JP3889562B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内部絶縁型の半導体モジュールに係り、特に比較的大電流容量のパッケージ型パワー半導体モジュールに好適な半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開平9−148523号公報には半導体素子のチップ上の周辺部に温度検出用素子を配置して熱抵抗の増加を検出する半導体装置の開示がある。
【0003】
図3は、従来の内部絶縁型の半導体モジュールの半導体装置の断面構造を示す。この図において、絶縁基板4は、アルミナなどの絶縁材で作られ、その一方の面には、配線パターンが形成された金属層5aがろう材6aにより接合され、他方の面には、半田などによる接合を可能とする為の金属層5bがろう材6bにより接合されている。
【0004】
そして、複数個の半導体素子1は、絶縁基板4の一方の主面に形成されている金属層5aの所定の部分にソルダー3aにより接合され、サーミスタ2は金属層5aの所定の部分にソルダー3bにより接合され、さらに絶縁基板4のもう一方の面に形成されている金属層5bがソルダー3cにより、支持基板7に積層される。
【0005】
そして、これらの半導体素子1は、金属ワイヤ9により、金属層5aの所定の部分に対して配線が施されている。支持基板7は、半導体素子1で発生した熱を拡散させるヒートシンクを兼ねている。
【0006】
電流入出力用の配線端子12aおよび信号入出力用の配線端子12bを有する樹脂体8は、金属層5aに形成されている配線パターンの所定の部分と配線端子12aおよび実装基板11と信号入出力用の配線端子12bを接続するものである。
【0007】
実装基板11にはドライバICを含めた制御回路及び電位の上げ下げを行うレベルシフト回路が形成され、半導体素子1の駆動を行う。このとき、ケース内部には、半導体素子1を保護するためのゲル10が封入される。樹脂体8及び支持基板7はネジ16により外部冷却フィン15へ取り付けられる。
【0008】
図3の半導体装置を使用した回路の例を図5に示す。
【0009】
この図において、17aは上アームの半導体素子であるIGBT、17bは下アームのIGBT、18はダイオード、19は負荷、20はサーミスタ、21は電源、22aは上アームの制御回路、22bは下アームの制御回路である。半導体素子17aは制御回路22aにより駆動され、半導体素子17bは制御回路22bにより駆動される。この場合、サーミスタ20の一端は半導体素子17bの接地側に、一端は制御回路側に接続されている。この場合、半導体素子17bの温度は制御回路22bに接続されたサーミスタ20の電位により測定され、その温度が半導体素子17bの使用可能範囲を超えたときは、制御回路22bから半導体素子17bに駆動の停止信号が伝わり、半導体素子17bの駆動が停止する。
【0010】
しかしながら、前記の方法では、半導体素子の発熱による熱は半導体素子から、半導体素子の固着されている金属層、絶縁基板、サーミスタの固着されている金属層、サーミスタへと伝わる為、熱の一部が絶縁基板下の支持基板、冷却フィンに拡散する。そのため、半導体素子の温度とサーミスタの温度に差が生じ、半導体素子の温度を正確に測定できなかった。その為、半導体素子の使用可能な温度範囲に相当するサーミスタの検出温度設定を別に行う必要があった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の課題を解決するもので、その目的は、半導体素子の温度とサーミスタの温度との検出温度差を小さくすることで、半導体素子の温度を正確に検出できる半導体装置を提供する。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は以下のとおりである。
外部冷却フィンと、両側主面に固着された金属層を有する絶縁基板が該絶縁基板の片側主面に固着された支持基板を介して接合されてなる半導体装置において、前記絶縁基板の他の片側主面に固着された同じ金属層に半導体素子及び温度検出体が電気的に接続し、前記半導体素子と前記温度検出体の接合されている金属層のうち、前記半導体素子と前記温度検出体の間の金属層が前期絶縁基板と接合されていないことを特徴とする半導体装置である。
また、外部冷却フィンと、両側主面に固着された金属層を有する絶縁基板が該絶縁基板の片側主面に固着された支持基板を介して接合されてなる半導体装置において、前記絶縁基板の他の片側主面に固着された同じ金属層に半導体素子及び温度検出体が電気的に接続され、該半導体素子及び温度検出体がドライバICを搭載した実装基板と電気的に接続し、前記半導体素子と前記温度検出体の接合されている金属層のうち、前記半導体素子と前記温度検出体の間の金属層が前期絶縁基板と接合されていないことを特徴とする半導体装置である。
【0013】
更に、絶縁基板の片側主面上の金属層に固着された半導体素子及び温度検出体と、前記絶縁基板の他の片側主面の金属層に固着された支持基板を有し、該支持基板上の絶縁基板の半導体素子及び温度検出体を封止してなる樹脂体によって冷却フィンと結合し、前記半導体素子と前記温度検出体の接合されている金属層のうち、前記半導体素子と前記温度検出体の間の金属層が前期絶縁基板と接合されていないことを特徴とする半導体装置である。
【0014】
本発明は半導体素子の固着された絶縁基板上の金属層に温度検出体を固着した半導体装置であり、半導体素子と温度検出体の固着された絶縁基板上の金属層について絶縁基板と金属層との接合をなくした半導体装置である。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明は半導体素子の固着された絶縁基板上の金属層に温度検出体(サーミスタ)の端子の一端を固着することにより、半導体素子の温度と温度検出体の温度差を1/10〜1/1000℃小さくすることができ、従来の方法に比べて半導体素子の温度検出の精度を向上できる。
【0016】
更に、半導体素子、温度検出体の固着されている金属層の中で半導体素子から温度検出体が固着している部分を絶縁基板と接合しないことで、熱の絶縁基板へ拡散を防ぎ、半導体素子の温度検出の精度を更に向上できる。
【0017】
以下、本発明を実施例を用いて具体的に説明する。
【0018】
【実施例1】
図1は本発明の半導体装置の構成断面図である。温度検出体である温度検出体(以下サーミスタという)2は半導体素子1の固着された金属層5aと同じ金属層にその外部接続用端子の一端が固定されている。
【0019】
この場合、半導体素子1で発生した熱は、熱伝導率のよい金属層5aを伝わり、サーミスタ2に達する。このため、絶縁基板4、支持基板7への放熱が少なく、半導体素子1の温度とサーミスタ2の温度差が小さくなり、サーミスタ2により測定される温度は従来に比べ半導体素子1の温度に近い値となる。
【0020】
この実施例を使用した回路を図4に示す。
【0021】
サーミスタ20の一端は半導体素子17bの高電位側に接続され、一端は上アーム制御回路22aに接続される。この場合、サーミスタ20は高電位となるが、高電位の上アーム制御回路22aからレベルシフト回路23を経由することで低電位となり下アーム制御回路22bに伝わる。
【0022】
【実施例2】
図2において、半導体素子1及びサーミスタ2の固着されている金属層5aと絶縁基板4とを接合しているろう材6aうち、半導体素子1からサーミスタ2の間の部分がなく、この部分は絶縁基板4と金属層5aは接合していない。この場合、半導体素子1の熱は絶縁基板4に放熱されることなくサーミスタ2へと伝わるため、更に半導体素子1の温度とサーミスタ2の温度の差が小さくなり、半導体素子の温度の検出精度を実施例1に比べ向上できる。
