JP2014204003A - 電力供給モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】パワー素子の過昇温を低損失で迅速かつ正確に検出できる電力供給モジュールを提供する。
【解決手段】パワー素子１が形成された素子チップ１１と、パワー素子を駆動する制御回路が形成された制御チップ２１とが、一つのパッケージ３１内に封止されてなる電力供給モジュールであって、制御チップの異なる位置に、複数個の温度検出素子２ａ〜２ｄが配置されてなり、複数個の温度検出素子に隣接して、素子チップと制御チップを接続する金属部材Ｗ３が配置されてなり、複数個の温度検出素子で測定される各温度から、素子チップに形成されたパワー素子の温度を検出するように構成されてなる電力供給モジュール１００とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー素子が形成された素子チップと制御回路が形成された制御チップが一つのパッケージ内に封止されてなる電力供給モジュールに関する。

パワー素子が形成された素子チップと制御回路が形成された制御チップが一つのパッケージ内に封止されてなる電力供給モジュールが、例えば、特開２００８−１７１９４０号公報（特許文献１）に開示されている。

素子チップと制御チップが一つのパッケージ内に封止されてなる電力供給モジュールでは、パワー素子の過昇温を防止するため、感温ダイオード（以下、感温Ｄｉと記載）等の温度検出素子を素子チップに配置するのが一般的である。

図５は、上記した温度検出素子が素子チップに配置されてなる電力供給モジュールの一例で、車両に搭載されてモータや電磁弁等の駆動に用いられる、電力供給モジュール９０の主な構成要素を模式的に示した図である。（ａ）は、主な構成要素の配置関係を示した上面図であり、（ｂ）は、主な構成要素の回路図である。

図５に示す電力供給モジュール９０は、（ａ）において破線で囲って示したように、素子チップ１０と制御チップ２０が一つのパッケージ３０内に封止されてなる電力供給モジュールである。素子チップ１０には、負荷に電力を供給するパワー素子のＭＯＳトランジスタ（以下、ＭＯＳと記載）１が形成されており、制御チップ２０には、ＭＯＳ１を駆動する制御回路が形成されている。また、素子チップ１０内には、ＭＯＳ素子１の過昇温による破壊を防止するための感温ダイオード（以下、感温Ｄｉと記載）２が形成されており、制御チップ２０内には、感温Ｄｉ２にバイアス電流を供給する定電流源が形成されている。そして、素子チップ１０のＭＯＳ１と感温Ｄｉ２は、それぞれ素子チップ側のパッドＰ１０と制御チップ側のパッドＰ２０を結ぶボンディングワイヤ（以下、ワイヤと略記）Ｗ１，Ｗ２を介して、制御チップ２０の制御回路と定電流源に電気接続されている。

特開２００８−１７１９４０号公報

図５の電力供給モジュール９０では、感温Ｄｉ２によってＭＯＳ１の温度が直接検出できるものの、ノイズ等による温度測定の誤動作を防止するため、感温Ｄｉ２に数ｍＡの電流を常時流す必要があり、制御チップ３側において損失が大きくなる。例えば、車のバッテリ（Ｂ）電圧を１５Ｖとし、感温Ｄｉ２の順方向電圧Ｖｆを０．４Ｖとし、感温Ｄｉ２に流す電流を１ｍＡとした時、（１５Ｖ−０．４Ｖ）×１ｍＡ＝１４．６ｍＷの損失が制御チップ３側で発生する。

一方、特許文献１の負荷駆動装置では、スイッチング素子の発熱による瞬間的な温度変化ではなく、スイッチング素子が形成されたチップの実際の緩やかな温度変化を検出するため、温度センサを制御ＩＣチップに内蔵する構造を採用している。そして、スイッチＩＣチップと制御ＩＣチップが、金属もしくはセラミックスで構成される基板を介して、機械的に接続された構造としている。

上記した特許文献１の構造は、スイッチング素子が形成されたチップの緩やかな温度変化を検出するように構成されており、目的とするパワー素子の温度に応じた制御を行うのに適した構造となっている。しかしながら、温度センサを制御ＩＣチップに内蔵するだけの構造は、逆に、パワー素子の過昇温の検出が遅くて不正確となる。従って、特許文献１の構造は、パワー素子の過昇温を検出し、パワー素子を破壊から保護する目的に対しては適していない。

