JP4785887B2

JP4785887B2 - 電力用半導体装置

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Publication number: JP4785887B2
Application number: JP2008099173A
Authority: JP
Inventors: 重人藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2028-04-07
Also published as: JP2009252541A

Description

本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、電力半導体素子を有する電力用半導体装置に関するものである。

所望の周波数のパルス電流を発生させることができる電力用半導体装置が、モータの自在な速度制御などの用途に、広く用いられている。この電力用半導体装置はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）およびパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor）などの電力用半導体素子を有している。これらの電力用半導体素子は、電流をオン／オフすることができる半導体スイッチング素子である。

これらの半導体スイッチング素子が故障により短絡状態となると、パルス電流の代わりに連続電流が発生するので、電力用半導体装置から電流の供給を受けている機器が過度の電流により破壊してしまうことがある。この場合、正常時のパルス電流と故障時の連続電流とは電流値自体は同じであるため、電流値を閾値とするヒューズによる保護は困難であり、他の種類の保護素子が必要となる。

たとえば特開平１１−２５０７９０号公報（特許文献１）によれば、強制溶断ヒューズ（保護素子）は、発熱材と、発熱材の発熱反応を誘発するための誘発手段と、発熱材が発熱して所定温度以上になったときに溶断する溶断部材とを有している。この公報によれば、発熱材による大量の熱によって溶断部材を瞬時に溶断させることができる、と記載されている。
特開平１１−２５０７９０号公報

上記公報の技術においては、瞬時に溶断部材全体が溶融することで、電流経路が切断される。このため、溶断部材全体の溶融と、電流経路の切断によるアークの発生とが同時に発生する。このため大量の溶融した溶断部材がアークにより周囲に飛散して好ましくない位置に付着することで、いったん発生したアークが切れにくくなってしまうことがあった。すなわちアークによる電流が遮断されないことがあるという問題があった。

それゆえ本発明の目的は、電力用半導体素子の故障時に、より確実に電流が遮断される電力用半導体装置を提供することである。

本発明の電力用半導体装置は、電力用半導体素子と、第１電気配線と、第２電気配線と、接続部と、低融点金属部と、ヒータとを備えている。第１電気配線は、電力半導体素子に電気的に接続されている。第２電気配線は、第１端部と間隔を空けて対向する第２端部を有している。接続部は、第１端部および第２端部の各々の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい単位長さ当たりの抵抗値を有する少なくとも１つの高抵抗部を含み、第１端部と第２端部とを繋いでいる。低融点金属部は、高抵抗部の融点よりも低い融点を有する金属からなり、第１端部と第２端部とを繋ぐように接続部を覆っている。ヒータは、低融点金属部の少なくとも一部を低融点金属部の融点以上に加熱することができるものである。

本発明の電力用半導体装置によれば、低融点金属部が溶融する際に接続部が電流経路として残存しているのでアークが発生しない。よって低融点金属部がアークにより飛散して好ましくない位置に付着物として残存することが抑制される。これにより付着物に起因してアークが切れにくくなることが抑制される。よって、より確実に電流を遮断することができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の構成を概略的に示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１における電力用半導体装置が有する接続素子の構成を概略的に示す正面図である。図３および図４のそれぞれは、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩおよび線ＩＶ−ＩＶに沿う概略断面図である。図５は、図３および図４の各々の線Ｖ−Ｖに沿う概略断面図である。図６は、図３〜図５の各々の線ＶＩ−ＶＩに沿う概略断面図である。

図１を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置ＳＤは、電力用半導体素子ＳＥと、ブスバーＷｂ０と、接続素子ＣＥと、電源ＰＳと、電源制御スイッチＳＷとを有している。

電力用半導体素子ＳＥは、たとえばＩＧＢＴを有するトランスファーモールド型パワーモジュールである。また電力用半導体素子ＳＥは、ブスバーＷｂ０と、第１ブスバーＷｂ１と、故障信号端子ＭＴとを有している。ブスバーＷｂ０および第１ブスバーＷｂ１は、たとえば電力用半導体素子ＳＥの一対の主端子であるＮ端子およびＰ端子としての機能を有している。故障信号端子ＭＴは、電力用半導体素子ＳＥの故障時に故障信号を出力する端子である。

