JP5909396B2 - 回路装置 - Google Patents

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Description

本発明は回路装置に関し、特に、大電流のスイッチングを行うパワー系の半導体素子が内蔵された回路装置に関する。
図５を参照して、従来の混成集積回路装置１００の構成を説明する（下記特許文献１を参照）。矩形の基板１０１の表面には、絶縁層１０２を介して導電パターン１０３が形成され、この導電パターン１０３に回路素子が固着されて、所定の電気回路が形成される。ここでは、回路素子として半導体素子１０５Ａおよびチップ素子１０５Ｂが、導電パターン１０３に接続されている。リード１０９は、基板１０１の周辺部に形成された導電パターン１０３から成るパッドに接続され、外部端子として機能している。封止樹脂１０８は、基板１０１の表面に形成された電気回路を封止する機能を有する。
半導体素子１０５Ａは、例えば数アンペア〜数百アンペア程度の大電流が通過するパワー系の素子であり、発熱量が非常に大きい。このことから、半導体素子１０５Ａは、導電パターン１０３に載置されたヒートシンク１１１の上部に載置されていた。
また、温度を検知するためのサーミスタ１１０も基板１０１の上面に配置されている。半導体素子１０５Ａが動作時に発熱し、サーミスタ１１０により検出される温度が一定以上になると、それ以上の加熱を防止するために半導体素子１０５Ａがオフとなるように設定することができる。
特開平５−１０２６４５号公報
しかしながら、上記した混成集積回路装置１００の構成であると、サーミスタ１１０を用いて正確に温度検出することが困難である問題があった。具体的には、混成集積回路装置１００の小型化を目的として、回路基板１０１の上面には導電パターン１０３や回路素子等が密に配置されているので、サーミスタ１１０は回路基板１０１の周辺部に配置される。このようになると、熱発生源である半導体素子１０５Ａとサーミスタ１１０とが離間し、半導体素子１０５Ａが動作することによる温度変化をサーミスタ１１０で直ちに検出することが困難になり、過熱防止を適切に行うことが困難な場合があった。
更に、半導体素子１０５Ａの通常動作時においてサーミスタ１１０を用いて温度計測を行う場合、半導体素子１０５Ａの温度変化を更に正確に且つリアルタイムに検出する必要があるが、上記と同様の理由によりこのことが困難である問題があった。
本発明は、上述した問題を鑑みてなされ、本発明の主な目的は、サーミスタによる正確な温度検出を可能とする回路装置を提供することにある。
本発明の回路装置は、回路基板と、前記回路基板の上面に配置された複数のアイランドと、前記アイランドに固着された半導体素子と、前記アイランド同士の間に配置されたサーミスタと、を具備し、前記サーミスタに対峙する部分の前記アイランドの側辺が、前記サーミスタ側に突出することを特徴とする。
本発明によれば、半導体素子が固着されるアイランド同士の間にサーミスタを配置している。これにより、半導体素子が動作することにより発生した熱をサーミスタで正確に検出することが可能となり、装置全体の温度制御を正確に行うことが可能となる。
本発明の回路装置を示す図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は断面図である。 本発明の回路装置を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は拡大された平面図であり、（Ｃ）は一部分を示す断面図である。 本発明の回路装置を示す図であり、（Ａ）は組み込まれるインバータ回路を示す回路図であり、（Ｂ）はリードを抜き出して示す平面図である。 本発明の他の形態の回路装置を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図である。 背景技術の混成集積回路装置を示す断面図である。
