JP6733218B2 - 保護装置、半導体装置、及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、保護装置、半導体装置、及び製造方法に関する。

従来、短絡等の異常発生時に過電圧・過電流が加わると発熱により溶融して配線を切断するヒューズ等が知られている。また、パワー半導体素子を搭載した半導体装置では、上記異常時に過電流が通電して半導体素子が異常発熱するため、保護機能の実装が求められる。例えば特許文献１には、シャント抵抗、変流器（ＣＴ）、サーミスタ等、半導体素子の動作状態をセンシングするセンサを搭載し、これらのセンサを用いて過電流を検出して半導体素子を高速でオフ（すなわち、ソフトシャットダウン）する半導体装置が開示されている。また、特許文献２には、半導体素子の表面の上方に導電性溶融部が配置され、過電流により半導体素子が異常発熱すると導電性溶融部が溶融して電流のバイパスとして機能することで半導体素子の異常発熱を抑制する半導体装置が開示されている。
特許文献１ 特開２０１５−２０１９４７号公報
特許文献２ 特開２０１５−４１６７６号公報

しかしながら、半導体装置の小型化及び低コスト化の観点において、特許文献１のような半導体装置のインテリジェント化は好ましくなく、むしろ、半導体装置が故障した場合、新しい装置に交換する運用が好まれることもある。しかし、短絡等の異常により、半導体装置が規格値以下に耐圧を下げるなどの異常を示す程度で完全な故障に至らなかった場合に、故障の発見が遅れ、その間使用を続けることでその半導体装置を組み込んだ外部製品の故障を招くおそれがある。

本発明の第１の態様においては、窪み、並びに、少なくとも一部が窪み内において離間して設けられる第１導体および第２導体を有する基体と、固体状態で第１導体および第２導体の少なくとも一方と離間して設けられ、温度が融点に達したことに応じて溶融すると窪み内に流入して第１導体および第２導体の間を電気的に接続する導電材料と、を備える保護装置が提供される。

本発明の第２の態様においては、第１端子、第２端子、並びに、第１端子および第２端子の間の接続状態を制御する制御端子を有する半導体デバイスと、異常が発生したことに応じて第１端子、第２端子、および制御端子のうちの少なくとも２つの端子間をショートさせる第１の態様の保護装置と、を備える半導体装置が提供される。

本発明の第３の態様においては、窪み、並びに、少なくとも一部が窪み内において離間して設けられる第１導体および第２導体を有する基体を製造する段階と、温度が融点に達したことに応じて溶融すると窪み内に流入して第１導体および第２導体の間を電気的に接続する導電材料を、固体状態において第１導体および第２導体の少なくとも一方と離間する位置に取り付ける段階と、を備える製造方法が提供される。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る保護装置の構成を示す。 保護機能が発動した状態における保護装置を示す。 保護機能の製造方法のフローを示す。 保護装置を備える半導体装置の構成の正面図を示す。 保護装置を備える半導体装置の構成の上面図を示す。 保護装置を備える半導体装置の回路構成を示す。 変形例に係る保護装置の構成を示す。 保護機能が発動した状態における変形例に係る保護装置を示す。 変形例に係る保護装置を備える半導体装置の回路構成を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１Ａは、本実施形態に係る保護装置１０の構成を示す。保護装置１０は、半導体素子を搭載した半導体装置に組み込まれ、半導体素子内での短絡、その他の原因による異常発生時に、半導体素子に接続する導体を電気的に接続して半導体素子をバイパスすることにより、半導体素子に過電流が通電しないようにするとともに半導体装置を動作しない状態にすることを目的とする。保護装置１０は、基体１１及び導電材料１３を備える。

基体１１は、絶縁層１１ａ、第１配線１１ｂ、及び第２配線１１ｃを有する。

絶縁層１１ａは、例えば窒化アルミニウム、窒化珪素、酸化アルミニウム等の絶縁性セラミックスから層状又は板状に成形された部材である。また、ガラスエポキシ材等から構成されるリジッド基板や、ポリイミド材等から構成されるフレキシブル基板でもよい。絶縁層１１ａには、これを図面上下方向に貫通する孔部１１ａ_０が形成されている。孔部１１ａ_０は、一例として、円形断面を有する。

