KR930011798B1 - 반도체장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 도시바
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Abstract

내용 없음.

Description

반도체장치
제1a도는 본 발명에 따른 반도체장치의 1실시예의 사시도.
제1b도는 제1a도의 도시된 반도체장치의 검출전류와 자계의 방향을 나타낸 사시도.
제2도 및 제3도는 본 발명에 따른 반도체장치의 다른 실시예를 나타낸 사시도.
제4a도는 종래의 반도체장치의 구조를 나타낸 사시도.
제4b도 제4a도에 도시된 반도체장치의 외관을 나타낸 사시도.
제4c도 제4a도에 도시된 반도체장치의 등가회로도.
제5도는 종래의 반도체장치의 전류검출방법을 설명하기 위한 회로도.
제6a도는 종래의 전류검출기능이 내장된 반도체장치의 구조를 나타낸 사시도.
제6b도는 제6a도에 도시된 반도체장치에 등가회로도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : 실장용 기판 102 : 반도체소자
103,108,203,303,308 : 도전부재(동판) 104 : 주전류용 외부단자(콜렉터)
106 : 주전극(에미터) 101 : 주전류용 외부단자(에미터)
111,211 : 자전변환소자 116,117 : 제어전류입력 외부단자
118,119 : 전류검출신호출력 외부단자
[산업상의 이용분야]
본 발명은 다이오드와 트랜지스터, 다이리스터 등의 반도체소자를 내장한 반도체장치에 관한 것으로, 특히 과전류 검출기능을 갖춘 대전력 반도체장치(大電力 半導體裝置)에 사용되는 기술에 관한 것이다.
[종래의 기술 및 그 문제점]
이하, 일반적으로 사용되고 있는 대전류 반도체장치의 구조의 종래예로서 IGBT(절연게이트 바이폴라 트랜지스터)를 취하여 설명한다.
제4a도는 IGBT의 내부구조를 나타낸 사시도(수지밀봉부의 도시는 생략함)이고, 제4b도는 IGBT의 외관도이며, 제4c도는 IGBT의 등가회로도이다. 제4a도에 나타낸 것처럼. 세라믹판(Ceramic 板)상에 동판(2,3,4: 銅版)이 피착된 실장용 기판(1; 實裝用 基坂)을 사용한다. 그리고 반도체소자 칩(5;IGBT)은 한쪽의 주면(이면)에 콜렉터전극(主電極)을, 다른쪽 주면(표면)에 에미터전극(6;主電極) 및 게이트전극(7)을 갖추고 있다.
상기 동판(2)에는 반도체소자(5)의 콜렉터전극이 납땜등의 방법에 의해 고착되고, 금속세선등에 의해 상기 동판(3)은 게이트전극(7)과, 또한 동판(4)은 에미터전극 (6)과 각각 전기적으로 접속된다. 또한, 상기 동판(2, 3, 4)은 각각 콜렉터(C), 게이트 (G), 에미터(E)용 외부단자(8, 9, 10)에 접속되어 있다. 이러한 반도체 장치는 최종적으로 수지밀봉되어 제4b도에 나타낸 것과 같은 외관을 가지게 된다.
일반적으로, 상기한 것과 같은 대전력 반도체장치의 경우, 반도체장치의 과전류 통과에 의한 파괴사고를 방지하기 위해 다음과 같은 방식을 사용하고 있다. 즉, 제5a도에 나타낸 것처럼 전류를 검출하는 저항기(11)를 주전류로(主電流路)에 직렬로 삽입한다거나 제5b도에 나타낸 것처럼, 전류 트랜스(12; 變流器)를 주전류선로에 통과시켜서 전류를 검출함으로써 과전류통과의 정보를 검출하고, 그 정보를 T1, T2단자 혹은 T3, T4단자로부터 출력하여 반도체장치의 구동회로에 궤환을 건다. 이로부터 과전류를 정지 혹은 저감시키고 있다.
그러나 제5a도에 나타낸 저항기사용에 의한 전류검출방법에서는 정상적인 통전상태에 있어서도 저항기의 양단에 발생하는 전압과 그 사이에 흐르는 전류의 곱에 의해 전력손실이 생긴다. 이 손실은 정상전류 값이 크면 클수록 커지므로 대전류를 취급하는 반도체장치에서는 전력효율이 저하된다. 또한, 큰 허용손실을 필요로 하므로 저항기도 대형으로 된다. 따라서 이러한 저항기를 이용하여 전류를 검출하는 방식은 대전류를 취급하는 장치에 통상 사용되지 않고 있었다.