図１を参照して、本形態の混成集積回路装置１０の構成を説明する。図１（Ａ）は混成集積回路装置１０を斜め上方から見た斜視図である。図１（Ｂ）は混成集積回路装置１０の断面図である。
図１（Ａ）および図１（Ｂ）を参照して、混成集積回路装置１０は、回路基板１２と、回路基板１２の上面に配置されたリード１８、２０と、リード１８のアイランド部２８に実装されたトランジスタＱおよびダイオードＤと、これらを一体的に被覆する封止樹脂１６とを備えている。
回路基板１２は、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の金属を主材料とする金属基板である。回路基板１２の具体的な大きさは、例えば、縦×横×厚さ＝３０ｍｍ×１５ｍｍ×１．５ｍｍ程度である。回路基板１２としてアルミニウムより成る基板を採用した場合は、回路基板１２の両主面はアルマイト処理される。ここでは、回路基板１２の上面および側面が封止樹脂１６により被覆されて、下面は外部に露出している。しかしながら、耐湿性および絶縁耐圧性を確保するために、回路基板１２の下面を封止樹脂１６で被覆しても良い。
図１（Ｂ）を参照すると、紙面上の左側にリード１８が設けられ、右側にリード２０が設けられている。ここでは、回路基板１２の対向する２つの側辺に沿って多数のリード１８、２０が配置されているが、１つの側辺に沿ってリードが設けられてもよいし、４つの側辺に沿ってリードが配置されても良い。
リード１８は、回路基板１２の一側辺に沿って複数個が設けられている。リード１８は、内側から、アイランド部２８、傾斜部３０、ボンディング部３４およびリード部３２から構成されている。アイランド部２８の上面にはトランジスタＱおよびダイオードＤが半田等の導電性固着剤を経由して固着されている。そして、アイランド部２８の下面は回路基板１２の上面に固着されている。このことにより、トランジスタＱおよびダイオードＤが動作時に発生した熱は、アイランド部２８および回路基板１２を経由して良好に外部に放出される。本形態では、アイランド部２８は、背景技術でのヒートシンクに相当する機能も有する。
また、リード１８の中間部に傾斜部３０を設けることにより、回路基板１２の左上部の端部がリード１８と離間して、両者のショートが防止される。ボンディング部３４は、金属細線２６（例えば直径が２０μｍ〜５００μｍのアルミワイヤ）を経由してトランジスタＱおよびダイオードＤと接続される部位である。金属細線２６を介した接続構造は図２（Ａ）を参照して後述する。リード部３２は、封止樹脂１６から外部に導出して差し込み実装等に用いられる端子部である。
リード２０は、リード１８に対向する位置に複数個が設けられている。リード２０は、内側から、ボンディング部３６、傾斜部３９およびリード部３８から構成されている。ボンディング部３６は回路基板１２の上面に固着され、アイランド部２８に実装されたトランジスタＱの制御電極と電気的に接続されている。トランジスタＱとボンディング部３６とは、導電パターン４６および金属細線を経由して接続される。更に、リード部３８は、傾斜部３９を経由して封止樹脂１６から外部に導出している。
リード１８とリード２０との機能は異なる。具体的には、リード１８は、トランジスタＱやダイオードＤが実装されることでインバータ回路が構成される。即ち、リード１８は、インバータ回路により変換される前の直流電力または変換後の交流電力が通過する経路としても機能している。一方、リード２０は、トランジスタＱの制御電極と接続され、制御信号が通過する接続端子として機能する。
ここで、図１（Ｂ）では、トランジスタＱは１本の金属細線２６を経由して接続されているが複数本（例えば２本や３本）の金属細線２６を経由してトランジスタＱの電気的接続が行われても良い。更には、トランジスタＱ等を接続する接続手段としては、金属細線の替りにリボンボンディングにより形成される金属箔が採用されても良い。