そこで本発明は、パワー素子が形成された素子チップと制御回路が形成された制御チップが一つのパッケージ内に封止されてなる電力供給モジュールであって、パワー素子の過昇温を低損失で迅速かつ正確に検出できる電力供給モジュールを提供することを目的としている。

本発明に係る電力供給モジュールは、負荷に電力を供給するパワー素子が形成された素子チップと、パワー素子を駆動する制御回路が形成された制御チップとが、一つのパッケージ内に封止されてなる電力供給モジュールである。制御チップの異なる位置には、複数個の温度検出素子が配置されており、複数個の温度検出素子に隣接して、素子チップと制御チップを接続する金属部材が配置されている。そして、複数個の温度検出素子で測定される各温度から、素子チップに形成されたパワー素子の温度を検出するように構成されている。

上記電力供給モジュールにおいては、複数個の温度検出素子が、パワー素子が形成された素子チップではなく、制御チップに配置されている。

従来の電力供給モジュールにおいては、パワー素子の過昇温を防止するため、感温Ｄｉ等の温度検出素子を、パワー素子が形成された素子チップに配置する構成が一般的である。一方、感温Ｄｉ等にバイアス電流を供給する定電流源は、パワー素子の制御回路と共に、制御チップに形成される。このように、従来構成の電力供給モジュールにおいては、温度検出素子とバイアス電流を供給する定電流源が、異なるチップに配置される。従って、該構成の電力供給モジュールでは、ノイズ等による温度測定の誤動作を防止するため、感温Ｄｉ等の温度検出素子に数ｍＡの電流を常時流す必要があり、制御チップ側において損失が大きくなるという問題があった。

これに対して、上記電力供給モジュールにおける感温Ｄｉ等の複数個の温度検出素子は、いずれも、パワー素子が形成された素子チップではなく、制御回路が形成される制御チップに配置されている。感温Ｄｉ等にバイアス電流を供給する定電流源は、上記したように制御チップに形成されるため、上記電力供給モジュールの構成は、温度検出素子とバイアス電流を供給する定電流源が、同じチップに配置される構成である。このため、ノイズ等による温度測定の誤動作も起き難いため、感温Ｄｉ等の各温度検出素子に常時流すバイアス電流も、数十μＡの小さな値であってよい。従って、上記電力供給モジュールにおいては、温度検出素子をパワー素子が形成された素子チップに配置する従来構成の電力供給モジュールに較べて、制御チップ側における損失を大幅に低減することができる。尚、上記電力供給モジュールにおいては、従来構成の電力供給モジュールのような温度検出素子と定電流源を接続するボンディングのワイヤも必要ないため、素子チップと制御チップの間で接続されるワイヤの本数も低減することができる。

一方、特許文献１に記載された負荷駆動装置も、上記電力供給モジュールと同様に、温度センサを制御ＩＣチップに内蔵する構造を採用している。課題欄で説明したように、特許文献１の構造は、スイッチング素子が形成されたチップの緩やかな温度変化を検出するように構成されており、目的とするパワー素子の温度に応じた制御を行うのに適した構造となっている。しかしながら、温度センサを制御ＩＣチップに内蔵するだけの構造は、逆に、パワー素子の過昇温の検出が遅くて不正確となる。従って、特許文献１の構造は、パワー素子の過昇温を検出し、パワー素子を破壊から保護する目的に対しては適していない。

これに対して、上記電力供給モジュールは、複数個の温度検出素子を制御チップの異なる位置に配置し、該複数個の温度検出素子に隣接して、素子チップと制御チップを接続する金属部材を配置する構成を採用している。そして、複数個の温度検出素子で測定される各温度から、素子チップに形成されたパワー素子の温度を検出するようにしている。

上記電力供給モジュールの構成によれば、制御チップに配置された各温度検出素子に対して、それぞれの温度検出素子に隣接して配置される金属部材を介して、素子チップにおけるパワー素子の発熱や過昇温時の熱を、迅速に伝達することができる。また、複数個の温度検出素子を制御チップの異なる位置に配置しているため、素子チップにあるパワー素子の温度を推定するにあたって、各温度検出素子で測定される温度の値だけでなく、それらの差分もパワー素子の温度の推定に利用することができる。そして、各温度検出素子で測定される温度やそれらの差分を、シミュレーションや実測によって予め得られている値と比較することで、素子チップに形成されたパワー素子の温度を正確に検出することができる。