電源制御スイッチＳＷは、通常オフ状態であり、故障信号端子ＭＴからの故障信号を受けるとオン状態となる機能を有している。電源ＰＳは、電源制御スイッチＳＷとともに接続素子ＣＥに接続されている。この構成により、電力用半導体素子ＳＥの故障時に、電源ＰＳが発生する電圧を接続素子ＣＥに印加することができる。

図１〜図６を参照して、接続素子ＣＥは、第２ブスバーＷｂ２（第２電気配線）と、低融点金属部ＬＭと、ヒータＨＴと、高抵抗部Ｒｂと、筐体ＣＳと、第１支柱ＣＬ１と、第２支柱ＣＬ２とを有している。また接続素子ＣＥは、図１に示すように、第１ブスバーＷｂ１（第１電気配線）を電力用半導体素子ＳＥと共有している。よって第１ブスバーＷｂ１全体は電力用半導体素子ＳＥと電気的に接続されている。

第１ブスバーＷｂ１および第２ブスバーＷｂ２は導電性の高い金属からなる。第２ブスバーＷｂ２は、第１ブスバーＷｂ１の第１端部Ｅｂ１（図３〜図５の各々における右端部）と間隔を空けて対向する第２端部Ｅｂ２（図３〜図５の各々における左端部）を有している。

接続部（高抵抗部）Ｒｂは第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２とを繋いでいる。高抵抗部Ｒｂの幅寸法（図３および図４における縦方向の寸法）は、第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２の各々の幅寸法よりも小さく、かつ第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２との間を流れる電流が高抵抗部Ｒｂに集中した場合に高抵抗部Ｒｂが溶断する程度に十分小さい寸法とされている。これにより高抵抗部Ｒｂは、第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２の各々の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい単位長さ当たりの抵抗値を有している。なお単位長さとは、電流が流れる方向の長さ（図３〜図５の各々においては横方向の長さ）である。

好ましくは、第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２と接続部（高抵抗部）Ｒｂとは、一の材料からなり、高抵抗部（接続部）Ｒｂの第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２が対向する方向に垂直な断面積（図６に示す断面積）は、第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２の各々の第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２が対向する方向に垂直な断面積よりも小さい。

また好ましくは、第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２と接続部Ｒｂとは、パターン形状を有する一の板からなる。すなわち第１端部Ｅｂ１、第２端部Ｅｂ２および接続部Ｒｂの各々は、同じ厚みを有している。この場合、第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２と接続部Ｒｂとは、一の板をエッチングによりパターニングすることで形成することができる。

低融点金属部ＬＭは、第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２を繋ぐように高抵抗部Ｒｂを覆っている。これにより低融点金属部ＬＭは第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２を互いに電気的に接続している。また低融点金属部ＬＭは、高抵抗部Ｒｂの融点よりも低い融点を有する金属材料からなる。具体的にはこの材料は錫（Ｓｎ）を含む材料であり、好ましくは、はんだ材料である。

ヒータＨＴは、低融点金属部ＬＭ内に埋め込まれており、電源制御スイッチＳＷがオン状態の時に電源ＰＳが発生する電圧がヒータＨＴの両端の間に印加されることができるように配線されている。この構成により、ヒータＨＴは、低融点金属部ＬＭの少なくとも一部を低融点金属部ＬＭの融点以上に加熱することができる。

第１支柱ＣＬ１および第２支柱ＣＬ２のそれぞれは、第１ブスバーＷｂ１および第２ブスバーＷｂ２を支持している。筐体ＣＳは、第１端部Ｅｂ１、第２端部Ｅｂ２、高抵抗部Ｒｂ、低融点金属部ＬＭ、ヒータＨＴ、第１支柱ＣＬ１および第２支柱ＣＬ２を保護するように設けられている。

