JP4842160B2 - 半導体装置およびそれを備えたインバータシステム - Google Patents
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Description
この発明は、パワー半導体モジュールとして適用される半導体装置およびそれを備えたインバータシステムに関する。
電力変換器に使用されるパワー半導体モジュールは、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（以下、「ＩＧＢＴ」と称す）チップなどの半導体チップが複数集められてモジュール化されている。そして、ＩＧＢＴチップに過電流が流れて故障するときは、短絡故障となる場合が大部分であり、そのまま通電を続けると、パワー半導体モジュールを使用したシステム自体の動作に不具合を生じることになる。このためパワー半導体モジュールの内部または外部、または半導体チップに遮断機構を備えている。例えば、配線の一部を細くして溶断しやすい構造にしている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、半導体技術の進歩により、ＩＧＢＴチップは大容量化しており、高電圧、大電流の電力変換を行うことができるようになってきた。これにともない、従来の遮断機構では対応できなくなってきている。例えば、高電圧、大電流の電力変換においては、配線を溶断するとアーク電流が発生する。電圧が低いときはアーク電流が発生してもすぐ消弧され遮断されるが、電圧が高いときは消弧することが困難になり、単に配線を溶断するだけでは電流遮断が困難となり電流が流れ続ける。
一方、高電圧、大電流を遮断可能なブレーカや電磁開閉器は、アーク電流を消弧するため接点の開閉速度を速くするとともに、アークの冷却を促進する工夫がなされているが、このような工夫を施されているため遮断機構のサイズは大きくなり、コストも高くなる。
また、一般の配電盤等の遮断では短絡時の電流が通電時の電流に比べてはるかに大きいことを利用して、通常通電時の電流では遮断動作はしないが、短絡時の大電流の短絡電流では遮断動作するようにしている。例えば、ジュール熱で配線を焼き切る、または電磁力によりスイッチを切るなどの遮断機構を構成することができる。しかし、半導体装置を適用する系ではインピーダンスが大きく、通常通電時と短絡時の電流の大きさがほとんど変わらないため、従来の遮断機構を適用することは困難である。
この発明の目的は、高電圧・大電流で動作する半導体チップの故障時の短絡電流を遮断する小型、低コストの半導体装置とそれを備えたインバータシステムを提供することである。
この発明に係る半導体装置は、半導体チップに電気的に接合された電極と外部接続端子との間を電気的に接続する配線部を遮断する遮断機構を備える半導体装置であって、上記配線部は、並列に接続された複数の配線を備え、上記遮断機構は、上記複数の配線の一部を遮断する遮断部と、上記半導体チップの短絡モードを検出する検出装置とを備え、上記遮断部により上記複数の配線の一部を遮断して上記半導体チップに流れる電流を上記複数の配線の残りに転流して上記複数の配線の残りを遮断する。
この発明に係る半導体装置の効果は、電極と外部接続端子とを接続する配線部が並列に設置された複数の配線と、複数の配線の一部を遮断する遮断機構と、を備え、遮断機構により複数の配線の一部が遮断されると短絡電流が複数の配線の残りに転流する。これにより複数の配線の残りが遮断されることにより短絡電流が遮断されるので、半導体装置の外形を維持しながら短絡電流を遮断する半導体装置を提供することができることである。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による半導体装置の断面図である。図２は、この発明の実施の形態１による半導体装置の配線板側から樹脂モールド前に見た平面図である。なお、図１は、図２のＡ−Ａ断面での断面図である。
この発明の実施の形態１による半導体装置は、例えばＩＧＢＴチップなどである半導体チップ１、半導体チップ１が半田８により接合されているセラミック基板９、セラミック基板９が接合されているベース板１０を有する。
また、実施の形態１による半導体装置は、半導体チップ１の表面に形成された半田付けに適したメタル層２、メタル層２に半田８により接合されている配線板３、配線板３に接続されている遮断機構２０を有する。なお、半導体チップ１、セラミック基板９、配線板３、ベース板１０は樹脂１１でモールドされている。
