JP3548024B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関し、特に汎用インバータ装置、数値制御工作機械、エアコンなどの電力変換装置に内蔵される半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、モータの可変速装置などに適用されるインバータ装置には、電力変換を行うパワー素子、このパワー素子を制御駆動するドライブ回路、保護回路、およびこれらを統括制御する制御回路から構成されている。最近では、これらの構成のうち、直流を交流に変換するパワー素子、ドライブ回路および保護回路を一つのパッケージに内蔵したインテリジェント・パワー・モジュール(以下、IPMという)と呼ばれる半導体装置が製品化されている。このIPMを使用したインバータの例を以下に示す。
【0003】
図10は従来のインバータ装置の回路構成を示すブロック図である。インバータ装置は、二相または三相の交流電源に接続され、交流を直流に変換するコンバータ1と、平滑用の電解コンデンサ2と、IPM3と、バッファ4、コントローラ5およびメモリを含む中央処理装置(CPU・ROM)6からなる制御回路と、スイッチングトランジスタ7、トランス8,9およびスイッチングレギュレータ10からなるIPM3および制御回路用の電源回路と、IPM3の出力とモータMとの間に設置されたカレントトランスCTとから構成されている。
【0004】
IPM3は、パワー素子から構成されて出力がモータMに接続される三相のインバータ11と、このインバータ11を制御駆動するプリドライバ12と、保護回路13と、過電流検出用のセンサ14と、過熱検出用のセンサ15と、モータMの減速制御時に用いられるブレーキ用パワー素子16および抵抗17と、ブレーキ用パワー素子16を制御駆動するプリドライバ18とによって一体に構成されている。
【0005】
制御回路からIPM3に対する制御信号は、バッファ4からフォトカプラを介してプリドライバ12,18に供給され、センサ14,15による過電流状態または過熱状態が検出されたときのアラーム信号は、保護回路13からフォトカプラを介してバッファ4に供給される。また、カレントトランスCTの出力はコントローラ5に接続されている。
【0006】
このカレントトランスCTは、IPM3からモータMへ流れる出力電流を検出してコントローラ5に帰還させることにより各種制御を行うもので、三つの貫通孔が設けられており、そこにインバータ11の出力電流ラインであるワイヤまたはバーを挿通した状態でインバータ装置内に設けられている。
【0007】
このような構成のインバータ装置において、コンバータ1により変換された直流電圧は、インバータ11によってモータMに供給する交流電圧に変換される。インバータ11は、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)とダイオードとによりブリッジが組まれ、そのIGBTで直流電圧をチョッピング制御することにより、最終的にモータに流す電流を交流にする。その交流の周波数を変えることで、モータの回転速度を可変にすることができる。
【0008】
また、カレントトランスCTによって検出されたインバータ出力電流は、コントローラ5に入力され、このコントローラ5は、出力電流の波形に歪みが発生しないように制御したり、所定の出力電流値以上にならないように制御する。
【0009】
図11は従来のインバータ装置の電力変換回路の部分を示すブロック図である。電力変換回路は、コンバータ1とインバータ11を含むIPM3との二つのモジュールによって構成されている。コンバータ1には、入出力端子として、丸印で示したモジュール端子21〜25が設けられ、IPM3には、モジュール端子26〜30が設けられている。また、コンバータ1およびIPM3を含むインバータ装置の入出力端子として、大きな黒丸で示した端子台R,S,T,P1,P2,N,U,V,Wが設けられている。
【0010】
コンバータ1およびIPM3のモジュール端子21〜30は、それぞれ対応する端子台に接続されているが、これらの接続は、たとえば銅バーをねじ止めすることによって実施している。また、コンバータ1およびインバータ11を接続する部分、すなわち、端子台P1と端子台P2との間、およびモジュール端子25とモジュール端子27との間においても、銅バーをねじ止めすることによって接続を行っている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のインバータ装置では、出力電流を監視するために装置内に内蔵しているカレントトランスは、他の構成要素と比べて比較的大きいため、大きな設置スペースを必要とし、小型化の妨げになっている。また、出力電流ラインのワイヤまたはバーを挿通させる構成になっているので、組み立て工数が複雑であるという問題点があった。