第１配線１１ｂは、例えば銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて、絶縁層１１ａの上面に層状に設けられる。第１配線１１ｂは、後述するように半導体素子の一電極に接続して電流を流す配線として機能する。第１配線１１ｂは、２つの部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２を含む。

２つの部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２は、絶縁層１１ａの孔部１１ａ_０の上にギャップ１２ａを設け、これを介してそれぞれ図面左側及び右側に配される。ここで、ギャップ１２ａは孔部１１ａ_０と繋がり窪み１２を構成する。孔部１１ａ_０の内径はギャップ１２ａのサイズ（すなわち、部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２の離間距離）より小さく、孔部１１ａ_０の内壁はギャップ１２ａの内壁（すなわち、孔部１１ａ_０の上側に位置する部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２それぞれの側面）より内側に突出することで、それらの間に位置する絶縁層１１ａの上面により段部１２ｂが窪み１２内に形成される。

第２配線１１ｃは、例えば銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて、絶縁層１１ａの下面に層状に設けられる。第２配線１１ｃは、後述するように半導体素子の別の電極に接続して配線として機能する。第２配線１１ｃは、絶縁層１１ａの孔部１１ａ_０を下方から塞ぎ、上面の一部分１１ｃ_０が窪み１２の底部に露出する。

導電材料１３は、加熱されて融点を超える温度に達すると、溶融して第１及び第２配線１１ｂ，１１ｃを接続する部材である。導電材料１３は、一例としてはんだボールを使用することができ、ギャップ１２ａのサイズより若干大きい幅及び孔部１１ａ_０の容積より大きい容積を有する球状、楕円球状、立方体状等の形状に成形される。

導電材料１３は、固体状態において、孔部１１ａ_０の上方からギャップ１２ａ内に圧入することで第１配線１１ｂの２つの部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２に接触面積を持って挟まれ、段部１２ｂに係止されることで第２配線１１ｃから離間して、ギャップ１２ａ内に設けられる。これにより、第１配線１１ｂの２つの部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２は、固体状態の導電材料１３を介して導通する。

図１Ｂに、導電材料１３が溶融した状態、すなわち保護機能が発動した状態における保護装置１０を示す。導電材料１３は、過電流が流れると第１配線１１ｂ（部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２）との接触抵抗により発熱し、融点を超えて溶融すると窪み１２内において孔部１１ａ_０に流入してこれを満たし且つギャップ１２ａに至る高さに達して、第１配線１１ｂの２つの部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２を接続しつつ第１及び第２配線１１ｂ，１１ｃを接続する。これにより、導電材料１３の溶融後において、第１配線１１ｂの２つの部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２は導電材料１３を介して導通するとともに、第１配線１１ｂは第２配線１１ｃとも導通する。

なお、導電材料１３は、一部を基体１１の上面に対し上方に突出してギャップ１２ａ内に設けられる。これにより、導電材料１３は、溶融すると突出した部分が窪み１２内へと流入し、基体１１の上面上に視認できなくなることで、導電材料１３が溶融したこと、すなわち保護装置１０の保護機能が発動したことを確認することができる。或いは、導電材料１３は、上面を第１配線１１ｂの表面と面一に、ギャップ１２ａ内に設けられてもよい。これにより、導電材料１３は、溶融すると窪み１２外に流出することなく窪み１２内へと流入し、窪み１２内で導電材料１３の上面の窪みを視認することで、導電材料１３が溶融したこと、すなわち保護装置１０の保護機能が発動したことを確認することができる。

また、基体１１の上方から導電材料１３を視認できるように、導電材料１３の表面を、例えば塗料によって色付けしてもよい。導電材料１３が溶融すると、塗料が導電材料１３に溶け込み、表面の色が変化する。これを基体１１の上方から視認することで、保護装置１０の保護機能が発動したことを確認することができる。この場合、導電材料１３は、上面を第１配線１１ｂの表面以下としても、保護機能の発動が確認できる。

上述の構成の保護装置１０において、ギャップ１２ａを形成する第１配線１１ｂの２つの部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２それぞれの側面を第１導体とし、第２配線１１ｃにおける窪み１２の底部に露出した部分１１ｃ_０を第２導体とする。この状態において、基体１１は、窪み１２が形成され、窪み１２内において離間して設けられる第１及び第２導体を有する。導電材料１３は、固体状態において、第１導体に接し、第２導体から離間して窪み１２内に設けられる。第１導体に導電材料１３を介して過電流が通電すると、導電材料１３が、第１導体との接触抵抗により発熱し、その温度が融点を超えて溶融し、窪み１２に流入して第１及び第２導体を電気的に接続することで、保護機能を発動する。

