WO2019167104A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device capable of suppressing an induced current generated in a loop formed by a connection between a sense terminal and an emitter terminal and a sense resistor when detecting a current flowing through a semiconductor element such as an IGBT.
  • a sense terminal and an emitter terminal of a semiconductor element are connected to a control terminal of a control board in order to detect a current flowing through a semiconductor element such as an IGBT.
  • a sense resistor is disposed on the control board, and the sense resistor is connected to a control terminal connected to the sense terminal and a control terminal connected to the emitter terminal.
  • the control board detects a current flowing through the semiconductor element by detecting a potential difference between both ends of the sense resistor.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor device including a control circuit unit having a function equivalent to that of a control board in a case.
  • a control circuit unit having a function equivalent to that of a control board in a case.
  • Patent Document 1 has a problem that the package size of the semiconductor device increases because the insulating substrate and the control circuit unit are accommodated in the case.
  • an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of performing highly accurate current detection by suppressing an increase in package size and suppressing an induced current caused by magnetic flux.
  • a semiconductor device is a semiconductor device that can be connected to a control substrate that detects a current flowing through a semiconductor element included in the semiconductor device.
  • the semiconductor device is disposed on the insulating substrate, and has a sense electrode and an emitter electrode. And a sense resistor disposed on the insulating substrate and having one end connected to the sense electrode and the other end connected to the emitter electrode. The current flowing through the semiconductor element is detected by detecting a potential difference between both ends of the resistor.
  • the sense resistor since the sense resistor is disposed on the insulating substrate on which the semiconductor element is disposed, the sense resistor can be disposed in the immediate vicinity of the semiconductor element. As a result, the distance between the sense electrode and the emitter electrode and the sense resistor is shortened, and the loop formed by these connections is also reduced. Since the induced current caused by the magnetic flux can be suppressed, highly accurate current detection can be performed. Further, since the semiconductor device does not include a control board and includes only a sense resistor included in a conventional control board, an increase in package size can be suppressed.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device according to a first embodiment and a control board connected to the semiconductor device.
  • 1 is a perspective view of a semiconductor device according to a first embodiment and a control board connected to the semiconductor device.
  • FIG. 3 is a plan view of a sense resistor and its periphery included in the semiconductor device according to the first embodiment. It is a perspective view of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2, and a control board connected to this.
  • FIG. 6 is a plan view of a sense resistor and its periphery provided in a semiconductor device according to a second embodiment. It is a perspective view of the semiconductor device which concerns on Embodiment 3, and a control board connected to this. It is explanatory drawing for demonstrating that an induced current cancels. It is a schematic block diagram of the semiconductor device which concerns on Embodiment 4, and a control board connected to this.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device 1 according to the first embodiment and a control board 100 connected thereto.
  • FIG. 2 is a perspective view of the semiconductor device 1 and the control board 100.
  • FIG. 3 is a plan view of the sense resistor 4 included in the semiconductor device 1 and its periphery.
  • the semiconductor device 1 includes an insulating substrate 2, an IGBT 3 as a semiconductor element, a sense resistor 4, a diode 5, a gate terminal 6, a sense terminal 7, an emitter terminal 8, an anode terminal 9, and a cathode terminal. 10, a mounting portion 11, a heat dissipation material 12, and a case 13.
  • the IGBT 3 is disposed on the upper surface of the insulating substrate 2. More specifically, the IGBT 3 is disposed on the upper surface of the electrode pattern 2 a provided on the upper surface of the insulating substrate 2.
  • the IGBT 3 includes a gate electrode connected to the gate terminal 6, a sense electrode connected to the sense terminal 7, and an emitter electrode connected to the emitter terminal 8.
  • the diode 5 is disposed on the upper surface of the insulating substrate 2 or mounted as an on-chip temperature sensor in the chip of the IGBT 3, and an anode electrode connected to the anode terminal 9 and a cathode electrode connected to the cathode terminal 10. It has.
