JP5179631B2

JP5179631B2 - 電力用半導体装置

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Publication number: JP5179631B2
Application number: JP2011171980A
Authority: JP
Inventors: 重人藤田; ハッサンフッセインハリッド
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2028-04-09
Also published as: JP2011243584A

Description

本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、電力用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１０−２６１３５３号公報（特許文献１）によれば、保護素子は、絶縁基板上に低融点可溶合金片と抵抗とが設けられた構成を有している。この抵抗が通電されることにより生じる熱で低融点可溶合金片（低融点金属部）が溶断される。これにより被保護機器が電源から遮断される。

特開平１０−２６１３５３号公報

しかしながら上記公報の技術においては、低融点金属部が溶断される際にアークが発生して電流が遮断されなくなる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、低融点金属部が溶断される際のアークの発生を防止することにより、電力用半導体素子の故障時に電流がより確実に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、低融点金属部と、ヒータと、少なくとも１つの高抵抗部とを備えている。第１電気配線は、電力用半導体素子に電気的に接続された第１端部を有し、第１金属からなる。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、第１金属と同一の金属および第１金属と異なる金属のいずれかである第２金属からなる。低融点金属部は、第１金属および第２金属の各々の融点よりも低い融点を有する金属からなり、第１端部および第２端部を互いに電気的に接続している。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。少なくとも１つの高抵抗部は、第１端部と第２端部との間に設けられ、第１金属および第２金属の各々の抵抗率よりも高い抵抗率を有する材料からなる。少なくとも１つの高抵抗部は、第１端部および第２端部が対向する方向に沿って第１端部および第２端部を繋いでいる。少なくとも１つの高抵抗部は、絶縁体からなる。少なくとも１つの高抵抗部は、第１端部および前記第２端部が対向する方向に対して傾斜した面を有する。

本発明の電力用半導体装置によれば、第１端部と第２端部との間に高い抵抗率を有する高抵抗部が設けられているので、第１端部と第２端部との間におけるアークの発生が抑制されることにより、電流がより確実に遮断される。

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４および図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製造方法における高抵抗部の取り付け工程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２における電力用半導体装置の製造方法における高抵抗部の取り付け方法の第１工程を示す概略正面図である。本発明の実施の形態２における電力用半導体装置の製造方法における高抵抗部の取り付け方法の第２工程を示す概略正面図である。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高抵抗部、電線、および被覆の構成を概略的に示す正面図である。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高抵抗部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１５および図１６の各々の線ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ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平面図である。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底面図である。図２１の線ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩに沿う概略断面図である。本発明の実施の形態７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７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７における電力用半導体装置が有する高抵抗部に第１および第２ブスバーの各々が取り付けられている様子を概略的に示す斜視図である。本発明の実施の形態７における電力用半導体装置が有する高抵抗部の構成を概略的に示す正面図である。本発明の実施の形態７における電力用半導体装置が有する高抵抗部の形成方法の一工程を概略的に示す斜視図である。本発明の実施の形態８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８における電力用半導体装置が有する高抵抗部、電線、および被覆の構成を概略的に示す正面図である。図２９の分解図である。本発明の実施の形態９における電力用半導体装置が有する高抵抗部、電線、および被覆の構成を概略的に示す正面図である。本発明の実施の形態１０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１０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１０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１０における電力用半導体装置の製造方法における高抵抗部の取り付け工程を概略的に示す斜視図である。本発明の実施の形態１０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、断面形状とともに説明する説明図である。本発明の実施の形態１１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１１における電力用半導体装置が有する高抵抗部、電線、および被覆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１１の変形例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１１の変形例における電力用半導体装置が有する導体部、高抵抗部、電線、および被覆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１２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１２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断面形状とともに説明する説明図である。

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４および図５の各々の線ＶＩ−ＶＩに沿う概略断面図である。

図１および図２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。

主に図３〜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、第１高抵抗部Ｒｂ１と、第２高抵抗部Ｒｂ２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、第１ブスバーＷｂ１（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は導電性の高い金属（第１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。また第２ブスバーＷｂ２は、上記の第１金属と同一または相違する導電性の高い金属（第２金属）からなる。

