JP7369020B2 - 電流検出器及びパワーモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、電流検出器及びパワーモジュールに関する。
従来、電力損失の少ない電流検出器として、コイルを備える電流検出器が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示の電流検出器７００は、図１１に示すように、検出対象電流が流れる導体部材７２０と離隔した位置で導体部材７２０を取り囲む位置に配置されたコイル７３０（いわゆるロゴスキーコイル）を備えている。
このようなコイルを備えた電流検出器をパワーモジュールに適用することも知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示のパワーモジュール８００は、図１２に示すように、回路基板８１０と、回路基板８１０上に配置されたチップ（ＩＧＢＴ）８２０と、チップ８２０の電極と電気的に接続されたクリップリード８３０（導体部材）と、クリップリード８３０が貫通孔内を通るように配置され、クリップリード８３０を流れる電流を検出する電流検出器７００とを備えている。電流検出器７００においては、クリップリード８３０の所定の箇所（主電流導通路Ｃを囲む位置）にコイル７３０が配置されている。このようなパワーモジュール８００によれば、クリップリード８３０の所定の箇所（主電流導通路Ｃを囲む位置）にコイル７３０が配置されているため、検出対象電流が抵抗を流れることに起因した電力損失が発生せず、電流検出器としてシャント抵抗を用いた場合と比較して電力損失が少なくて済む。
ところで近年、電源装置（電力変換回路）やパワーモジュールの小型化の要請に伴い、パワーモジュール内に組み込まれる電流検出器のより一層の小型化が求められている。そこで、シリコン基板等の基体に微細加工を施すＭＥＭＳ技術を適用することにより、コイルを備える電流検出器をより一層小型化することが考えられている。
本発明の発明者らは、微細加工を施すＭＥＭＳ技術を電流検出器に適用することを目的として鋭意研究を行った結果、基体にコイルが形成された電流検出器を発明し、特願２０１９―０８４８２７号としてすでに出願している。その先願に係る電流検出器９００は、図１３に示すように、高抵抗基体９１０と、高抵抗基体９１０に形成され、高抵抗基体９１０を貫通するように検出対象電流が流れる主電流導通部９２０と、高抵抗基体９１０に形成され、主電流導通部９２０と離隔して主電流導通部９２０を取り囲む位置に配置されたコイル９３０とを備える。コイル９３０は、高抵抗基体９１０の両面に形成された導体膜９３２，９３３を、高抵抗基体９１０の厚さ方向に形成されたビア９３４を介して接続することによって形成されたロゴスキーコイルである。図１３（ｂ）において、符号９１４は酸化膜を示し、符号９２２は導体膜を示し、符号９３１は戻し線を示す。このような電流検出器９００によれば、コイル９３０を基板（高抵抗基体９１０）に形成するため、ＭＥＭＳ技術を適用することができ、電流検出器の小型化を実現できる。また、電流検出器９００によれば、基板として高抵抗基体（例えば、高抵抗のシリコン基板）を用いるため、接地線から主電流導通部９２０に入り込むノイズの影響を低減することができる。
特開２００６－１８９３１９号公報 特開２０００－１７１４９１号公報
しかしながら、先願に係る電流検出器９００において、高温動作となった場合には、温度特性によって高抵抗基体９１０のインピーダンスが低下してしまう場合があることがわかった。この場合には、接地線から主電流導通部９２０に入り込むノイズの影響を低減する効果が薄れ、電流を高い精度で測定することが難しくなるおそれがある。これは、検出対象電流が流れる主電流導通部９２０を高抵抗基体９１０に形成したため、熱が主電流導通部９２０から高抵抗基体９１０に伝わり易くなり、高抵抗基体９１０が高温になってしまうことが原因であると考えられる。
そこで、主電流導通部を形成する代わりに基体の中央部をくり抜いて貫通孔を形成したリング形状の電流検出器とし、基体の中央部の貫通孔内を通るように主電流導通路となる導体部材を配置して、導体部材と基体との間を離隔する（主電流導通路から基体に直接熱伝達しないようにする）ことが考えられるが、このようなリング状の電流検出器を回路基板上に安定して実装することは容易ではない、という問題がある。
そこで、本発明は上記した問題を解決するためになされたものであり、小型でありながら、主電流導通路としての導体部材に流れる電流を高い精度で測定することができ、かつ、安定して実装することが容易な電流検出器を提供することを目的とする。また、このような電流検出器を有するパワーモジュールを提供することを目的とする。
本発明の電流検出器は、貫通孔を有する基体と、前記基体に形成され、前記貫通孔と離隔して前記貫通孔を取り囲む位置に配置されたコイルと、前記基体の少なくとも一方面側に設けられた絶縁部と、前記絶縁部の表面に設けられた接合部と、前記接合部に接合され、回路基板に取り付けるための取付部とを備え、前記貫通孔内を通して配置される導体部材を流れる電流を検出することを特徴とする。
本発明のパワーモジュールは、回路基板と、前記回路基板上に配置され、電極を有するチップと、前記チップの前記電極と電気的に接続された導体部材と、貫通孔が形成されており、前記貫通孔内を前記導体部材が通るように配置され、前記導体部材を流れる電流を検出する本発明の電流検出器とを備え、前記電流検出器は、前記電流検出器の取付部を介して前記回路基板と接合されていることを特徴とする。
本発明の電流検出器及びパワーモジュールによれば、コイルを基体（基板）に形成するため、ＭＥＭＳ技術を適用した加工が可能となる。従って、基体の厚さが直径となるコイルを形成することができ、薄型化することや接地面積を狭くすることができる。その結果、コイルを用いた電流検出器を小型化することができる。