  • the sense resistor 4 is disposed on the upper surface of the electrode pattern 2b provided on the upper surface of the insulating substrate 2, and one end is connected to the sense electrode of the IGBT 3 via the wire 14a and the other. The end is connected to the emitter electrode of the IGBT 3 through a wire 14b.
  • the arrangement of the sense resistor 4 will be described later.
  • an insulating substrate 2 and an L-shaped attachment portion 11 in a front view are arranged on the upper surface of the heat dissipation material 12, and the periphery of the upper surface of the heat dissipation material 12 so as to surround the insulation substrate 2 and the attachment portion 11.
  • a case 13 is arranged in the part.
  • a gate terminal 6, a sense terminal 7, an emitter terminal 8, an anode terminal 9, and a cathode terminal 10 are disposed on the attachment portion 11. In FIG. 2, only the sense terminal 7 and the emitter terminal 8 are shown.
  • a control board 100 is connected to the semiconductor device 1.
  • the control board 100 has a function of detecting a current flowing through the IGBT 3 included in the semiconductor device 1.
  • the control board 100 includes a gate drive circuit 101, a current detection circuit 102, a temperature detection circuit 103, and control terminals 106 to 110.
  • the gate drive circuit 101 is connected to the control terminals 106 and 108.
  • the current detection circuit 102 is connected to the control terminals 107 and 108.
  • the temperature detection circuit 103 is connected to the control terminals 109 and 110.
  • the control terminal 106 is connected to the gate terminal 6 of the semiconductor device 1, the control terminal 107 is connected to the sense terminal 7 of the semiconductor device 1, and the control terminal 108 is connected to the emitter terminal 8 of the semiconductor device 1.
  • the control terminal 109 is connected to the anode terminal 9 of the semiconductor device 1, and the control terminal 110 is connected to the cathode terminal 10 of the semiconductor device 1.
  • the semiconductor device 1 and the control board 100 are connected by a conducting wire.
  • FIGS. 2 and 3 two bonding spaces 15 are provided on the upper surface of the electrode pattern 2b. Both ends of the sense resistor 4 are joined to the two joining spaces 15 via the solder 15a. Wires 14 a and 14 c are connected to one joining space 15, and wires 14 b and 14 d are connected to the other joining space 15. The wires 14c and 14d are connected to the sense terminal 7 and the emitter terminal 8, respectively. The sense terminal 7 and the emitter terminal 8 are connected to the control terminals 107 and 108 of the control board 100 via the conductive wires 107a and 108a, respectively.
  • the sense resistor 4 since the sense resistor 4 is disposed on the insulating substrate 2 on which the IGBT 3 is disposed, the sense resistor 4 can be disposed in the immediate vicinity of the IGBT 3. As a result, the distance between the sense electrode and the emitter electrode and the sense resistor 4 is reduced, and the loop formed by the wires 14a and 14b is also reduced. Since the induced current caused by the magnetic flux can be suppressed, highly accurate current detection can be performed. Further, since the semiconductor device 1 does not include the control substrate 100 but includes only the sense resistor 4 included in the conventional control substrate, an increase in package size can be suppressed.
  • the sense resistor 4 can be mounted at the same timing as the IGBT 3, and the solder coating and the process for mounting the sense resistor 4 can be integrated into the die-bonding process, so that the manufacturing cost of the semiconductor device 1 can be expected to be reduced. .
  • FIG. 4 is a perspective view of the semiconductor device 1A according to the second embodiment and the control board 100 connected thereto.
  • FIG. 5 is a plan view of the sense resistor 4 provided in the semiconductor device 1A and its periphery.
  • the same components as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the sense resistor 4 is directly connected to the upper surface of the IGBT 3 instead of the insulating substrate 2. More specifically, both ends of the sense resistor 4 are joined to two signal pads 16 provided on the upper surface of the IGBT 3 via solder 16a.
  • the two signal pads 16 are a sense electrode and an emitter electrode.
  • one end of the sense resistor 4 is directly connected to the sense electrode, and the other end of the sense resistor 4 is directly connected to the emitter electrode. It is possible to minimize the loop formed by the connection. Thereby, the induced current can be further suppressed.