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、第１金属および第２金属の各々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高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２のそれぞれは、第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２の先端を覆っている。すなわち第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２の各々は、第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２との間に設けられている。また第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２の各々は絶縁体からなる。よって第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２の各々は、第１金属および第２金属の各々の抵抗率よりも高い抵抗率を有する材料からなる。

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、第１高抵抗部Ｒｂ１、第２高抵抗部Ｒｂ２、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。

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製造方法における高抵抗部の取り付け工程を概略的に示す斜視図である。図７を参照して、側面に凹部が形成された第２高抵抗部Ｒｂ２が準備される。第２高抵抗部Ｒｂ２は、たとえば絶縁体の溶解物が金型に流し込まれ、次にこの溶解物が硬化されることにより形成される。次に、この凹部に第２端部Ｅｂ２の先端が差し込まれ、エポキシ系接着剤などにより固定される。なお第１端部Ｅｂ１（図７において図示せず）の先端に第１高抵抗部Ｒｂ１が取り付けられる工程も同様である。

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からのパルス電流の供給が行われる。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。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Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２の周りの低融点金属部ＬＭが溶け落ちる。これにより第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２とが電気的に分離される。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作用効果について説明する。図８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８の断面位置は図３の断面位置と同じである。

図３および図８を参照して、低融点金属部ＬＭ（図３）が溶け落ちることで図８に示すように第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２とが電気的に分離される。この時に第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２との間にアークが発生するためには、図中破線矢印で示すように、アークは絶縁体からなる第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２を迂回するように延びる必要がある。すなわちアーク長の長いアークが発生する必要がある。しかしながらアーク長が長くなると、アーク長に沿った電界強度が小さくなる。この結果、アークが発生しにくくなる。よって本実施の形態においては、遮断動作時のアークの発生が抑制されるので、電流の遮断がより確実に行なわれる。

次に本実施の形態の比較例について説明する。図９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９を参照して、本比較例においては、第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２（図８）が設けられていない。よって低融点金属部ＬＭが溶け落ちた時に、第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２とが対向距離Ｌｂで対向する領域において、アークの発生を妨げるものがない。このためアーク長Ｌｂを有するアークＡｂが発生しやすい。アークＡｂが発生すると第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２とがアークにより電気的に接続される。よって第２ブスバーＷｂ２から電流が出力され続けるので、電流の供給を受ける装置（図示せず）を保護することができない。

なお、本実施の形態においては、第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２のそれぞれの先端上に第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２が設けられたが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２のいずれか一方が設けられた構成によっても、上記の効果を、ある程度得ることができる。

（実施の形態２）
図１０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素子の構成を概略的に示す断面図である。図１０を参照して、本実施の形態の接続素子は、実施の形態１における第１ブスバーＷｂ１、第２ブスバーＷｂ２、第１高抵抗部Ｒｂ１、および第２高抵抗部Ｒｂ２のそれぞれの代わりに、第１電線Ｗｃ１、第２電線Ｗｃ２、第１高抵抗部Ｒｃ１、および第２高抵抗部Ｒｃ２を有している。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は導電性の高い金属（第１金属）からなる。第２電線Ｗｃ２は、第１電線Ｗｃ１の端部と間隔を空けて対向する端部を有している。また第２電線Ｗｃ２は、上記の第１金属と同一または相違する導電性の高い金属（第２金属）からなる。低融点金属部ＬＭは、第１金属および第２金属の各々の融点よりも低い融点を有する金属からなり、上記の２つの端部間を互いに電気的に接続している。

第１高抵抗部Ｒｃ１および第２高抵抗部Ｒｃ２のそれぞれは、第１電線Ｗｃ１および第２電線Ｗｃ２の端部の先端を覆っている。よって第１高抵抗部Ｒｃ１および第２高抵抗部Ｒｃ２の各々は、上記２つの端部間に設けられている。また第１高抵抗部Ｒｃ１および第２高抵抗部Ｒｃ２の各々は絶縁体からなる。よって第１高抵抗部Ｒｃ１および第２高抵抗部Ｒｃ２の各々は、第１金属および第２金属の各々の抵抗率よりも高い抵抗率を有する材料からなる。