また、本発明の電流検出器及びパワーモジュールによれば、貫通孔を有する基体と、基体に形成され、貫通孔から離隔して貫通孔を取り囲む位置に配置されたコイルとを備えるため、貫通孔内を通る導体部材から基体に直接熱伝達しないようにすることができる。従って、高温動作となった場合であっても、導体部材から基体に熱が伝わり難くなり、温度特性による基体のインピーダンスの低下を防ぐことができる。従って、高温動作となった場合であっても、接地線から導体部材に入り込むノイズの影響を低減する効果を維持することができ、その結果、導体部材を流れる電流を高い精度で測定することができる。
また、本発明の電流検出器及びパワーモジュールによれば、基体及びコイルを支持するための取付部を備えるため、リング形状の電流検出器を安定して実装することができる。
従って、本発明の電流検出器及びパワーモジュールによれば、電流検出器は、小型でありながら、導体部材に流れる電流を高い精度で測定することができ、かつ、安定して実装することが可能な電流検出器となる。
ところで、基体にコイルを形成して樹脂封止したものを直接回路基板に載置する（下面全体が回路基板に直接接合される）と、高温動作等で回路基板に反りが生じる方向に応力が働いたときに、当該応力が基体及びコイルに伝達され易く、電流検出器が破壊され易くなるおそれがある。これに対して、本発明の電流検出器及びパワーモジュールによれば、回路基板に取り付けるための取付部を備えるため、高温動作等で回路基板に反りが生じる方向に応力が働いたときでも、当該取付部によって基体及びコイルに伝達される応力を緩和することができ、電流検出器が破壊され難くなる。また、基体として、比較的外部の応力の影響に弱い素材からなる基体（例えば、外部の応力の影響で割れやすいシリコン基体等）を用いることができる。
実施形態１に係るパワーモジュール１の斜視図である。 実施形態１に係る電流検出器１００を示す図である。 図１のIII－III断面図である。 実施形態１に係る電流検出器１００の基体１１０及びコイル１２０を説明するための図である。 変形例１に係る電流検出器１０１を示す断面図である。 変形例２に係るパワーモジュール２の斜視図である。 実施形態２に係るパワーモジュール３を示す図である。 実施形態３に係るパワーモジュール４を示す図である。 変形例３に係るパワーモジュール５の斜視図である。 変形例４として、実施形態１に係る電流検出器１００の実装例を示す断面図である。 特許文献１に記載の電流検出器７００を説明するために示す図である。 特許文献２に記載のパワーモジュール８００を説明するために示す図である。 先願に係る電流検出器９００を説明するための図である。
以下、本発明の電流検出器及びパワーモジュールについて、図に示す実施形態に基づいて説明する。なお、各図面は模式図であり、必ずしも実際の寸法を厳密に反映したものではない。以下に説明する各実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、各実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。各実施形態においては、基本的な構成、特徴、機能等が同じ構成、要素（形状等が完全に同一ではない構成要素を含む。）については、実施形態をまたいで同じ符号を使用するとともに再度の説明を省略することがある。
［実施形態１］
１．実施形態１に係るパワーモジュール１の構成
図１は、実施形態１に係るパワーモジュール１の斜視図である。図２は、実施形態１に係る電流検出器１００を示す図である。
実施形態１に係るパワーモジュール１は、図１に示すように、回路基板１０と、チップ２０と、導体部材としてのクリップリード３０，３１と、実施形態１に係る電流検出器１００と、端子Ｔ１～Ｔ５とを備える。回路基板１０、チップ２０、クリップリード３０，３１、及び、電流検出器１００は、図示しない同一の樹脂で封止されている。なお、樹脂は樹脂側貫通孔Ａ内にも充填されている。電流検出器１００は、電流検出器１００の後述する取付部１５０（取付部１５０における回路基板１０との接触面１５２）を介して回路基板１０と接合されている（図３参照。）。
実施形態１に係るパワーモジュール１においては、電流検出器１００の後述するコイル１２０に流れる電流を積分器２００で増幅することにより、クリップリード３０，３１に流れる電流を検出する。電流検出器１００の電流検出結果は制御部（図示せず。）に送られ、制御部（図示せず。）は、当該検出結果に基づいてスイッチング素子（チップ２０）のオンオフを制御する。
回路基板１０は、絶縁性基板１１の一方面に配線パターン１２～１７が形成された基板である。回路基板１０としては、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板を用いるが、一般的なプリント基板でもよいし、その他適宜の基板でもよい。
チップ２０は、回路基板１０の配線パターン１４上に配置され、表面（図１の上側の面）にソース電極及びゲート電極を有し、裏面（図１の下側の面）にドレイン電極を有するスイッチング素子である。ドレイン電極は配線パターン１４と電気的に接続されている。実施形態１においては、チップ２０としてＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を用いるが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いてもよいし、その他適宜のスイッチング素子を用いてもよいし、スイッチング素子以外の（ダイオード等の）素子を用いてもよい。
電流検出器１００は、図１及び図２に示すように、中央部に矩形形状の樹脂側貫通孔Ａが形成されたリング形状をしており、外周は矩形形状（略矩形形状）をしている。電流検出器１００は、樹脂側貫通孔Ａ内をクリップリード３０，３１が通るように配置され、クリップリード３０，３１を流れる電流を検出する。このような構成とすることにより、電流検出器１００でソース電流及びゲート電流の合計の電流を検出することができることから、高い精度でドレイン電流（＝ソース電流＋ゲート電流）を検出することができる。
