JP4593518B2 - ヒューズ付半導体装置 - Google Patents

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本発明は、例えば車両のワイヤーハーネス及びランプ、パワーウィンドウ等の負荷を最終的に保護することができると共に極めて小型・軽量化を図ることが可能なヒューズ付半導体装置に関する。
自動車には電子制御装置が搭載されており、種々の制御が行われている。そして、ワイヤーハーネス及びランプ、パワーウィンドウ等の負荷の保護の最終手段としてヒューズが用いられている。しかしながら、現在の自動車は、多数の電気接続を有しており、自動車内のスペースが少なくなってきている。また、このヒューズ取付部のサイズが大きく、重い等の問題がある。
そこで、小型・軽量化のために近年ヒューズ代替として保護機能付きの半導体スイッチ（インテリジェントパワースイッチ：ＩＰＳ）が採用されている。これは、パワーＭＯＳＦＥＴと保護機能部を１チップに収めたもので、保護機能部（マイコン）がＭＯＳＦＥＴに流れる電流をモニターし、過電流が流れたときにはゲートを遮断して下流のハーネス・負荷へ過電流が流れるのを防いでいる。しかしながら、経年劣化や定格を超える電圧または電流によってＭＯＳＦＥＴが短絡故障（ショート）し、常時導通してしまうおそれがあるため、現状は自己保護のみにとどまっている。このような理由から、保護機能付き半導体スイッチは完全なヒューズ代替にはなり得ていない。
一方、保護機能付き半導体装置として半導体チップに隣接したチップ型基板又は半導体チップに絶縁層を介してハンダ等の低融点金属膜による狭幅部を有する帯状半導体パターンからなる温度ヒューズを形成し、この温度ヒューズの一端を半導体チップの一つの電極端子に、他端を外部リード端子に電気的に接続し、この外部リード端子が接続されている負荷系の電気回路にショート等により大きな電流が流れるか又は高い電圧が印加されることによって半導体チップに大電流が加わって前記半導体チップが発熱すると、この熱が隣接している温度ヒューズに直ちに伝達し、この温度が高くなると狭幅部が溶断して電気回路を電気的に遮断し、この負荷系の電気回路中に設けられている他の半導体装置又は電気部品を二次的に損傷することを防止するようにした構成の温度ヒューズ付き半導体装置の構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−２４２０４６号公報（４乃至５ページ、図１）
しかしながら、現状の低融点金属を用いたヒューズ装置は、過電流により溶断した後の低融点金属の行き先が不明確で、信頼性に不安があった。
また、電流センシング用のシャント抵抗を半導体スイッチに直列接続し、導通故障したときにはワイヤーハーネスが発煙する前にシャント抵抗を溶断させることでフェールセーフするようにしたものも提案されている。しかしながら、このものは、シャント抵抗の分だけコストが増大し、また、設置スペースが必要であり、電気装置を設置するためのスペースが少なくなってきている車両に搭載することが困難である。
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、半導体装置に接続される負荷を最終的に保護することができかつ極めて小型・軽量化を図ることが可能な信頼性の高いヒューズ付半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明に係わるヒューズ付半導体装置は、
半導体装置が実装された回路基板に前記半導体装置に隣接して形成された導体のパターンと、
前記パターンの上面に形成された溝と、前記パターンの上面かつ前記溝の一側端周縁部を含む領域に低融点金属部材で形成された電極とからなるヒューズ機構と、
一端が前記半導体装置の電極に接続され他端が前記ヒューズ機構の電極に接続されてこれらを電気的に接続するワイヤとを備え、
前記パターンに過電流が流れたときに前記ヒューズ機構の電極が溶けて前記溝に流れ込み前記ワイヤの他端と切断されて前記半導体装置と前記パターンとが電気的に遮断されるヒューズ付半導体装置であって、