한편, 제5b도에 나타낸 전류 트랜스를 이용한 전류검출방법은 전술한 저항기를 이용한 방법처럼 전력손실이 생기지 않으므로 대전류에 대해서도 사용이 가능하다. 그러나 이 방법은 논리적으로 완전히 직류(di/dt=0)의 전류검출이 불가능하고, 또한 펄스전류이더라도 펄스폭이 비교적 긴 시간의 대전류를 검출하고자 하는 경우에는 꽤 큰 전류 트랜스를 사용해야만 하는 결점이 있었다.
이처럼 반도체장치내에 전류 트랜스나 저항기 등의 전류 검출기를 내장하는 것은 곤란하고, 대전력 반도체장치를 실제로 사용함에 있어서 전류가 큰 때에는 전류 트랜스, 또한 비교적 전류가 작은 때에는 저항기의 어느 것인가를 외부에 붙일 필요가 있으므로 그 취급이 번거로웠다. 또한, 전류검출기능면에서도 전술한 것과 같은 문제점이 생기고 있었다.
다음에는 일반적으로 사용되고 있은 전류검출기능 내장형 반도체장치의 일례 (IGBT)를 제6도에 나타냈다. 이 제6도에서 제4도에 동일한 부호는 동일한 부분 또는 대응되는 부분을 나타낸다.
제6a도에 나타낸 반도체소자(25)는 전류검출전극(26)을 구비하고 금속세선과 동판(27)을 통하여 전류검출(Es)의 외부단자(28)에 접속되어 있다. 이러한 반도체장치의 경우, 전류검출 외부단자로부터 전류검출을 용이하게 할 수 있다. 제6b도는 본 반도체장치의 등가회로도이다.
상기한 반도체장치의 경우, 전류검출의 출력은 전류검출 외부단자(28; 또는 Es)와 에미터 외부단자(10 또는 E)의 사이에 나타난다. 따라서 반도체소자를 복수개 직렬로 접속시켜서 사용하는 경우(통상적인 3상모우터 구동용 인버터 등), 각 소자의 전류검출 출력의 접지측 단자(에미터 E)의 전위가 달라서 궤환회로의 설계가 복잡해지는 등의 문제점이 생기고 있었다. 또한, 이러한 전류검출기능 내장형 소자를 사용하는 경우, 반도체소자를 새롭게 설계·개발해야만하는 수고가 들 뿐만 아니라, 개발된 반도체소자에 있어서는 전류검출 출력용으로 설치된 전극면적에 의해 능동면적의 비율이 감소되어, 일정한 전류정력을 얻으려 하는 경우에 반도체소자의 칩사이즈가 커지고 칩의 가격이 비싸지는 등의 결점이 있었다.
상술한 바와 같이, 반도체장치의 과전류에 의한 파괴사고를 방지하는 것은 특히 대전력 반도체장치의 경우에 중요한 문제이다. 이때문에 여러가지의 과전류 검출수단이 제안되어 있다. 그중에서 반도체소자의 주전류 통전로에 직렬로 전류검출용 저항기나 전류 트랜스를 삽입하는 수단은 그 부품이 비교적 대형으로 되기 때문에 외부에 부착할 필요가 있고, 또한 저항기에서는 전력손실이 있으며 전류 트랜스는 직류전류의 검출에 부적절함과 더불어 기능면에서도 문제점이 있다.
한편, 전류검출기능 내장형 반도체소자에서는 상기 과제가 개선되기는 하지만, 3상 모우터 구동용 인버터등에서 복수개의 소자를 직병렬로 접속시켜 사용하는 경우에는 각 소자의 검출신호 출력단자쌍의 사이에 공통전위자를 설정할 수 없는 일이 많아서 궤환회로의 설계가 복잡해진다. 또한, 반도체소자내에 전류검출기능을 부가함에 수반하여 칩 사이즈가 커지는 등의 결함이 생긴다.