電流検出器１００は、樹脂１６０で封止されており、表面には電極１７０，１７１が、裏面には電極１７２,１７３がそれぞれ、樹脂１６０から露出した状態で形成されている。電流検出器１００の裏面における矩形の四隅の領域（矩形の角部近傍の領域）には、後述する取付部１５０における回路基板１０（配線パターン１４）との接触面１５２が、それぞれ樹脂１６０から露出した状態で形成されている。電流検出器１００の詳細については後述する。なお、樹脂側貫通孔Ａは、回路基板１０、チップ２０、クリップリード３０，３１、及び、電流検出器１００を封止する樹脂に設けられており、基体１１０の基体側貫通孔１１２に対応した領域に形成されている。
クリップリード３０は、図１に示すように、電流検出器１００を跨ぐように配置されており、一方端がチップ２０のソース電極と接続されており、他方端が回路基板１０の配線パターン１３と接続されている。クリップリード３１は、電流検出器１００を跨ぐように配置されており、一方端がチップ２０のゲート電極と接続されており、他方端が回路基板１０の配線パターン１２と接続されている。
端子Ｔ１～Ｔ５は、回路基板１０の配線パターン１２，１３，１４，１５，１６にそれぞれ接続されている。端子Ｔ１は配線パターン１２と接続されており、配線パターン１２はクリップリード３１を介してチップ２０のゲート電極と電気的に接続されている。すなわち、端子Ｔ１はゲート電極端子である。端子Ｔ２は配線パターン１３と接続されており、配線パターン１３はクリップリード３０を介してチップ２０のソース電極と電気的に接続されている。すなわち、端子Ｔ２はソース電極端子である。
端子Ｔ３は配線パターン１４と接続されており、配線パターン１４はチップ２０のドレイン電極と接続されている。すなわち、端子Ｔ３はドレイン電極端子である。端子Ｔ４、端子Ｔ５はそれぞれ配線パターン１５，１６と接続されており、配線パターン１５，１６はそれぞれ電流検出器１００の電極１７２，１７３と接続されている。なお、端子Ｔ４，Ｔ５は積分器２００と電気的に接続されている。積分器２００は、電流検出器１００の後述するコイル１２０に流れる誘導電流を増幅し、電流検出を行う。
２．実施形態１に係る電流検出器１００の構成
実施形態１に係る電流検出器１００は、図３に示すように、基体１１０と、コイル１２０と、戻し線１２１と、絶縁部１３０と、接合部１４０と、取付部１５０と、電極１７０～１７３（図２参照）とを備える。基体１１０、コイル１２０、戻し線１２１、絶縁部１３０、接合部１４０及び取付部１５０は、樹脂１６０で封止されている。
基体１１０は、図４に示すように、矩形平板状の高抵抗のシリコン基体であり、矩形状の基体側貫通孔１１２を有している。基体１１０は、具体的には、ＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法で形成されたシリコン基体である。基体１１０を高抵抗のシリコン基体としているため、従来から一般的に用いられてきたシリコン基体に用いるＭＥＭＳ技術を十分に活用することができる。
基体１１０の比抵抗は、１００Ωｃｍ～１×１０７Ωｃｍの範囲内にあり、１００Ωｃｍ～２２００００Ωｃｍであることがより好ましい。これにより、接地線を介してクリップリード３０にノイズ（コモンモードノイズ）が入り込んだ場合であっても、ノイズが基体１１０を通してコイル１２０、ひいては積分器２００に入り込むことを確実に防ぐことができる。すなわち、基体１１０そのものがノイズフィルタとしての役割をすることになり、一般的にノイズ対策として必要なＹコンデンサやコモンモードチョーク等を用いなくても（用いた場合にはより一層）電流検出におけるノイズの影響を低減することができる。
基体１１０の比抵抗を１００Ωｃｍ～１×１０７Ωｃｍの範囲内としたのは以下の理由による。すなわち、基体１１０の比抵抗が１００Ωｃｍ未満の場合には、電流検出器を電源装置（電力変換回路）に組み込んで使用した場合において接地線を介してクリップリード３０にノイズ（コモンモードノイズ）が入り込んだときに、クリップリード３０に入り込んだノイズが基体１１０を通してコイル１２０（及び積分器２００）に入り込んでしまい、クリップリード３０に流れる電流を高い精度で測定することが難しいからである。また、基体１１０の比抵抗を１×１０７Ωｃｍ以下としたのは、１×１０７Ωｃｍを超える高抵抗のシリコン基体を製造するのは実際上困難であるからである。
図４（ｂ）に示すように、基体１１０の表面（基体１１０とコイル１２０との間を含む）には絶縁膜１１４が形成されている。絶縁膜１１４の厚さは、０．１μｍ～１０μｍの範囲内にある。
コイル１２０は、基体１１０に形成され、基体側貫通孔１１２と離隔して基体側貫通孔１１２を取り囲む位置に配置されている。コイル１２０において、一方の端部が電極接続片１２５と接続されており、そこから基体１１０の周縁部（基体側貫通孔１１２の周囲）に沿って、らせん状（進行方向に向かって時計回りに旋回するらせん状）に基体１１０の厚さを径としたコイルが形成されている。そして、基体１１０の周縁部（基体側貫通孔１１２の周囲）に沿ってほぼ一周した位置で、コイル１２０の他方の端部が戻し線１２１と接続されている。
コイル１２０は、基体１１０の両面にそれぞれ形成された導体膜１２２，１２３を、基体１１０の厚さ方向に並列に複数形成されたビア１２４を介して接続することによって形成されたものである（図４（ａ）の右下図参照）。コイル１２０は、空芯コイルであるロゴスキーコイルである。このため、インピーダンスが小さく、電流測定による電力損失が小さくなる。また、磁束が飽和せず大電流の測定に対応することができる。
戻し線１２１は、一方の端部がコイル１２０と接続され、平面的に見て基体１１０の基体側貫通孔１１２及びコイル１２０の外側位置（コイル１２０よりも基体１１０の周端部側）に配置されている。また、戻し線１２１の他方の端部が、電極接続片１２５と並んで配置されている電極接続片１２６と接続されている。従って、コイル１２０は、電極接続片１２５から基体側貫通孔１１２を囲むようにほぼ一周し、そこから折り返して、戻し線１２１は、コイル１２０の外側位置（コイル１２０よりも基体１１０の周端部側）をほぼ一周して電極接続片１２５の外側位置を過ぎた位置で、コイル１２０の内側位置に入り込み、電極接続片１２６と接続されている。