図１１および図１２は、本発明の実施の形態２における電力用半導体装置の製造方法における高抵抗部の取り付け方法を工程順に示す概略正面図である。

図１１を参照して、メネジＦＳ形状の凹部が形成された第２高抵抗部Ｒｃ２と、オネジＭＳ形状の外面が形成された端部Ｅｃ２を有する第２電線Ｗｃ２とが準備される。次に、図中矢印で示すように、メネジＦＳとオネジＭＳとが組み合わされる。

図１２を参照して、第２電線Ｗｃ２の端部Ｅｃ２の先端上に、端部Ｅｃ２の一部を覆う第２高抵抗部Ｒｃ２が取り付けられる。なお、同様の工程により第１電線Ｗｃ１の端部の先端上に、この端部の一部を覆う第１高抵抗部Ｒｃ１が形成される。

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、バスバーの代わりに電線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。なお、本実施の形態においては、第１電線Ｗｃ１および第２電線Ｗｃ２のそれぞれの先端上に第１高抵抗部Ｒｃ１および第２高抵抗部Ｒｃ２が設けられたが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１高抵抗部Ｒｃ１および第２高抵抗部Ｒｃ２のいずれか一方が設けられた構成によっても、上記の効果を、ある程度得ることができる。

（実施の形態３）
図１３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高抵抗部、電線、および被覆の構成を概略的に示す正面図である。図１４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高抵抗部の構成を概略的に示す斜視図である。

主に図１３および図１４を参照して、本実施の形態においては、実施の形態２における第２高抵抗部Ｒｃ２の代わりに第２高抵抗部Ｒｃ２ｔが設けられている。第２高抵抗部Ｒｃ２ｔは、円錐台の底面にメネジが設けられたような形状を有している。また図示しないが、第２高抵抗部Ｒｃ２ｔと同様の形状を有する第１高抵抗部（図示せず）が、実施の形態２における第１高抵抗部Ｒｃ１の代わりに設けられている。

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。

本実施の形態の第１高抵抗部（図示せず）および第２高抵抗部Ｒｃ２ｔのそれぞれの側面は、実施の形態２における第１高抵抗部Ｒｃ１および第２高抵抗部Ｒｃ２の側面（図１２）と異なり、第１電線Ｗｃ１および第２電線Ｗｃ２の各々の端部が対向する方向に対して傾斜した面ＳＬを有している。よって第１高抵抗部および第２高抵抗部Ｒｃ２ｔの各々の側面に沿って形成されるアーク長の長さが長くなるため、実施の形態２に比して、より効果的にアークの発生を抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、第１高抵抗部（図示せず）および第２高抵抗部Ｒｃ２ｔの各々が円錐台の形状を有していたが、本発明はこれに限定されるものではない。第１高抵抗部および第２高抵抗部Ｒｃ２ｔの少なくともいずれかの側面が、第１電線Ｗｃ１および第２電線Ｗｃ２の各々の端部が対向する方向に対して傾斜する面を有すれば、上記の効果を得ることができる。

（実施の形態４）
図１５および図１６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１７は、図１５および図１６の各々の線ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩに沿う概略断面図である。

主に図１５〜図１７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、第１高抵抗部Ｒｐ１と、第２高抵抗部Ｒｐ２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。また第１配線パターンＷｐ１は導電性の高い金属（第１金属）からなる。第２配線パターンＷｐ２は、第１端部Ｅｐ１と間隔を空けて対向する第２端部Ｅｐ２を有している。また第２配線パターンＷｐ２は、上記の第１金属と同一または相違する導電性の高い金属（第２金属）からなる。低融点金属部ＬＭは、第１金属および第２金属の各々の融点よりも低い融点を有する金属からなり、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。