以上のようにして、上記電力供給モジュールは、素子チップと制御チップが一つのパッケージ内に封止されてなる電力供給モジュールであって、素子チップに形成されたパワー素子の過昇温を低損失で迅速かつ正確に検出できる電力供給モジュールとなっている。

上記電力供給モジュールの構成においては、制御チップに形成する温度検出素子の数が多いほど、パワー素子の温度も正確に推定可能である。一方、できるだけ少ない数の温度検出素子でパワー素子の温度を正確に推定するには、複数個の温度検出素子のうち、少なくとも１個を素子チップに近い位置に配置し、少なくとももう１個を素子チップから遠い位置に配置することが好ましい。素子チップに近い位置に配置される温度検出素子と遠い位置に配置される温度検出素子の組み合わせでは、金属部材を介して伝達されるパワー素子の熱で大きな温度差が得られるため、パワー素子の温度を検出するにあたって誤差要因を小さくすることができる。

上記電力供給モジュールにおける温度検出素子は、例えば測温抵抗体等であってもよいが、製造コストを低減するためには、先に例示した制御チップ内に一体形成可能な感温Ｄｉとすることが好ましい。

上記電力供給モジュールにおける金属部材は、素子チップにおけるパワー素子の発熱や過昇温時の熱を、制御チップに配置された各温度検出素子に迅速に伝達する機能を有している。該金属部材は、熱伝達の専用部品として新たに設計配置してもよいが、製造コストを低減するため、素子チップや制御チップを搭載するリードフレーム、素子チップと制御チップを接続するボンディングのワイヤ、および制御チップに接合する銅クリップ等を利用することが好ましい。

金属部材としてリードフレームや銅クリップを利用する場合には、該リードフレームや銅クリップを介して伝達されるパワー素子の熱で大きな温度差を得るため、次のような構成をとることが好ましい。複数個の温度検出素子のうち、所定の２個の温度検出素子の直下に位置するリードフレームまたは銅クリップの部分形状を、該２個の温度検出素子を結ぶ幅の狭いライン形状とする。これによって、該２個の温度検出素子では、リードフレームまたは銅クリップを介して伝達されるパワー素子の熱で大きな温度差が得られると共に、周りからの熱流入による誤差を小さくすることができる。

また、上記金属部材としてリードフレームを利用するには、素子チップと制御チップがバルクのシリコンウエハからなる場合、素子チップと制御チップが同じ電位に設定される必要がある。素子チップと制御チップは、一般的には異なる電位に設定されるが、例えば制御チップが埋込み酸化膜を有するＳＯＩ基板からなる場合には、埋込み酸化膜下の支持基板は任意の電位であってよく、上記金属部材としてリードフレームを利用することが可能である。

一方、金属部材としてボンディングのワイヤを利用する場合には、リードフレームや銅クリップに較べて、熱の伝達経路が細くなり、周りをパッケージの樹脂で覆われる構造となる。このため、素子チップから伝達される熱量は小さくなるものの、周りからの熱流入による誤差も小さくすることができる。尚、金属部材としてワイヤを利用する場合には、２重系の配線を構成して、信頼性を高めることもできる。例えば、パワー素子がＭＯＳである場合、上記金属部材としてのワイヤを、複数本、ＭＯＳのゲートパッドに接続する構成とする。これによって、ゲートパッドに接続するワイヤの１本が外れても、ＭＯＳを問題なくＯＮ／ＯＦＦ制御することができる。

以上のようにして、上記電力供給モジュールは、素子チップと制御チップが一つのパッケージ内に封止されてなる電力供給モジュールであって、素子チップに形成されたパワー素子の過昇温を低損失で迅速かつ正確に検出できる電力供給モジュールとなっている。

