JP6660278B2 - 樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

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Description

この発明は、例えば自動車に適用される樹脂封止型半導体装置に関し、特に、構成部品が短絡故障した際の短絡電流を遮断する樹脂封止型半導体装置に関する。
近年、自動車業界において、ハイブリッド自動車や電気自動車等、モータにより駆動する車両が盛んに開発されている。モータを駆動するモータ駆動用インバータ装置は、バッテリを電源として、モータ駆動回路に高電圧の駆動電力を供給する。また、モータ駆動用インバータ装置には、樹脂封止型の電力用半導体装置が用いられており、パワーエレクトロニクスの分野において、樹脂封止型半導体装置は、キーデバイスとしての重要性がますます高まっている。
ここで、モータ駆動用インバータ装置に用いられる電力用半導体素子は、他の構成部品とともに樹脂封止されている。こうした樹脂封止型半導体装置において、バッテリから電力が供給された状態で、電力用半導体素子やスナバ回路を構成する平滑コンデンサ等の電子部品が短絡故障すると、過大な短絡電流が流れる。例えば、インバータ制御回路におけるゲート駆動回路の誤動作により、インバータの上下アームが短絡すると、電力用半導体素子に過電流が流れ、短絡故障が発生する。
短絡状態でバッテリとモータ駆動回路とを繋ぐリレーを接続するか、または接続を継続すると、大電流により樹脂封止型半導体装置が発煙および発火する。また、定格を超える過電流が流れることにより、モータ駆動用インバータ装置に接続されているバッテリが損害を受けることも考えられる。
こうした事態を回避するために、通常は過電流を検知するセンサを用いて、過電流が流れた場合に、電力用半導体素子のスイッチングを高速に制御して電流を遮断している。しかしながら、不測の事態に対応するためのさらなる対策を施して、上述した発煙等の故障モードをより確実に防ぐことも有益と考えられる。
具体的には、例えば、電力用半導体装置とバッテリとの間に過電流遮断用ヒューズを挿入すれば、モータ駆動用インバータ装置とバッテリとの間に流れる過電流を阻止することができるが、チップ型の過電流遮断用ヒューズは、非常に高価である。そのため、簡便でありながら、電力用半導体素子が短絡故障した場合に、バッテリに流れ得る過電流を確実に遮断することができる過電流遮断手段が必要とされている。
ここで、ヒューズ機能を有する樹脂封止型半導体装置を提供する方法として、電力用半導体素子と外部端子とを繋ぐ金属細線をヒューズとして利用するものがある。金属細線は、過電流が流れるときの発熱により溶解し、周囲の空間に金属が移動することで断線に至る。しかしながら、金属細線を電力用半導体素子と一緒に樹脂封止すると、過電流が流れて金属細線が溶解しても、金属が移動する空間がないため、過電流が金属細線を流れる状態が長時間継続する。
そこで、電力用半導体素子の電極と外部接続端子との間を、銅ワイヤで電気的に接続するパワーリードを設けるとともに、パワーリードの一部をシリコーンゲルで覆い、パワーリードを溶断または遮断する半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００９−２１８２７５号公報
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
すなわち、特許文献１に記載の半導体装置では、ヒューズ機能を有する銅ワイヤの一部がシリコーンゲルで覆われている。ここで、銅ワイヤとシリコーンゲルとが接触していると、銅ワイヤの発熱でシリコーンゲルが炭化し、シリコーンゲルの層が十分な厚みを有していない場合には、その炭化生成物が積層し、大気と接触することによって燃焼反応を起こし、樹脂封止型半導体装置が発煙および発火するという問題がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、過電流を確実に遮断するとともに、発煙および発火の耐性に優れた樹脂封止型半導体装置を得ることを目的とする。
この発明に係る樹脂封止型半導体装置は、電力用半導体素子と、電力用半導体素子の主電極に接続されたパワーリードと、を備え、電力用半導体素子を樹脂でモールドするとともに、パワーリードをモールド樹脂部から突設させた樹脂封止型半導体装置であって、パワーリードに形成されたヒューズ部と、ヒューズ部を被覆する第１樹脂封止部と、第１樹脂封止部を大気から遮断するとともに、モールド樹脂部を構成する第２樹脂封止部と、を有し、第２樹脂封止部は、第１樹脂封止部よりも弾性係数が高いものである。
この発明に係る樹脂封止型半導体装置によれば、パワーリードに形成されたヒューズ部と、ヒューズ部を被覆する第１樹脂封止部と、第１樹脂封止部を大気から遮断するとともに、モールド樹脂部を構成する第２樹脂封止部と、が形成されている。
ここで、パワーリードにヒューズ部を形成することにより、過電流を確実に遮断することができる。また、ヒューズ部を第１樹脂封止部で被覆し、さらに第２樹脂封止部により第１樹脂封止部を大気から遮断することにより、樹脂の燃焼反応を抑制して、発煙および発火を防止することができる。