  • FIG. 6 is a perspective view of the semiconductor device 1B according to the third embodiment and the control board 100 connected thereto.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining that the induced currents cancel each other.
  • the same components as those described in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the wire 14a that connects one end of the sense resistor 4 and the sense electrode and the wire 14b that connects the other end of the sense resistor 4 and the emitter electrode cross each other.
  • the wire 14a corresponds to the first wire
  • the wire 14b corresponds to the second wire.
  • the wire 14a and the wire 14b intersect each other, an induced current is generated in a direction that cancels each other by the magnetic flux passing through the two loops.
  • the induced current flowing between the sense resistor 4 and the sense resistor 4 can be suppressed.
  • the sense resistor 4 is arranged in the immediate vicinity of the IGBT 3, the length of the wire 14a and the wire 14b can be shortened. As a result, the two loops can be formed in an equal size while suppressing variations in size, and thus a great effect can be obtained with respect to suppression of the induced current.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram of the semiconductor device 1C according to the fourth embodiment and the control board 100 connected to the semiconductor device 1C. Note that in the fourth embodiment, the same components as those described in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the semiconductor element is made of a wide band gap material having a larger band gap than silicon. That is, as the semiconductor element, for example, a MOSFET 23 made of SiC material is used.
  • a semiconductor element composed of such a wide band gap material has high voltage resistance, high allowable current density, and high switching speed. For this reason, the magnitude of noise accompanying switching tends to increase as compared with the IGBT 3, but in the semiconductor device 1C including the MOSFET 23, adopting the structure of the first to third embodiments improves the accuracy of current detection. It is particularly effective.
  • the semiconductor element is made of the wide band gap material, current detection having noise resistance can be realized.