従って、上記電力供給モジュールは、厳しい環境下で使用され、高い安全性が要求される、車載用の電力供給モジュールとして好適である。

本発明に係る電力供給モジュールの一例を示す図で、電力供給モジュール１００の主な構成要素を模式的に示した図である。（ａ）は、主な構成要素の配置関係を示した上面図であり、（ｂ）は、主な構成要素の回路図である。 熱を伝える金属部材としてリードフレームを用いる場合の例を示す図で、電力供給モジュール１０１の主な構成要素の配置関係を示した上面図である。 熱を伝える金属部材としてリードフレームを用いる場合の別の例を示す図で、（ａ）は従来の電力供給モジュール９１の主な構成要素の配置関係を示した図であり、（ｂ）は本発明に係る電力供給モジュール１１０の主な構成要素の配置関係を示した図である。 熱を伝える金属部材として銅クリップを用いる場合の例を示す図で、電力供給モジュール１２０の主な構成要素の配置関係を示した上面図と断面図である。 温度検出素子が素子チップに配置されてなる従来の電力供給モジュールの例で、電力供給モジュール９０の主な構成要素を模式的に示した図である。（ａ）は、主な構成要素の配置関係を示した上面図であり、（ｂ）は、主な構成要素の回路図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る電力供給モジュールの一例を示す図で、車両に搭載されてモータや電磁弁等の駆動に用いられる、電力供給モジュール１００の主な構成要素を模式的に示した図である。（ａ）は、主な構成要素の配置関係を示した上面図であり、（ｂ）は、主な構成要素の回路図である。尚、図１に示す電力供給モジュール１００において、図５に示した電力供給モジュール９０と同様の部分については、同じ符号を付した。

図１に示す電力供給モジュール１００は、図５に示した電力供給モジュール９０と同様で、（ａ）において破線で囲って示したように、素子チップ１１と制御チップ２１が一つのパッケージ３１内に封止されてなる電力供給モジュールである。素子チップ１１には、負荷に電力を供給するパワー素子のＭＯＳ１が形成されており、制御チップ２１には、ＭＯＳ１を駆動する制御回路が形成されている。

一方、図１に示す電力供給モジュール１００は、図５に示した電力供給モジュール９０と異なり、複数個（図の例では４個）の感温Ｄｉ２ａ〜２ｄが、制御チップ２１の異なる位置に形成されている。これら複数個の感温Ｄｉ２ａ〜２ｄは、後で
詳述するように、素子チップ１１にあるＭＯＳ１の過昇温等を防止するための温度検出素子として用いられる。尚、制御チップ２１内には、感温Ｄｉ２ａ〜２ｄにバイアス電流を供給する定電流源も形成されている。

また、図１の電力供給モジュール１００における制御チップ２１では、それぞれの感温Ｄｉ２ａ〜２ｄに隣接してパッドＰ２１が形成されており、各パッドＰ２１と素子チップ１１側のパッドＰ１１とが、ボンディングのワイヤＷ３で結ばれている。ワイヤＷ３は、素子チップ１１に形成されているＭＯＳ１と制御チップ２１に形成されているＭＯＳ１を駆動する制御回路を電気接続する機能を有しているが、素子チップ１１で発生した熱を感温Ｄｉ２ａ〜２ｄに伝達する金属部材としての機能も有している。すなわち、電力供給モジュール１００においては、制御チップ２１に形成された複数個の感温Ｄｉ２ａ〜２ｄに隣接して、それぞれ、素子チップ１１と制御チップ２１を接続するワイヤＷ３（およびパッドＰ２１）が配置されている。そして、複数個の感温Ｄｉ２ａ〜２ｄで測定される各温度から、素子チップ１１に形成されたパワー素子であるＭＯＳ１の温度を検出するように構成されている。

以上のように、図１の電力供給モジュール１００においては、複数個の感温Ｄｉ２ａ〜２ｄが、パワー素子のＭＯＳ１が形成された素子チップ１１ではなく、制御チップ２１に配置されている。

図５で例示した電力供給モジュール９０のように、従来の電力供給モジュールにおいては、パワー素子の過昇温を防止するため、感温Ｄｉ等の温度検出素子を、パワー素子が形成された素子チップに配置する構成が一般的である。一方、感温Ｄｉ等にバイアス電流を供給する定電流源は、パワー素子の制御回路と共に、制御チップに形成される。このように、従来構成の電力供給モジュールにおいては、温度検出素子とバイアス電流を供給する定電流源が、異なるチップに配置される。従って、該構成の電力供給モジュールでは、図５で説明したように、ノイズ等による温度測定の誤動作を防止するため、感温Ｄｉ等の温度検出素子に数ｍＡの電流を常時流す必要があり、制御チップ側において損失が大きくなるという問題があった。