図１は、この発明の実施の形態１による半導体装置の断面図である。図２は、この発明の実施の形態１による半導体装置の配線板側から樹脂モールド前に見た平面図である。なお、図１は、図２のＡ−Ａ断面での断面図である。
この発明の実施の形態１による半導体装置は、例えばＩＧＢＴチップなどである半導体チップ１、半導体チップ１が半田８により接合されているセラミック基板９、セラミック基板９が接合されているベース板１０を有する。
また、実施の形態１による半導体装置は、半導体チップ１の表面に形成された半田付けに適したメタル層２、メタル層２に半田８により接合されている配線板３、配線板３に接続されている遮断機構２０を有する。なお、半導体チップ１、セラミック基板９、配線板３、ベース板１０は樹脂１１でモールドされている。
配線板３は、配線部２１により一方の外部接続端子４に接続される。また、半導体チップ１は、制御信号配線１２により他方の外部接続端子１３に接続されている。
遮断機構２０は、配線板３と外部接続端子４とを接続する配線部２１、配線部２１の一部を遮断する遮断部２２、配線部２１の残りを被覆する消弧剤としてのゲル６、例えば配線板３を流れる電流を計測し解析して半導体チップ１の短絡を検出する検出装置２３を有する。
遮断機構２０は、配線板３と外部接続端子４とを接続する配線部２１、配線部２１の一部を遮断する遮断部２２、配線部２１の残りを被覆する消弧剤としてのゲル６、例えば配線板３を流れる電流を計測し解析して半導体チップ１の短絡を検出する検出装置２３を有する。
配線部２１では、（α１＋α２）本の配線としてのアルミニウムワイヤ５が配線板３と外部接続端子４の間で並列に配置されている。このアルミニウムワイヤ５は、α１本のアルミニウムワイヤ５からなる第１ワイヤ群５ａ、α２本のアルミニウムワイヤ５からなる第２ワイヤ群５ｂに分けられる。
アルミニウムワイヤ５は、配線板３および外部接続端子４とそれぞれボンディング接合されている。そして、配線板３および外部接続端子４にボンディング接合されたアルミニウムワイヤ５は、山なりに配置されている。なお、配線としてアルミニウム製のワイヤを使用したが、銅製のワイヤを使用しても良い。
アルミニウムワイヤ５は、配線板３および外部接続端子４とそれぞれボンディング接合されている。そして、配線板３および外部接続端子４にボンディング接合されたアルミニウムワイヤ５は、山なりに配置されている。なお、配線としてアルミニウム製のワイヤを使用したが、銅製のワイヤを使用しても良い。
第１ワイヤ群５ａのアルミニウムワイヤ５の途中に近接する位置にヒータ７が設置されている。このヒータ７にはヒータ電源１５が接続され、ヒータ電源１５から供給される電力によりヒータ７が加熱される。遮断部２２は、ヒータ７とヒータ電源１５から構成されている。
第２ワイヤ群５ｂのアルミニウムワイヤ５は、ゲル６中に埋め込まれている。
第２ワイヤ群５ｂのアルミニウムワイヤ５は、ゲル６中に埋め込まれている。
第１ワイヤ群５ａのアルミニウムワイヤ５が溶断されると、短絡電流は第２ワイヤ群５ｂのアルミニウムワイヤ５に集中する。（α１＋α２）本のアルミニウムワイヤ５では、通常電流および短絡電流を流すことができる。一方、α２本のアルミニウムワイヤ５では、短絡電流を流すと焼き切れる。このように設定されているので、第２ワイヤ群５ｂのアルミニウムワイヤ５も焼き切れる。
なお、実施の形態１においては、第２ワイヤ群５ｂだけゲル６中に設置したが、第１ワイヤ群５ａと第２ワイヤ群５ｂとをゲル６中に設置しても良い。また、消弧剤は、ゲル６以外にもアルキル基を多く含む、ナイロン樹脂、ポリイミド樹脂などであっても良く、また、珪砂、熱可塑性樹脂であっても良い。
検出装置２３は、コレクタ／エミッタ間を流れる電流を計測できる位置、たとえばアルミニウムワイヤ５または配線板３に図示しないセンサが設けられる。
検出装置２３は、半導体チップ１が短絡故障したことを検出する。この検出装置２３は、コレクタ／エミッタ間を流れる電流、例えばアルミニウムワイヤ５または配線板３を流れる電流などを計測し、計測した電流の波形を解析して半導体チップ１で短絡故障が発生したことを検出する。この短絡故障を検出する原理は、通常動作時には半導体チップ１がスイッチングされるのに対し、短絡時には半導体チップ１がスイッチングされないため電流波形は異なる。検出装置２３でセンサにより測定した電流を解析して短絡故障を検出する。