なお、ロゴスキーコイルの特性上、コイル１２０で囲まれた面積を貫く磁束に対応した誘導電流が生じるが、戻し線１２１によって、戻し線１２１で囲まれた面積を貫く逆向きの磁束に対応した逆方向成分の誘導電流が生じて打ち消しあうため、基体側貫通孔１１２内を通して配置されるクリップリード３０，３１に導通する電流を正確に検出することができる。
図３に示すように、絶縁部１３０は、基体１１０、コイル１２０及び戻し線１２１の表面全体を覆っている。絶縁部１３０は、基体側貫通孔１１２に対応した開口を維持した状態で配置されており、基体側貫通孔１１２の内側面にも絶縁部１３０が配置されている。絶縁部１３０は、例えば、酸化膜又はポリイミドからなる。なお、絶縁部１３０は、基体１１０、コイル１２０及び戻し線１２１の表面全体ではなく、一方面のみを覆っていてもよい。
接合部１４０は、絶縁部１３０の表面に設けられた金属膜１４２と、金属膜１４２の表面に設けられた接合材１４４とを有する。金属膜１４２は、取付部１５０と絶縁部１３０とを接合させるために、絶縁部１３０の表面に設けられている。金属膜１４２は、例えば蒸着で形成した銅膜である。接合材１４４は、適宜の接合材を用いることができ、実施形態１でははんだを用いる。
取付部１５０は、接合部１４０に（金属膜１４２に接合材１４４を介して）接合された、回路基板１０に取り付けるための部材である。取付部１５０は、基体１１０側とは反対側に向かって突出する脚部１５４を有するリードフレームである。取付部１５０は、導電性部材からなり、回路基板１０に実装したときに基体１１０及びコイル１２０を支持する部材となる。脚部１５４は、板材（リードフレーム）をたたき出して凸状に突出させることによって形成されたものである。凸状に突出させた頂点部分が回路基板１０との接触面１５２となる。取付部１５０は、基体側貫通孔１１２を挟んで対称な位置に配置されており、脚部１５４（接触面１５２）は平面的に見て略矩形の電流検出器１００の四隅の領域（矩形の角部近傍の領域）にそれぞれ配置されている（図２(ｃ)参照）。
図２に示すように、取付部１５０は、全体として樹脂１６０に覆われているが、取付部１５０における脚部１５４の接触面１５２（回路基板１０に接合される面）は、樹脂１６０から露出している。平面的に見て、取付部１５０における脚部１５４の接触面１５２の面積は、電流検出器の外周（平面的に見て樹脂１６０の最外周）で囲まれた面積の４％～１６％の範囲内にある。
樹脂１６０は、耐熱性・高絶縁性の樹脂やセラミックス等により形成されている。
電極１７２，１７３は、図１及び図２に示すように、配線パターン１５、１６とそれぞれ接続されており、端子Ｔ４，Ｔ５を介して積分器２００と接続されている。電極１７０，１７１は、樹脂１６０の表面（回路基板１０と対向する側の面とは反対側の面）に並んで配置されている。電極１７０は、電極接続片１２６と接続されており、電極１７１は、電極接続片１２７と接続されている。電極１７２，１７３は、樹脂１６０の裏面（回路基板１０と対向する側の面）に並んで配置されている。
図４（ｃ）に示すように、電極接続片１２５には接続部材１８０が接続されている。接続部材１８０は、接続部材１８０の一端が中央付近で電極接続片１２５と接続され、そこから樹脂１６０の表面まで延びて樹脂１６０の表面から一部が露出し、基体１１０の端部を迂回するように（「Ｃ」の字形状となるように）回り込み、樹脂１６０の裏面で再び露出するように配置する。この接続部材１８０において、樹脂１６０の表面から露出した部分が電極１７０となり、樹脂１６０の裏面から露出した部分が電極１７２となる。図示は省略するが同様に、電極接続片１２６にも接続部材１８０（電極接続片１２５に接続された接続部材１８０とは別の接続部材１８０）が接続されている。当該接続部材１８０は、一端が中央付近で電極接続片１２６と接続され、そこから樹脂１６０の表面まで延びて樹脂１６０の表面から一部が露出し、基体１１０の端部を迂回するように（「Ｃ」の字形状となるように）回り込み、樹脂１６０の裏面で再び露出する接続部材１８０を配置する。当該接続部材１８０において、樹脂１６０の表面から露出した部分が電極１７１となり、樹脂１６０の裏面から露出した部分が電極１７３となる。
このような構成とすることにより、電流検出器１００の表面及び裏面の両方に電極を有することとなり、裏面（回路基板側）の電極１７２，１７３で回路基板と接続するとともに、表面の電極１７０，１７１を別の配線と接続することができる。このため、設計自由度を高くすることができる。
なお、図３からもわかるように、クリップリード３０とコイル１２０との間は離隔しており、コイル１２０から見て基体１１０、絶縁部１３０、樹脂１６０、樹脂側貫通孔Ａ内に充填された樹脂（樹脂封止の際に樹脂側貫通孔Ａに入り込んだ樹脂、図示せず）の順で配置されている。この絶縁部１３０等によって、クリップリード３０とコイル１２０との間には浮遊容量が存在することとなる。当該浮遊容量は、０．１ｐＦ～２０ｐＦの範囲内にあることが好ましく、この場合には、クリップリード３０に混入することがあるノイズがコイル１２０に透過し難くすることができる。
なお、クリップリード３０とコイル１２０との間の領域の浮遊容量を０．１ｐＦ以上としたのは、当該浮遊容量が０．１ｐＦ未満の電流検出器を作成するのが実際上困難であるからであり、クリップリード３０とコイル１２０との間の領域の浮遊容量を２０ｐＦ以上としたのは、当該浮遊容量が２０ｐＦを超えた場合には、基体１１０をノイズが通過しやすくなってしまうからである。
３．実施形態１に係る電流検出器１００及びパワーモジュール１の効果
実施形態１に係る電流検出器１００及びパワーモジュール１によれば、基体１１０にコイルを形成するため、ＭＥＭＳ技術を適用した加工が可能となる。従って、基体１１０の厚さが直径となるコイル１２０を形成することができ、薄型化することや接地面積を狭くすることができる。その結果、コイルを用いた電流検出器を小型化することができる。