次に本実施の形態の電力用半導体装置ＳＤの使用方法について、図１、図５および図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の低融点金属部が溶解した際の様子を示す断面図である。なお図７の断面位置は図３の断面位置と同じである。

図１を参照して、電流の供給を受ける装置である負荷（図示せず）がブスバーＷｂ０および第２ブスバーＷｂ２の間に取り付けられることで、電力用半導体素子ＳＥからこの負荷に対してパルス電流の供給が行なわれる。故障により電力用半導体素子ＳＥから連続的な異常電流が出力されると、電力用半導体装置ＳＤは遮断動作を開始する。すなわち電力用半導体素子ＳＥの故障信号端子ＭＴから故障信号が出力される。この故障信号により電源制御スイッチＳＷがオン状態となる。

図５を参照して、電源ＰＳが発生する電圧がヒータＨＴに印加されることで、ヒータＨＴが発熱する。この発熱により低融点金属部ＬＭが融点以上の温度に加熱されることで、高抵抗部Ｒｂの周りの低融点金属部ＬＭは溶融して筐体ＣＳ内の下方に落下する。すなわち第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２とを繋いでいた低融点金属部ＬＭが除去される。

図５および図７を参照して、低融点金属部ＬＭが除去された結果、第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２との間の電気的経路は高抵抗部Ｒｂのみとなる。すなわち第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２との間を流れる電流は、高抵抗部Ｒｂに集中する。この電流集中により、徐々に高抵抗部Ｒｂの温度が上昇し、やがて高抵抗部Ｒｂの融点に達する。この結果、高抵抗部Ｒｂが溶断することで、第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２との間の電流経路が遮断される。これにより第２ブスバーＷｂ２から電流の供給を受けていた装置（図示せず）は異常電流から保護される。

次に本実施の形態の比較例について説明する。図８は、本発明の実施の形態１の比較例における電力用半導体装置の低融点金属部が溶解した際の様子を示す断面図である。

主に図８を参照して、本比較例においては、本実施の形態と異なり、高抵抗部Ｒｂ（図７）が設けられていない。よって低融点金属部ＬＭが溶け落ちることで第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２との間が分断された瞬間にアーク（図８の矢印）が発生する。すなわち、低融点金属部ＬＭの溶融とアークの発生とが同時に起こる。このため溶融した低融点金属部ＬＭがアークにより周囲に飛散して好ましくない位置に付着することで、いったん発生したアークが切れにくくなってしまう。すなわち第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２との間にアーク電流が流れ続けるので、電流の遮断が行なわれない。

本実施の形態によれば、図７に示すように低融点金属部ＬＭが溶融する際に接続部Ｒｂが電流経路として残存しているのでアークが発生しない。よって低融点金属部ＬＭがアークにより飛散して好ましくない位置に付着物として残存することが抑制される。これにより付着物に起因してアークが切れにくくなることが抑制されるので、より確実に電流を遮断することができる。

また高抵抗部（高抵抗部）Ｒｂは、第１ブスバーＷｂ１および第２ブスバーＷｂ２の各々の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい単位長さ当たりの抵抗値を有する。これにより、低融点金属部ＬＭが除去された後の電流経路のうち高抵抗部Ｒｂの部分での単位長さ当たりの発熱量が大きくなる。よって高抵抗部Ｒｂの温度が高くなるので、より確実に高抵抗部Ｒｂが溶断される。

また低融点金属部ＬＭは高抵抗部Ｒｂの融点よりも低い融点を有する金属からなるので、ヒータＨＴによる加熱により低融点金属部ＬＭが融点に達して溶融する際に、高抵抗部Ｒｂは溶融せずに残存することができる。

好ましくは、第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２と接続部（高抵抗部）Ｒｂとは、一の材料からなる。これにより、一の部材から第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２と接続部（高抵抗部）Ｒｂとを形成することができる。また図６に示すように、高抵抗部（接続部）Ｒｂの第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２が対向する方向に垂直な断面積は、第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２の各々の第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２が対向する方向に垂直な断面積よりも小さい。これにより高抵抗部Ｒｂの単位長さ当たりの抵抗値を、第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２の各々の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きくすることができる。よって高抵抗部Ｒｂの単位長さ当たりの発熱量をより大きくすることができるので、高抵抗部Ｒｂをより確実に溶断させることができる。