【0012】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、組み込まれる装置の省スペース化を可能とし、また、配線用のスペースおよび組み立て工数の低減が可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するために、パワー半導体とドライブ回路と保護回路とを同一パッケージに組み込んだ半導体装置において、前記パワー半導体が搭載される絶縁基板上に前記パワー半導体の出力ラインに直列になるように前記パッケージ内に設けられた出力電流検出用のシャント抵抗と、前記シャント抵抗の両端から配線パターンにより引き出されて前記シャント抵抗の両端電圧が外部装置に出力されるように前記外部装置と接続可能とすることができる制御ピンと、を備えていることを特徴とする半導体装置が提供される。

【0014】
このような半導体装置によれば、この半導体装置の出力電流をシャント抵抗の両端電圧として制御ピンより外部装置に取り出すことができる。これにより、出力電流を検出するために、大きな設置スペースを必要とするカレントトランスを別途設ける必要がなく、この半導体装置が組み込まれる装置の省スペース化が図れる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、IPMに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
【0016】
図1は本発明を適用したIPMを含むインバータ装置の回路構成を示すブロック図である。この図1に示したインバータ装置は、図10に示した従来のインバータ装置とほぼ同じ構成および作用を有しており、したがって、従来のインバータ装置を構成する構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付して、その詳細は省略する。従来のインバータ装置との相違点は、シャント抵抗31がIPM3の出力ラインに直列に挿入された状態でIPM3に内蔵されていることと、このシャント抵抗31の端子電圧をコントローラ5に帰還させるための絶縁アンプ32あるいは絶縁アンプに代わる高耐圧ICが設けられていることである。
【0017】
このシャント抵抗31は、その両端をパターンを介してIPM3の制御ピンまで配線されており、コントローラ5には出力電流を電圧値として与えることができ、モータMに流れる出力電流をカレントトランスと同じように監視することができる。シャント抵抗31をIPM3に内蔵することにより、インバータとしては、カレントトランスを省略することができ、設置スペースや配線工数を削減することができ、小型化することが可能になる。また、シャント抵抗31の放熱が効率的に行うことができるようになる。
【0018】
次に、この出力電流検出用のシャント抵抗31の構成について説明する。
図2はシャント抵抗近傍のIPMの一構成例を示す図である。シャント抵抗31は、絶縁層33と、接着層34と、抵抗体35とから構成されている。このシャント抵抗31は、絶縁基板36の上に、IPM3を構成する機能素子、すなわちインバータ11のパワー素子と一緒に搭載される。プリドライバ12,18、保護回路などの放熱の必要のない素子は、絶縁基板36とは別のプリント基板などに搭載される。絶縁基板36としては、金属絶縁基板を用いることができるが、ここでは、セラミック基板の表面に銅の回路パターンが形成されたものを用いており、そこにシャント抵抗31が半田37によって接合されている。この絶縁基板36は、銅ベース38に半田39によって接合されている。
【0019】
シャント抵抗31をIPM3の絶縁基板36の上に半田付けし、シャント抵抗31にて発生した熱を絶縁基板36と銅ベース38を介して放熱する。シャント抵抗31をIPM3に内蔵することで放熱性が良くなり、たとえば50アンペア以上の大電流を出力することができるIPM3に適用することが可能になる。
【0020】
次に、IPMに適用することができるシャント抵抗の別の構成例について説明する。
図3はシャント抵抗近傍のIPMの別の構成例を示す図である。この構成例によれば、銅ベース38上に半田39を介して接合された絶縁基板36の上に、抵抗体35を直接蒸着することによってシャント抵抗31を構成している。このように、絶縁基板36の上に直接シャント抵抗31を形成することで、抵抗体35と銅ベース38との間の熱抵抗が低減され、放熱性が向上する。これにより、シャント抵抗31の温度上昇を抑えることができ、インバータの許容負荷能力を上げることができる。
【0021】
なお、この例では、抵抗体35を絶縁基板36に蒸着により形成したが、抵抗体35を絶縁基板36に圧接、接着、ろう付け、活性金属法などにより接合するようにしてもよい。
【0022】
以上のようにして、シャント抵抗31を絶縁基板36上に搭載したが、これが搭載されるIPM3は、適用するインバータの仕様に応じて、出力電流の異なるものが製造される。したがって、IPM3の定格出力電流に応じて、シャント抵抗31の抵抗値を変える必要がある。このため、抵抗値の異なるシャント抵抗を複数用意し、必要に応じて最適な抵抗値を有するシャント抵抗を用いればよい。しかし、この場合、抵抗値の種類が多いため、シャント抵抗の取り扱い、在庫管理などが非常にわずらわしくなる。そこで、本発明では、使用するシャント抵抗31は1種類とし、出力電流ラインとの間で接続されるワイヤのボンディング位置を変えることによって抵抗値を調整するようにした。その詳細を以下に説明する。