この実施例を使用した回路を図6に示す。
【0023】
図6において、24aはU相上アームの半導体素子であるIGBT、24bはU相下アームIGBT、24cはV相上アームIGBT、24dはV相下アームIGBT、24eはW相上アームIGBT、24fはW相下アームIGBTであり、25はダイオード、26は負荷、27aはU相下アームIGBT24bの接合された金属層に接合されたサーミスタ、27bはV相下アームIGBT24dの接合された金属層に接合されたサーミスタ、27cはW相下アームIGBT24fの接合された金属層に接合されたサーミスタ、28は電源、29aはU相上アームの制御回路、29bはU相下アームの制御回路、29cはV相上アームの制御回路、29dはV相下アームの制御回路、29eはW相上アームの制御回路、29fはW相下アームの制御回路、30aはU相のレベルシフト回路、30bはV相のレベルシフト回路、30cはW相のレベルシフト回路である。
【0024】
この場合、IGBT24a、24b、24c、24d、24e、24fはそれぞれ制御回路の29a、29b、29c、29d、29e、29fにより駆動され、負荷26には3相の電流が流れる。 この3相電流は必ず下アームのIGBTである24b、24d、24fのいずれかに流れる。過剰な電流がIGBT24bに流れた場合は、IGBT24bの温度が上昇し、図2の方法により、サーミスタ27aにより、温度の上昇を検出できる。
【0025】
また、他のIGBT24d又は24fに過剰な電流が流れた場合も同様に、それぞれサーミスタ27b、27cにより温度を検出することができる。この温度がIGBT素子の使用可能範囲を超えていた場合は、制御回路29a、29b、29c、29d、29e、29fにより全IGBT素子の駆動を停止することができる。
【0026】
よって、本発明を採用することで、半導体装置の導体回路に過剰な電流が発生し、発熱した際も、導体回路及び半導体素子の保護ができる。
【0027】
【発明の効果】
以上、本発明は比較的大電流容量のパッケージ型パワー半導体モジュールに好適な半導体装置において、半導体素子の接合されている絶縁基板上の金属層と同じ金属層に温度検出体を接合することで、半導体素子により発生した熱は熱伝導のよい金属層から温度検出体に伝わる為、絶縁基板への放熱を小さくでき、半導体素子の温度と温度検出体との温度差を小さくできる。また、半導体素子から温度検出体の間の金属層と絶縁基板との接合をなくすことで、半導体素子から温度検出体までの絶縁基板・支持基板への放熱を小さくして温度差をさらに小さくすることができる。更に、半導体素子の過剰な温度上昇に対し精度よく半導体素子の動作を停止するなどの対応を精度よくできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の構成断面図である。
【図2】本発明の別の半導体装置の構成断面図である。
【図3】従来の内部絶縁型の半導体モジュールの半導体装置の断面構造を示す。
【図4】本発明の実施例1を使用した回路を示す。
【図5】従来の内部絶縁型の半導体モジュールの半導体装置を使用した回路を示す。
【図6】本発明の実施例2を使用した回路を示す。
【符号の説明】
1…半導体素子、2…温度検出体(サーミスタ)、3a…半導体素子下部のソルダー、3b…サーミスタ下部のソルダー、3c…絶縁基板下部のソルダー、3d…配線端子下部のソルダー、4…絶縁基板、5a…絶縁基板上部の金属層、5b…絶縁基板下部の金属層、6a…絶縁基板上部のろう材、6b…絶縁基板下部のろう材、7…支持基板、8…樹脂体、9…金属ワイヤ、10…ゲル、11…実装基板、12a…配線端子(電流端子)、12b…配線端子(信号端子)、13…接着剤、14…ドライバIC、15…外部冷却フィン、16…・ネジ、17a…上アーム半導体素子(IGBT)、17b…下アーム半導体素子(IGBT)、18…ダイオード、19…負荷、20…サーミスタ、21…電源、22a…上アーム制御回路、22b…下アーム制御回路、23…レベルシフト回路、24a…U相上アーム半導体素子(IGBT)、24b…U相下アーム半導体素子(IGBT)、24c…V相上アーム半導体素子(IGBT)、24d…V相下アーム半導体素子(IGBT)、24e…W相上アーム半導体素子(IGBT)、24f…W相下アーム半導体素子(IGBT)、25…ダイオード、26…負荷、27a…U相サーミスタ、27…b:V相サーミスタ、27c…W相サーミスタ、28…電源、29a…U相上アーム制御回路、29b…U相下アーム制御回路、29c…V相上アーム制御回路、29d…V相下アーム制御回路、29e…W相上アーム制御回路、29f…W相下アーム制御回路、30a…U相レベルシフト回路、30b…V相レベルシフト回路、30c…W相レベルシフト回路。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal insulation type semiconductor module, and more particularly to a semiconductor device suitable for a package type power semiconductor module having a relatively large current capacity.
[0002]
[Prior art]
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 9-148523 discloses a semiconductor device that detects an increase in thermal resistance by disposing a temperature detecting element on the periphery of a semiconductor element chip.
[0003]
FIG. 3 shows a cross-sectional structure of a semiconductor device of a conventional internal insulation type semiconductor module. In this figure, an
[0004]
The plurality of
[0005]
These
[0006]
The
[0007]
On the
[0008]
An example of a circuit using the semiconductor device of FIG. 3 is shown in FIG.
[0009]
In this figure, 17a is an IGBT which is a semiconductor element of the upper arm, 17b is an IGBT of the lower arm, 18 is a diode, 19 is a load, 20 is a thermistor, 21 is a power supply, 22a is a control circuit for the upper arm, and 22b is a lower arm. This is a control circuit. The
[0010]
