よりも、シリカなどのフィラーの含有率を大きくして３Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率を有するモールド樹脂３１を用いるのが好ましい。

なお、遮断導体２３を熱伝導グリスなどでヒートシンク１３に密着させることで、遮断導体２３の温度上昇特性を安定化することができる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置を示す断面図であり、図４は、本発明の実施の形態３に係る遮断機構を示す平面図である。実施の形態１と同様の構成については説明を省略し、実施の形態１と異なる構成について説明する。

ヒーター２６は、遮断導体２３に対して絶縁性と熱伝導性を両立する距離で垂直方向にオーバーラップして配置され、ヒーター電極３３を介して制御手段２８に接続されている。遮断導体２３及びヒーター２６が、例えばエポキシ樹脂やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂などのモールド樹脂３１で一括封止されている。

遮断導体２３とヒートシンク１３との間のモールド樹脂３１の厚さは０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下である。この部分の厚さを０．３ｍｍ以上とすることで、ピンホールやボイドなどによる不良発生を防いで絶縁性を確保することができ、かつ生産に不都合のない厚みのモールド樹脂３１を底面側に確保することができる。一方、この部分の厚さを１ｍｍ以下とすることで、遮断導体２３からヒートシンク１３への放熱性が向上するため、遮断導体２３の抵抗値の選択可能範囲が増大する。

モールド樹脂３１には、遮断導体２３上に０．１ｍｍ程度の薄皮を残して凹部３２が設けられている。これにより、溶融した遮断導体２３はモールド樹脂３１の外部空間へ流出する。このため、第１配線導体２１と第２配線導体２２を遮断するための空隙を形成することができる。なお、凹部３２の上方に絶縁性を確保する必要のある部材はなく、ピンホールなどがあっても構わないため、凹部３２上のモールド樹脂３１は更に薄くてもよい。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置を示す断面図である。図示のように、電力用半導体素子１４、ヒーター２６及び遮断導体２３がモールド樹脂３４で一括封止されている。即ち、樹脂封止型パワーモジュールの一部に遮断機構及びヒーターを内蔵している。その他の構成は実施の形態２又は３と同様である。これにより、実施の形態２又は３と同様の効果を奏する他、電力用半導体装置の組み立て性が向上し、小型・軽量・低コスト化することができる。特に、図示のようにモールド樹脂３４がヒーター２６の下に回りこむことで、基板が不要となり低コストとなる。

本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る遮断機構を示す平面図である。 本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置を示す断面図である。

符号の説明

１３ ヒートシンク
１４ 電力用半導体素子
２１ 第１配線導体
２２ 第２配線導体
２３ 遮断導体
２６ ヒーター
２７ 冷媒供給手段
２８ 制御手段
３１，３４ モールド樹脂
３２ 凹部

Claims (4)

1. 電力用半導体素子と、
   前記電力用半導体素子に接続された第１配線導体と、
   電力を供給する第２配線導体と、
   前記第１配線導体と前記第２配線導体とを連結し、所定以上の温度で溶断する遮断導体と、
   前記遮断導体に熱を供給するヒーターと、
   前記遮断導体を冷却するヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに冷媒を供給する冷媒供給手段と、
   前記ヒーターへの通電を制御し、前記冷媒供給手段による冷媒の供給量を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
2. 前記ヒーター及び前記遮断導体は樹脂で一括封止されており、前記遮断導体は樹脂の表面から露出しているか又は表面に近接して配置されていることを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
3. 前記ヒーター及び前記遮断導体は樹脂で一括封止されており、前記遮断導体と前記ヒートシンクとの間の前記樹脂の厚さは０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下であり、前記樹脂には前記遮断導体上に凹部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
4. 前記電力用半導体素子、前記ヒーター及び前記遮断導体が前記樹脂で一括封止されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電力用半導体装置。

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