また好ましくは、第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２と接続部Ｒｂとは、図７に示すようにパターン形状を有する一の板からなる。よって一の板をパターニングすることで、第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２と接続部Ｒｂとを形成することができる。これにより、電力用半導体装置ＳＤの製造工程をより簡略化することができる。

（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２における電力用半導体装置が有する接続部と、第１および第２ブスバーとの構成を概略的に示す平面図である。

図９を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態１における接続部（高抵抗部）Ｒｂの代わりに、接続部（高抵抗部）Ｒｂｒを有している。接続部（高抵抗部）Ｒｂｒは、第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２とを繋いでいる。また高抵抗部（接続部）Ｒｂｒは、第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２の各々の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい単位長さ当たりの抵抗値を有している。高抵抗部Ｒｂｒの両端のそれぞれは第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２に接合されている。この接合方法は、たとえばろう付け法である。高抵抗部Ｒｂｒは、第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２の材料の抵抗率よりも大きな抵抗率を有する高抵抗材料からなる。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態によれば実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また高抵抗部Ｒｂｒの材料として第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２の材料以外の材料を用いることができる。これにより高抵抗部Ｒｂｒの材料をより最適化することができる。

また第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２の各々の材料の抵抗率に比して、高抵抗部Ｒｂｒの材料の抵抗率が大きい。これにより、高抵抗部Ｒｂｒの単位長さ当たりの抵抗値をより大きくすることができる。よって高抵抗部Ｒｂｒの単位長さ当たりの発熱量をより大きくすることができるので、高抵抗部Ｒｂｒをより確実に溶断させることができる。

（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３における電力用半導体装置が有する接続素子の構成を概略的に示す断面図である。また図１１は、本発明の実施の形態３における電力用半導体装置が有する接続部と、第１および第２電線との構成を概略的に示す平面図である。

主に図１０および図１１を参照して、本実施の形態の接続素子は、実施の形態２における第１ブスバーＷｂ１、第２ブスバーＷｂ２および高抵抗部Ｒｂｒのそれぞれの代わりに、第１電線Ｗｃ１、第２電線Ｗｃ２および高抵抗部Ｒｃｒを有している。また接続素子ＣＥ（図１）は、第１電線Ｗｃ１（第１電気配線）を電力用半導体素子ＳＥ（図１）と共有している。よって第１電線Ｗｃ１全体は電力用半導体素子ＳＥと電気的に接続されている。なお第１電線Ｗｃ１および第２電線Ｗｃ２の各々は、端部を除き、被覆ＣＶにより被覆されている。

第１電線Ｗｃ１および第２電線Ｗｃ２は導電性の高い金属からなる。第２電線Ｗｃ２は、第１電線Ｗｃ１の端部（図１１における右端部）と間隔を空けて対向する端部（図１１における左端部）を有している。これら２つの端部は、接続部（高抵抗部）Ｒｃｒにより互いに繋がれている。また高抵抗部（接続部）Ｒｃｒは、第１電線Ｗｃ１および第２電線Ｗｃ２の各々の端部の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい単位長さ当たりの抵抗値を有している。

また高抵抗部Ｒｃｒの両端のそれぞれは、第１電線Ｗｃ１の端部および第２電線Ｗｃ２の端部に、たとえばろう付け法により接合されている。高抵抗部Ｒｃｒは、第１電線Ｗｃ１および第２電線Ｗｃ２の各々の端部の材料の抵抗率よりも大きな抵抗率を有する高抵抗材料からなる。好ましくは、この高抵抗材料としてニッケルおよびクロムを含有する合金が用いられる。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態２の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態によれば、ブスバーＷｂ１，Ｗｂ２の代わりに電線Ｗｃ１，Ｗｃ２が用いられた構成において、実施の形態２と同様の効果が得られる。