これに対して、図１の電力供給モジュール１００における複数個の感温Ｄｉ２ａ〜２ｄは、いずれも、パワー素子のＭＯＳ１が形成された素子チップ１１ではなく、制御回路が形成される制御チップ２１に配置されている。感温Ｄｉ２ａ〜２ｄにバイアス電流を供給する定電流源は、従来構成と同様に制御チップ２１に形成されるため、電力供給モジュール１００の構成は、感温Ｄｉ２ａ〜２ｄとバイアス電流を供給する定電流源が、同じチップに配置される構成である。このため、ノイズ等による温度測定の誤動作も起き難いため、各感温Ｄｉ２ａ〜２ｄに常時流すバイアス電流も、図１に例示したように数十μＡの小さな値であってよい。従って、図１の電力供給モジュール１００においては、図５に示した感温Ｄｉ２をパワー素子であるＭＯＳ１が形成された素子チップ１０に配置する従来構成の電力供給モジュール９０に較べて、制御チップ１１側における損失を大幅に低減することができる。

また、図１の電力供給モジュール１００においては、感温Ｄｉ２ａ〜２ｄとバイアス電流を供給する定電流源が同じ制御チップ２１に配置されているため、図５に示した従来構成の電力供給モジュール９０のような感温Ｄｉ２と定電流源を接続するボンディングのワイヤＷ２も必要ない。このため、図１の電力供給モジュール１００において、例えば制御チップ２１に形成する感温Ｄｉを２個（例えば感温Ｄｉ２ａ，２ｄ）とした場合には、素子チップ１１と制御チップ２１の間で接続されるワイヤＷ３の本数も低減することができる。尚、図１に例示した電力供給モジュール１００においては、素子チップ１１で発生した熱を各感温Ｄｉ２ａ〜２ｄにそれぞれ伝達している４本のワイヤＷ３で、２重系の配線を構成し、信頼性を高める構成としている。図１に示す電力供給モジュール１００の例では、ＭＯＳ１のゲートとソースに接続するワイヤＷ３をそれぞれ２本ずつにして、ゲートパッドやソースパッドに接続するワイヤＷ３の１本が外れても、ＭＯＳ１を問題なくＯＮ／ＯＦＦ制御できるようにしている。

一方、特許文献１に記載された負荷駆動装置も、図１の電力供給モジュール１００と同様に、温度センサを制御ＩＣチップに内蔵する構造を採用している。課題欄で説明したように、特許文献１の構造は、スイッチング素子が形成されたチップの緩やかな温度変化を検出するように構成されており、目的とするパワー素子の温度に応じた制御を行うのに適した構造となっている。しかしながら、温度センサを制御ＩＣチップに内蔵するだけの構造は、逆に、パワー素子の過昇温の検出が遅くて不正確となる。従って、特許文献１の構造は、パワー素子の過昇温を検出し、パワー素子を破壊から保護する目的に対しては適していない。

これに対して、図１の電力供給モジュール１００は、複数個の感温Ｄｉ２ａ〜２ｄを制御チップ２１の異なる位置に配置している。また、該複数個の感温Ｄｉ２ａ〜２ｄに隣接して、素子チップ１１と制御チップ２１を接続する金属部材としてのボンディングのワイヤＷ３を配置する構成を採用している。そして、複数個の感温Ｄｉ２ａ〜２ｄで測定される各温度から、素子チップ１１に形成されたパワー素子であるＭＯＳ１の温度を検出するようにしている。

電力供給モジュール１００の構成によれば、制御チップ２１に配置された各感温Ｄｉ２ａ〜２ｄに対して、それぞれに隣接して配置される金属部材のワイヤＷ３を介して、素子チップ１１におけるＭＯＳ１の発熱や過昇温時の熱を、迅速に伝達することができる。また、複数個の感温Ｄｉ２ａ〜２ｄを制御チップ１１の異なる位置に配置しているため、素子チップ１１にあるＭＯＳ１の温度を推定するにあたって、各感温Ｄｉ２ａ〜２ｄで測定される温度の値だけでなく、それらの差分もＭＯＳ１の温度の推定に利用可能である。そして、各感温Ｄｉ２ａ〜２ｄで測定される温度やそれらの差分を、シミュレーションや実測によって予め得られている値と比較することで、素子チップ１１に形成されたＭＯＳ１の温度を正確に検出することができる。