[발명의 목적]
본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 전류검출용 외부부품을 필요로 하지 않고, 전력손실이 적으며, 검출특성이 우수하고, 더욱이 반도체소자의 전극단자와는 전기적으로 절연되는 전류검출수단을 내장한 반도체장치를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
[발명의 구성 및 작용]
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체장치는, 실장용 기판과, 이 기판에 탑재되는 반도체소자, 이 반도체소자의 주전극과 도전부재에 의해 전기 접속되는 주전극용 외부단자, 상기 도전부재내를 흐르는 주전류로부터 발생하는 자계를 검출하는 자전변환소자(磁電變換素子)를 구비한 것을 특징으로 한다.
상기한 반도체소자의 주전극은 제어되는 부하전류가 흐르는 전극으로서, 예컨대 다이오드 및 일반적인 다이리스터 등에 있어서는 애노드전극, 캐소드전극이고, 바이폴라 트랜지스터, IGBT등에 있어서는 콜렉터전극, 에미터전극이며, MOSFET등에 있어서는 드레인전극, 소오스전극이다.
또한 반도체소자의 주전극과 주전류용 외부단자를 접속시키는 도전부재는 금속세선이나 금속판 등으로 이루어져 주전류의 통전로를 형성한다. 이러한 도전부재에 흐르는 주전류에 따라서 그 주위에 주전류의 크기에 비례한 자계가 방생한다. 이 자계는 예컨대 홀 소자(Hall 素子)가 자기저항소자(磁氣抵抗素子)처럼 자기신호를 전기신호로 변환시키는 자전변환소자에 의해 검출된다. 즉 주전류의 크기에 비례한 자계의 강도가 상기 자전변환소자에 의해 전기신호를 변환되고, 그 전기신호는 당해 소자의 1쌍의 신호출력단자에 나타난다.
한편, 상기 도전부재의 일부를 절연물상에 형성된 띠모양의 금속판으로 형성하되 주전류에 따른 자속(磁束)이 집중되는 예컨대
Figure kpo00002
자형 등의 형상으로 하며, 그 중심에 자전변환소자를 설치하는 것이 바람직한 실시형태이다.
또한, 반도체장치내에 반도체소자의 구동회로를 포함시키지 않는 경우에는 상기 자전변환소자의 전기신호를 외부로 출력하는 검출신호출력 외부단자를 설치하는 것이 필요하다.
상기 자전변환소자로부터 출력되는 전기신호는 반도체장치의 구동회로에 궤환된다. 주전류가 반도체소자를 파괴할 우려가 있는 과대전류치에 도달하기 직전의 소자파괴를 일으키지 않는 소정의 전류치에 도달한 때, 그 때의 자전변환소자의 검출전기신호를 구동회로에 궤환시켜서 구동회로를 매개하여 주전류의 증가를 억제한다거나 주전류를 단절시킨다거나 함으로써, 반도체장치의 파괴가 방지된다.
[실시예]
이하, 제1a도를 참조하여 본 발명의 제1실시예를 설명한다.
제1a도에서 참조부호 101은 알루미나 또는 질화 알미늄등의 세라믹 기판에 동판을 접착시킨 실장용기판이다. 또한, 102는 기판(101)에 탑재된 반도체소자로서, 본 실시에에서는 칩 형상의 IGBT소자를 예시했다. 이러한 IGBT(102)의 이면은 콜렉터전극으로서, 동판(103)상에 땜납으로 부착되어 있다. 그리고 상기 동판(103)에는 콜렉터 외부단자(104)가 땜납으로 부착되어 있다. 또한 반도체소자(102)의 표면에는 게이트전극(105) 및 주전극인 에미터전극(106)이 설치되어 있고, 각각의 전극으로부터 초음파 본딩법 등의 방법에 의해 금속세선(金屬細線)이 도출되어 동판(107, 108)에 각각 접속되어 있다.