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Abstract

パッケージサイズの増大を抑制し、かつ、磁束に起因する誘導電流を抑制することで精度の高い電流検出を行うことが可能な半導体装置を提供することを目的とする。半導体装置1は、自身が備える半導体素子としてのIGBT3を流れる電流を検出する制御基板100に接続可能である。半導体装置1は、絶縁基板と、IGBT3と、センス抵抗4と備える。IGBT3は、絶縁基板2上に配置され、かつ、センス電極およびエミッタ電極を有する。センス抵抗4は、絶縁基板2上に配置され、かつ、一端がセンス電極に接続されるとともに他端がエミッタ電極に接続された。制御基板100は、センス抵抗4の両端の電位差を検出することでIGBT3を流れる電流を検出する。

Description

半導体装置
 本発明は、IGBTなどの半導体素子を流れる電流を検出する際に、センス端子およびエミッタ端子とセンス抵抗との接続により形成されるループに発生する誘導電流を抑制可能な半導体装置に関するものである。
 従来の半導体装置においては、IGBTなどの半導体素子を流れる電流を検出するために、半導体素子のセンス端子およびエミッタ端子が制御基板の制御端子にそれぞれ接続されている。制御基板上にセンス抵抗が配置され、センス抵抗はセンス端子に接続された制御端子と、エミッタ端子に接続された制御端子に接続されている。制御基板は、センス抵抗の両端の電位差を検出することで半導体素子を流れる電流を検出する。
 高い信頼性が求められる電力用半導体装置においては、半導体素子のセンス端子およびエミッタ端子と制御基板の制御端子との接続はむき出しの導線で行う必要があるため、導線の長さが長くなってしまう。そのため、従来の半導体装置においては、負荷短絡等で主回路に急峻な大電流が流れた際に発生する磁界によって、センス端子およびエミッタ端子とセンス抵抗との間の導線により形成されるループに誘導電流が発生し、精度の高い電流検出を行うことができないという問題があった。
 また、検出対象である半導体素子を流れる電流と磁界による誘導電流は同じ周波数帯であるため、制御基板においてCRフィルタ等でノイズ除去ができないという問題もあった。そのため、従来から様々な技術が提案されている。
 例えば特許文献1には、ケース内に制御基板と同等の機能を有する制御回路部を備えた半導体装置が開示されている。ケース内に絶縁基板と制御回路部が収容されることで、センス電極およびエミッタ電極とセンス抵抗との間のワイヤの長さが短くなり、ワイヤにより形成されるループも小さくなる。これにより、ループ内を通過する磁束を低減できるため、磁束に起因する誘導電流を低減することができる。
特開2005-311213号公報
 しかしながら、特許文献1に記載の技術では、ケース内に絶縁基板と制御回路部が収容されるため、半導体装置のパッケージサイズが大きくなるという問題があった。
 そこで、本発明は、パッケージサイズの増大を抑制し、かつ、磁束に起因する誘導電流を抑制することで精度の高い電流検出を行うことが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
 本発明に係る半導体装置は、自身が備える半導体素子を流れる電流を検出する制御基板に接続可能な半導体装置であって、絶縁基板と、前記絶縁基板上に配置され、かつ、センス電極およびエミッタ電極を有する前記半導体素子と、前記絶縁基板上に配置され、かつ、一端が前記センス電極に接続されるとともに他端が前記エミッタ電極に接続されたセンス抵抗とを備え、前記制御基板は、前記センス抵抗の両端の電位差を検出することで前記半導体素子を流れる電流を検出するものである。
 本発明によれば、センス抵抗は半導体素子が配置されている絶縁基板に配置されたため、センス抵抗を半導体素子の直近に配置することができる。これにより、センス電極およびエミッタ電極とセンス抵抗との距離が短くなり、これらの接続により形成されるループも小さくなる。磁束に起因する誘導電流を抑制することができるため、精度の高い電流検出を行うことができる。また、半導体装置は制御基板を備えておらず、従来の制御基板が備えるセンス抵抗のみを備えるため、パッケージサイズの増大を抑制できる。
 この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
実施の形態1に係る半導体装置およびこれに接続される制御基板の概略構成図である。 実施の形態1に係る半導体装置およびこれに接続される制御基板の斜視図である。 実施の形態1に係る半導体装置が備えるセンス抵抗およびその周辺の平面図である。 実施の形態2に係る半導体装置およびこれに接続される制御基板の斜視図である。 実施の形態2に係る半導体装置が備えるセンス抵抗およびその周辺の平面図である。 実施の形態3に係る半導体装置およびこれに接続される制御基板の斜視図である。 誘導電流が打ち消し合うことを説明するための説明図である。 実施の形態4に係る半導体装置およびこれに接続される制御基板の概略構成図である。
 <実施の形態1>