図２（Ａ）を参照してリード１８、２０の構成を説明する。この図を参照して、リード１８と、リード２０は、紙面上にて上下方向に対向するように配置されている。
リード１８の中で、左右両端に配置されたリード１８Ｅ、１８Ｄは、外部から直流電流が供給されるリードであり、リード１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃは内蔵されたインバータ回路により変換された３相の交流電力が出力されるリードである。また、温度検出の為のサーミスタ４５はアイランド部２８Ｃとアイランド部２８Ｄとの間に配置されている。
リード１８Ｅは、外側（紙面上にて下方側）から、リード部３２Ｅおよびボンディング部３４Ｅを有している。
リード１８Ａは、外側から、リード部３２Ａ、ボンディング部３４Ａおよびアイランド部２８Ａを有しており、アイランド部２８ＡにはＩＧＢＴ（Ｑ１）およびダイオードＤ１の裏面電極が固着されている。各部の具体的構成は図１（Ｂ）を参照して説明したとおりである。
リード１８Ｂも、同様に、リード部３２Ｂ、ボンディング部３４Ｂおよびアイランド部２８Ｂを有しており、アイランド部２８Ｂの上面にはＩＧＢＴ（Ｑ２）とダイオードＤ２が固着されている。
リード１８Ｃも、同様に、リード部３２Ｃ、ボンディング部３４Ｃおよびアイランド部２８Ｃを有しており、アイランド部２８Ｃの上面にはＩＧＢＴ（Ｑ３）およびダイオードＤ３が固着されている。
リード１８Ｄは、リード部３２Ｄおよび幅広のアイランド部２８Ｄを有しており、アイランド部２８Ｄの上面には３つのＩＧＢＴ（Ｑ４）、Ｑ５およびＱ６が固着され、更に、３つのダイオードＤ４、Ｄ５およびＤ６が固着されている。
リード１８Ａのアイランド部２８Ａに実装されたＩＧＢＴ（Ｑ１）のエミッタ電極およびダイオードＤ１のアノード電極は、金属細線２６を経由して、リード１８Ｅのボンディング部３４Ｅに接続されている。また、リード１８Ｂのアイランド部２８Ｂに実装されたＩＢＧＴ（Ｑ２）のエミッタ電極およびダイオードＤ２のアノード電極は、金属細線２６を経由して、リード１８Ｅのボンディング部３４Ｅに接続されている。更に、リード１８Ｃのアイランド部２８Ｃに実装されたＩＢＧＴ（Ｑ３）のエミッタ電極およびダイオードＤ３のアノード電極は、金属細線２６を経由して、リード１８Ｅのボンディング部３４Ｅに接続されている。
また、直流電源のマイナス側に接続されるアイランド部２８Ｄに実装されたＩＧＢＴ（Ｑ４−Ｑ６）およびＤ４−Ｄ６は、リード１８Ａ−１８Ｃのボンディング部３４Ａ−３４Ｃに接続される。具体的には、ＩＧＢＴ（Ｑ４）のエミッタ電極およびダイオードＤ４のアノード電極は、金属細線２６を経由して、リード１８Ａのボンディング部３４Ａと接続される。また、ＩＧＢＴ（Ｑ５）のエミッタ電極およびダイオードＤ５のアノード電極は、金属細線２６を経由して、リード１８Ｂのボンディング部３４Ｂと接続される。更に、ＩＧＢＴ（Ｑ６）のエミッタ電極およびダイオードＤ６のアノード電極が、金属細線２６を経由して、リード１８Ｃのボンディング部３４Ｃと接続される。
各アイランド部に固着されたＩＧＢＴ（Ｑ１−Ｑ６）のゲート電極は、回路基板の上面に形成された導電パターンおよび金属細線を経由して、リード２０と接続される。
図２（Ｂ）を参照して、本形態では、アイランド部２８Ｃとアイランド部２８Ｄとの間にサーミスタ４５を配置しており、これによりサーミスタ４５で温度変化を正確に計測することができる。この図では、ＩＧＢＴから発せられる熱の経路を白抜きの矢印で示している。
サーミスタ４５は、温度変化に応じて電気抵抗が変化する抵抗体であり、本形態ではサーミスタ４５により検出される温度が一定以上であると、ＩＧＢＴ（Ｑ１−Ｑ６）の動作をオフとするように設定している。