前記ヒューズ機構の溝は、複数の細い溝からなり、当該複数の細い溝が、前記ヒューズ機構の電極が過電流により溶けたときにこの溶けた電極部材が毛細管現象により前記各溝内に流入することで当該電極部材とワイヤとの接続を遮断して前記半導体装置と前記パターンとを電気的に遮断することができる間隔になるように並んで形成されていることを特徴としている。
半導体装置に隣接してパターンを形成し、このパターンにヒューズ機構を形成してその電極と半導体装置の電極とをワイヤで接続し、過電流によりヒューズ機構の電極が溶けたときにこの溶けた電極部材をパターン上面に形成した溝に取り込んでワイヤとの接続を遮断する。溶けた電極部材は、溝の毛細管現象により溝内に流入すると共に表面張力によりワイヤと切り離される。これにより、半導体装置とパターンとを電気的に完全に遮断することができる。従って、このヒューズ付半導体装置を車両のワイヤーハーネス、及びランプ、パワーウィンドウ等の制御装置に使用することでこれらの負荷を最終的に保護することができる。
また、ヒューズ機構の溝を細い溝を僅かな間隔で複数並べて形成することにより、溶融した電極が毛細管現象により各溝内に強く引き込まれて迅速に流入しワイヤとの接続が良好に遮断される。
また、本発明の請求項２に記載のヒューズ付半導体装置は、請求項１に記載のヒューズ付半導体装置において、
前記ヒューズ機構の溝は、両端が閉塞され前記パターンの上面に密着されたフィルムにより覆われ、かつ前記電極が形成されている一側端部が、溶融した電極部材を前記溝内に引き込むことができる大きさに開口していることを特徴としている。
溝の上部をフィルムで覆うことにより、塵埃の侵入による詰まり等が防止され、開口部から溶融した電極部材を良好に引き込むことができる。
また、本発明の請求項３に記載のヒューズ付半導体装置は、
半導体装置が実装された回路基板に前記半導体装置に隣接して形成された導体のパターンと、
前記パターンの前記半導体装置側の上面に密着して装着され、前記上面と密着する下面に一端が前記半導体装置側に開口し他端が閉塞された溝が形成された薄膜と、前記溝の開口端周縁部を含む領域に低融点金属部材で形成された電極とからなるヒューズ機構と、
一端が前記半導体装置の電極に接続され他端が前記ヒューズ機構の電極に接続されてこれらを電気的に接続するワイヤとを備え、
前記パターンに過電流が流れたときに前記ヒューズ機構の電極が溶けて前記溝に流れ込み前記ワイヤの他端と切断されて前記半導体装置と前記パターンとが電気的に遮断されることを特徴としている。
半導体装置に隣接してパターンを形成し、このパターンの上面に形成したヒューズ機構の電極と半導体装置の電極とをワイヤで接続し、過電流によりヒューズ機構の電極が溶けたときに溶けた電極部材をパターンの上面に密着したフィルムの下面に形成した溝に毛細管現象により流入させると共に表面張力によりワイヤとの接続を遮断する。これにより、半導体装置とパターンとを電気的に完全に遮断する。
また、本発明の請求項４に記載のヒューズ付半導体装置は、請求項３に記載のヒューズ付半導体装置において、前記ヒューズ機構の溝は、複数の細い溝からなり、当該複数の細い溝が、前記ヒューズ機構の電極が過電流により溶けたときにこの溶けた電極部材が毛細管現象により前記各溝内に流入することで当該電極部材とワイヤとの接続を遮断して前記半導体装置と前記パターンとを電気的に遮断することができる間隔になるように並んで形成されていることを特徴としている。
ヒューズ機構のフィルム下面に細い溝を僅かな間隔で複数並べて形成することにより、溶融した電極が毛細管現象により各溝内に強く引き込まれて迅速に流入し、ワイヤとの接続が良好に遮断される。
また、本発明の請求項５に記載のヒューズ付半導体装置は、請求項２又は請求項３に記載のヒューズ付半導体装置において、前記半導体装置及びヒューズ機構が形成されたパターン及びワイヤは封止部材により一体に封止されていることを特徴としている。