なお、基体１１上に、導電材料１３及び窪み１２の上方を覆うカバーを設けてもよい。これにより、窪み１２内部が密封され、第１及び第２導体の導通を妨げる異物の侵入を防ぐことができる。また、導電材料１３が、外部からの衝撃等により窪み１２から脱落するのを防ぐこともできる。

図２は、保護装置１０の製造方法のフローを示す。

ステップＳ１では、基体１１が製造される。基体１１は、例えば、絶縁層１１ａにエッチング、機械加工等により孔部１１ａ_０を形成し、孔部１１ａ_０の上にギャップ１２ａを設けて第１配線１１ｂの２つの部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２を絶縁層１１ａの上面に形成し、絶縁層１１ａの下面に第２配線１１ｃを形成して孔部１１ａ_０を下方から塞ぐことで、製造される。

ステップＳ２では、導電材料１３が取り付けられる。導電材料１３は、固体状態において、孔部１１ａ_０の上方からギャップ１２ａ内に圧入することで第１配線１１ｂの２つの部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２に接触面積を持って挟まれ、段部１２ｂに係止されることで第２配線１１ｃから離間して、ギャップ１２ａ内に設けられる。

図３Ａ及び図３Ｂは、本実施形態の保護装置１０を備える半導体装置１００の構成を示す。ここで、図３Ａは、図３Ｂにおける基準線ＡＡに関する半導体装置１００の断面を示し、図３Ｂは、図３Ａにおける基準線ＢＢに関する半導体装置１００の断面を示す。半導体装置１００は、ケース１、基板２、半導体素子３、導通ポスト４、保護装置１０を有する配線基板５、端子６、及びゲル充填材７を備える。

ケース１は、半導体装置１００の構成各部を収容する筐体であり、その底部をベース基板１ａとして、上部を開閉可能なカバー１ｂとして含む。ベース基板１ａは、その上に半導体装置１００の構成各部を支持する。ベース基板１ａは、放熱性の高い銅（Ｃｕ）基板、アルミ炭化ケイ素複合材（Ａｌ−ＳｉＣ）基板等を採用することができる。カバー１ｂは、平板状の蓋体であり、ケース１の側部上に載置されて半導体装置１００の構成各部をケース１内に封入する。カバー１ｂは、端子６の上端をケース１外に突出するための複数の開口（不図示）が形成されている。

基板２は、半導体素子３を搭載する基板であり、例えばＤＣＢ(Direct Copper Bonding)基板、ＡＭＢ(Active Metal Blazing)基板等を採用することができる。基板２は、絶縁板２ａ、配線層２ｂ、金属層２ｃを含む。絶縁板２ａは、例えば窒化アルミニウム、窒化珪素、酸化アルミニウム等の絶縁性セラミックスから構成される板状部材である。配線層２ｂは、銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて、絶縁板２ａの上面に設けられている。基板２は、はんだ等の接合材（不図示）を介してベース基板１ａ上に固定される。金属層２ｃは、配線層２ｂと同様に銅、銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて、絶縁板２ａの下面に設けられている。

半導体素子３は、例えば、ＳｉＣ等の化合物半導体からなるスイッチング素子であり、表面及び裏面のそれぞれに電極を有する縦型の金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等を採用することができる。なお、半導体素子３は、縦型の素子に限らず、表面にのみ電極が設けられた横型の素子であってもよい。半導体素子３は、基板２上に実装される。

半導体素子３は、ＭＯＳＦＥＴ（又はＩＧＢＴ）の場合に、表面にソース電極（エミッタ電極）及びゲート電極、裏面にドレイン電極（コレクタ電極）を有する。半導体素子３は、ドレイン電極（又はコレクタ電極）をはんだ等の接合材により配線層２ｂに接続することで、その裏面にて基板２上に固着される。

導通ポスト４は、半導体素子３及び基板２と配線基板５との間に設けられてそれらの間で通電するための導電部材であり、一例として銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて円柱状に成形されている。なお、導通ポスト４は、その下端をはんだ等の接合材により半導体素子３に接続することでそれらの上に立設され、上端をはんだ、ロウ付け、又はカシメにより配線基板５上の配線パターンに接続される。