第１高抵抗部Ｒｐ１および第２高抵抗部Ｒｐ２のそれぞれは、第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２の先端を覆っている。よって第１高抵抗部Ｒｐ１および第２高抵抗部Ｒｐ２の各々は、第１端部Ｅｐ１と第２端部Ｅｐ２との間に設けられている。また第１高抵抗部Ｒｐ１および第２高抵抗部Ｒｐ２の各々は絶縁体からなる。よって第１高抵抗部Ｒｐ１および第２高抵抗部Ｒｐ２の各々は、第１金属および第２金属の各々の抵抗率よりも高い抵抗率を有する材料からなる。

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説明する。
図１７を参照して、実施の形態１と同様に、電力用半導体素子ＳＥ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。これにより第１配線パターンＷｐ１と第２配線パターンＷｐ２とが電気的に分離される。その結果、電流の供給を受ける装置（図示せず）が異常電流から保護される。

次に本実施の形態の作用効果について説明する。図１８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解した際の様子を示す断面図である。なお図１８の断面位置は図１７の断面位置と同じである。

図１７および図１８を参照して、低融点金属部ＬＭ（図１７）が穴部ＨＬを通って溶け落ちることで、図１８に示すように第１配線パターンＷｐ１と第２配線パターンＷｐ２とが電気的に分離される。この時に第１配線パターンＷｐ１と第２配線パターンＷｐ２との間にアークが発生するためには、図中破線矢印で示すように、アークは絶縁体からなる第１高抵抗部Ｒｐ１および第２高抵抗部Ｒｐ２を迂回するように延びる必要がある。すなわちアーク長の長いアークが発生する必要がある。しかしながらアーク長が長くなると、アーク長に沿った電界強度が小さくなる。この結果、アークが発生しにくくなる。よって本実施の形態においては遮断動作時のアークの発生が抑制されるので、電流の遮断がより確実に行なわれる。

次に本実施の形態の比較例について説明する。図１９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断面図である。

主に図１９を参照して、本比較例においては第１高抵抗部Ｒｐ１および第２高抵抗部Ｒｐ２（図１８）が設けられていない。よって低融点金属部ＬＭ（図１９において図示せず）が溶け落ちた時に、第１配線パターンＷｐ１と第２配線パターンＷｐ２とが対向する領域において、アークの発生を妨げるものがない。この結果、図中実線矢印で示すようにアークが発生しやすい。このアークにより第１配線パターンＷｐ１と第２配線パターンＷｐ２とが電気的に接続されると、第２配線パターンＷｐ２から電流が出力され続けるので、第２配線パターンＷｐ２から電流の供給を受ける装置（図示せず）に異常電流が供給され続ける。すなわち電流の供給を受ける装置を保護することができない。

なお、本実施の形態においては、第１配線パターンＷｐ１および第２配線パターンＷｐ２のそれぞれの端部の先端上に第１高抵抗部Ｒｐ１および第２高抵抗部Ｒｐ２が設けられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１配線パターンＷｐ１および第２配線パターンＷｐ２のそれぞれの先端と、第１高抵抗部Ｒｐ１および第２高抵抗部Ｒｐ２との間に隙間があってもよい。

また、第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２のそれぞれの先端上に第１高抵抗部Ｒｐ１および第２高抵抗部Ｒｐ２が設けられたが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１高抵抗部Ｒｐ１および第２高抵抗部Ｒｐ２のいずれか一方が設けられた構成によっても、上記の効果を、ある程度得ることができる。

（実施の形態５）
図２０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平面図である。図２０を参照して、本実施の形態においては、実施の形態４における第１高抵抗部Ｒｐ１および第２高抵抗部Ｒｐ２のそれぞれの代わりに、第１高抵抗部Ｒｐ１ｔおよび第２高抵抗部Ｒｐ２ｔが設けられている。第１高抵抗部Ｒｐ１ｔおよび第２高抵抗部Ｒｐ２ｔの各々は、台形形状のパターンを有している。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態４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。