半導体装置、ワイヤ及びヒューズ機構が封止部材により一体に封止することで、ワイヤを固定した状態に保持することができ、ヒューズ機構の電極が溶けたときにワイヤとの接続を完全に遮断することができる。これにより、半導体装置とパターンとを電気的に完全に遮断することができる。
本発明によると、半導体装置の電極とワイヤで接続するパターンの接続部にヒューズ機構を形成し、パターンに過電流が流れたときにヒューズ機構の電極が溶けて溝に流入することで半導体装置とパターンとを電気的に完全に遮断することができ、パターンに接続されているワイヤーハーネス及びランプ、パワーウィンドウ等の負荷を最終的に保護することができる。また、従来のペアチップ実装程度のサイズにヒューズ機能を取り込むことができるために極めて小型化及び軽量化を図ることが可能となる。
また、ヒューズ機構の溝を複数の細い溝を並んで設けることで溶けた電極部材を毛細管現象により迅速に流し込むことができ、ワイヤと良好に遮断することができる。
また、溝をフィルムで覆い電極が形成された部分のみを開口し、この開口部を含めた領域にワイヤの端部を接続することで、開口部が塞がれ塵埃等による溝の詰まりが防止される。
また、溝をフィルムで覆うことにより封止部材の溝内への侵入が防止され、これにより半導体装置とパターンのヒューズ機構とこれらを電気的に接続するワイヤとを前記封止部材により一体に封止することができかつワイヤを固定保持することができ、ヒューズ機構の電極が溶けたときにこの溶けた電極部材とワイヤとの接続端部とを機械的及び電気的に完全に切り離すことができる。
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係わるヒューズ付半導体装置の平面図を示し、回路基板１の上面所定位置に半導体装置（半導体チップ）２が実装されており、当該半導体装置２の一側に例えば電源回路を構成する導体（銅箔）のパターン５が隣接して形成されている。パターン５は、帯状をなし一側の端部５ａが半導体装置２と対向して配置され図示しない他側の端部が所定方向に延出されて図示しない外部電源接続端子に接続されている。半導体装置２の上面周縁部には電源用の電極３が形成されており、パターン５の端部５ａの上面５ｂにヒューズ機構６が形成されている。
ヒューズ機構６は、前述したワイヤーハーネス、及びランプ、パワーウィンドウ等の負荷を最終的に保護するためのインナーヒューズとして機能するもので、図２及び図３に示すように帯状のパターン５の上面５ｂに長手方向に沿って所定の幅及び深さを有し両端部が閉塞された細い溝（スリット）７が当該パターン５の幅方向に僅かな間隔を存して複数本並んで形成されている。これらの溝７は、各一端部７ａがパターン５の端部５ａの先端から適宜の縁部５ｃを存して開口し、各他端部７ｂが連通されて一つの空間部とされている。そして、パターン５の上面５ｂにこれら複数の溝７を覆うように耐熱性を有するフィルム８が密着して装着（貼着）されている。フィルム８は、各溝７の一端部７ａが僅かに上方に開口するように装着されている。
そして、図１及び図２に２点鎖線で示し図３に実線で示すようにパターン５の上面５ｂの縁部５ｃ、及び各溝７の開口する一端部７ａの周縁部を含む所定の領域に電極９が形成されている。この電極９は、低融点金属部材からなる薄膜により形成されている。低融点金属部材として例えばＡｕ―Ｓｎ，Ａｕ―Ｇｅ，Ａｇ―Ｓｎ−Ｃｕ等の共晶合金がある。また、フィルム８は、低融点金属の電極９の溶融温度（１８０℃〜２６０℃）よりも高い耐熱温度を有する例えばＰＩ（ポリイミド）系、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））系の樹脂部材で形成された耐熱性のフィルムが使用される。このようにしてヒューズ機構６が形成されている。
図４に示すように半導体装置２の電極３とヒューズ機構６の電極９は、ワイヤ４により接続される。ワイヤ４は、金、アルミニウム等の金属線からなり、一端部４ａが電極３にボンディングにより接続され、他端部４ｂが電極９にボンディングにより接続される。そして、溝７の開口する一端部７ａは、電極９にワイヤ４の他端部４ｂが接続されることにより塞がれる。ここで、電極９を形成する低融点金属は、前記ワイヤーハーネス、及びランプ、パワーウィンドウ等の負荷の絶対定格値より低い温度で溶けるものを選択する。