検出装置２３は、半導体チップ１が短絡故障したことを検出する。この検出装置２３は、コレクタ／エミッタ間を流れる電流、例えばアルミニウムワイヤ５または配線板３を流れる電流などを計測し、計測した電流の波形を解析して半導体チップ１で短絡故障が発生したことを検出する。この短絡故障を検出する原理は、通常動作時には半導体チップ１がスイッチングされるのに対し、短絡時には半導体チップ１がスイッチングされないため電流波形は異なる。検出装置２３でセンサにより測定した電流を解析して短絡故障を検出する。
検出装置２３は、ゲート・オフ時にコレクタ/エミッタ間を電流が流れることをもって短絡発生と判断する。コレクタ／エミッタ間の電流は、図３に示すように、通常時は所定のサイクルでＯＮ・ＯＦＦされる。すなわち、ゲート・オフ時にはコレクタ／エミッタ間の電流が実質的に０となる。この時間帯に電流が流れていれば異常と判断する。具体的には以下のような方法が考えられるがこれは例示であり、これらに限るものではない。
１つの方法として、図４に示すように、電流波形を測定し、その時間変化から、このような実質的に電流０（すなわち、電流値が所定の第１の電流値Ｉ０以下）となる時間が所定時間続くか（またはサイクリックに繰り返されるか）どうかを見ることで異常を判断する。
たとえば、図示しないコンパレータを用いて電流値Ｉが所定の第１の電流値Ｉ０以下を継続する時間αｋ（ｋは電流値Ｉ０以下を継続する時間が出現する度に付けられる連番である）を求め、求めた時間αｋが所定の第１の時間αＴＨ以下であれば異常とする。この第１の時間αＴＨは通常時のαｋから時間のばらつきを考慮した尤度を減算した値である。
たとえば、図示しないコンパレータを用いて電流値Ｉが所定の第１の電流値Ｉ０以下を継続する時間αｋ（ｋは電流値Ｉ０以下を継続する時間が出現する度に付けられる連番である）を求め、求めた時間αｋが所定の第１の時間αＴＨ以下であれば異常とする。この第１の時間αＴＨは通常時のαｋから時間のばらつきを考慮した尤度を減算した値である。
また、他の方法として、電流値Ｉが所定の第２の電流値Ｉ１以上を継続する時間βｋ（ｋは電流値Ｉ１以上を継続する時間が出現する度に付けられる連番である）を求め、求めた時間βｋが所定の第２の時間βＴＨ以上であれば異常とする。この第２の時間βＴＨは通常時のβｋに時間のばらつきを考慮した尤度を加算した値である。
また、他の方法として、電流値Ｉが所定の第３の電流値ＩＴＨ以上のとき異常とする。
また、他の方法として、電流値Ｉが所定の第３の電流値ＩＴＨ以上のとき異常とする。
また、図５に示すように、検出装置２３でゲート電圧を併せて計測し、この電圧が実質０である時間帯（すなわちゲート・オフ時）にコレクタ／エミッタ間に電流が流れた場合は異常とする。
次に、この発明の実施の形態１による半導体装置の動作について説明する。
半導体チップ１に過電流が流れることにより発生する故障の場合、短絡故障するケースが大部分である。そして、短絡故障した場合、半導体チップ１を流れる電流は配線板３を流れ、それからアルミニウムワイヤ５を流れる。
コレクタ／エミッタ間を流れる短絡電流、例えばこのアルミニウムワイヤ５または配線板３を流れる短絡電流を検出装置２３で解析して短絡故障が発生したことを検出する。
短絡故障を検出した検出装置２３は、ヒータ電源１５にヒータ電源１５をオンするように指令する。
オンするように指令されたヒータ電源１５は、ヒータ７に電力を供給する。
ヒータ７は、電力が供給されると、発熱して第１ワイヤ群５ａのアルミニウムワイヤ５を加熱する。すると、第１ワイヤ群５ａのアルミニウムワイヤ５が溶断される。
第１ワイヤ群５ａのアルミニウムワイヤ５が溶断されると、短絡電流は第２ワイヤ群５ｂのアルミニウムワイヤ５に集中して流れる。その結果、第２ワイヤ群５ｂのアルミニウムワイヤ５が焼き切れる。
電圧がかかった第２ワイヤ群５ｂのアルミニウムワイヤ５が焼き切れると切れたアルミニウムワイヤ５間にアーク電流が発生する。アーク電流内は１万〜２万℃と非常に高温となり、覆っているゲル６を瞬時に気化する。気化したゲル６中には水素が多く含まれており、水素は熱伝導率が高いので、アークを効率良く冷却する。また、ゲル６が気化するときのガスの流れでアークを吹き消し、アーク電流が消弧され、短絡電流が遮断される。
半導体チップ１に過電流が流れることにより発生する故障の場合、短絡故障するケースが大部分である。そして、短絡故障した場合、半導体チップ１を流れる電流は配線板３を流れ、それからアルミニウムワイヤ５を流れる。