상기 동판(107)에는 게이트 외부단자(109)가, 또한 동판(108)에는 에미터 외부단자(110)가 각각 땜납으로 부착되어 있다. 상기 동판(108)은 도면에 도시한 것처럼
Figure kpo00003
자 형태로 패터닝되어 있고, 그
Figure kpo00004
자의 안쪽부분에 자전변환소자인 홀센서(111; Hall sensor)가 기판(101)의 절연물상에 고착되어 있다. 상기 홀 센서(111)는 한쌍의 제어전류입력 리이드 및 한쌍의 홀 전압출력 리이드를 구비하고 있다. 그리고 상기 한쌍의 제어전류입력 리이드는 각각 동판(112, 113)에 접속되어 있고, 각 동판(112, 113)에는 각각 제어전류입력 외부단자(116, 117)가 땜납으로 부착되어 있다. 또한, 상기 한쌍의 홀 전압출력 리이드는 각각 동판(114, 115)에 접속되어 있고, 각 동판(114, 115)에는 각각 홀 전압출력 외부 단자, 즉 전류검출신호출력 외부단자(118, 119)가 땜납으로 부착되어 있다. 최종적으로, 각 외부단자의 끝부분을 노출시키고 수지밀봉하여 반도체장치를 얻게 된다. 한편, 상기 실시예에 있어서 반도체소자의 주전극과 주전류용 외부단자를 결속시키는 도전부재는 에미터에서는 금속세선과 동판(108)이고 콜렉터에서는 동판(103)이다.
상기한 구성에 의하면, 제1b도에 나타낸 것처럼 콜렉터 외부단자(104)와 에미터 외부단자(110)의 사이에 실선의 화살표 방향 120으로 전류가 흐르는 경우에 암페어 오른나사의 법칙에 의해 동판(108)의 주변에 점선 121로 나타낸 것과 같은 자계가 발생한다. 여기에서 상기 동판(108)은
Figure kpo00005
자 형태로 형성되어 있으므로, 기판면에 수직으로 통과하는 자속(磁束)은
Figure kpo00006
자의안쪽에 모아진다. 도면의
Figure kpo00007
표는 자속 B가 지면의 표면으로부터 이면으로 향하는 것을 나타낸다.
홀 센서(111)는 자속밀도가 큰
Figure kpo00008
자형의 안쪽에 설치되고, 홀 전압출력 외부단자(118, 119)간에는 자계에 비례한 전압, 즉 콜렉터와 에미터간을 흐르는 주전류의 크기에 비례한 전압이 출력된다. 한편, 상기 홀 센서(111)의 제어전류입력 외부단자 (116, 117)간에는 수 mA의 제어전류를 통전시키고 있다.
이와 같이 반도체소자에 흐르는 주전류의 검출이 반도체장치 내부에서 이루어지기 때문에 전류검출을 위해 격별 저항기나 전류 트랜스 등을 외부에 부착하는 작업이 불필요하고 매우 용이하게 취급할 수 있다.
더욱이, 전류검출은 반도체소자의 상기 도전부재를 흐르는 주전류에 부수되는 자계를 유효하게 이용하여 이루어지고 있기 때문에, 전류검출에 의한 전력손실은 거의 생기지 않는다. 또한, 반도체소자의 직류를 포함하는 모든 주파수대역에서의 동작에 있어서도 전류검출이 가능하고, 더욱이 전류검출신호 출력단자와 반도체소자의 전극은 전기적으로 절연되어 있다는 장점을 갖고 있기 때문에, 궤환회로의 설계 등에 대해 매우 용이하게 취급할 수 있다.
한편, 상기 실시예는 반도체소자의 에미터측 도전부재에서 발생하는 자계로부터 주전류를 검출하도록 되어 있지만, 제2a도에 나타낸 것처럼 콜렉터측의 도전부재로부터 마찬가지 수법으로 전류를 검출하는 방법을 사용해도 지장은 없다. 제2a도에 있어서, 제1도와 동일한 부호는 동일한 부분이나 대응되는 부분을 나타낸다. 반도체소자 (102)의 이면의 콜렉터전극은 땜납 등에 의해 동판(203)에 고착되고, 동판(203; 도전부재)은 그 일부가
Figure kpo00009
자형으로 형성되며 그 안쪽에 전변환소자(211)가 배치된다.
또한, 에미터측의 도전부재와 콜렉터측의 도전부재 양쪽으로부터 발생하는 자계의 합에 의해 주전류를 검출하는 방법을 사용해도 지장이 없다. 제2b도는 이러한 경우 도전부재를 배치하는 예를 나타낸 모식도이다. 즉, 콜렉터측의 동판(303)과 에미터측의 동판(308)으로 둘러싸인 ㅁ자형의 안쪽에 자전변환소자를 배치한다. 도면을 보기 쉽게 하기 위해 자전변환소자는 도시하지 않았지만, 그 소자의 입출력 리이드와 동판이 교차하는 부분에는 층간절연막을 끼워 넣는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 실시에에서는 도전부재의 일부 동판형상을
Figure kpo00010
자형 혹은 ㅁ자형으로 했지만, 이와 달리 원형이어도 좋고 또한 동판으로 둘러 감은 형상의 코일을 형성해도 지장은 없다. 단, 코일의 귄취수 증가 등에 의해 주전류통로에 무시할 수 없는 기생 리액턴스가 부가되면 스위칭 특성이 악화되므로 주의를 기울일 필요가 있다.