そのため、過電流を確実に遮断するとともに、発煙および発火の耐性に優れた樹脂封止型半導体装置を得ることができる。
この発明の実施の形態１に係る樹脂封止型半導体装置を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った矢視断面図である。 図１のＢ−Ｂ線に沿った矢視断面図である。
以下、この発明に係る樹脂封止型半導体装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。なお、各図間の図示では、対応する各構成部のサイズや縮尺は、それぞれ独立している。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る樹脂封止型半導体装置を示す平面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った矢視断面図である。また、図３は、図１のＢ−Ｂ線に沿った矢視断面図である。
図１〜図３において、樹脂封止型半導体装置１００は、パワーリードである外部端子用リードフレーム１、電力用半導体素子２、導電性接合材３、制御用リードフレーム４、第２樹脂封止部であるモールド樹脂部５、ヒートシンク６、ヒューズ部７、絶縁ケース８、第１樹脂封止部９、絶縁性シート１０、外部接続端子１１およびインナーリード１２を備えている。
電力用半導体素子２は、ヒートシンク６と対向する面に形成されている。また、電力用半導体素子２の主電極は、導電性接合材３によって外部端子用リードフレーム１に接続されている。外部端子用リードフレーム１は、入出力用に用いられ、絶縁性シート１０によってヒートシンク６に固定されている。
また、外部端子用リードフレーム１は、絶縁ケース８にインサートされた外部接続端子１１に、溶接または半田付けによって電気的に接続されている。なお、電力用半導体素子２と制御用リードフレーム４とは、インナーリード１２や図示しないワイヤボンドによって電気的に接続されている。
電力用半導体素子２は、電力用電界効果トランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ：Ｐｏｗｅｒ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等で構成される。
これらは、モータ等の電気機器を駆動するインバータ装置に用いられるもので、数百アンペアの定格電流を制御するものである。導電性接合材３は、半田等で構成され、電力用半導体素子２と外部端子用リードフレーム１とを電気的に接続し、固着させるために用いられる。
ここで、外部端子用リードフレーム１には、ヒューズ部７が形成され、ヒューズ部７は、第１樹脂封止部９に埋設されている。第１樹脂封止部９は、電力用半導体素子２をヒートシンク６に実装し、外部端子用リードフレーム１と外部接続端子１１とを接合した後、ディスペンサ等によって塗布される。その後、図示しない制御基板の実装、およびモールド樹脂部５の注型が行われる。
なお、第１樹脂封止部９とモールド樹脂部５とが混ざり、硬化阻害等を引き起こす可能性があるので、第１樹脂封止部９の少なくとも表面は、硬化した状態にしてモールド樹脂部５を注型する必要がある。そのため、第１樹脂封止部９は、湿気硬化や脱溶剤により硬化する樹脂が好ましい。さらに、第１樹脂封止部９は、弾性係数が数十ＭＰａ程度のゴムのようなものが適しており、消弧作用が期待できるシリコーンゴムやシリコーンゲルが用いられる。
また、ヒューズ部７は、外部端子用リードフレーム１に狭窄部７ａを設けることにより形成され、外部端子用リードフレーム１に過電流が流れたときに溶断し、過電流を遮断する。なお、これに限定されないが、外部端子用リードフレーム１は、０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度の厚みを有する銅または銅合金からなるプレートを、打ち抜き加工することによって形成することができる。
ヒートシンク６および絶縁ケース８は、ヒューズ部７の周りを包むように配置され、モールド樹脂部５を注型する役割を有する。モールド樹脂部５は、数ＧＰａの弾性係数を有する、例えばエポキシ樹脂が適している。また、絶縁ケース８は、絶縁性が高く、熱可塑性を有する任意の樹脂材料、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ：Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅ）等を用いて形成することができる。
また、モールド樹脂部５は、外部端子用リードフレーム１の周縁端部を露出させるように第１樹脂封止部９を被覆している。また、絶縁ケース８は、本体部と開口部と空洞部とを有し、開口部から樹脂を注型することにより、モールド樹脂部５は、電力用半導体素子２および第１樹脂封止部９を含む絶縁ケース８の全体を被覆するように成形されている。