導通ポスト４は、複数のポスト４Ｓ，４Ｇ及び４Ｄを含む。ポスト４Ｓは、半導体素子３のソース電極又はこれに繋がる端子上に立設され、配線層５ｃの開口５ｃ_０及び絶縁板５ａの貫通孔（不図示）を介して、配線基板５上の配線パターン５ｂ_１に接続する。ポスト４Ｇは、半導体素子３のゲート電極又はこれに繋がる端子上に立設され、配線基板５の配線層５ｃに接続する。ポスト４Ｄは、基板２の配線層２ｂ上に立設され、配線層５ｃの開口５ｃ_１及び絶縁板５ａの貫通孔（不図示）を介して、配線基板５上の配線パターン５ｂ_３に接続する。

配線基板５は、半導体素子３の電極を端子６に接続する基板であり、絶縁板５ａ、配線層５ｂ、配線層５ｃ、及び２つの保護装置１０を有する。

絶縁板５ａは、例えばガラスエポキシ材等から構成されるリジッド基板又はポリイミド材等から構成されるフレキシブル基板を採用することができる。絶縁板５ａには、ポスト４Ｓ及び４Ｄ並びにゲート端子６Ｇを通す貫通孔（不図示）、２つの保護装置１０にそれぞれ含まれる孔部が形成されている。

配線層５ｂは、銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて、絶縁板５ａの表面に設けられている。配線層５ｂは、４つの矩形状の配線パターン５ｂ_１〜５ｂ_４を有する。配線パターン５ｂ_１及び５ｂ_２は、絶縁板５ａに形成された一方（図面右側）の孔部の上にギャップを設け、これを介して図面左右方向に離間して配置されている。配線パターン５ｂ_３及び５ｂ_４は、絶縁板５ａに形成された他方（図面左側）の孔部の上にギャップを設け、これを介して図面左右方向に離間して配置されている。なお、配線パターン５ｂ_１及び５ｂ_２間並びに配線パターン５ｂ_３及び５ｂ_４間のギャップ内に、保護装置１０を構成する導電材料がそれぞれ設けられている。

配線層５ｃは、銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて、絶縁板５ａの裏面に設けられている。配線層５ｃは、２つの矩形状の開口５ｃ_０及び５ｃ_１を有する配線パターンを有する。配線層５ｃは、その右端部及び左端部により、それぞれ絶縁板５ａに形成された２つの孔部を塞いでいる。

２つの保護装置１０は、絶縁板５ａ（絶縁層１１ａに対応する）に形成された２つの孔部（すなわち、孔部１１ａ_０）、２つの孔部上にギャップ（すなわち、ギャップ１２ａ）が設けられた配線層５ｂ（第１配線１１ｂに対応する）、２つの孔部を塞ぐ配線層５ｃ（第２配線１１ｃに対応する）、及びギャップ内に設けられた導電材料（すなわち、導電材料１３）を含んで、先述のとおり構成される。

端子６は、半導体素子３に外部信号を入力する又は半導体素子３から電流を外部に入出力するための入出力用端子である。端子６は、例えば銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて円柱状に成形されている。端子６は、はんだ等の接合材（不図示）により配線パターン上に立設されて、それぞれの先端をカバー１ｂの開口（不図示）を介してケース１外に突出する。端子６は、ソース端子６Ｓ、補助ソース端子６Ｔ、ゲート端子６Ｇ、及びドレイン端子６Ｄを含む。

ソース端子６Ｓは、配線層５ｂの配線パターン５ｂ_２上に立設されている。ソース端子６Ｓは、配線パターン５ｂ_２、一方（図面右側）の保護装置１０、配線パターン５ｂ_１、及びポスト４Ｓを介して、半導体素子３のソース電極に接続する。

補助ソース端子６Ｔは、配線層５ｂの配線パターン５ｂ_１上に立設されている。補助ソース端子６Ｔは、配線パターン５ｂ_１及びポスト４Ｓを介して、半導体素子３のソース電極に接続する。

ゲート端子６Ｇは、絶縁板５ａの孔部（不図示）を介して配線層５ｃ上に立設されている。ゲート端子６Ｇは、配線層５ｃ及びポスト４Ｇを介して、半導体素子３のゲート電極に接続する。