本実施の形態の第１高抵抗部Ｒｐ１ｔおよび第２高抵抗部Ｒｐ２ｔのそれぞれは、実施の形態４における第１高抵抗部Ｒｐ１および第２高抵抗部Ｒｐ２（図１５）と異なり、第１端部Ｅｐ１および第２端部Ｅｐ２が対向する方向に対して傾斜した側面を有している。よって第１高抵抗部Ｒｐ１ｔおよび第２高抵抗部Ｒｐ２ｔの各々の側面に沿って形成されるアーク長の長さが長くなるため、実施の形態４に比して、より効果的にアークの発生を抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、第１高抵抗部Ｒｐ１ｔおよび第２高抵抗部Ｒｐ２ｔの各々が台形形状のパターンを有していたが、本発明はこれに限定されるものではない。第１高抵抗部Ｒｐ１ｔおよび第２高抵抗部Ｒｐ２ｔの少なくともいずれかの側面が、第１配線パターンＷｐ１および第２配線パターンＷｐ２の各々の端部が対向する方向に対して傾斜する面を有すれば、上記の効果を得ることができる。

（実施の形態６）
図２１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底面図である。図２２は、図２１の線ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩに沿う概略断面図である。

主に図２１および図２２を参照して、本実施の形態の接続素子は、ほぼ実施の形態４の接続素子が上下逆に設けられた構成を有している。よって絶縁基板ＳＢは低融点金属部ＬＭの上方に位置している。ただし実施の形態４と異なり本実施の形態においては、絶縁基板ＳＢは穴部ＨＬ（図１５〜図１７）を有していない。

本実施の形態によれば、図２２に示すように絶縁基板ＳＢが低融点金属部ＬＭの上方に位置しているので、絶縁基板ＳＢに穴部ＨＬ（図１７）が設けられていなくても、絶縁基板ＳＢが低融点金属部ＬＭの落下を妨げることがない。よって絶縁基板ＳＢに穴部ＨＬを形成することなく、実施の形態４と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態７）
図２３および図２４の各々は、本発明の実施の形態７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２３および図２４のそれぞれの断面位置は、図３および図４の断面位置に対応している。

主に図２３および図２４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における第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２（図３および図４）の代わりに、高抵抗部Ｒｂを有している。高抵抗部Ｒｂは、絶縁体からなり、第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２との間に設けられ、第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２が対向する方向に沿って第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２を繋いでいる。

次に高抵抗部Ｒｂ近傍の構成についてさらに説明する。図２５は、本発明の実施の形態７における電力用半導体装置が有する高抵抗部に第１および第２ブスバーの各々が取り付けられている様子を概略的に示す斜視図である。図２６は、本発明の実施の形態７における電力用半導体装置が有する高抵抗部の構成を概略的に示す正面図である。

図２５および図２６を参照して、高抵抗部Ｒｂは互いに対向する一対の凹部Ｈｂを有している。この一対の凹部Ｈｂのそれぞれに第１ブスバーＷｂ１の先端および第２ブスバーＷｂ２の先端が差し込まれている。

次に高抵抗部Ｒｂの形成方法について説明する。図２７は、本発明の実施の形態７における電力用半導体装置が有する高抵抗部の形成方法の一工程を概略的に示す斜視図である。

図２７を参照して、絶縁体の溶解物が金型に流し込まれ、次にこの溶解物が硬化されることにより、部品Ｒｂｈが形成される。部品Ｒｂｈは一の主面（図２７における上面）を有している。この一の主面の縁部に一対の凹部Ｄｂが形成されている。凹部Ｄｂの深さは、第１ブスバーＷｂ１および第２ブスバーＷｂ２の各々の厚みの約半分であり、凹部Ｈｂの深さよりも浅い。

図２６および図２７を参照して、部品Ｒｂｈが一対準備され、その各々の凹部Ｄｂが一体となって凹部Ｈｂが形成されるように、一対の部品Ｒｂｈの各々の主面同士が図２６の二点鎖線の位置で組み合わされる。これにより高抵抗部Ｒｂが形成される。