また、モールド樹脂部５は、絶縁性シート１０を介して、金属製のヒートシンク６の上に固着されている。絶縁性シート１０は、外部端子用リードフレーム１とヒートシンク６との間に挿入され、それぞれを固着させる。絶縁性シート１０の材料は、高い熱伝導性を有し、電気的絶縁性が高いものであれば、例えばセラミックシート等、任意のものを用いることができる。
また、制御用リードフレーム４の片方は、電力用半導体素子２の表側電極に導電性接合材３を介して接続され、他方は制御用入出力端子として導出される。なお、モールド樹脂部５の材料は、熱硬化性の任意の樹脂材料を用いて成形することができるが、例えば、エポキシ樹脂に、熱伝導性の高いアルミナやケイ素化合物等をフィラーとして含有させて、成形することが好ましい。
ヒートシンク６は、モールド樹脂部５に封止された電力用半導体素子２に電流が流れるときに発生する熱を逃がす役割を有する。例えばアルミニウム等の１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する材料を用いて構成される。また、ヒートシンク６の上面にモールド樹脂部５が直接接合され、ヒートシンク６の下面には、複数の冷却フィン６ａが配列されている。
このように、この発明の実施の形態１では、外部端子用リードフレーム１にヒューズ部７を形成することによって、確実に過電流を遮断するとともに、ヒューズ部７を第１樹脂封止部９で被覆し、第１樹脂封止部９を大気と遮断することによって、樹脂の燃焼反応を抑制し、樹脂封止型半導体装置の発煙および発火を防止することができる。
また、ヒューズ部７を構成する狭窄部７ａを第１樹脂封止部９およびモールド樹脂部５で覆うことにより、自動車特有の融雪剤の巻き上げによる浸水を防止し、断面積が小さくなる狭窄部７ａの電蝕を防止することができ、過電流が発生しない状態であっても、断線しないという効果を有する。
また、モールド樹脂部５は、エポキシ樹脂に、熱伝導性の高いアルミナやケイ素化合物等をフィラーとして含有し、第１樹脂封止部９に対して熱伝導性が高いため、ヒューズ部７の発熱を効率よく熱伝導することができ、燃焼反応を抑制することができる。
また、弾性係数の低い第１樹脂封止部９の周囲に、弾性係数が高いモールド樹脂部５を配置することにより、ヒューズ溶断時の熱応力によるモールド樹脂部５のクラック進展を防止し、ヒューズ溶断時の離間距離を適正に保つことができるので、確実に電流を遮断することができる。
また、ヒューズ溶断時の飛散物が、弾性係数の小さな第１樹脂封止部９に飛散することで、ヒューズの溶断部に飛散物がとどまりにくく、安定した遮断効果を得ることができる。さらに、弾性係数の低い第１樹脂封止部９の周囲に、弾性係数が高いモールド樹脂部５を配置することにより、飛散物が外部に飛ぶことを防止することができる。
また、モールド樹脂部５は、ヒートシンク６の上面に直接接し、ヒートシンク６の下面には、複数の冷却フィン６ａが形成されているので、ヒューズ部７の発熱を抑制することができ、燃焼反応を抑制することができる。
以上のように、実施の形態１によれば、パワーリードに形成されたヒューズ部と、ヒューズ部を被覆する第１樹脂封止部と、第１樹脂封止部を大気から遮断するとともに、モールド樹脂部を構成する第２樹脂封止部と、が形成されている。
ここで、パワーリードにヒューズ部を形成することにより、過電流を確実に遮断することができる。また、ヒューズ部を第１樹脂封止部で被覆し、さらに第２樹脂封止部で被覆して第１樹脂封止部を大気から遮断することにより、樹脂の燃焼反応を抑制して、発煙および発火を防止することができる。
そのため、過電流を確実に遮断するとともに、発煙および発火の耐性に優れた樹脂封止型半導体装置を得ることができる。
１ 外部端子用リードフレーム（パワーリード）、２ 電力用半導体素子、３ 導電性接合材、４ 制御用リードフレーム、５ モールド樹脂部（第２樹脂封止部）、６ ヒートシンク、６ａ 冷却フィン、７ ヒューズ部、７ａ 狭窄部、８ 絶縁ケース、９ 第１樹脂封止部、１０ 絶縁性シート、１１ 外部接続端子、１２ インナーリード、１００ 樹脂封止型半導体装置。

Claims (3)

  1. 電力用半導体素子と、前記電力用半導体素子の主電極に接続されたパワーリードと、を備え、前記電力用半導体素子を樹脂でモールドするとともに、前記パワーリードをモールド樹脂部から突設させた樹脂封止型半導体装置であって、
    前記パワーリードに形成されたヒューズ部と、
    前記ヒューズ部を被覆する第１樹脂封止部と、
    前記第１樹脂封止部を大気から遮断するとともに、前記モールド樹脂部を構成する第２樹脂封止部と、
    を有し、
    前記第２樹脂封止部は、前記第１樹脂封止部よりも弾性係数が高い
    樹脂封止型半導体装置。
  2. 前記第２樹脂封止部は、前記第１樹脂封止部よりも熱伝導性が高い
    請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置。
  3. 前記第２樹脂封止部は、ヒートシンクの一方の面に直接接し、前記ヒートシンクの他方の面には、複数の冷却フィンが形成されている
    請求項１または請求項２に記載の樹脂封止型半導体装置。
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