【0023】
図4はシャント抵抗の平面図であって、(A)はボンディング位置を均等配置した状態を示し、(B)は等電位線を示している。シャント抵抗31は、(A)に示したように、抵抗体35と、その両側に配置された導電性のボンディング領域41,42と、抵抗体35の両側の一部と接続された導電性のセンス端子43,44とから構成される。ここで、ボンディング領域41は、インバータ11の電流出力ラインである絶縁基板36上の回路パターン45にボンディングワイヤ46によって接続される領域であり、ボンディング領域42は、このIPM3の出力に通じる電流出力ラインである絶縁基板36上の回路パターン47にボンディングワイヤ48によって接続される領域である。ボンディング領域41では、この中に一例として五つのボンディング位置49が均等に配置され、ボンディング領域42の中にも五つのボンディング位置50が均等に配置されている。センス端子43,44も、図示はしないが、絶縁基板36上の回路パターンに接続され、この回路パターンは外部装置、ここでは絶縁アンプ32を介してコントローラ5へ接続するためのこのIPM3の制御ピンに通じている。
【0024】
以上のように、ボンディングワイヤ46,48がボンディング領域41,42に均等にボンディングされている場合、電流密度および電流経路も抵抗体35全面にわたって均等に分布され、抵抗体35における等電位線は、(B)に示したように、平行に分布している。
【0025】
ここで、一例として、このシャント抵抗31にたとえば100アンペアの電流を流した場合、センス端子43,44間の電圧は250ミリボルトであった。これは、センス端子43,44間から見た抵抗体35の抵抗値が2.5ミリオームであることを示している。
【0026】
図5はシャント抵抗の平面図であって、(A)はボンディング位置をセンス端子の反対側に偏倚配置した状態を示し、(B)は等電位線を示している。今度は、ボンディング領域41,42において、ボンディングワイヤ46,48のボンディング位置49,50をセンス端子43,44から離れた位置に密着配置した。この場合、電流密度および電流経路は、ボンディング位置49とボンディング位置50との間に集中して分布され、この間から離れた領域ほど電流密度は低くなる。したがって、抵抗体35における等電位線は、(B)に示したように、ボンディング位置間のみ平行に分布し、センス端子43,44の側では等電位線の間隔が広くなっている。
【0027】
このとき、このシャント抵抗31に100アンペアの電流を流した場合のセンス端子43,44に延びている等電位線間の電位差は181ミリボルトであった。これは、センス端子43,44間から見た抵抗体35の抵抗値が1.81ミリオームであることを示し、等間隔ボンディングの場合よりも低くなっている。
【0028】
図6はシャント抵抗の平面図であって、(A)はボンディング位置をセンス端子の側に偏倚配置した状態を示し、(B)は等電位線を示している。ボンディングワイヤ46,48のボンディング位置49,50がボンディング領域41,42のセンス端子43,44の近くに密着配置されている場合、電流密度および電流経路は、ボンディング位置49とボンディング位置50との間に集中して分布され、このときの抵抗体35における等電位線は、(B)に示したように分布している。
【0029】
このとき、このシャント抵抗31に100アンペアの電流を流した場合のセンス端子43,44における等電位線間の電位差は290ミリボルトであった。これは、センス端子43,44間から見た抵抗体35の抵抗値が2.9ミリオームであることを示し、ボンディング位置がセンス端子43,44に近くなるほど、抵抗値の上昇する傾向があることが分かる。
【0030】
このように、ワイヤの位置を変えることによってシャント抵抗31の抵抗値が変わる特性を利用することにより、一種類のシャント抵抗で抵抗値の異なるものを実現することができ、インバータの仕様に合わせて各種抵抗値のシャント抵抗を用意しておく必要がない。
【0031】
また、本インバータ装置では、IPM3のモジュール端子とインバータ装置の端子台とを一体化して、配線用の銅バーおよびそれらの取り付けねじを省略することができる構成にした。以下、この構成について説明する。
【0032】
図7はインバータ装置の電力変換回路を示すブロック図である。電力変換回路は、コンバータ1とIPM3との二つのモジュールによって構成されている。コンバータ1は、その入出力端子としてモジュール端子を備えているが、その中の入力端子および正極出力端子についてはインバータ装置の交流入力用の端子台R,S,T,P1と一体化してあり、配線用の銅バーおよびその取り付けねじを不要にしている。なお、コンバータ1のモジュール端子24,25は電解コンデンサ接続用の端子である。
【0033】