本実施の形態によれば、第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２とが対向する領域において、第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２とを結ぶ経路の全体が絶縁体により充填されている。よって実施の形態１に比して、この経路を通ってアークが生じることが、より確実に抑制される。

また高抵抗部Ｒｂは一対の部品Ｒｂｈ（図２７）が組み合わされることで形成される。部品Ｒｂｈの凹部は、部品Ｒｂｈの主面上に位置している浅い凹部であるので、金型を用いた部品Ｒｂｈの形成が容易に行なえる。すなわち、割型またはスライド金型を用いたり、あるいは金型成形後に凹部を加工形成したりする必要がない。

（実施の形態８）
図２８は、本発明の実施の形態８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。図２９は、本発明の実施の形態８における電力用半導体装置が有する高抵抗部、電線、および被覆の構成を概略的に示す正面図である。図３０は、図２９の分解図である。なお図２８の断面位置は、図１０の断面位置に対応している。

主に図２８〜図３０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２における第１高抵抗部Ｒｃ１および第２高抵抗部Ｒｃ２（図１０）の代わりに、高抵抗部Ｒｃを有している。高抵抗部Ｒｃは、絶縁体からなり、第１端部Ｅｃ１と第２端部Ｅｃ２との間に設けられ、第１端部Ｅｃ１および第２端部Ｅｃ２が対向する方向に沿って第１端部Ｅｃ１および第２端部Ｅｃ２を繋いでいる。

本実施の形態によれば、第１端部Ｅｃ１と第２端部Ｅｃ２とが対向する領域において第１端部Ｅｃ１と第２端部Ｅｃ２とを結ぶ経路の全体が絶縁体により充填されている。よって実施の形態２に比して、この経路を通ってアークが生じることが、より確実に抑制される。

（実施の形態９）
図３１は、本発明の実施の形態９における電力用半導体装置が有する高抵抗部、電線、および被覆の構成を概略的に示す正面図である。

主に図３１を参照して、本実施の形態においては、実施の形態８における高抵抗部Ｒｃ（図３０）の代わりに、高抵抗部Ｒｃｗが設けられている。高抵抗部Ｒｃｗは、絶縁体からなり、第１端部Ｅｃ１および第２端部Ｅｃ２（図３０）の間に設けられ、第１端部Ｅｃ１および第２端部Ｅｃ２が対向する方向に沿って第１端部Ｅｃ１および第２端部Ｅｃ２を繋いでいる。また高抵抗部Ｒｃｗは、第１電線Ｗｃ１および第２電線Ｗｃ２の各々の端部が対向する方向に交差する方向に起伏する面を有している。より具体的には、この起伏する面として、波状の凹凸を有する面を有している。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態８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、高抵抗部Ｒｃｗの側面上の起伏により、高抵抗部Ｒｃｗの側面に沿うアークのアーク長が大きくなる。これにより、実施の形態８に比して、より効果的にアークの発生を抑制することができる。

（実施の形態１０）
図３２〜図３４の各々は、本発明の実施の形態１０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３２〜図３４のそれぞれの断面位置は、図３〜図５の断面位置に対応している。

主に図３２〜図３４を参照して、本実施の形態の接続素子は、実施の形態１における第１高抵抗部Ｒｂ１および第２高抵抗部Ｒｂ２のそれぞれの代わりに、第１高抵抗部Ｒｂ１ｒおよび第２高抵抗部Ｒｂ２ｒを有している。

第１高抵抗部Ｒｂ１ｒおよび第２高抵抗部Ｒｂ２ｒのそれぞれは、第１端部Ｅｂ１および第２端部Ｅｂ２の先端を覆っている。よって第１高抵抗部Ｒｂ１ｒおよび第２高抵抗部Ｒｂ２ｒの各々は、第１端部Ｅｂ１と第２端部Ｅｂ２との間に設けられている。

また第１高抵抗部Ｒｂ１ｒおよび第２高抵抗部Ｒｂ２ｒの各々は、導体および半導体のいずれかの材料からなる。この材料は、第１金属（第１ブスバーＷｂ１の材料）および第２金属（第２ブスバーＷｂ２の材料）の各々の抵抗率よりも高い抵抗率を有する。