以上のようにして、図１の電力供給モジュール１００は、素子チップ１１と制御チップ２１が一つのパッケージ３１内に封止されてなる電力供給モジュールであって、素子チップ１１に形成されたＭＯＳ１の過昇温を低損失で迅速かつ正確に検出することができる。

次に、上記構成を有した電力供給モジュールの細部について、図１の電力供給モジュール１００を例にして、好ましい構成を説明する。

図１の電力供給モジュール１００の構成においては、制御チップ２１に形成する温度検出素子の感温Ｄｉ２ａ〜２ｄの数が多いほど、パワー素子のＭＯＳ１の温度も正確に推定可能である。一方、できるだけ少ない数の温度検出素子でパワー素子の温度を正確に推定するには、複数個の温度検出素子を以下のように配置することが好ましい。すなわち、図１（ａ）に示した感温Ｄｉ２ａ，２ｃのように、少なくとも１個を素子チップ１１に近い位置に配置し、図１（ａ）に示した感温Ｄｉ２ｂ，２ｄのように、少なくとももう１個を素子チップ１１から遠い位置に配置する。素子チップに近い位置に配置される温度検出素子と遠い位置に配置される温度検出素子の組み合わせでは、金属部材を介して伝達されるパワー素子の熱で大きな温度差が得られるため、パワー素子の温度を検出するにあたって誤差要因を小さくすることができる。

上記電力供給モジュールにおける温度検出素子は、例えば測温抵抗体等であってもよい。しかしながら、製造コストを低減するためには、図１に例示した電力供給モジュール１００のように、制御チップ１１内に一体形成可能な感温Ｄｉとすることが好ましい。

上記電力供給モジュールにおける金属部材は、素子チップにおけるパワー素子の発熱や過昇温時の熱を、制御チップに配置された各温度検出素子に迅速に伝達する機能を有している。該金属部材は、熱伝達の専用部品として新たに設計配置してもよいが、製造コストを低減するため、図１に例示した電力供給モジュール１００のように、素子チップ１１と制御チップ２１を接続するボンディングのワイヤＷ３を利用してもよい。また、素子チップや制御チップを搭載するリードフレーム、および制御チップに接合する銅クリップ等を利用することも可能である。

図２は、温度検出素子に熱を伝える金属部材としてリードフレームを用いる場合の例を示す図で、電力供給モジュール１０１の主な構成要素の配置関係を示した上面図である。

図２に示す電力供給モジュール１０１も、図１に示した電力供給モジュール１００と同様に、素子チップ１２には、負荷に電力を供給するＭＯＳ１が形成されている。また、制御チップ２２には、複数個（図の例では４個）の感温Ｄｉ２ｅ〜２ｈが、異なる位置に形成されている。そして、素子チップ１２と制御チップ２２が、一つのパッケージ３２内に封止されている。

一方、図２の電力供給モジュール１０１は、図１の電力供給モジュール１００と異なり、素子チップ１２で発生した熱を感温Ｄｉ２ｅ〜２ｈに伝達する金属部材として、素子チップ１２と制御チップ２２を搭載するリードフレームＬ１を用いている。

図２の電力供給モジュール１０１の構成によっても、制御チップ２２に配置された各感温Ｄｉ２ｅ〜２ｈに対して、それぞれに隣接して配置される金属部材のリードフレームＬ１を介して、素子チップ１２におけるＭＯＳ１の発熱や過昇温時の熱を、迅速に伝達することができる。また、複数個の感温Ｄｉ２ｅ〜２ｈを制御チップ１２の異なる位置に配置しているため、素子チップ１２にあるＭＯＳ１の温度を推定するにあたって、各感温Ｄｉ２ｅ〜２ｈで測定される温度の値だけでなく、それらの差分もＭＯＳ１の温度の推定に利用可能である。そして、各感温Ｄｉ２ｅ〜２ｈで測定される温度やそれらの差分を、シミュレーションや実測によって予め得られている値と比較することで、素子チップ１２に形成されたＭＯＳ１の温度を正確に検出することができる。