コレクタ／エミッタ間を流れる短絡電流、例えばこのアルミニウムワイヤ５または配線板３を流れる短絡電流を検出装置２３で解析して短絡故障が発生したことを検出する。
短絡故障を検出した検出装置２３は、ヒータ電源１５にヒータ電源１５をオンするように指令する。
オンするように指令されたヒータ電源１５は、ヒータ７に電力を供給する。
ヒータ７は、電力が供給されると、発熱して第１ワイヤ群５ａのアルミニウムワイヤ５を加熱する。すると、第１ワイヤ群５ａのアルミニウムワイヤ５が溶断される。
第１ワイヤ群５ａのアルミニウムワイヤ５が溶断されると、短絡電流は第２ワイヤ群５ｂのアルミニウムワイヤ５に集中して流れる。その結果、第２ワイヤ群５ｂのアルミニウムワイヤ５が焼き切れる。
電圧がかかった第２ワイヤ群５ｂのアルミニウムワイヤ５が焼き切れると切れたアルミニウムワイヤ５間にアーク電流が発生する。アーク電流内は１万〜２万℃と非常に高温となり、覆っているゲル６を瞬時に気化する。気化したゲル６中には水素が多く含まれており、水素は熱伝導率が高いので、アークを効率良く冷却する。また、ゲル６が気化するときのガスの流れでアークを吹き消し、アーク電流が消弧され、短絡電流が遮断される。
半導体装置を適用する系では回路のインピーダンスが大きいため、短絡時も通常動作時に比べて配線板３を流れる電流値はさほど大きくないので、短絡電流が通常電流よりはるかに大きくなることにより、発熱量や電磁力が極端に大きくなることを利用した一般の遮断方法を採用することはできない。
しかし、逆に短絡電流がさほど大きくないため、一般の遮断の場合より遮断に至る時間が長くても許容される。そこで、時間がかかるため一般の遮断方法としては適用できないヒータ熱で配線を溶断する方法が適用可能である。
しかし、逆に短絡電流がさほど大きくないため、一般の遮断の場合より遮断に至る時間が長くても許容される。そこで、時間がかかるため一般の遮断方法としては適用できないヒータ熱で配線を溶断する方法が適用可能である。
ところで、ヒータ熱で配線を溶断する方法を適用するためには、短絡故障が起きたことを検知する必要がある。しかし、上述のように電流値の大きさは通常動作時と短絡時でほとんどかわらないので、電流値の大きさを利用することはできない。
そこで、実施の形態１による検出装置２３は、通常動作時には半導体チップ１がスイッチングされるのに対し、短絡時には半導体チップ１がスイッチングされないため電流波形が異なることを利用している。
そこで、実施の形態１による検出装置２３は、通常動作時には半導体チップ１がスイッチングされるのに対し、短絡時には半導体チップ１がスイッチングされないため電流波形が異なることを利用している。
なお、ヒータ７として、絶縁基板上に発熱部となる金属線を接合するように構成しておくと、温度上昇の際、金属線と絶縁基板の熱膨張率の違いから絶縁基板が破断し、この影響で第１ワイヤ群５ａのアルミニウムワイヤ５が切断される。このようにアルミニウムワイヤ５を切断しても同様の効果が得られる。
また、第１ワイヤ群５ａのアルミニウムワイヤ５をヒータ７で溶断することにより、最終的に電流が流れるのは第２ワイヤ群５ｂのアルミニウムワイヤ５だけであるため、総通電面積は初期より小さくなる。そして、総通電面積が小さい方がアーク径はトータルで小さくなり、消弧しやすくなるので、アーク消弧に対してより有効となる。
また、アルミニウムワイヤ５を図１に示すように凸状に曲率をもたせたことにより、アーク電流も曲率をもつように発生するため、距離が長くなり、アーク電圧が高くなり、消弧しやすくなる。
また、アルミニウムワイヤ５を図１に示すように凸状に曲率をもたせたことにより、アーク電流も曲率をもつように発生するため、距離が長くなり、アーク電圧が高くなり、消弧しやすくなる。
この実施の形態１による半導体装置は、配線板３と外部接続端子４とを接続する配線部２１を遮断する遮断機構２０を備え、配線部２１は並列に設置された複数の配線を備え、遮断機構２０は複数の配線の一部を遮断する遮断部を備え、遮断部により複数の配線の一部が遮断されると短絡電流が複数の配線の残りに転流することにより複数の配線の残りが遮断されることにより短絡電流が遮断されるので、外形が大きくならずに短絡電流を遮断する半導体装置を提供することができる。
また、複数の配線の残りがゲル６中に埋め込まれ、電圧がかかった状態で切断された配線間に発生するアーク電流がゲル６の分解により発生したガスにより冷却され、且つ吹き消されるの、確実にアーク電流を消弧できる。