 本発明の実施の形態1について、図面を用いて以下に説明する。図1は、実施の形態1に係る半導体装置1およびこれに接続される制御基板100の概略構成図である。図2は、半導体装置1および制御基板100の斜視図である。図3は、半導体装置1が備えるセンス抵抗4およびその周辺の平面図である。
 図1と図2に示すように、半導体装置1は、絶縁基板2、半導体素子としてのIGBT3、センス抵抗4、ダイオード5、ゲート端子6、センス端子7、エミッタ端子8、アノード端子9、カソード端子10、取付部11、放熱材12、およびケース13を備えている。
 IGBT3は、絶縁基板2の上面に配置されている。より具体的には、IGBT3は、絶縁基板2の上面に設けられた電極パターン2aの上面に配置されている。IGBT3は、ゲート端子6に接続されたゲート電極、センス端子7に接続されたセンス電極、およびエミッタ端子8に接続されたエミッタ電極を備えている。
 ダイオード5は、絶縁基板2の上面に配置されるか、または、IGBT3のチップ内にオンチップ温度センサとして搭載され、アノード端子9に接続されたアノード電極、およびカソード端子10に接続されたカソード電極を備えている。
 図2と図3に示すように、センス抵抗4は、絶縁基板2の上面に設けられた電極パターン2bの上面に配置され、一端がIGBT3のセンス電極にワイヤ14aを介して接続されるとともに他端がIGBT3のエミッタ電極にワイヤ14bを介して接続されている。なお、センス抵抗4の配置については後述する。
 図2に示すように、放熱材12の上面に絶縁基板2および正面視にてL字状の取付部11が配置され、絶縁基板2および取付部11を囲むように放熱材12の上面の周縁部にケース13が配置されている。取付部11に、ゲート端子6、センス端子7、エミッタ端子8、アノード端子9、およびカソード端子10が配置されている。なお、図2では、センス端子7およびエミッタ端子8のみが示されている。
 また、図1に示すように、半導体装置1に制御基板100が接続されている。制御基板100は、半導体装置1が備えるIGBT3を流れる電流を検出する機能を有している。制御基板100は、ゲート駆動回路101、電流検出回路102、温度検出回路103、および制御端子106~110を備えている。
 ゲート駆動回路101は、制御端子106,108に接続されている。電流検出回路102は、制御端子107,108に接続されている。温度検出回路103は、制御端子109,110に接続されている。
 制御端子106は半導体装置1のゲート端子6に接続され、制御端子107は半導体装置1のセンス端子7に接続され、制御端子108は半導体装置1のエミッタ端子8に接続されている。また、制御端子109は半導体装置1のアノード端子9に接続され、制御端子110は半導体装置1のカソード端子10に接続されている。なお、半導体装置1と制御基板100は導線により接続されている。
 次に、図2と図3を用いて、センス抵抗4の配置について説明する。図2と図3に示すように、電極パターン2bの上面に2つの接合スペース15が設けられている。2つの接合スペース15にはんだ15aを介してセンス抵抗4の両端が接合されている。一方の接合スペース15にワイヤ14a,14cが接続され、他方の接合スペース15にワイヤ14b,14dが接続されている。ワイヤ14c、14dはセンス端子7、エミッタ端子8にそれぞれ接続され、センス端子7、エミッタ端子8は導線107a,108aを介して制御基板100の制御端子107,108にそれぞれ接続されている。
 以上のように、実施の形態1に係る半導体装置1では、センス抵抗4はIGBT3が配置されている絶縁基板2に配置されたため、センス抵抗4をIGBT3の直近に配置することができる。これにより、センス電極およびエミッタ電極とセンス抵抗4との距離が短くなり、ワイヤ14a,14bにより形成されるループも小さくなる。磁束に起因する誘導電流を抑制することができるため、精度の高い電流検出を行うことができる。また、半導体装置1は制御基板100を備えておらず、従来の制御基板が備えるセンス抵抗4のみを備えるため、パッケージサイズの増大を抑制できる。
 さらに、IGBT3と同じタイミングでセンス抵抗4を搭載できるようになり、はんだ塗布、およびセンス抵抗4を搭載するための工程をダイボンド工程に集約化できるため、半導体装置1の製造コストの低減が期待できる。
 <実施の形態2>
 次に、実施の形態2に係る半導体装置1Aについて説明する。図4は、実施の形態2に係る半導体装置1Aおよびこれに接続される制御基板100の斜視図である。図5は、半導体装置1Aが備えるセンス抵抗4およびその周辺の平面図である。なお、実施の形態2において、実施の形態1で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
 図4と図5に示すように、実施の形態2では、センス抵抗4は絶縁基板2ではなく、IGBT3の上面に直接接続されている。より具体的には、IGBT3の上面に設けられた2つの信号パッド16にはんだ16aを介してセンス抵抗4の両端が接合されている。なお、2つの信号パッド16はセンス電極およびエミッタ電極である。