また、実施形態１に係る電流検出器１００及びパワーモジュール１によれば、基体側貫通孔１１２を有する基体１１０と、基体１１０に形成され、基体側貫通孔１１２から離隔して基体側貫通孔１１２を取り囲む位置に配置されたコイル１２０とを備えるため、基体側貫通孔１１２内を通るクリップリード３０から基体１１０に直接熱伝達しないようにすることができる。従って、高温動作となった場合であっても、クリップリード３０から基体１１０に熱が伝わり難くなり、温度特性による基体１１０のインピーダンスの低下を防ぐことができる。従って、高温動作となった場合であっても、接地線からクリップリード３０に入り込むノイズの影響を低減する効果を維持することができ、その結果、クリップリード３０を流れる電流を高い精度で測定することができる。
また、実施形態１に係る電流検出器１００及びパワーモジュール１によれば、基体１１０及びコイル１２０を支持するための取付部１５０を備えるため、リング形状の電流検出器を安定して実装することができる。
従って、実施形態１に係る電流検出器１００及びパワーモジュール１によれば、電流検出器１００は、小型でありながら、クリップリード３０に流れる電流を高い精度で測定することができ、かつ、安定して実装することが可能な電流検出器となる。
また、実施形態１に係る電流検出器１００及びパワーモジュール１によれば、回路基板１０に取り付けるための取付部１５０を備えるため、高温動作等で回路基板に反りが生じる方向に応力が働いたときでも、当該取付部１５０によって基体１１０及びコイル１２０に伝達される応力を緩和することができ、電流検出器が破壊され難くなる。また、基体１１０として、比較的外部の応力の影響に弱い素材からなる基体（例えば、外部の応力の影響で割れやすいシリコン基体等）を用いることができる。
ところで、電流検出器１００は以下のような手順で製造される。まず、基体１１０及びコイル１２０の表面全体に絶縁部１３０を設け、当該絶縁部１３０の表面に接合部１４０を形成した組立体を形成し、当該組立体をリードフレーム上に接合材（はんだ等）を介して接合する。次に、組立体が載置されたリードフレームを金型に入れ、脚部１５４で下金型上に載置して樹脂モールドする。実施形態１に係る電流検出器１００によれば、取付部１５０は、基体１１０及びコイル１２０を回路基板１０上に支持するための脚部１５４を有するリードフレームであるため、封止する樹脂（樹脂１６０）を形成する際に、リードフレーム上に基体１１０及びコイル１２０を配置することにより基体１１０及びコイル１２０を位置決めすることができる。従って、絶縁部１３０や樹脂１６０を形成する際に、基体１１０及びコイル１２０が位置ずれし難く、高い位置決め精度で絶縁部１３０や樹脂１６０を形成することができる。
また、実施形態１に係る電流検出器１００によれば、取付部１５０は、リードフレームであるため、平板のリードフレームの一部をたたき出し等で突出させることにより容易に脚部１５４を形成することができる。
また、実施形態１に係る電流検出器１００によれば、取付部１５０は、基体１１０及びコイル１２０を回路基板１０上に支持するための脚部１５４を有するリードフレームであるため、製造過程において、高温動作等で回路基板に反りが生じる方向に応力が働いたときでも、当該応力を脚部１５４に集中させることができ、その結果、基体１１０及びコイル１２０に伝わる応力を緩和することができる。
また、実施形態１に係る電流検出器１００によれば、基体１１０、コイル１２０、絶縁部１３０、接合部１４０、及び、取付部１５０は樹脂１６０で封止されているため、安全性が高く、取り扱いが容易で、回路基板１０に配置しやすい電流検出器となる。
また、実施形態１に係る電流検出器１００によれば、取付部１５０における回路基板１０との接触面１５２は、樹脂１６０から露出しているため、導電性接合材（例えば、はんだ）を用いて脚部１５４と樹脂１６０とで回路基板１０上に安定して平面実装することができる。
また、実施形態１に係る電流検出器１００によれば、取付部１５０は、基体側貫通孔１１２を挟んで対称な位置に配置されているため、電流検出器１００が傾き難く、より安定した状態で回路基板１０上に配置することができる。
また、実施形態１に係る電流検出器１００によれば、平面的に見て、脚部１５４における回路基板１０との接触面１５２の面積は、電流検出器１００における樹脂１６０の外周で囲まれた面積の４％～１６％の範囲内にあるため、回路基板１０に反りが生じたときでも基体１１０及びコイル１２０に伝達される応力を緩和することができ、かつ、高い接合強度で回路基板１０と電流検出器１００とを接合することができる。
また、実施形態１に係る電流検出器１００によれば、コイル１２０は、基体１１０の両面に形成された導体膜１２２，１２３を、基体１１０の厚さ方向に形成されたビア１２４を介して接続することによって形成されたロゴスキーコイルであり、基体１１０の厚みを利用してコイルを形成することとなるため、基体１１０上にコイル１２０を配置した電流検出器の場合と比較して、電流検出器(コイル)の厚みを薄くする（基体１１０とほぼ同じ厚さ）ことができる。また、平板の厚みが比較的一定であることからコイル１２０の径を均一に形成し易くなる。
［変形例１］
図５は、変形例１に係る電流検出器１０１を示す断面図である。
変形例１に係る電流検出器１０１においては、基本的に実施形態１に係る電流検出器１００と同様の構成を有するが、図５に示すように、脚部１５４ａが樹脂１６０の表面から突出した状態となるように構成されている点で実施形態１に係る電流検出器１００とは異なる。
このように、変形例１に係る電流検出器１０１は、脚部が樹脂の表面から突出した状態となるように構成されている点が実施形態１に係る電流検出器１００の場合とは異なるが、実施形態１に係る電流検出器１００の場合と同様に、小型でありながら、電流導通路としてのクリップリード３０に流れる電流を高い精度で測定することができ、かつ、安定して実装することが可能な電流検出器となる。
また、変形例１に係る電流検出器１０１によれば、脚部１５４ａが樹脂１６０の表面から突出した状態となるように構成されているため、回路基板１０との接触面積が小さくなる。従って、高温動作等で回路基板に反りが生じる方向に応力が働いたときでも、当該応力を脚部１５４ａに集中させて、基体１１０及びコイル１２０に伝わる応力を緩和することができる。