また、消弧剤としてゲル６を使用しているので、アーク電流により冷却能力の優れた水素や一酸化炭素が発生し易い。また、アルキル基を含有するナイロン樹脂またはポリイミド樹脂などを消弧剤として使用しても、アーク電流により冷却能力の優れた水素や一酸化炭素が発生し易い。
また、消弧剤としてゲル６を使用しているので、アーク電流により冷却能力の優れた水素や一酸化炭素が発生し易い。また、アルキル基を含有するナイロン樹脂またはポリイミド樹脂などを消弧剤として使用しても、アーク電流により冷却能力の優れた水素や一酸化炭素が発生し易い。
また、ワイヤをボンディング接合により配線板３と外部接続端子４とに接合するので、半導体装置製造工程で一般的な方法であり、接合のフレキシビリティーを有する。
図６は、この発明の実施の形態１による半導体装置を備えるインバータシステムの回路図である。
次に、実施の形態１による半導体装置を備えたインバータシステムについて説明する。
このインバータシステムは、直流電力をＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相交流電力に変換し、また、３相交流電力を直流電力に変換する。そして、相毎の各アームはＩＧＢＴチップ８０ａ〜８０ｆとＩＧＢＴチップ８０ａ〜８０ｆに並列接続されたダイオード８１ａ〜８１ｆとから構成されている。また、上下のアームが直列に接続されている部分をレグと称す。
直流電力はレグの両端から入出力され、交流電力は各レグのアーム間から入出力される。そして、各レグのアーム間にモータジェネレータ８５の巻線が接続されている。
また、モータジェネレータ８５のＵ相とＶ相との巻線と対応するレグのアーム間との間に遮断機構２０ａ、２０ｂが介設されている。
次に、実施の形態１による半導体装置を備えたインバータシステムについて説明する。
このインバータシステムは、直流電力をＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相交流電力に変換し、また、３相交流電力を直流電力に変換する。そして、相毎の各アームはＩＧＢＴチップ８０ａ〜８０ｆとＩＧＢＴチップ８０ａ〜８０ｆに並列接続されたダイオード８１ａ〜８１ｆとから構成されている。また、上下のアームが直列に接続されている部分をレグと称す。
直流電力はレグの両端から入出力され、交流電力は各レグのアーム間から入出力される。そして、各レグのアーム間にモータジェネレータ８５の巻線が接続されている。
また、モータジェネレータ８５のＵ相とＶ相との巻線と対応するレグのアーム間との間に遮断機構２０ａ、２０ｂが介設されている。
このような遮断機構２０ａ、２０ｂは、例えばハイブリッド自動車において使用されているインバータシステムで故障モードが発生したとき有効となる。図６においてインバータシステムはモータジェネレータ８５が発電した回生電流を制御する。
例えば、インバータシステムのＩＧＢＴチップ８０ｂに過電流が流れて短絡した場合、図６に示すように、短絡したＩＧＢＴチップ８０ｂ、ダイオード８１ｄ、８１ｆ、モータジェネレータ８５の巻線を経由する電流路が形成され、故障していないＩＧＢＴチップ８０ｄ、８０ｆのスイッチがオフの場合でも電流が流れる。ハイブリッド自動車が走行中の場合や牽引車に牽引されて走行状態に入ると、モータジェネレータ８５に起電力が生じ、電流路に回生電流が望まないのに流れ、不具合を生ずる。ここで図６に示すように遮断機構２０ａ、２０ｂを設置するとこのような回生電流が流れることはなく、モータジェネレータ８５を電気的に遮断することができる。
例えば、インバータシステムのＩＧＢＴチップ８０ｂに過電流が流れて短絡した場合、図６に示すように、短絡したＩＧＢＴチップ８０ｂ、ダイオード８１ｄ、８１ｆ、モータジェネレータ８５の巻線を経由する電流路が形成され、故障していないＩＧＢＴチップ８０ｄ、８０ｆのスイッチがオフの場合でも電流が流れる。ハイブリッド自動車が走行中の場合や牽引車に牽引されて走行状態に入ると、モータジェネレータ８５に起電力が生じ、電流路に回生電流が望まないのに流れ、不具合を生ずる。ここで図６に示すように遮断機構２０ａ、２０ｂを設置するとこのような回生電流が流れることはなく、モータジェネレータ８５を電気的に遮断することができる。
なお、上述のインバータシステムではＵ相とＶ相の２相に遮断機構２０ａ、２０ｂを設けたが、３相すべてに遮断機構２０を設けるとより確実に回生電流を遮断できる。