また好ましくは、高抵抗部Ｒｃｒはニッケルおよびクロムを含有する合金からなる。これにより高抵抗部Ｒｃｒの抵抗率を高めることで、高抵抗部Ｒｃｒの単位長さ当たりの抵抗値を大きくすることができる。よって高抵抗部Ｒｃｒの単位長さ当たりの発熱量をより大きくすることができるので、高抵抗部Ｒｃｒをより確実に溶断させることができる。

（実施の形態４）
図１２および図１３のそれぞれは、本発明の実施の形態４における電力用半導体装置が有する接続素子の構成を概略的に示す平面図および底面図である。図１４は、図１２および図１３の各々の線ＸＩＶ−ＸＩＶに沿う概略断面図である。

主に図１２〜図１４を参照して、本実施の形態の接続素子は、絶縁基板ＳＢと、第１配線パターンＷｐ１（第１電気配線）と、第２配線パターンＷｐ２（第２電気配線）と、低融点金属部ＬＭと、ヒータＨＴと、高抵抗部Ｒｐとを有している。

第１配線パターンＷｐ１は、接続素子および電力用半導体素子ＳＥ（図１）に共有されている。よって第１配線パターンＷｐ１全体は電力用半導体素子ＳＥ（図１）と電気的に接続されている。

第１配線パターンＷｐ１および第２配線パターンＷｐ２は導電性の高い金属からなる。第２配線パターンＷｐ２は、第１配線パターンＷｐ１の第１端部Ｅｐ１（図１２における右端部）と間隔を空けて対向する第２端部Ｅｐ２（図１２における左端部）を有している。接続部（高抵抗部）Ｒｐは、第１端部Ｅｐ１と第２端部Ｅｐ２とを繋いでいる。また高抵抗部（接続部）Ｒｐは、第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２の各々の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい単位長さ当たりの抵抗値を有している。

好ましくは、第１端部Ｅｐ１と第２端部Ｅｐ２と接続部（高抵抗部）Ｒｐとは、一の材料からなり、高抵抗部（接続部）Ｒｐの第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２が対向する方向に垂直な断面積は、第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２の各々の第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２が対向する方向に垂直な断面積よりも小さい。この条件を満たすために、たとえば、高抵抗部Ｒｐの幅寸法（図１２における縦方向の寸法）は、第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２の各々の幅寸法よりも小さく、かつ第１配線パターンＷｐ１と第２配線パターンＷｐ２との間を流れる電流が高抵抗部Ｒｐに集中した場合に高抵抗部Ｒｐが溶断する程度に十分小さい寸法とされている。

また好ましくは、第１端部Ｅｐ１と第２端部Ｅｐ２と接続部Ｒｐとは、一のパターンとして一体的に形成されている。すなわち、第１端部Ｅｐ１と第２端部Ｅｐ２と接続部Ｒｐとは、パターン形状を有する一の板からなり、各々は同じ厚みを有している。

低融点金属部ＬＭは、第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２を繋ぐように高抵抗部Ｒｐを覆っている。これにより低融点金属部ＬＭは第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２を互いに電気的に接続している。また低融点金属部ＬＭは、高抵抗部Ｒｐの融点よりも低い融点を有する金属材料からなる。具体的にはこの材料は錫（Ｓｎ）を含む材料であり、好ましくは、はんだ材料である。

絶縁基板ＳＢは、第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２の各々を固定している。また絶縁基板ＳＢは、低融点金属部ＬＭの下方に位置し、かつ穴部ＨＬを有している。穴部ＨＬは低融点金属部ＬＭの少なくとも一部に面していることが好ましい。

次に本実施の形態の電力用半導体装置の使用方法について、図１、図１４および図１５を用いて説明する。図１５は、本発明の実施の形態４における電力用半導体装置の低融点金属部が溶融した際の様子を示す平面図である。なお図１５が示す範囲は図１２が示す範囲と同じである。