また、変形例１に係る電流検出器１０１によれば、脚部１５４ａが樹脂１６０の表面から突出した状態となるように構成されているため、設計段階においてコイル１２０の高さ位置を調整することができ、設計自由度の高い電流検出器となる。
なお、変形例１に係る電流検出器１０１は、脚部１５４ａが樹脂１６０の表面から突出した状態となるように構成されている点以外の点においては実施形態１に係る電流検出器１００と同様の構成を有するため、実施形態１に係る電流検出器１００が有する効果のうち該当する効果を有する。
［変形例２］
図６は、変形例２に係るパワーモジュール２の斜視図である。
変形例２に係るパワーモジュール２においては、基本的に実施形態１に係るパワーモジュール１と同様の構成を有するが、樹脂側貫通孔Ａ内を通して配置される導体部材の構成が実施形態１に係るパワーモジュール１とは異なる。図６に示すように、変形例２に係るパワーモジュール２においては、チップ２０のドレイン電極と回路基板１０との間に配置された台座部１８が、電流検出器１００の樹脂側貫通孔A内に配置されている。このパワーモジュール２における電流検出器１００は、台座部１８を流れる電流（ドレイン電流）を検出する。
このように、変形例２に係るパワーモジュール２は、樹脂側貫通孔Ａ内を通して配置される導体部材の構成が実施形態１に係るパワーモジュール１の場合とは異なるが、実施形態１に係るパワーモジュール１の場合と同様に、電流検出器が、小型でありながら、導体部材（台座部１８）を流れる電流を高い精度で測定することができ、かつ、安定して実装することが可能な電流検出器となる。
変形例２に係るパワーモジュール２においては、チップ２０のドレイン電極と回路基板１０との間に配置された台座部１８が樹脂側貫通孔Ａ内に配置されており、電流検出器１００は台座部１８を流れるドレイン電流を直接検出することができ、ドレイン電流を高い精度で検出することができる。
なお、変形例２に係るパワーモジュール２は、樹脂側貫通孔Ａ内を通して配置される導体部材の構成以外の点においては実施形態１に係るパワーモジュール１と同様の構成を有するため、実施形態１に係るパワーモジュール１が有する効果のうち該当する効果を有する。
［実施形態２］
図７は、実施形態２に係るパワーモジュール３の断面図である。
実施形態２に係る電流検出器１０２及びパワーモジュール３においては、基本的には実施形態１に係る電流検出器１００及びパワーモジュール１と同様の構成を有するが、取付部の構成が実施形態１に係る電流検出器１００及びパワーモジュール１の場合とは異なる。すなわち、実施形態２に係る電流検出器１０２及びパワーモジュール３において、図７に示すように、取付部１５０ｂは、導電性部材からなり、回路基板１０に実装したときに基体１１０及びコイル１２０を支持する支持部となる。
取付部１５０ｂは電流検出器１０２の四隅の領域（矩形の角部近傍の領域）に設けられている。取付部１５０ｂにおいては、平面的に見て、取付部１５０ｂにおける回路基板１０と接合される接触面１５２ｂの面積は、電流検出器１０２における絶縁部１３０ａの外周で囲まれた面積の４％～１６％の範囲内にある。
絶縁部１３０ａは、基体１１０及びコイル１２０を封止する樹脂であり、接合部１４０及び取付部１５０ｂは絶縁部１３０ａの外側にある。ところで、実施形態１においては、図３に示すように、絶縁部１３０として、基体１１０、コイル１２０及び戻し線１２１の表面全体を覆っている酸化膜やポリイミドからなるものを用い、基体１１０、コイル１２０、戻し線１２１、絶縁部１３０、接合部１４０及び取付部１５０は、別の樹脂１６０で封止した。これに対して、実施形態２においては、絶縁部１３０ａとして、基体１１０、コイル１２０及び戻し線１２１を封止する樹脂を用い、別の樹脂１６０で基体１１０、コイル１２０、戻し線１２１、絶縁部１３０ａ、接合部１４０及び取付部１５０を覆っていない。しかし、実施形態２においても、別の樹脂１６０で基体１１０、コイル１２０、戻し線１２１、絶縁部１３０、接合部１４０及び取付部１５０を覆ってもよい。
このように、実施形態２に係る電流検出器１０２及びパワーモジュール３は、取付部及び絶縁部の構成が実施形態１に係る電流検出器１００及びパワーモジュール１の場合とは異なるが、実施形態１に係る電流検出器１００及びパワーモジュール１の場合と同様に、電流検出器は、小型でありながら、電流導通路としてのクリップリード３０に流れる電流を高い精度で測定することができ、かつ、安定して実装することが可能となる。
また、実施形態２に係る電流検出器１０２及びパワーモジュール３によれば、取付部１５０ｂは、導電性部材の脚部からなり、絶縁部１３０ａは、基体１１０及びコイル１２０を封止する樹脂であるため、取付部１５０ｂの構成を比較的自由に決定することができ、設計自由度が高い電流検出器となる。
なお、実施形態２に係る電流検出器１０２及びパワーモジュール３は、取付部及び絶縁部の構成以外の点においては実施形態１に係る電流検出器１００及びパワーモジュール１と同様の構成を有するため、実施形態１に係る電流検出器１００及びパワーモジュール１が有する効果のうち該当する効果を有する。
［実施形態３］
図８は、実施形態３に係るパワーモジュール４を示す図である。
実施形態３に係るパワーモジュール４においては、基本的には実施形態２に係るパワーモジュール３と同様の構成を有するが、電流検出器において、絶縁部が基体の一方面側にのみ設けられ、かつ、基体及びコイルを封止する樹脂がない点で実施形態２に係るパワーモジュール３の場合とは異なる。すなわち、実施形態３に係るパワーモジュール４においては、図８（ｄ）に示すように、絶縁部１３０ｂが基体１１０の一方面側（回路基板側）にのみ設けられ、電流検出器１０３のみを封止する樹脂がない。なお、絶縁部１３０ｂは、基体１１０及びコイル１２０の一方面側にのみ形成されているが、基体１１０及びコイル１２０の他方面側や側面、基体側貫通孔１１２の表面に形成されていてもよい。