また、一つの相にのみ遮断機構２０を設けると低コストに回生電流を遮断できる。
また、一つの相にのみ遮断機構２０を設けると低コストに回生電流を遮断できる。
実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２による半導体装置の配線板側から樹脂モールド前に見た平面図である。
この発明の実施の形態２による半導体装置は、実施の形態１による半導体装置と配線部３１とヒータ３２が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
実施の形態２による配線部３１は、配線板３の一端に複数の櫛歯３３が形成されている。そして、櫛歯３３の端部が外部接続端子４にスポット溶接により接続されている。
図７は、この発明の実施の形態２による半導体装置の配線板側から樹脂モールド前に見た平面図である。
この発明の実施の形態２による半導体装置は、実施の形態１による半導体装置と配線部３１とヒータ３２が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
実施の形態２による配線部３１は、配線板３の一端に複数の櫛歯３３が形成されている。そして、櫛歯３３の端部が外部接続端子４にスポット溶接により接続されている。
配線部３１では、（α１＋α２）本の配線としての櫛歯３３が配線板３と外部接続端子４の間で並列に配置されている。この櫛歯３３は、α１本の櫛歯３３からなる第１櫛歯群３３ａとα２本の櫛歯３３からなる第２櫛歯群３３ｂとに分けられる。
第１櫛歯群３３ａの櫛歯３３の途中に巻き付けられたヒータ３２が設置されている。このヒータ３２にはヒータ電源１５が接続され、ヒータ電源１５から供給される電力によりヒータ３２が加熱される。
第２櫛歯群３３ｂの櫛歯３３は、ゲル６中に埋め込まれている。
ヒータ３２は、マンガニン線、ニクロム線など巻線型ヒータである。なお、カーボンペースト等のペースト状のヒータを塗布したものであっても良い。
この実施の形態２による半導体装置で短絡電流を遮断する動作は実施の形態１による半導体装置での動作と同様である。
第２櫛歯群３３ｂの櫛歯３３は、ゲル６中に埋め込まれている。
ヒータ３２は、マンガニン線、ニクロム線など巻線型ヒータである。なお、カーボンペースト等のペースト状のヒータを塗布したものであっても良い。
この実施の形態２による半導体装置で短絡電流を遮断する動作は実施の形態１による半導体装置での動作と同様である。
この実施の形態２による半導体装置は、櫛歯３３が配線板３の一部を加工したものなので、櫛歯３３の製造が容易となり、より簡便で低コストの半導体装置が得られる。
実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３による半導体装置の配線板側から樹脂モールド前に見た平面図である。
この発明の実施の形態３による半導体装置は、実施の形態１による半導体装置と配線部４１が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
実施の形態３による配線部４１は、実施の形態１による配線部２１と第２ワイヤ群４２が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。第２ワイヤ群４２は、第１中間接続端子４３と第２中間接続端子４４とにα２本のアルミニウムワイヤ５が並列にボンディング接合されている。また、第１中間接続端子４３と配線板３、第２中間接続端子４４と外部接続端子４とがα２本のアルミニウムワイヤ５の総通電面積より通電面積の大きなワイヤ４５により接続されている。
図８は、この発明の実施の形態３による半導体装置の配線板側から樹脂モールド前に見た平面図である。
この発明の実施の形態３による半導体装置は、実施の形態１による半導体装置と配線部４１が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
実施の形態３による配線部４１は、実施の形態１による配線部２１と第２ワイヤ群４２が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。第２ワイヤ群４２は、第１中間接続端子４３と第２中間接続端子４４とにα２本のアルミニウムワイヤ５が並列にボンディング接合されている。また、第１中間接続端子４３と配線板３、第２中間接続端子４４と外部接続端子４とがα２本のアルミニウムワイヤ５の総通電面積より通電面積の大きなワイヤ４５により接続されている。