そして、半導体装置２の図示しない他の全ての電極と回路基板２に形成されている図示しない他の全てのパターンとのワイヤによる配線が終了した後、図５に示すように例えばシリコン、又はエポキシ樹脂等の封止部材１１により半導体装置２、ワイヤ４、ヒューズ機構６及びヒューズ機構６が形成されているパターン５の部位を一体に封止する。これにより、ワイヤ４は、封止部材１１で固定されたままの状態に保持される。このようにして、インナーヒューズとしてのヒューズ機構６を備えたヒューズ付半導体装置１２が形成されている。
このヒューズ付半導体装置１２は、例えば前述した車両のワイヤーハーネス、及びランプ、パワーウィンドウ等の制御回路に搭載される。このヒューズ付半導体装置１２を搭載した車両において図６に示すようにワイヤーハーネス及びランプ、パワーウィンドウ等の負荷に過電流が流れた際に過電流による発熱で低融点金属部材からなる電極９がワイヤーハーネスの発煙前に溶け、この溶けた電極部材１０が各溝７の開口する一端部７ａからフィルム８との間の空間部に毛細管現象により吸い込まれて流れ込むと共に表面張力の作用によりワイヤ４の他端部４ｂと切り離されて切断される。各溝７の他端部７ｂは連通して形成されていることで大きな空間部とされており、溶けた電極部材１０を十分に流入させることができる。
ワイヤ４は、封止部材１１により固定されているため結果的に図６に示すようにパターン５と半導体装置２との間の電気的接続が完全に切断される。このようにしてヒューズ機構６が機能してワイヤーハーネス及びランプ、パワーウィンドウ等の負荷を最終的に保護することができる。また、従来のベアチップ実装程度のサイズにヒューズ機能を取り込むことができるため、超小型化・超軽量化を実現することが可能である。
図７乃至図１０は、本発明に係わるヒューズ付半導体装置の第２の実施形態を示し図１乃至図６に示す部材と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。図７及び図８に示すようにパターン５の端部５ａの上面５ｂに縁部５ｃを残して長手方向に沿ってフィルム１７が密着して装着（貼着）されている。このフィルム１７は、パターン５の上面５ｂに密着する下面に長手方向に沿って所定の幅及び深さを有する例えば断面形状が三角形をなす細い溝（スリット）１８がパターン５の幅方向に僅かな間隔を存して複数本並んで形成されている。各溝１８は、一端部１８ａがフィルム１７の端部５ａ側端面に開口し、他端部１８ｂが連通されて一つの空間部とされている。このフィルム１７は、予め溝１８を形成した例えばガラス薄膜（薄板）が使用されている。尚、フィルム１７としては、ガラスの他前述したＰＩ（ポリイミド）系、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））系の樹脂部材で形成された耐熱性のフィルムが使用しても良い。
そして、図７に２点鎖線で示し図８に実線で示すようにパターン５の上面５ｂの縁部５ｃ、及び各溝１８の開口する一端部１８ａの周縁部を含む所定の領域に低融点金属部材の薄膜からなる電極９が形成されている。このようにしてヒューズ機構１６が形成されている。
半導体装置２の電極３とヒューズ機構１６の電極９は、図９及び図１０に示すようにワイヤ４により接続される。ワイヤ４は、一端部４ａが電極３にボンディングにより接続され、他端部４ｂが電極９にボンディングにより接続される。そして、溝１８の開口する一端部１８ａは、電極９にワイヤ４の他端部４ｂが接続されることにより塞がれる。そして、２点鎖線で示すようにシリコン、又はエポキシ樹脂等の封止部材１１により封止されている。ヒューズ機構１６の作用については前述したヒューズ機構６と同一であり説明を省略する。