実施形態３に係るパワーモジュール４においては、図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示すように、６つのチップが２列に３個ずつ配置されており、各チップを囲むように電流検出器１０３がそれぞれ配置されている。チップ２０からはチップ２０の電極と接続されたクリップリード３０が電流検出器１０３を跨ぐように配置されており、電流検出器１０３は、各クリップリード３０を流れる電流を検出する。実施形態３に係るパワーモジュール４においては、各チップに対応した、基体１１０、コイル１２０、絶縁部１３０、接合部１４０、取付部１５０ｃ、回路基板１０、チップ２０及びクリップリード３０，３１がすべて同一の樹脂１６０ｂで封止されている。
このように、実施形態３に係るパワーモジュール４は、電流検出器において、絶縁部が基体の一方面側に設けられ、かつ、基体及びコイルを封止する樹脂がない点で実施形態２に係るパワーモジュール３の場合とは異なるが、実施形態２に係るパワーモジュール３の場合と同様に、電流検出器は、小型でありながら、電流導通路としてのクリップリード３０に流れる電流を高い精度で測定することができ、かつ、安定して実装することが可能となる。
また、実施形態３に係るパワーモジュール４によれば、基体１１０、コイル１２０、絶縁部１３０、接合部１４０、取付部１５０ｃ、回路基板１０、チップ２０及びクリップリード３０，３１が同一の樹脂１６０ｂで封止されているため、電流検出器ごとに樹脂封止するのではなく一括して樹脂で封止できる。従って、作業工程が少なくなり、高い生産性でパワーモジュールを製造することができる。
また、実施形態３に係るパワーモジュール４によれば、基体１１０、コイル１２０、絶縁部１３０、接合部１４０、取付部１５０ｃ、回路基板１０、チップ２０及びクリップリード３０，３１が同一の樹脂１６０ｂで封止されているため、基体１１０及びコイル１２０ごとに樹脂封止する必要がないだけでなく、基体１１０及びコイル１２０を取付部１５０ｃ上に載置することで比較的容易に基体１１０及びコイル１２０の位置決めをすることができる。その結果、比較的簡便にパワーモジュールを製造することができる。
なお、実施形態３に係るパワーモジュール４は、電流検出器において、絶縁部が基体の一方面側にのみ設けられ、かつ、基体及びコイルを封止する樹脂がない点以外の点においては実施形態２に係るパワーモジュール３と同様の構成を有するため、実施形態２に係るパワーモジュール３が有する効果のうち該当する効果を有する。
以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
（１）上記各実施形態において記載した構成要素の数、形状、位置、大きさ等は例示であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。
（２）上記実施形態１においては、取付部としてリードフレームを用い、上記実施形態２及び３においては、取付部として、実装したときに基体及びコイルを支持する支持部となる取付部を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。実施形態１において、取付部として、実施形態２で用いた取付部を用いてもよいし、実施形態２及び３において、取付部として、実施形態１で用いた取付部を用いてもよい。
（３）上記実施形態２においては、取付部として導電性部材からなる取付部を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。取付部として非導電性部材からなる取付部を用いてもよい。この場合、回路基板と電流検出器とは適宜の接着剤を用いて接合する。
（４）上記各実施形態においては、導体部材としてクリップリードを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。導体部材として、導線を用いてもよいし、その他、電流が流れる適宜の導体を用いてもよい。
（５）上記各実施形態において、取付部（実施形態１においては脚部）を電流検出器の矩形の四隅の領域（矩形の角部近傍の領域）にそれぞれ設けたが、本発明はこれに限定されるものではない。取付部を矩形の四隅の領域（矩形の角部近傍の領域）以外の箇所に設けてもよい。また、隣接する矩形の四隅の領域（矩形の角部近傍の領域）の取付部を接続して直線状やリング状の取付部としてもよい。
（６）上記各実施形態においては、電流検出器をパワーモジュールに実装したが、本発明はこれに限定されるものではない。一般的な電力変換回路、電気回路、電気機器等、導体部材に流れる適宜の回路、機器等に実装してもよいし、実装せずに独立した電流検出器として用いてもよい。
（７）上記各実施形態において、貫通孔が矩形の電流検出器を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。図９は、変形例３に係るパワーモジュール５の斜視図である。貫通孔が多角形の電流検出器や円形の電流検出器（図９に示す変形例３に係る電流検出器１０４及びパワーモジュール５参照）等その他適宜の形状の貫通孔を有する電流検出器を用いてもよい。
（８）上記各実施形態において、外形が矩形の電流検出器を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。外形が多角形の電流検出器や円形の電流検出器等その他適宜の形状の外形を有する電流検出器を用いてもよい。
（９）図１０は、変形例４として、実施形態１に係る電流検出器１００の実装例を示す断面図である。なお、符号１０ａは、上側に配置された基板を示し、符号１９は上側に配置された基板上の配線を示す。上記各実施形態においては、電流検出器を平面実装したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図１０に示すように、電流検出器１００をクリップリード３２の中途に配置してもよい。
（１０）上記各実施形態において、基体として、ＦＺ法で形成された高抵抗のシリコン基体を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。基体として、ＭＣＺ法で形成されたシリコン基体を用いてもよいし、比抵抗が１００Ωｃｍ～２２００００Ωｃｍの範囲内にある、その他の方法で形成されたシリコン基体であってもよい。なお、シリコン基体の比抵抗の上限を２２００００Ωｃｍとしたのは、物性的にこれ以上の比抵抗を有するシリコン基体を製造することが困難だからである。