この実施の形態３による半導体装置は、ワイヤ４５の長さを適宜設定することにより第２ワイヤ群４２を別置きにすることができるので、スペースに余裕のあるところに設置できる。
また、アーク電流は主に第２ワイヤ群４２の遮断時に発生するので、第２ワイヤ群４２を離すことにより半導体装置の残りの部分がアークの損傷を受けなくすることができる。
また、アーク電流は主に第２ワイヤ群４２の遮断時に発生するので、第２ワイヤ群４２を離すことにより半導体装置の残りの部分がアークの損傷を受けなくすることができる。
実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４による半導体装置の配線板側から樹脂モールド前に見た平面図である。
この発明の実施の形態４による半導体装置は、実施の形態１による半導体装置と配線部５１が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
実施の形態４による配線部５１は、実施の形態１による配線部２１と第１ワイヤ群５２が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。第１ワイヤ群５２の各アルミニウムワイヤ５は、２本のアルミニウムワイヤ５が直列に半田１６により接続されているものである。そして、ヒータ７は、半田１６に当接または近接するように配置されている。
図９は、この発明の実施の形態４による半導体装置の配線板側から樹脂モールド前に見た平面図である。
この発明の実施の形態４による半導体装置は、実施の形態１による半導体装置と配線部５１が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
実施の形態４による配線部５１は、実施の形態１による配線部２１と第１ワイヤ群５２が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。第１ワイヤ群５２の各アルミニウムワイヤ５は、２本のアルミニウムワイヤ５が直列に半田１６により接続されているものである。そして、ヒータ７は、半田１６に当接または近接するように配置されている。
半導体チップ１の短絡が検出されたとき、ヒータ７が加熱されるが、２本のアルミニウムワイヤ５が半田１６で接続されているので、半田１６の融点で２本のアルミニウムワイヤ５が遮断される。半田１６の融点は２００℃位と低いので、より低い温度で転流を開始できる。
実施の形態５．
図１０は、この発明の実施の形態５による半導体装置の配線板側から樹脂モールド前に見た平面図である。
この発明の実施の形態５による半導体装置は、実施の形態１による半導体装置と配線部６１が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
実施の形態５による配線部６１は、実施の形態１による配線部２１と第２ワイヤ群６２が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。第２ワイヤ群６２は、アルミニウムワイヤ５よりも断面積の小さいアルミニウムワイヤ６３をα２本並列に配置されている。
図１０は、この発明の実施の形態５による半導体装置の配線板側から樹脂モールド前に見た平面図である。
この発明の実施の形態５による半導体装置は、実施の形態１による半導体装置と配線部６１が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
実施の形態５による配線部６１は、実施の形態１による配線部２１と第２ワイヤ群６２が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。第２ワイヤ群６２は、アルミニウムワイヤ５よりも断面積の小さいアルミニウムワイヤ６３をα２本並列に配置されている。
この実施の形態５による半導体装置は、第２ワイヤ群６２のアルミニウムワイヤ６３の断面積が第１ワイヤ群５ａのアルミニウムワイヤ５より小さく、第２ワイヤ群６２の総断面積が小さくなるので、アーク径は通電面積が小さい方が小さくなるため、消弧しやすくなり、遮断が容易になる。また、金属量が減ることで、再び点弧しにくくなる。
また、第２ワイヤ群６２の総断面積を小さくしたことで、ゲル６の量が低減でき、さらに小形化が可能となる。