図３５は、本発明の実施の形態１０における電力用半導体装置の製造方法における高抵抗部の取り付け工程を概略的に示す斜視図である。図３５を参照して、第２高抵抗部Ｒｂ２ｒが第２ブスバーＷｂ２の端部の先端上に、ろう付けにより接合される。第１高抵抗部Ｒｂ１ｒも第１ブスバーＷｂ１の端部の先端上に、同様に接合される。

次に本実施の形態の作用効果について説明する。図３６は、本発明の実施の形態１０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、断面形状とともに説明する説明図である。なお図３６の断面位置は、図３２の断面位置と同じである。

図３２および図３６を参照して、低融点金属部ＬＭ（図３２）が溶け落ちることで、図３６に示すように、第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２とが電気的に分離される。この際に第１ブスバーＷｂ１上の第１高抵抗部Ｒｂ１ｒと、第２ブスバーＷｂ２上の第２高抵抗部Ｒｂ２ｒとの間においてアークが発生することがある。このアークによる短絡電流は、図３６に模式的に示す回路を流れるので、第１高抵抗部Ｒｂ１ｒおよび第２高抵抗部Ｒｂ２ｒの各々はアーク電流に対する抵抗Ｒとして作用する。このため、第１ブスバーＷｂ１と第２ブスバーＷｂ２との間の電圧Ｖの一部が抵抗Ｒにより分圧される。この結果、アーク電圧は電圧Ｖよりも小さい電圧ＶＲとなる。すなわち本実施の形態によれば、図９に示す比較例の場合に比してアーク電圧が抑制される。これによりアークが容易に遮断される。

さらに、短絡電流が交流で、かつ負荷がインダクタンス性あるいはキャパシタンス性の場合、抵抗Ｒが設けられることにより、電流と電圧との位相差が小さくなる。これにより、第１高抵抗部Ｒｂ１ｒと第２高抵抗部Ｒｂ２ｒとの間でアークが再点弧する可能性を小さくすることができる。

（実施の形態１１）
図３７は、本発明の実施の形態１１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。図３８は、本発明の実施の形態１１における電力用半導体装置が有する高抵抗部、電線、および被覆の構成を概略的に示す斜視図である。

図３７および図３８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高抵抗部Ｒｃ１および第２高抵抗部Ｒｃ２のそれぞれの代わりに、第１高抵抗部Ｒｃ１ｒおよび第２高抵抗部Ｒｃ２ｒを有している。

第１高抵抗部Ｒｃ１ｒは、第１電線Ｗｃ１の端部の先端を覆っている。また第２高抵抗部Ｒｃ２ｒは、第２電線Ｗｃ２の端部の先端を覆っている。よって第１高抵抗部Ｒｃ１ｒおよび第２高抵抗部Ｒｃ２ｒの各々は、第１電線Ｗｃ１と第２電線Ｗｃ２との各々の端部の間に設けられている。

また第１高抵抗部Ｒｃ１ｒおよび第２高抵抗部Ｒｃ２ｒの各々は、導体および半導体のいずれかの材料からなる。この材料は、第１金属（第１電線Ｗｃ１の材料）および第２金属（第２電線Ｗｃ２）の各々の抵抗率よりも高い抵抗率を有する。

第２高抵抗部Ｒｃ２ｒを第２電線Ｗｃ２の端部の先端上に取り付ける方法としては、たとえば、ろう付け法を用いることができる。第１高抵抗部Ｒｃ１ｒの第１電線Ｗｃ１への取り付けも同様である。

本実施の形態によれば、バスバーの代わりに電線が用いられた構成において、実施の形態１０と同様の効果が得られる。

次に本実施の形態の変形例について説明する。図３９は、本発明の実施の形態１１の変形例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。図４０は、本発明の実施の形態１１の変形例における電力用半導体装置が有する導体部、高抵抗部、電線、および被覆の構成を概略的に示す斜視図である。図３９および図４０を参照して、本変形例においては、第１高抵抗部Ｒｃ１ｒの先端上および第２高抵抗部Ｒｃ２ｒの先端上のそれぞれに、導体部Ｃ１および導体部Ｃ２が設けられている。本変形例においても、本実施の形態と同様の効果が得られる。