또한, 상기 실시예는 기판상에 형성된 금속판으로부터 발생하는 자계를 검출하도록 되어 있지만, 주전류가 흐르는 금속세선 혹은 외부단자의 일부로부터 발생하는 자계를 검출하도록 해도 지장은 없다. 그러나 홀센서의 배치에는 주의를 기울일 필요가 있다.
또한, 상기 실시예에 있어서는 전류검출의 자전변환소자로서 홀 센서를 이용했지만, 증폭기 부착 홀 IC를 이용해도 지장이 없다. 이 경우에는 비교적 작은 전류의 검출도 고감도로 할 수 있다. 더욱이, 자전변환소자로서 자기저항소자 등을 이용해도 지장은 없다. 이 경우, 반도체소자의 주전류에 대한 자전변환소자의 출력신호의 직선성은 나쁘게 되지만, 주전류와 출력신호가 1:1로 대응된다면 지장은 없다.
또한, 상기 실시에에 있어서는 반도체소자로서 IGBT를 예로 들어 설명했지만, 반도체소자는 IGBT에 국한되지 않고 대전력 반도체소자 전반에 적용될 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 실시예에서는 반도체장치내에 1개의 반도체소자(자전변환소자를 제외함)를 포함하도록 되어 있지만, 예컨대 프리 호일링 다이오드 등과 같이 복수개의 반도체소자를 포함하도록 해도 지장이 없다. 그 일례를 제3도에 나타냈다. 제3도에 있어서, 참조부호 320은 프리 호일링 다이오드이다. 이 예에서는 유도성 부하를 접속시킨 경우 다이오드에 흐르는 회귀전류에 부수되는 자계는 홀 센서에서 검출되지 않도록 접속시키고 있다.
한편, 본 발명의 반도체장치에서는 복수개의 파워 디바이스를 다른 전자부품과 더불어 1개의 패키지에 조립하는 소위 파워 모듈도 포함되고, 또한 리이드 프레임을 실장기판으로 하여 파워 디바이스 및 자전변환소자 등을 수지밀봉한 것도 포함된다.
또한, 상기 실시예에서는 반도체소자로서 칩 형상의 소자를 사용했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대 수지밀봉되어 외브 리이드만 노출된 반도체소자 등이어도 지장은 없다.
[발명의 효과]
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 반도체장치는 장치내의 도전부재를 흐르는 주전류에 부수되는 자계를 내장된 자전변환소자로 검출하고, 그 소자의 검출신호출력에 의해 과전류의 제어를 가능하게 한 것이다. 따라서 본 발명의장치에서는 저항기나 전류 트랜스 등의 전류검출용 외부 부착 부품이 불필요하고, 또한 주전류에 부수되는 자계를 유효하게 이용하므로 전류검출을 위한 전력손실은 극히 적으며, 직류를 포함하는 모든 주파수대역에 걸쳐서 우수한 검출특성을 나타낸다. 또한, 검출신호 출력단자와 반도체소자의 전극단자는 전기적으로 절연되어 있기 때문에, 특히 반도체장치를 복수개 직렬로 접속시켜서 사용하는 경우에 각 장치의 전류검출 출력단자의 접지를 공통으로 할 수 있어서 궤환회로의 설계가 용이해진다.
이로써, 본 발명을 통하여 상기한 것처럼 우수한 전류검출수단을 내장한 반도체장치를 구현할 수 있다.

Claims (1)

  1. 실장용 기판(101)과, 이 기판(101)에 탑재되는 반도체소자(102), 이 반도체소자(102)의 주전극과 도전부재에 의해 전기접속되는 주전류용 외부단자(110), 상기 도전부재내를 흐르는 주전류로 부터 발생하는 자계를 검출하는 자전변환소자(111)를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 반도체장치.
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