ドレイン端子６Ｄは、配線層５ｂの配線パターン５ｂ_４上に立設されている。ドレイン端子６Ｄは、配線パターン５ｂ_４、他方（図面左側）の保護装置１０、配線パターン５ｂ_３、及びポスト４Ｄ、及び配線層２ｂを介して、半導体素子３のドレイン電極に接続する。

ゲル充填材７は、半導体装置１００の構成各部を封止するための部材であり、一例としてシリコーンゲルを用いることができる。ゲル充填材７は、ケース１内（ベース基板１ａ上）に基板２、半導体素子３、導通ポスト４、配線基板５、及び端子６が配設された後、それらの上に充填される。さらに、カバー１ｂをケース１の側部上に載置することで、構成各部がケース１内に封入される。

図４は、半導体装置１００の回路構成を示す。半導体装置１００において、半導体素子３は、配線層２ｂ、導通ポスト４、及び配線基板５の配線層５ｂ及び５ｃを介して、ソース端子６Ｓ、ゲート端子６Ｇ、及びドレイン端子６Ｄの間に接続される。半導体素子３は、ゲート端子６Ｇを介して、接続状態を制御するための制御信号がゲート電極Ｇに入力されることでオンオフされて、ソース端子６Ｓ及びドレイン端子６Ｄ間に通電する又は通電を止める。

２つの保護装置１０の一方は、半導体素子３のソース電極Ｓとソース端子６Ｓとの間に設けられる。保護装置１０は、短絡等の異常により半導体素子３に過電流が通電すると保護機能が発動し、導電材料１３を溶融して配線層５ｂ（配線パターン５ｂ_１及び５ｂ_２）と配線層５ｃとを接続することで、ソース端子６Ｓとゲート端子６Ｇとを接続する。

他方の保護装置１０は、半導体素子３のドレイン電極Ｄとドレイン端子６Ｄとの間に設けられる。保護装置１０は、短絡等の異常により半導体素子３に過電流が通電すると保護機能が発動し、導電材料１３を溶融して配線層５ｂ（配線パターン５ｂ_３及び５ｂ_４）と配線層５ｃとを接続することで、ドレイン端子６Ｄとゲート端子６Ｇとを接続する。

２つの保護装置１０は、異常の発生に応じてそれぞれの保護機能を発動することで、ドレイン端子６Ｄ及びソース端子６Ｓ間をショートさせ、半導体装置１００を動作しない状態にする。

なお、本実施形態に係る半導体装置１００では、２つの保護装置１０を設けたが、これに代えて又はこれとともに、半導体素子３のドレイン電極Ｄとソース電極Ｓの間、すなわちドレイン端子６Ｄとソース端子６Ｓとの間に１つの保護装置１０を設けてもよい。これにより、異常の発生に応じて、保護装置１０がドレイン端子６Ｄとソース端子６Ｓとをショートさせることで、半導体装置１００を動作しない状態にすることができる。

また、本実施形態に係る半導体装置１００では、２つの保護装置１０を設けたが、ドレイン電極Ｄとゲート電極Ｇとの間に設けられる又は寄生するキャパシタが異常時に導通する場合、半導体素子３のソース電極Ｓとソース端子６Ｓとの間にのみ保護装置１０を設けることとしてよい。これにより、異常の発生に応じて、保護装置１０がソース端子６Ｓとゲート端子６Ｇとをショートさせることで、半導体装置１００を動作しない状態にすることができる。また、ソース電極Ｓとゲート電極Ｇとの間に設けられる又は寄生するキャパシタが異常時に導通する場合、半導体素子３のドレイン電極Ｄとドレイン端子６Ｄとの間にのみ保護装置１０を設けることとしてよい。これにより、異常の発生に応じて、保護装置１０がドレイン端子６Ｄとゲート端子６Ｇとをショートさせることで、半導体装置１００を動作しない状態にすることができる。

また、保護装置１０の導電材料１３は、これに過電流が通電した際に、第１配線１１ｂ（部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２）との接触抵抗により発熱して溶融するとしたが、本実施形態に係る半導体装置１００においては、過電流が通電することにより半導体素子３が発する熱がポスト４Ｓ及び第１配線１１ｂを介して導電材料１３に伝達することで、導電材料１３が溶融するよう設計してもよい。係る場合、第１配線１１ｂは、２つの部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２に分離せず、絶縁層１１ａの孔部１１ａ_０に連通する孔部１１ａ_０より幅の大きい孔部を形成し、その内に導電材料１３を設けてもよい。