（１１）上記各実施形態において、基体をシリコン基体としたが、本発明はこれに限定されるものではない。基体をＳｉＣ基体としてもよい。この場合には、基体のうち少なくとも導体部材とコイルとの間の領域の比抵抗が１００Ωｃｍ～１×１０７Ωｃｍの範囲内にある必要がある。基体がＳｉＣ基体である場合にはバンドギャップが広く比抵抗が高い基体としやすいだけでなく、近年、ＳｉＣ基体に対するＭＥＭＳ加工技術も進んできており、加工しやすい。また、ＧａＮ基体、サファイア基体等のシリコン基体やＳｉＣ基体以外の半導体基体であってもよい。
（１２）上記各実施形態において、戻し線を、平面的に見て、コイルで囲まれている領域の外側に配置したが、本発明はこれに限定されるものではない。戻し線を、平面的に見て、コイルで囲まれている領域の内側に配置してもよいし、コイルで囲まれている領域の内側と外側とを横断するように配置してもよい。コイルで囲まれている領域の内側と外側とを横断するように配置した場合には、平面的に見て、戻し線がコイルで囲まれている領域の内側に配置されている部分における戻し線とコイルとの間の領域の面積を、戻し線がコイルで囲まれている領域の外側に配置されている部分における戻し線とコイルとの間の領域の面積と等しくする方が好ましい。この場合には、コイルで囲まれた領域を貫く磁束によって生じる誘導電流と、戻し線で囲まれた面積を貫く磁束によって生じる誘導電流とをより均等に打ち消しあうため、導体部材に導通する電流をより正確に検出することができる。
１，２，３，４，５，８００…パワーモジュール、１０…回路基板、２０，８２０…チップ、３０，３１，８３０…導体部材（クリップリード）、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，７００，７００ａ，９００…電流検出器、１１０、８１０…基体、１１２…貫通孔、１２０，７３０，７３０ａ,９３０…コイル、１２３，１２４，９３３，９３４…導体膜、１２５,９３５…ビア、１３０，１３０ａ，１３０ｂ…絶縁部、１４０…金属膜、１５０，１５０ａ…取付部、１５２，１５２ａ…脚部

Claims (8)

  1. 貫通孔を有する基体と、
    前記基体に形成され、前記貫通孔と離隔して前記貫通孔を取り囲む位置に配置されたコイルと、
    前記基体の少なくとも一方面側に設けられた絶縁部と、
    前記絶縁部の表面に設けられた接合部と、
    前記接合部に接合され、回路基板に取り付けるための取付部とを備え、
    前記貫通孔内を通して配置される導体部材を流れる電流を検出し、
    前記取付部は、前記基体側とは反対側に向かって突出する脚部を有するリードフレームであることを特徴とする電流検出器。
  2. 貫通孔を有する基体と、
    前記基体に形成され、前記貫通孔と離隔して前記貫通孔を取り囲む位置に配置されたコイルと、
    前記基体の少なくとも一方面側に設けられた絶縁部と、
    前記絶縁部の表面に設けられた接合部と、
    前記接合部に接合され、回路基板に取り付けるための取付部とを備え、
    前記貫通孔内を通して配置される導体部材を流れる電流を検出し、
    前記基体、前記コイル、前記絶縁部、前記接合部、及び、前記取付部は樹脂で封止されており、
    前記取付部における前記回路基板との接触面は、前記樹脂から露出していることを特徴とする電流検出器。
  3. 貫通孔を有する基体と、
    前記基体に形成され、前記貫通孔と離隔して前記貫通孔を取り囲む位置に配置されたコイルと、
    前記基体の少なくとも一方面側に設けられた絶縁部と、
    前記絶縁部の表面に設けられた接合部と、
    前記接合部に接合され、回路基板に取り付けるための取付部とを備え、
    前記貫通孔内を通して配置される導体部材を流れる電流を検出し、
    前記基体、前記コイル、前記絶縁部、前記接合部、及び、前記取付部は樹脂で封止されており、
    前記取付部は、前記樹脂の表面から突出した状態となるように構成されていることを特徴とする電流検出器。
  4. 貫通孔を有する基体と、
    前記基体に形成され、前記貫通孔と離隔して前記貫通孔を取り囲む位置に配置されたコイルと、
    前記基体の少なくとも一方面側に設けられた絶縁部と、
    前記絶縁部の表面に設けられた接合部と、
    前記接合部に接合され、回路基板に取り付けるための取付部とを備え、
    前記貫通孔内を通して配置される導体部材を流れる電流を検出し、
    前記取付部における前記回路基板との接触面は、前記貫通孔を挟んで対称な位置に配置されていることを特徴とする電流検出器。
  5. 前記接合部は、前記絶縁部の表面に設けられた金属膜と、前記金属膜の表面に設けられた接合材とを有する請求項１～４のいずれかに記載の電流検出器。
  6. 前記コイルは、前記基体の両面に形成された導体膜を、前記基体の厚さ方向に形成されたビアを介して接続することによって形成されたロゴスキーコイルであることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の電流検出器。
  7. 回路基板と、
    前記回路基板上に配置され、電極を有するチップと、
    前記チップの前記電極と電気的に接続された導体部材と、
    貫通孔が形成されており、前記貫通孔内を前記導体部材が通るように配置され、前記導体部材を流れる電流を検出する請求項１～６のいずれかに記載の電流検出器とを備え、
    前記電流検出器は、前記電流検出器の取付部を介して前記回路基板と接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
  8. 前記回路基板、前記チップ、前記導体部材、及び、前記電流検出器は、同一の樹脂で封止されていることを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュール。
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