IPM3についても、入力側のモジュール端子はインバータ装置の直流入力用の端子台P2,Nと一体化してあり、出力側のモジュール端子も端子台U,V,Wと一体化されている。また、IPM3のインバータ11を構成するIGBTの直近に、モジュール端子P(+)1,P(+)2,N(−)1,N(−)2が設けられている。これらのモジュール端子P(+)1,P(+)2,N(−)1,N(−)2は、IGBTのスイッチング動作時に発生するサージ電圧抑制のためのスナバ回路用コンデンサを接続するのに使用される。
【0034】
このように、IPM3の入力側のモジュール端子を端子台P2,Nと一体化したことにより、構造的に端子台P2,NとIGBTとの間の配線が長くなり、端子台P2,NからIGBTまでの内部配線のインダクタンスL1,L2が増えてしまう傾向にある。特に、中・大容量のインバータ装置では、配線のインダクタンスL1,L2がIGBTのスイッチング動作時に大きなサージ電圧を発生し、そのサージ電圧がIGBTを破壊するといった現象が起きる。しかし、これを防ぐためのスナバ回路用のモジュール端子P(+)1,P(+)2,N(−)1,N(−)2をIGBTの直近に設けたことにより、端子台P2,NとIGBTとの間のインダクタンスL1,L2の影響をなくすことを可能にしている。
【0035】
図8はIPMの概観例を示す図であって、(A)は平面図、(B)は正面図、(C)は端子台の部分断面図、(D)は背面図、(E)は右側面図である。IPM3は、銅ベース38の外周部に搭載されたフレームに、このモジュール端子と一体化されたインバータ装置の端子台P2,N,U,V,Wと、スナバ回路用のモジュール端子P(+)1,P(+)2,N(−)1,N(−)2と、外部の制御回路と接続するための制御ピンを有するコネクタ51とを備えている。端子台P2,N,U,V,Wは二組設けられ、一方はフレームの上面、他方はフレームの正面に設けられている。このフレームの中央部は、絶縁基板36上に形成されたIGBT、プリドライバ12,18、保護回路13、シャント抵抗31などが位置しており、蓋52によって封止されている。
【0036】
この蓋52の上部には、スナバ回路用の2個のコンデンサが配置され、それぞれモジュール端子P(+)1,N(−)1およびP(+)2,N(−)2と直接接続される。端子台P2は、コンバータ1の端子台P1および電解コンデンサに接続され、端子台U,V,Wは、モータMに接続される。
【0037】
このIPM3のモジュール端子とインバータ装置の端子台とにおいて、共用できる部分を内部配線53により一体化したことにより、配線用の銅バーおよびこれを取り付けるためのねじが不要となり、組み立て工数の大幅な低減と設置スペースの削減に大いに寄与する。
【0038】
また、スナバ回路用のモジュール端子P(+)1,P(+)2,N(−)1,N(−)2を単独に設け、IGBTの直近の回路パターンと接続するようにしたので、モジュール端子とインバータ装置の端子台とを一体化したことによって端子台とIGBTとの間の内部配線53が長くなって、その内部配線53のインダクタンスが増えたとしても、IGBTの直近でスナバ回路がスイッチング時に発生するサージ電圧を直接抑制するよう動作するため、実質的にインダクタンスの存在は無視することができ、サージ電圧によるIGBTの破壊を確実に防止することができる。
【0039】
図9はIPMの別の概観例を示す図であって、(A)は平面図、(B)は正面図、(C)は背面図、(D)は端子台の部分断面図、(E)は端子台近傍の底面図、(F)は右側面図である。この例によれば、IPM3は、このモジュール端子と一体化されたインバータ装置の端子台P2,N,U,V,Wと、スナバ回路用のモジュール端子P(+)1,P(+)2,N(−)1,N(−)2と、外部の制御回路と接続するための制御ピンを有するコネクタ51とを備えている。端子台P2,N,U,V,Wは、フレームの上面に二組設けられている。このフレームの中央部は、絶縁基板36上に形成されたIGBT、プリドライバ12,18、保護回路13、シャント抵抗31などが位置しており、蓋52によって封止されている。
【0040】
モジュール端子P(+)1,N(−)1およびP(+)2,N(−)2は、蓋52の上部に配置されたスナバ回路用の2個のコンデンサと直接接続され、端子台P2は、コンバータ1の端子台P1および電解コンデンサに接続され、端子台U,V,Wは、モータMに接続される。
【0041】
このIPM3においても、モジュール端子とインバータ装置の端子台とを内部配線53により一体化し、配線用の銅バーおよびこれを取り付けるためのねじを不要にしている。また、スナバ回路用のモジュール端子P(+)1,P(+)2,N(−)1,N(−)2をIGBTの直近の回路パターンに接続した構成にしたことにより、IGBTの直近でスナバ回路が動作し、インバータ装置の端子台とIGBTとの間の配線のインダクタンスによる影響を無視することが可能になる。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、出力電流検出用のシャント抵抗を内蔵し、その両端を外部装置と接続できるように構成した。これにより、インバータ装置としてはカレントトランスを削減でき、設置スペースおよび配線工数を削減することができ、外部装置と接続することにより検出電圧をもとに出力電流を制御することができる。