図５Ａは、変形例に係る保護装置２０の構成を示す。保護装置２０は、基体２１及び導電材料２３を備える。なお、保護装置２０の構成各部のうち先述の保護装置１０の構成各部と対応するものについては、適宜、その説明を省略する。

基体２１は、第１絶縁層２１ａ、第１配線２１ｂ、第２配線２１ｃ、第２絶縁層２１ｄ、及び第２配線２１ｃを有する。

第１絶縁層２１ａは、絶縁層１１ａと同様に構成され、図面上下方向に貫通する孔部２１ａ_０が形成されている。孔部２１ａ_０は、一例として、円形断面を有する。

第１配線２１ｂは、第１配線１１ｂと同様に構成される。第１配線２１ｂは、後述するように半導体素子の一電極（例えば、ドレイン電極）に接続して電流を流す配線として機能する。第１配線２１ｂは、２つの部分２１ｂ_１及び２１ｂ_２を含む。

２つの部分２１ｂ_１及び２１ｂ_２は、２つの部分１１ｂ_１及び１１ｂ_２と同様に、絶縁層２１ａの孔部２１ａ_０の上にギャップ２２ａを設け、これを介してそれぞれ図面左側及び右側に配される。ここで、ギャップ２２ａは、第１絶縁層２１ａの孔部１１ａ_０、後述する第２配線２１ｃの孔部２１ｃ_０及び第２絶縁層２１ｄの孔部２１ｄ_０と繋がり窪み２２を構成する。孔部２１ａ_０の内径はギャップ２２ａのサイズ（すなわち、部分２１ｂ_１及び２１ｂ_２の離間距離）より小さく、孔部２１ａ_０の内壁はギャップ１２ａの内壁（すなわち、孔部２１ａ_０の上側に位置する部分２１ｂ_１及び２１ｂ_２それぞれの側面）より内側に突出することで、それらの間に位置する絶縁層２１ａの上面により段部２２ｂが窪み２２内に形成される。

第２配線２１ｃは、第２配線１１ｃと同様に、絶縁層２１ａの下面に層状に設けられる。ただし、第２配線２１ｃは、図面上下方向に貫通して孔部２１ａ_０と連通する孔部２１ｃ_０が形成されている。第２配線２１ｃは、後述するように半導体素子の別の電極（例えば、ゲート電極）に接続して配線として機能する。

第２絶縁層２１ｄは、第１絶縁層２１ａと同様に構成され、第２配線２１ｃの下面に層状又は板状に成形されている。第２絶縁層２１ｄは、図面上下方向に貫通して孔部２１ａ_０及び２１ｃ_０と連通する孔部２１ｄ_０が形成されている。

第３配線２１ｅは、第２配線１１ｃと同様に構成され、第２絶縁層２１ｄの下面に層状に設けられる。第３配線２１ｅは、後述するように半導体素子のさらに別の電極（例えば、ソース電極）に接続して配線として機能する。第３配線２１ｅは、孔部２１ａ_０，２１ｃ_０及び２１ｄ_０を下方から塞ぎ、上面の一部分２１ｅ_０が窪み２２の底部に露出する。

導電材料２３は、加熱されて融点を超える温度に達すると、これに応じて溶融して第１配線２１ｂ、第２配線２１ｃ、及び第３配線２１ｅを接続する。導電材料２３は、導電材料１３と同様にはんだボールを使用することができ、ギャップ２２ａのサイズより若干大きい幅及び孔部２１ａ_０，２１ｃ_０及び２１ｄ_０のそれぞれの容積の和より大きい容積を有する球状、楕円球状、立方体状等の形状に成形される。

導電材料２３は、固体状態において、孔部２１ａ_０の上方からギャップ２２ａ内に圧入することで第１配線２１ｂの２つの部分２１ｂ_１及び２１ｂ_２に接触面積を持って挟まれ、段部２２ｂに係止されることで第２配線２１ｃ及び第３配線２１ｅから離間して、ギャップ１２ａ内に設けられる。