主に図１４を参照して、実施の形態１と同様に、電力用半導体素子ＳＥ（図１）が故障することで電力用半導体素子ＳＥから連続的な異常電流が出力されると、故障信号端子ＭＴから故障信号が出力される。この故障信号により電源制御スイッチＳＷがオン状態となる。電源ＰＳが発生する電圧がヒータＨＴに印加されることで、ヒータＨＴが発熱する。低融点金属部ＬＭが融点以上の温度に加熱されることで、第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２の周りの低融点金属部ＬＭが、穴部ＨＬを通って溶け落ちる。すなわち第１端部Ｅｐ１と第２端部Ｅｐ２とを繋いでいた低融点金属部ＬＭが除去される。

図１４および図１５を参照して、低融点金属部ＬＭが除去された結果、第１配線パターンＷｐ１と第２配線パターンＷｐ２との間の電気的経路は高抵抗部Ｒｐのみとなる。すなわち第１配線パターンＷｐ１と第２配線パターンＷｐ２との間を流れる電流は、高抵抗部Ｒｐに集中する。この電流集中により、徐々に高抵抗部Ｒｐの温度が上昇し、やがて高抵抗部Ｒｐの融点に達する。この結果、高抵抗部Ｒｐが溶断することで、第１配線パターンＷｐ１と第２配線パターンＷｐ２との間の電流経路が遮断される。これにより第２配線パターンＷｐ２から電流の供給を受けていた装置（図示せず）は異常電流から保護される。

次に本実施の形態の比較例について説明する。図１６は、本発明の実施の形態４の比較例における電力用半導体装置の低融点金属部が溶解した際の様子を示す平面図である。

主に図１６を参照して、本比較例においては、本実施の形態と異なり、高抵抗部Ｒｐ（図１５）が設けられていない。よって低融点金属部ＬＭが溶け落ちた瞬間に、第１配線パターンＷｐ１と第２配線パターンＷｐ２とが分断されてアーク（図１６の矢印）が発生する。すなわち、低融点金属部ＬＭの溶融とアークの発生とが同時に発生する。このため溶融した低融点金属部ＬＭがアークにより周囲に飛散して好ましくない位置に付着物として残存することで、いったん発生したアークが切れにくくなってしまう。すなわち第１配線パターンＷｐ１と第２配線パターンＷｐ２との間にアーク電流が流れ続けるので、電流の遮断が行なわれない。

本実施の形態によれば、ブスバーＷｂ１，Ｗｂ２の代わりに、絶縁基板ＳＢ上の配線パターンＷｐ１，Ｗｐ２が用いられた構成において、実施の形態１と同様の効果が得られる。

好ましくは絶縁基板ＳＢは、図１４に示すように、低融点金属部ＬＭの一部に面する領域に穴部ＨＬを有している。よって低融点金属部ＬＭの除去が絶縁基板ＳＢにより妨げられないようにすることができる。

なお高抵抗部Ｒｐは、第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２と一括してパターニングされずに、第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２の各々に、ろう付けにより取り付けられてもよい。この場合、高抵抗部Ｒｐの材料として第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２の材料以外の材料を用いることができる。これにより高抵抗部Ｒｐの材料をより最適化することができる。

（実施の形態５）
図１７および図１８の各々は、本発明の実施の形態５における電力用半導体装置が有する接続素子の構成を概略的に示す断面図である。なお図１７および図１８のそれぞれの断面位置は、図５および図４の断面位置に対応している。

主に図１７および図１８を参照して、本実施の形態における電力用半導体装置は、実施の形態１における接続部Ｒｂ（図４および図５）の代わりに、接続部Ｃｂを有している。ヒータＨＴは接続部Ｃｂの上方に設けられている。

接続部Ｃｂは、第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２と、変位部ＦＰとを有している。第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２は、互いに離れて位置する一対の高抵抗部である。変位部ＦＰは、第１高抵抗部Ｒｂ１と第２高抵抗部Ｒｂ２との間に設けられている。また変位部ＦＰは、第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２の各々の幅寸法（図１８における縦方向の寸法）よりも大きい幅寸法を有している。これにより変位部ＦＰは、第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２の各々の単位長さ当たりの抵抗値よりも小さい単位長さ当たりの抵抗値を有している。