【0043】
また、シャント抵抗をパワー素子が搭載された絶縁基板上に設けることにより、放熱性を向上させることができ、50アンペア以上の大電流用のインバータ装置に適用することができる。
【0044】
また、シャント抵抗に接続するワイヤのボンディング位置を変更して、抵抗値を変えるように構成したことにより、1種類のシャント抵抗で複数の抵抗値を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用したIPMを含むインバータ装置の回路構成を示すブロック図である。
【図2】シャント抵抗近傍のIPMの一構成例を示す図である。
【図3】シャント抵抗近傍のIPMの別の構成例を示す図である。
【図4】シャント抵抗の平面図であって、(A)はボンディング位置を均等配置した状態を示し、(B)は等電位線を示している。
【図5】シャント抵抗の平面図であって、(A)はボンディング位置をセンス端子の反対側に偏倚配置した状態を示し、(B)は等電位線を示している。
【図6】シャント抵抗の平面図であって、(A)はボンディング位置をセンス端子の側に偏倚配置した状態を示し、(B)は等電位線を示している。
【図7】インバータ装置の電力変換回路を示すブロック図である。
【図8】IPMの概観例を示す図であって、(A)は平面図、(B)は正面図、(C)は端子台の部分断面図、(D)は背面図、(E)は右側面図である。
【図9】IPMの別の概観例を示す図であって、(A)は平面図、(B)は正面図、(C)は背面図、(D)は端子台の部分断面図、(E)は端子台近傍の底面図、(F)は右側面図である。
【図10】従来のインバータ装置の回路構成を示すブロック図である。
【図11】従来のインバータ装置の電力変換回路の部分を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 コンバータ
2 電解コンデンサ
3 インテリジェント・パワー・モジュール(IPM)
4 バッファ
5 コントローラ
6 中央処理装置
7 スイッチングトランジスタ
8,9 トランス
10 スイッチングレギュレータ
11 インバータ
12,18 プリドライバ
13 保護回路
14,15 センサ
16 ブレーキ用パワー素子
17 抵抗
31 シャント抵抗
32 絶縁アンプ
33 絶縁層
34 接着層
35 抵抗体
36 絶縁基板
37,39 半田
38 銅ベース
41,42 ボンディング領域
43,44 センス端子
45 回路パターン
46,48 ボンディングワイヤ
47 回路パターン
49,50 ボンディング位置
51 コネクタ
52 蓋
M モータ
P(+)1,P(+)2,N(−)1,N(−)2 モジュール端子
R,S,T,P1,P2,N,U,V,W 端子台

Claims (5)

  1. パワー半導体とドライブ回路と保護回路とを同一パッケージに組み込んだ半導体装置において、
    前記パワー半導体が搭載される絶縁基板上に前記パワー半導体の出力ラインに直列になるように前記パッケージ内に設けられた出力電流検出用のシャント抵抗と、
    前記シャント抵抗の両端から配線パターンにより引き出されて前記シャント抵抗の両端電圧が外部装置に出力されるように前記外部装置と接続可能とすることができる制御ピンと、
    を備えていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記シャント抵抗は、抵抗体が接合された絶縁層を前記パワー半導体が搭載される前記絶縁基板上に接合して構成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記シャント抵抗は、前記パワー半導体が搭載される前記絶縁基板上に直接抵抗体を接合して構成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  4. 前記抵抗体の前記絶縁基板上への接合は、蒸着、活性金属法、圧接、接着、およびろう付けのいずれかによって行われることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
  5. パワー半導体とドライブ回路と保護回路とを同一パッケージに組み込む半導体装置の製造方法において、
    前記パワー半導体の出力ラインに直列に設けられる前記パッケージ内の出力電流検出用のシャント抵抗の抵抗値を、前記出力ラインと前記シャント抵抗とを接続する複数のワイヤのボンディング位置を変え前記シャント抵抗における電流密度および電流経路の分布を変更することによって所定の値にすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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