図５Ｂに、導電材料２３が溶融した状態、すなわち保護機能が発動した状態における保護装置２０を示す。導電材料２３は、過電流が流れると第１配線２１ｂ（部分２１ｂ_１及び２１ｂ_２）との接触抵抗により発熱し、融点を超えて溶融すると窪み２２内において孔部２１ａ_０，２１ｃ_０及び２１ｄ_０に流入してこれを満たし且つギャップ２２ａに至る高さに達して、第１配線２１ｂの２つの部分２１ｂ_１及び２１ｂ_２を接続しつつ第１配線２１ｂ、第２配線２１ｃ、及び第３配線２１ｅを接続する。

上述の構成の保護装置２０において、ギャップ２２ａを形成する第１配線２１ｂの２つの部分２１ｂ_１及び２１ｂ_２それぞれの側面を第１導体とし、第２配線２１ｃの孔部２１ｃ_０の内面を第２導体とし、第３配線２１ｅにおける窪み２２の底部に露出した部分２１ｅ_０を第２導体とする。すなわち、第１導体、第２導体、及び第３導体は、基体２１内の異なる配線層２１ｂ，２１ｃ及び２１ｅに設けられ、隣接する第１及び第２導体間には絶縁層２１ａが設けられ、隣接する第２及び第３導体間には絶縁層２１ｄが設けられている。基体２１は、窪み２２が形成され、窪み２２内において第１、第２、及び第３導体は互いに離間する。導電材料２３は、固体状態において、第１導体に接し、第２及び第３導体から離間して窪み２２内に設けられる。このとき、導電材料２３は、第１導体、第２導体、及び第３導体のいずれの間も電気的に接続しない。第１導体に導電材料２３を介して過電流が通電すると、導電材料２３が、第１導体との接触抵抗により発熱し、その温度が融点を超えて溶融し、窪み２２に流入して第１導体、第２導体、及び第３導体を電気的に接続することで、保護機能を発動する。

図６は、変形例に係る保護装置２０を搭載した半導体装置１１０の回路構成を示す。半導体装置１１０において、半導体素子３は、ソース端子６Ｓ、ゲート端子６Ｇ、及びドレイン端子６Ｄの間に接続される。半導体素子３は、ゲート端子６Ｇを介して、接続状態を制御するための制御信号がゲート電極Ｇに入力されることでオンオフされて、ソース端子６Ｓ及びドレイン端子６Ｄ間に通電する又は通電を止める。

保護装置２０は、一例として、半導体素子３のドレイン電極Ｄとドレイン端子６Ｄとの間に設けられる。保護装置２０を構成する第１配線２１ｂの２つの部分２１ｂ_１及び２１ｂ_２はそれぞれドレイン電極Ｄ及びドレイン端子６Ｄに接続され、第２配線２１ｃはゲート電極Ｇに接続され、第３配線２１ｅはソース電極Ｓに接続される。保護装置２０は、短絡等の異常により半導体素子３に過電流が通電すると保護機能が発動し、導電材料２３を溶融して第１配線２１ｂ、第２配線２１ｃ、及び第３配線２１ｅを接続することで、ドレイン端子６Ｄ、ゲート端子６Ｇ、及びソース端子６Ｓを接続する。これにより、半導体装置１１０は動作しない状態になる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１…ケース、１ａ…ベース基板、１ｂ…カバー、２…基板、２ａ…絶縁板、２ｂ…配線層、２ｃ…金属層、３…半導体素子、４…導通ポスト、４Ｄ…ポスト、４Ｇ…ポスト、４Ｓ…ポスト、５…配線基板、５ａ…絶縁板、５ｂ…配線層、５ｂ_１，５ｂ_２，５ｂ_３，５ｂ_４…配線パターン、５ｃ…配線層、５ｃ_０…開口、６…端子、６Ｄ…ドレイン端子、６Ｇ…ゲート端子、６Ｓ…ソース端子、６Ｔ…補助ソース端子、７…ゲル充填材、１０…保護装置、１１…基体、１１ａ…絶縁層、１１ａ_０…孔部、１１ｂ…第１配線、１１ｂ_１，１１ｂ_２…部分、１１ｃ…第２配線、１１ｃ_０…部分、１２…窪み、１２ａ…ギャップ、１２ｂ…段部、１３…導電材料、２０…保護装置、２１…基体、２１ａ…第１絶縁層、２１ａ_０…孔部、２１ｂ…第１配線、２１ｂ_１，２１ｂ_２…部分、２１ｃ…第２配線、２１ｃ_０…孔部、２１ｄ…第２絶縁層、２１ｄ_０…孔部、２１ｅ…第３配線、２１ｅ_０…部分、２２…窪み、２２ａ…ギャップ、２２ｂ…段部、２３…導電材料、１００…半導体装置。