 以上のように、実施の形態2に係る半導体装置1Aでは、センス抵抗4の一端はセンス電極に直接接続され、センス抵抗4の他端はエミッタ電極に直接接続されたため、IGBT3とセンス抵抗4との接続により形成されるループを極小化することができる。これにより、誘導電流をさらに抑制できる。
 <実施の形態3>
 次に、実施の形態3に係る半導体装置について説明する。図6は、実施の形態3に係る半導体装置1Bおよびこれに接続される制御基板100の斜視図である。図7は、誘導電流が打ち消し合うことを説明するための説明図である。なお、実施の形態3において、実施の形態1,2で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
 図6に示すように、実施の形態3では、センス抵抗4の一端とセンス電極とを接続するワイヤ14aおよび、センス抵抗4の他端とエミッタ電極とを接続するワイヤ14bは互いに交差している。なお、ワイヤ14aが第1のワイヤに相当し、ワイヤ14bが第2のワイヤに相当する。
 図7に示すように、ワイヤ14aおよびワイヤ14bが互いに交差することで2つのループが形成される。そのため、2つのループ内を通る磁束により互いに逆方向、すなわち打ち消し合う方向に誘導電流が発生する。これにより、IGBT3とセンス抵抗4との間に流れる誘導電流を抑制できる。
 以上のように、実施の形態3に係る半導体装置1Bでは、ワイヤ14aおよびワイヤ14bは互いに交差するため、2つのループ内を通る磁束により互いに打ち消し合う方向に誘導電流が発生することから、IGBT3とセンス抵抗4との間に流れる誘導電流を抑制できる。
 さらに、センス抵抗4をIGBT3の直近に配置したため、ワイヤ14aおよびワイヤ14bの長さを短くすることができる。これにより、2つのループの大きさのばらつきを抑えて均等な大きさに形成することができるため、誘導電流の抑制に関して大きな効果が得られる。
 <実施の形態4>
 次に、実施の形態4に係る半導体装置について説明する。図8は、実施の形態4に係る半導体装置1Cおよびこれに接続される制御基板100の概略構成図である。なお、実施の形態4において、実施の形態1~3で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
 図8に示すように、実施の形態4では、半導体素子は珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ材料により構成されている。すなわち半導体素子として、例えばSiC材料により構成されたMOSFET23が使用されている。
 このようなワイドバンドギャップ材料により構成された半導体素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高く、またスイッチング速度も高速である。そのため、IGBT3に比べてスイッチングに伴うノイズの大きさも増大しがちであるが、MOSFET23を備える半導体装置1Cにおいて、実施の形態1~3の構造を採用することは電流検出の精度を向上させる上で特に有効である。
 以上のように、実施の形態4に係る半導体装置1Cでは、半導体素子はワイドバンドギャップ材料により構成されたため、ノイズ耐性を有する電流検出を実現することができる。
 この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
 なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
 1,1A,1B,1C 半導体装置、2 絶縁基板、3 IGBT、4 センス抵抗、14a,14b ワイヤ、100 制御基板。

Claims (4)

  1.  自身が備える半導体素子(3,23)を流れる電流を検出する制御基板(100)に接続可能な半導体装置(1,1A,1B,1C)であって、
     絶縁基板(2)と、
     前記絶縁基板(2)上に配置され、かつ、センス電極およびエミッタ電極を有する前記半導体素子(3,23)と、
     前記絶縁基板(2)上に配置され、かつ、一端が前記センス電極に接続されるとともに他端が前記エミッタ電極に接続されたセンス抵抗(4)と、
     を備え、
     前記制御基板(100)は、前記センス抵抗(4)の両端の電位差を検出することで前記半導体素子(3,23)を流れる電流を検出する、半導体装置。
  2.  前記センス抵抗(4)の一端は前記センス電極に直接接続され、
    前記センス抵抗(4)の他端は前記エミッタ電極に直接接続された、請求項1記載の半導体装置。
  3.  前記センス抵抗(4)の一端は前記センス電極に第1のワイヤ(14a)を介して接続され、
     前記センス抵抗(4)の他端は前記エミッタ電極に第2のワイヤ(14b)を介して接続され、
     前記第1のワイヤ(14a)および前記第2のワイヤ(14b)は互いに交差する、請求項1記載の半導体装置。
  4.  前記半導体素子(23)はワイドバンドギャップ材料により構成された、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置。
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