温度検出素子に熱を伝える金属部材としてリードフレームを利用する場合には、該リードフレームを介して伝達されるパワー素子の熱で大きな温度差を得るため、次のような構成をとることが好ましい。すなわち、複数個の温度検出素子のうち、所定の２個の温度検出素子の直下に位置するリードフレームまたは銅クリップの部分形状を、該２個の温度検出素子を結ぶ幅の狭いライン形状とする。図２の電力供給モジュール１０１では、感温Ｄｉ２ｅ，２ｆの直下および感温Ｄｉ２ｇ，２ｈの直下のリードフレームＬ１の部分形状を、それぞれ、該２個の感温Ｄｉ２ｅ，２ｆおよび感温Ｄｉ２ｇ，２ｈを結ぶ、全体幅ｗに較べて狭幅ｗｓのライン形状としている。これによって、該２個の感温Ｄｉ２ｅ，２ｆおよび感温Ｄｉ２ｇ，２ｈでは、リードフレームＬ１を介して伝達されるパワー素子の熱で大きな温度差が得られると共に、周りからの熱流入による誤差を小さくすることができる。

また、図２の電力供給モジュール１０１のように、金属部材としてリードフレームを利用するには、素子チップ１２と制御チップ２２がバルクのシリコンウエハからなる場合、素子チップ１２と制御チップ２２が同じ電位に設定される必要がある。素子チップと制御チップは、一般的には異なる電位に設定されるが、例えば制御チップが埋込み酸化膜を有するＳＯＩ基板からなる場合には、埋込み酸化膜下の支持基板は任意の電位であってよく、上記金属部材としてリードフレームを利用することが可能である。

図３は、温度検出素子に熱を伝える金属部材として、リードフレームを用いる場合の別の例を示す図である。また、図３では、１個の制御チップで２個の素子チップを駆動する電力供給モジュールの構成例を示している。（ａ）は、従来の電力供給モジュール９１の主な構成要素の配置関係を示した図であり、（ｂ）は、本発明に係る電力供給モジュール１１０の主な構成要素の配置関係を示した図である。

図３（ａ）に示す電力供給モジュール９１では、素子チップ１３ａ，１３ｂおよび制御チップ２３が、それぞれ分離されたリードフレームＬ２〜Ｌ４に搭載されている。また、素子チップ１３ａ，１３ｂには、図５に示した電力供給モジュール９０と同様にして、それぞれのパワー素子の温度を検出する感温Ｄｉ２ｉ，２ｊが形成されている。そして、制御チップ２３には定電流源が設けられ、ワイヤＷ２を介して、感温Ｄｉ２ｉ，２ｊにバイアス電流が供給される。

一方、図３（ｂ）に示す電力供給モジュール１１０では、素子チップ１４ａ，１４ｂがそれぞれ分離されたリードフレームＬ５，Ｌ６に搭載されている。そして、制御チップ２４は、両端部がそれぞれリードフレームＬ５，Ｌ６に架かるように搭載されている。また、制御チップ２４には、それぞれ、素子チップ１４ａ，１４ｂのパワー素子の温度を検出する感温Ｄｉ２ｋ，２ｌおよび感温Ｄｉ２ｍ，２ｎが形成されている。そして、素子チップ１４ａ，１４ｂのパワー素子で発生した熱は、それぞれ、リードフレームＬ５，Ｌ６を介して、感温Ｄｉ２ｋ，２ｌおよび感温Ｄｉ２ｍ，２ｎに伝達するように構成されている。

図４は、温度検出素子に熱を伝える金属部材として銅クリップを用いる場合の例を示す図で、電力供給モジュール１２０の主な構成要素の配置関係を示した上面図と断面図である。

図４に示す電力供給モジュール１２０では、素子チップ１５がリードフレームＬ７に搭載され、制御チップ２５が、素子チップ１５に接続された銅クリップＤ１上に配置されている。また、制御チップ２５には、素子チップ１５のパワー素子の温度を検出する感温Ｄｉ２ｏ，２ｐが形成されている。そして、素子チップ１５のパワー素子で発生した熱は、銅クリップＤ１を介して、感温Ｄｉ２ｏ，２ｐに伝達するように構成されている。

図４の電力供給モジュール１２０の構成によっても、制御チップ２５に配置された各感温Ｄｉ２ｏ，２ｐに対して、それぞれに隣接して配置される金属部材の銅クリップＤ１を介して、素子チップ１５におけるパワー素子の発熱や過昇温時の熱を、迅速に伝達することができる。また、複数個の感温Ｄｉ２ｏ，２ｐを制御チップ１５の異なる位置に配置しているため、素子チップ１５にあるパワー素子の温度を推定するにあたって、各感温Ｄｉ２ｏ，２ｐで測定される温度の値だけでなく、それらの差分もパワー素子の温度の推定に利用可能である。そして、各感温Ｄｉ２ｏ，２ｐで測定される温度やそれらの差分を、シミュレーションや実測によって予め得られている値と比較することで、素子チップ１５に形成されたパワー素子の温度を正確に検出することができる。