（実施の形態１２）
図４１は、本発明の実施の形態１２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４１の断面位置は、図１０の断面位置に対応している。

図４１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高抵抗部Ｒｃ１（図１０）の代わりに高抵抗部Ｒｃ１ｓを有し、また実施の形態２における第２高抵抗部Ｒｃ２（図１０）を有していない。高抵抗部Ｒｃ１ｓは、第１電線Ｗｃ１の端部の先端を覆っている。よって高抵抗部Ｒｃ１ｓは、第１電線Ｗｃ１および第２電線Ｗｃ２の各々の端部間に設けられている。また高抵抗部Ｒｃ１ｓは、導体および半導体のいずれかの材料からなる。この材料は、第１金属（第１電線Ｗｃ１の材料）および第２金属（第２電線Ｗｃ２の材料）の各々の抵抗率よりも高い抵抗率を有する。

次に本実施の形態の作用効果について説明する。図４２は、本発明の実施の形態１２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断面形状とともに説明する説明図である。なお図４２の断面位置は図４１の断面位置と同じである。

図４１および図４２を参照して、低融点金属部ＬＭ（図４１）が溶け落ちることで図４２に示すように第１電線Ｗｃ１と第２電線Ｗｃ２とが電気的に分離される。この際に第１電線Ｗｃ１上の高抵抗部Ｒｃ１ｓと、第２電線Ｗｃ２との間においてアークが発生することがある。このアークによる短絡電流は、図４２に模式的に示す回路を流れるので、高抵抗部Ｒｃ１ｓはアーク電流に対する抵抗２Ｒとして作用する。このため、第１電線Ｗｃ１と第２電線Ｗｃ２との間の電圧Ｖの一部が抵抗２Ｒにより分圧される。この結果、アーク電圧は電圧Ｖよりも小さい電圧ＶＲとなる。すなわち高抵抗部Ｒｃ１ｓが設けられない場合に比してアーク電圧が抑制される。これにより、実施の形態１０と同様の効果が得られる。

また、第２電線Ｗｃ２上には、高抵抗部Ｒｃ１ｓのような高抵抗部が設けられていない。すなわち本実施の形態の構成は、第２電線Ｗｃ２上にも高抵抗部が設けられた構成に比して構成部品が少ないので、より容易に作製することができる。

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、電力用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。

Ｅｂ１第１端部、Ｅｂ２第２端部、ＨＴヒータ、ＬＭ低融点金属部、ＭＴ故障信号端子、ＰＳ電源、Ｒｂ１第１高抵抗部、Ｒｂ２第２高抵抗部、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）。

Claims

電力用半導体素子と、
前記電力用半導体素子に電気的に接続された第１端部を有し、第１金属からなる第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端部を有し、前記第１金属と同一の金属および前記第１金属と異なる金属のいずれかである第２金属からなる第２電気配線と、
前記第１金属および前記第２金属の各々の融点よりも低い融点を有する金属からなり、前記第１端部および前記第２端部を互いに電気的に接続する低融点金属部と、
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、
前記第１端部と前記第２端部との間に設けられ、前記第１金属および前記第２金属の各々の抵抗率よりも高い抵抗率を有する材料からなる少なくとも１つの高抵抗部とを備え、
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端部が対向する方向に沿って前記第１端部および前記第２端部を繋いでおり、
前記少なくとも１つの高抵抗部は、絶縁体からなり、
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端部が対向する方向に対して傾斜した面を有する、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端部が対向する方向に交差する方向に起伏する面を有する、請求項１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端部の各々を固定し、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基板をさらに備えた、請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
前記低融点金属部の上方に位置し、前記第１端部および前記第２端部の各々を固定する基板をさらに備えた、請求項１または２に記載の電力用半導体装置。