次に本実施の形態の電力用半導体装置ＳＤの使用方法について説明する。
図１７を参照して、故障信号端子ＭＴからの故障信号により電源制御スイッチＳＷがオン状態となることで、電源ＰＳが発生する電圧がヒータＨＴに印加される。ヒータＨＴが発熱することで、第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２の周りの低融点金属部ＬＭは筐体ＣＳ内において下方に溶け落ちる。

この結果、第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２との間を流れる電流は、接続部Ｃｂに集中する。接続部Ｃｂにおいて、第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２の各々の単位長さ当たりの抵抗値は、変位部ＦＰの単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい。このため変位部ＦＰよりも第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２の方が、単位長さ当たりの発熱量が大きくなる。よって、変位部ＦＰが固体状態に保持されつつ、第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２の各々が溶融される。すると変位部ＦＰが重力により下方に変位し始めるとともに、変位部ＦＰと第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２の各々との間にアークが生じる。このアークは、変位部ＦＰの変位が進行するにしたがって引き延ばされ、やがて切断される。これにより、第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２との間において、接続部Ｃｂを介した電流およびアーク電流のいずれの電流も流れなくなるので、第２ブスバーＷｂ２から電流の供給を受けていた装置（図示せず）は異常電流から保護される。

本実施の形態によれば、変位部ＦＰの落下によりアークが引き延ばされることでアークが切断される。これにより、より確実にアーク電流を遮断することができる。

（実施の形態６）
図１９および図２０の各々は、本発明の実施の形態６における電力用半導体装置が有する接続素子の構成を概略的に示す断面図である。なお図１９および図２０のそれぞれの断面位置は、図１７および図１８の断面位置に対応している。

主に図１９および図２０を参照して、本実施の形態における電力用半導体装置は、バネ部ＳＰと、絶縁部ＩＭとを有している。バネ部ＳＰの一方端は絶縁部ＩＭを介して変位部ＦＰに接続され、バネ部ＳＰの他方端は筐体ＣＳに接続されている。バネ部ＳＰは、第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２が対向する方向（図１９における横方向）に交差する方向（図１９における縦方向）の力を変位部ＦＰに加えることができる向きに取り付けられている。またヒータＨＴは変位部ＦＰの下方に設けられている。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態５の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態によれば、第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２が溶融することで変位部ＦＰの支持が失われると、重力方向に関わらずバネ部ＳＰにより変位部ＦＰが変位される。よって重力方向に対して電力用半導体装置がどのような方向に設置されても確実に変位部ＦＰが変位することで、より確実にアークを引き延ばして切断することができる。これにより、実施の形態５に比して、より確実に電流を遮断することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、電力半導体素子を有する電力用半導体装置に特に有利に適用され得る。

本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の構成を概略的に示す斜視図である。本発明の実施の形態１における電力用半導体装置が有する接続素子の構成を概略的に示す正面図である。図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う概略断面図である。図２の線ＩＶ−ＩＶに沿う概略断面図である。図３および図４の各々の線Ｖ−Ｖに沿う概略断面図である。図３〜図５の各々の線ＶＩ−ＶＩに沿う概略断面図である。本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の低融点金属部が溶解した際の様子を示す断面図である。本発明の実施の形態１の比較例における電力用半導体装置の低融点金属部が溶解した際の様子を示す断面図である。本発明の実施の形態２における電力用半導体装置が有する接続部と、第１および第２ブスバーとの構成を概略的に示す平面図である。本発明の実施の形態３における電力用半導体装置が有する接続素子の構成を概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態３における電力用半導体装置が有する接続部と、第１および第２電線との構成を概略的に示す平面図である。本発明の実施の形態４における電力用半導体装置が有する接続素子の構成を概略的に示す平面図である。本発明の実施の形態４における電力用半導体装置が有する接続素子の構成を概略的に示す底面図である。図１２および図１３の各々の線ＸＩＶ−ＸＩＶに沿う概略断面図である。本発明の実施の形態４における電力用半導体装置の低融点金属部が溶融した際の様子を示す平面図である。本発明の実施の形態４の比較例における電力用半導体装置の低融点金属部が溶解した際の様子を示す平面図である。本発明の実施の形態５における電力用半導体装置が有する接続素子の構成を概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態５における電力用半導体装置が有する接続素子の構成を概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態６における電力用半導体装置が有する接続素子の構成を概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態６における電力用半導体装置が有する接続素子の構成を概略的に示す断面図である。