本発明に係わるヒューズ付半導体装置の第１の実施形態における回路基板に実装された半導体装置とパターン及びヒューズ機構の平面図である。 図１に示したヒューズ機構の拡大図である。 図２に示したヒューズ機構の矢線III―IIIに沿う断面図である。 図１に示した半導体装置とヒューズ機構とをワイヤで接続した状態の平面図である。 図４に示したヒューズ付半導体装置の矢線Ｖ−Ｖに沿う断面図である。 図５に示したヒューズ付半導体装置のヒューズ機構が機能した状態の説明図である。 本発明に係わるヒューズ付半導体装置の第２の実施形態における回路基板に実装された半導体装置とパターン及びヒューズ機構の平面図である。 図７に示したヒューズ機構の矢線VIII―VIIIに沿う断面図である。 図７に示したヒューズ付半導体装置の半導体装置とヒューズ機構とをワイヤで接続した状態の平面図である。 図９に示したヒューズ付半導体装置の矢線Ｘ−Ｘに沿う断面図である。
符号の説明
１ 回路基板
２ 半導体装置（半導体チップ）
３ 電極
４ ワイヤ
４ａ 一端部
４ｂ 他端部
５ パターン
５ａ 端部
５ｂ 上面
５ｃ 縁部
６ ヒューズ機構
７ 溝
７ａ 一端部
７ｂ 他端部
８ フィルム
９ 電極
１０ 溶けた電極部材
１１ 封止部材
１２ ヒューズ付半導体装置
１６ ヒューズ機構
１７ フィルム
１８ 溝
１８ａ 一端部
１８ｂ 他端部

Claims (5)

  1. 半導体装置が実装された回路基板に前記半導体装置に隣接して形成された導体のパターンと、
    前記パターンの上面に形成された溝と、前記パターンの上面かつ前記溝の一側端周縁部を含む領域に低融点金属部材で形成された電極とからなるヒューズ機構と、
    一端が前記半導体装置の電極に接続され他端が前記ヒューズ機構の電極に接続されてこれらを電気的に接続するワイヤとを備え、
    前記パターンに過電流が流れたときに前記ヒューズ機構の電極が溶けて前記溝に流れ込み前記ワイヤの他端と切断されて前記半導体装置と前記パターンとが電気的に遮断されるヒューズ付半導体装置であって、
    前記ヒューズ機構の溝は、複数の細い溝からなり、当該複数の細い溝が、前記ヒューズ機構の電極が過電流により溶けたときにこの溶けた電極部材が毛細管現象により前記各溝内に流入することで当該電極部材とワイヤとの接続を遮断して前記半導体装置と前記パターンとを電気的に遮断することができる間隔になるように並んで形成されていることを特徴とするヒューズ付半導体装置。
  2. 前記ヒューズ機構の溝は、両端が閉塞され前記パターンの上面に密着されたフィルムにより覆われ、かつ前記電極が形成されている一側端部が、溶融した電極部材を前記溝内に引き込むことができる大きさに開口していることを特徴とする、請求項１に記載のヒューズ付半導体装置。
  3. 半導体装置が実装された回路基板に前記半導体装置に隣接して形成された導体のパターンと、
    前記パターンの前記半導体装置側の上面に密着して装着され、前記上面と密着する下面に一端が前記半導体装置側に開口し他端が閉塞された溝が形成された薄膜と、前記溝の開口端周縁部を含む領域に低融点金属部材で形成された電極とからなるヒューズ機構と、
    一端が前記半導体装置の電極に接続され他端が前記ヒューズ機構の電極に接続されてこれらを電気的に接続するワイヤとを備え、
    前記パターンに過電流が流れたときに前記ヒューズ機構の電極が溶けて前記溝に流れ込み前記ワイヤの他端と切断されて前記半導体装置と前記パターンとが電気的に遮断されることを特徴とするヒューズ付半導体装置。
  4. 前記ヒューズ機構の溝は、複数の細い溝からなり、当該複数の細い溝が、前記ヒューズ機構の電極が過電流により溶けたときにこの溶けた電極部材が毛細管現象により前記各溝内に流入することで当該電極部材とワイヤとの接続を遮断して前記半導体装置と前記パターンとを電気的に遮断することができる間隔になるように並んで形成されていることを特徴とする、請求項３に記載のヒューズ付半導体装置。
  5. 前記半導体装置及びヒューズ機構が形成されたパターン及びワイヤは封止部材により一体に封止されていることを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載のヒューズ付半導体装置。
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