サーミスタ４５により温度を検出する具体的な方法は、先ず、ＩＧＢＴ（Ｑ３）が動作することで熱が発生すると、発生した熱の一部はアイランド部２８Ｃを経由して＋Ｘ方向に伝導する。一方、ＩＧＢＴ（Ｑ４）の動作により発生した熱の一部は、アイランド部２８Ｄを経由して−Ｘ方向に移動する。従って、アイランド部２８Ｃとアイランド部２８Ｄとの間にサーミスタ４５を配置することにより、両アイランドを伝導する熱がサーミスタ４５で直ちに検出されるので、両アイランドに固着されるＩＧＢＴ（Ｑ３）およびＩＧＢＴ（Ｑ４）の温度が正確に検出される。
更に本形態では、アイランド部２８Ｃおよびアイランド部２８Ｄの一部をサーミスタ４５に向かって突出させることで温度を検知する精度を高めている。具体的には、温度検出の精度を高める為の構成として、アイランド部２８Ｃの＋Ｘ側の側面を全体的にサーミスタ４５側に接近させる構成も考えられる。しかしながら、このようにするとアイランド部２８Ｃから＋Ｘ側に伝導する熱が分散してしまい、サーミスタ４５で正確に温度を検出することが困難と成る。そこで本形態では、アイランド部２８Ｃの＋Ｘ側の側辺を部分的に＋Ｘ側に突出させて突出部２２Ｃを形成し、この突出部２２Ｃを経由して熱を−Ｘ側に伝導させてサーミスタ４５で検出している。これにより、ＩＧＢＴ（Ｑ３）から＋Ｘ側に向かって伝導する熱が突出部２２Ｃを経由して集中した後にサーミスタ４５に伝導するので、サーミスタ４５による検出の精度が高まる。
同様に、アイランド部２８Ｄの−Ｘ側の側辺も部分的に−Ｘ側に突出しており、これによりＩＧＢＴ（Ｑ４）から−Ｘ側に伝導する熱が突出部２２Ｄを経由して集中してサーミスタ４５に伝導する。
即ち、本形態では、アイランド部２８Ｃの突出部２２Ｃと、アイランド部２８Ｄの突出部２２Ｄに囲まれる領域にサーミスタ４５を配置することにより、温度検出の精度を高めている。
更にまた、図２（Ａ）を参照して、本形態では６個のＩＧＢＴがＸ方向に沿って整列して配置されるが、サーミスタ４５は、これらのＩＧＢＴの中央付近に配置される。具体的には、サーミスタ４５は、左側から３番目に配置されるＩＧＢＴ（Ｑ３）と、４番目に配置されるＩＧＢＴ（Ｑ４）との間に配置される。各ＩＧＢＴ同士の熱干渉を考慮すると、動作時においてＱ３とＱ４との間が最も高温に成る。従って、過熱防止の為には、この部分にサーミスタ４５を配置して温度検知を行うことが有効である。
図２（Ｃ）を参照して、本形態では、絶縁層４４で被覆される回路基板１２の上面にＩＧＢＴを配置することによりサーミスタ４５で高精度に温度検出を行なっている。この図でも、熱の進行方向を白抜きの矢印で示している。
具体的には、上記したように、アルミニウム等の金属材料から成る回路基板１２の上面は絶縁層４４により被覆されており、絶縁層４４に形成された導電パターン４６の上面に半田等の接合材を介してアイランド部２８Ｃ、２８Ｄが配置されている。更に、アイランド部２８Ｃの上面にＩＧＢＴ（Ｑ３）が固着され、アイランド部２８Ｄの上面にＩＧＢＴ（Ｑ４）が固着されている。サーミスタ４５も同様に、絶縁層４４の上面に形成された導電パターンに固着されている。
本形態では、絶縁層４４の熱伝導率の低さを利用してサーミスタ４５による熱検出の精度を高めている。仮に絶縁層４４が無いとした場合、ＩＧＢＴ（Ｑ３）等から発生した熱は、アイランド部２８Ｃおよび導電パターン４６を経由して即座に回路基板１２に伝導してしまい外部に放出される。そうなると、アイランド部２８Ｃの直近にサーミスタ４５を配置したとしても、ＩＧＢＴ（Ｑ３）から発生する熱の大部分は−Ｚ方向に伝導した後に外部に放出され、ＩＧＢＴ（Ｑ３）の側方に配置されたサーミスタ４５に伝導する熱量が少なくなり、サーミスタ４５による熱検知が困難と成ることが考えられる。この事項はＩＧＢＴ（Ｑ４）に関しても同様である。
このため、本形態では、回路基板１２を被覆する絶縁層４４の上面に導電パターン４６、アイランド部２８ＣおよびＩＧＢＴ（Ｑ３）を配置している。絶縁層４４は、熱伝導率を向上させるためにフィラーが充填された樹脂材料から成るものの、金属から成る回路基板１２と比較すると越伝導率は低い。従って、ＩＧＢＴ（Ｑ３）から発生した熱は、アイランド部２８Ｃおよび導電パターン４６を経由して−Ｚ方向に伝導するが、絶縁層４４により熱の回路基板１２側への伝導は抑制され、熱の一部はＸ方向に進行する。これにより、サーミスタ４５側への熱の伝導が促進され、精度よく温度を検出することが出来る。