符号の説明

Ｃｂ接続部、ＣＶ被覆、Ｅｂ１，Ｅｐ１第１端部、Ｅｂ２，Ｅｐ２第２端部、ＦＰ変位部、ＨＬ穴部、ＨＴヒータ、ＬＭ低融点金属部、ＭＴ故障信号端子、ＰＳ電源、Ｒｂ，Ｒｂｒ，Ｒｃｒ，Ｒｐ接続部（高抵抗部）、Ｒｂ１第１高抵抗部、Ｒｂ２第２高抵抗部、ＳＢ絶縁基板、ＳＰバネ部、ＳＷ電源制御スイッチ、Ｗｂ１第１ブスバー（第１電気配線）、Ｗｂ２第２ブスバー（第２電気配線）、Ｗｃ１第１電線（第１電気配線）、Ｗｃ２第２電線（第２電気配線）、Ｗｐ１第１配線パターン（第１電気配線）、Ｗｐ２第２配線パターン（第２電気配線）。

Claims

電力用半導体素子と、
前記電力半導体素子に電気的に接続された第１端部を有する、第１電気配線と、
前記第１端部と間隔を空けて対向する第２端部を有する、第２電気配線と、
前記第１端部および前記第２端部の各々の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい単位長さ当たりの抵抗値を有する少なくとも１つの高抵抗部を含み、前記第１端部と前記第２端部とを繋ぐ接続部と、
前記高抵抗部の融点よりも低い融点を有する金属からなり、前記第１端部と前記第２端部とを繋ぐように前記接続部を覆う低融点金属部と、
前記低融点金属部の少なくとも一部を前記低融点金属部の融点以上に加熱することができるヒータとを備えた、電力用半導体装置。
前記低融点金属部は、錫を含む材料からなる、請求項１に記載の電力用半導体装置。
前記第１端部と前記第２端部と前記接続部とは一の材料からなり、
前記少なくとも１つの高抵抗部の前記第１端部および前記第２端部が対向する方向に垂直な断面積は、前記第１端部および前記第２端部の各々の前記第１端部および前記第２端部が対向する方向に垂直な断面積よりも小さい、請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
前記第１端部と前記第２端部と前記接続部とは、パターン形状を有する一の板からなる、請求項３に記載の電力用半導体装置。
前記少なくとも１つの高抵抗部は、前記第１端部および前記第２端部の各々の材料の抵抗率よりも大きな抵抗率を有する高抵抗材料からなる、請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
前記高抵抗材料はニッケルおよびクロムを含有する合金である、請求項５に記載の電力用半導体装置。
前記第１端部および前記第２端部を支持する基板をさらに備え、
前記基板は、前記低融点金属部の少なくとも一部に面する領域に穴部を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の電力用半導体装置。
前記少なくとも１つの高抵抗部は、互いに離れて位置する一対の高抵抗部を含み、
前記接続部は、前記一対の高抵抗部の間に設けられた、前記一対の高抵抗部の各々の単位長さ当たりの抵抗値よりも小さい単位長さ当たりの抵抗値を有する変位部を含む、請求項１〜７のいずれかに記載の電力用半導体装置。
前記第１端部および前記第２端部が対向する方向に交差する方向の力を前記変位部に加えるためのバネ部をさらに備えた、請求項８に記載の電力用半導体装置。