Claims (14)

1. 窪み、並びに、少なくとも一部が前記窪み内において離間して設けられる第１導体および第２導体を有する基体と、
   固体状態で前記第１導体および前記第２導体の少なくとも一方と離間して設けられ、温度が融点に達したことに応じて溶融すると前記窪み内に流入して前記第１導体および前記第２導体の間を電気的に接続する導電材料と、
   を備える保護装置。
2. 前記基体は、固体状態の前記導電材料を介して電流を流す第１配線を有し、
   前記第１配線における固体状態の前記導電材料が設けられるギャップは、前記窪みの少なくとも一部を構成する請求項１に記載の保護装置。
3. 前記基体は、前記第１配線が設けられた層の下に絶縁層を有し、
   前記窪みにおける前記絶縁層の部分の内壁は、少なくとも一部において、前記ギャップの内壁よりも前記窪み内に突出する請求項２に記載の保護装置。
4. 前記導電材料は、溶融状態で前記窪み内における前記第１配線のギャップに至る高さに達する請求項２または３に記載の保護装置。
5. 前記第１配線のギャップ部分が前記第１導体に対応する請求項２から４のいずれか一項に記載の保護装置。
6. 前記基体は、前記基体の内部層に設けられ、上面の一部が前記窪みの底部に露出する第２配線を有し、
   前記第２配線における前記窪みの底部に露出した部分が前記第２導体に対応する
   請求項５に記載の保護装置。
7. 前記基体は、少なくとも一部が前記窪み内において前記第１導体および前記第２導体と離間した第３導体を有し、
   前記導電材料は、固体状態において前記第１導体、前記第２導体、および前記第３導体のいずれの間も電気的に接続せず、溶融すると前記窪み内に流入して前記第１導体、前記第２導体、および前記第３導体を電気的に接続する請求項１から６のいずれか一項に記載の保護装置。
8. 前記第１導体、前記第２導体、および前記第３導体は、前記基体における異なる導電層に設けられ、
   前記第１導体、前記第２導体、および前記第３導体のうち隣接する導体間には絶縁層が設けられる
   請求項７に記載の保護装置。
9. 前記導電材料は、固体状態で少なくとも一部が前記窪み内に設けられ、
   前記基体は、前記導電材料および前記窪みの上方を覆うカバー部を更に備える請求項１から８のいずれか一項に記載の保護装置。
10. 固体状態の前記導電材料は、前記基体の上面に対し上方に突出し、溶融すると突出部分が前記窪み内へと流入する請求項１から９のいずれか一項に記載の保護装置。
11. 固体状態の前記導電材料は、前記基体の上方から視認可能とするべく表面が塗料によって色付けされ、溶融すると前記塗料が前記導電材料に溶け込んで前記基体の上方から見た色が変化する請求項１から１０のいずれか一項に記載の保護装置。
12. 第１端子、第２端子、並びに、前記第１端子および前記第２端子の間の接続状態を制御する制御端子を有する半導体素子と、
    異常が発生したことに応じて前記第１端子、前記第２端子、および前記制御端子のうちの少なくとも２つの端子間をショートさせる請求項１から１０のいずれか一項に記載の保護装置と、
    を備える半導体装置。
13. 前記保護装置は、異常が発生したことに応じて前記制御端子と前記第１端子および前記第２端子の少なくとも１つとの間をショートさせる請求項１２に記載の半導体装置。
14. 窪み、並びに、少なくとも一部が前記窪み内において離間して設けられる第１導体および第２導体を有する基体を製造する段階と、
    温度が融点に達したことに応じて溶融すると前記窪み内に流入して前記第１導体および前記第２導体の間を電気的に接続する導電材料を、固体状態において前記第１導体および前記第２導体の少なくとも一方と離間する位置に取り付ける段階と、
    を備える製造方法。

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