また、図２（Ｂ）を参照すると、縦方向に２つのサーミスタ４５が配置されているが、これらは並列に接続されている。これにより、何方か一方のサーミスタが故障しても、正常な他方のサーミスタで計測することが可能となる。
図３を参照して、混成集積回路装置１０に３相のインバータ回路が組み込まれた場合の構成を説明する。図３（Ａ）はインバータ回路の回路図であり、図３（Ｂ）はリードの構成を示す平面図である。
図３（Ａ）を参照して、インバータ回路５６は、６個のＩＧＢＴ（Ｑ１−Ｑ６）と６個のダイオード（Ｄ１−Ｄ６）から構成され、Ｑ１−Ｑ３がハイサイド側のトランジスタであり、Ｑ４−Ｑ６がローサイド側のトランジスタである。そして、各ＩＧＢＴ（Ｑ１−Ｑ６）のコレクタ電極およびエミッタ電極には、逆並列にフライホイールダイオード（Ｄ１−Ｄ６）が接続されている。この様に、フライホイールダイオードをＩＧＢＴに対して逆並列に接続させることで、誘導性負荷に発生する逆起電力からＩＧＢＴが過電圧破壊されないように保護される。ここで、ＩＧＢＴの替りにＭＯＳＦＥＴ等の他のトランジスタを用いることも可能である。
また、ＩＧＢＴ（Ｑ１）とＩＧＢＴ（Ｑ４）とは直列に接続されており、排他的にオン／オフ制御されて両素子の中間点からＵ相の交流電力がリードを経由して外部に出力される。また、ＩＧＢＴ（Ｑ２）とＩＧＢＴ（Ｑ５）とは直列に接続されており、排他的にオン／オフする両素子の中間点からＶ相の交流電力が外部に出力される。更に、直列接続されるＩＧＢＴ（Ｑ３）とＩＧＢＴ（Ｑ６）は排他的にオン／オフし、両者の中間点からＷ相の交流電力が外部に出力される。また、各ＩＧＢＴのスイッチングは、装置の外部に位置する制御素子により制御される。
このような構成により、インバータ回路５６に入力された直流電力は３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の交流電力に変換され、この交流電力により負荷であるモータＭが駆動回転される。
本形態では、異常時と定常時の両方でサーミスタ４５を用いた温度管理が行われる。
具体的には、異常時に於いては、サーミスタ４５に検出される温度が、ＩＧＢＴ（Ｑ１）等が熱破壊を起こす温度以上となった場合、ＩＧＢＴ（Ｑ１）等を強制的にオフにして各素子を熱破壊から保護する。
定常時に於いては、サーミスタ４５を用いて計測された温度が、予め設定された設定温度を超えたらＩＧＢＴ（Ｑ１）等をオフにし、当該温度が設定温度を下回ったら再びＩＧＢＴ（Ｑ１）を駆動させる。
特に、定常時に於ける各ＩＧＢＴの温度をモニタリングする場合、サーミスタ４５でＩＧＢＴの温度を正確に検出する必要がある。本願発明では、ＩＧＢＴが固着されるアイランド部同士の間にサーミスタ４５を配置したので、ＩＧＢＴの温度を正確に且つリアルタイムで計測することができ、これにより定常時に於ける温度のモニタリングが可能となる。
図４を参照して他の形態の回路装置を説明する。
図４（Ａ）を参照して、ここでは、紙面上左側に配置されたアイランド部２８Ｃのみに突出部２２Ｃが設けられ、右側に配置されたアイランド部２８Ｄには突出部は設けられていない。かかる構成であっても、ＩＧＢＴ（Ｑ３）から発生した熱は突出部２２Ｃを経由して良好にサーミスタ４５に伝導するので、サーミスタ４５を用いて、ある程度の精度で温度を掲出することが可能となる。また、アイランド部２８Ｄのみに突出部が設けられ、アイランド部２８Ｃには突出部が設けられない構成で有っても良い。
図４（Ｂ）を参照して、アイランド部２８Ｃにプレス加工を施し、アイランド部２８Ｃの一部をサーミスタ４５の側方および上方に配置しても良い。これにより、ＩＧＢＴ（Ｑ３）から発生した熱は、アイランド部２８Ｃを経由してサーミスタ４５に伝導する。この図では熱が伝導する経路を白抜きの矢印にて示している。