尚、金属部材として銅クリップを利用する場合においても、伝達されるパワー素子の熱で大きな温度差を得るため、リードフレームを利用する場合と同様に、所定の２個の温度検出素子の直下に位置する部分形状を、該２個の温度検出素子を結ぶ幅の狭いライン形状とすることが好ましい。これによって、該２個の温度検出素子では、銅クリップを介して伝達されるパワー素子の熱で大きな温度差が得られると共に、周りからの熱流入による誤差を小さくすることができる。

一方、図１で例示した電力供給モジュール１００のように、金属部材としてボンディングのワイヤを利用する場合には、リードフレームや銅クリップに較べて、熱の伝達経路が細くなり、周りをパッケージの樹脂で覆われる構造となる。このため、素子チップから伝達される熱量は小さくなるものの、周りからの熱流入による誤差も小さくすることができる。

以上のようにして、上記した電力供給モジュールは、いずれも、素子チップと制御チップが一つのパッケージ内に封止されてなる電力供給モジュールであって、素子チップに形成されたパワー素子の過昇温を低損失で迅速かつ正確に検出できる電力供給モジュールとなっている。

従って、上記電力供給モジュールは、厳しい環境下で使用され、高い安全性が要求される、車載用の電力供給モジュールとして好適である。

９０，９１，１００，１０１，１１０，１２０ 電力供給モジュール
１０〜１２，１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ 素子チップ
１ ＭＯＳ（パワー素子）
２０〜２５ 制御チップ
３０〜３２ パッケージ
２，２ａ〜２ｐ 感温Ｄｉ（温度検出素子）
Ｗ１〜Ｗ３ ワイヤ
Ｌ１〜Ｌ７ リードフレーム
Ｄ１ 銅クリップ

Claims (11)

1. 負荷に電力を供給するパワー素子が形成された素子チップと、前記パワー素子を駆動する制御回路が形成された制御チップとが、一つのパッケージ内に封止されてなる電力供給モジュールであって、
   前記制御チップの異なる位置に、複数個の温度検出素子が配置されてなり、
   前記複数個の温度検出素子に隣接して、前記素子チップと前記制御チップを接続する金属部材が配置されてなり、
   前記複数個の温度検出素子で測定される各温度から、前記素子チップに形成されたパワー素子の温度を検出するように構成されてなることを特徴とする電力供給モジュール。
2. 前記複数個の温度検出素子のうち、
   少なくとも１個が、前記素子チップに近い位置に配置され、
   少なくとももう１個が、前記素子チップから遠い位置に配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の電力供給モジュール。
3. 前記温度検出素子が、前記制御チップ内に形成される感温ダイオードであることを特徴とする請求項１または２に記載の電力供給モジュール。
4. 前記金属部材が、リードフレームであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電力供給モジュール。
5. 前記複数個の温度検出素子のうち、所定の２個の温度検出素子の直下に位置する前記リードフレームの部分形状が、該２個の温度検出素子を結ぶ幅の狭いライン形状であることを特徴とする請求項４に記載の電力供給モジュール。
6. 前記制御チップが、埋込み酸化膜を有するＳＯＩ基板からなることを特徴とする請求項４または５に記載の電力供給モジュール。
7. 前記金属部材が、ボンディングワイヤであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電力供給モジュール。
8. 前記パワー素子が、ＭＯＳトランジスタであり、
   前記ボンディングワイヤが、複数本、前記ＭＯＳトランジスタのゲートパッドに接続されてなることを特徴とする請求項７に記載の電力供給モジュール。
9. 前記金属部材が、銅クリップであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電力供給モジュール。
10. 前記複数個の温度検出素子のうち、所定の２個の温度検出素子の直下に位置する前記銅クリップの部分形状が、該２個の温度検出素子を結ぶ幅の狭いライン形状であることを特徴とする請求項９に記載の電力供給モジュール。
11. 前記電力供給モジュールが、車載用であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の電力供給モジュール。

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