また、第２ワイヤ群６２の総断面積を小さくしたことで、ゲル６の量が低減でき、さらに小形化が可能となる。
実施の形態６．
この発明の実施の形態６による半導体装置は、実施の形態１による半導体装置に冷却ファンを追加したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
冷却ファンは遮断部２２の近傍に設置されている。遮断部２２の近傍のアルミニウムワイヤ５に風が当たると、切断されたアルミニウムワイヤ５間に発生するアーク電流のアークが引き伸ばされたり、冷却されたりする。
この発明の実施の形態６による半導体装置は、実施の形態１による半導体装置に冷却ファンを追加したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
冷却ファンは遮断部２２の近傍に設置されている。遮断部２２の近傍のアルミニウムワイヤ５に風が当たると、切断されたアルミニウムワイヤ５間に発生するアーク電流のアークが引き伸ばされたり、冷却されたりする。
このように遮断部２２の近傍に冷却ファンを設置することにより、アーク電流の消弧が促進される。
なお、ゲル６中にアルミニウムワイヤ５が収納されている場合でも、冷却ファンでゲル６の冷却を介してアークが冷却されるので同様の効果を奏することができる。
なお、ゲル６中にアルミニウムワイヤ５が収納されている場合でも、冷却ファンでゲル６の冷却を介してアークが冷却されるので同様の効果を奏することができる。
１ 半導体チップ、２ メタル層、３ 配線板、４、１３ 外部接続端子、５、６３ アルミニウムワイヤ、５ａ、５ｂ、４２、５２、６２ ワイヤ群、６ ゲル、７、３２ ヒータ、８、１６ 半田、９ セラミック基板、１０ ベース板、１１ 樹脂、１２ 制御信号配線、１５ ヒータ電源、２０、２０ａ、２０ｂ 遮断機構、２１、３１、４１、５１、６１ 配線部、２２ 遮断部、２３ 検出装置、３３ 櫛歯３３ａ、３３ｂ 櫛歯群、４３、４４ 中間接続端子、４５ ワイヤ、８０ａ〜８０ｆ ＩＧＢＴチップ、８１ａ〜８１ｆ ダイオード、８５ モータジェネレータ。
Claims (11)
- 半導体チップに電気的に接合された電極と外部接続端子との間を電気的に接続する配線部を遮断する遮断機構を備える半導体装置であって、
上記配線部は、並列に接続された複数の配線を備え、
上記遮断機構は、上記複数の配線の一部を遮断する遮断部と、上記半導体チップの短絡モードを検出する検出装置とを備え、
上記遮断部により上記複数の配線の一部を遮断して上記半導体チップに流れる電流を上記複数の配線の残りに転流して上記複数の配線の残りを遮断することを特徴とする半導体装置。 - 上記複数の配線の残りは、消弧剤中に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 上記遮断部は、加熱することにより上記複数の配線の一部を溶断し、電流を遮断するヒータであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
- 上記消弧剤は、熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 上記熱可塑性樹脂は、アルキル基含有樹脂であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
- 上記消弧剤は、ゲルであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 上記配線は、ボンディングワイヤであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 上記ボンディングワイヤは、山なりに配置されたことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
- 上記複数の配線の残りの総断面積は、上記複数の配線の一部の総断面積に比べて小さいことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 上記遮断部の近傍に設置した冷却ファンを備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の半導体装置をＵ相、Ｖ相またはＷ相の少なくともいずれか１相に備えたことを特徴とするインバータシステム。
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