更に、上記した本形態は例えば以下のように変更可能である。
図２（Ａ）を参照して、サーミスタ４５が配置される箇所は、アイランド部２８Ｃとアイランド部２８Ｄとの間の領域以外で有っても良い。例えば、アイランド部２８Ａとアイランド部２８Ｂとの間の領域、アイランド部２８Ｂとアイランド部２８Ｃとの間の領域に、サーミスタ４５を配置しても良い。更には、これらの領域の複数にサーミスタ４５が配置されても良い。
図２（Ｂ）を参照して、上記説明では、突出部２２ＣのＸ方向およびＹ方向の長さは、突出部２２Ｄと同様であったが、何方か一方のＸ方向またはＹ方向の長さを他方よりも長くしても良い。
１０ 混成集積回路装置
１２ 回路基板
１６ 封止樹脂
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６ ＩＧＢＴ
１８、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ、１８Ｅ、２０ リード
２２、２２Ｃ、２２Ｄ 突出部
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６ ダイオード
２６ 金属細線
２８、２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ、２８Ｅ アイランド部
３０ 傾斜部
３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅ リード部
３４、３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｅ ボンディング部
３６ ボンディング部
３８ リード部
３９ 傾斜部
４４ 絶縁層
４５ サーミスタ
４６ 導電パターン
５６ インバータ回路

Claims (7)

  1. 回路基板と、
    前記回路基板の上面に配置された複数のアイランドと、
    前記アイランドに固着された半導体素子と、
    前記アイランド同士の間に配置されたサーミスタと、を具備し、
    前記サーミスタに対峙する部分の前記アイランドの側辺が、前記サーミスタ側に突出することを特徴とする回路装置。
  2. 前記サーミスタを挟むように第１アイランドおよび第２アイランドが配置され、
    前記サーミスタに面する前記第１アイランドの側辺が前記サーミスタ側に突出し、
    前記サーミスタに面する前記第２アイランドの側辺が前記サーミスタ側に突出することを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
  3. 前記第１アイランドの側辺が前記サーミスタ側に突出する長さと、前記第２アイランドの側辺が前記サーミスタ側に突出する長さは同等であることを特徴とする請求項２に記載の回路装置。
  4. 前記アイランドは、前記回路基板の上面に固着されるリードフレームの一部であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の回路装置。
  5. 前記回路基板は、上面が絶縁層により被覆された金属から成る基板であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の回路装置。
  6. 前記半導体素子はＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の回路装置。
  7. 前記回路基板には三相のインバータ回路を構成する６個の前記半導体素子が配置され、
    前記サーミスタの一方側および他方側に夫々３個の前記半導体素子が配置されることを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の回路装置。
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