However, in the above method, the heat generated by the heat generation of the semiconductor element is transferred from the semiconductor element to the metal layer to which the semiconductor element is fixed, the insulating substrate, the metal layer to which the thermistor is fixed, and the thermistor. Diffuses to the support substrate and the cooling fin under the insulating substrate. Therefore, a difference occurs between the temperature of the semiconductor element and the temperature of the thermistor, and the temperature of the semiconductor element cannot be measured accurately. For this reason, it is necessary to separately set the thermistor detection temperature corresponding to the usable temperature range of the semiconductor element.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of accurately detecting the temperature of a semiconductor element by reducing the difference in detection temperature between the temperature of the semiconductor element and the temperature of the thermistor. .
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The gist of the present invention is as follows.
In a semiconductor device in which an external cooling fin and an insulating substrate having a metal layer fixed to both main surfaces are joined via a support substrate fixed to one main surface of the insulating substrate, the other one side of the insulating substrate The semiconductor element and the temperature detector are electrically connected to the same metal layer fixed to the main surface, and the semiconductor element and the temperature detector of the metal layer where the semiconductor element and the temperature detector are joined are connected . The semiconductor device is characterized in that the metal layer therebetween is not bonded to the insulating substrate in the previous period.
In addition, in a semiconductor device in which an external cooling fin and an insulating substrate having a metal layer fixed to both main surfaces are bonded via a support substrate fixed to one main surface of the insulating substrate, the semiconductor element and the temperature detector on the same metal layer secured to one side main surface is electrically connected, the semiconductor element and temperature detector is connected to the mounting board and electrically mounting the driver IC, the semiconductor element of the metal layer are joined in the temperature detecting element and a metal layer between said semiconductor element and said temperature detector is a semiconductor device you characterized by not joined to the previous period insulating substrate.
[0013]
Further, the semiconductor element and the temperature detector fixed to the metal layer on the one-side main surface of the insulating substrate, and a support substrate fixed to the metal layer on the other one-side main surface of the insulating substrate, The semiconductor element of the insulating substrate and the temperature detection body are combined with the cooling fin by a resin body formed by sealing, and the semiconductor element and the temperature detection are among the metal layers bonded to the semiconductor element and the temperature detection body. The semiconductor device is characterized in that the metal layer between the bodies is not bonded to the insulating substrate in the previous period.
[0014]
The present invention is a semiconductor device in which a temperature detector is fixed to a metal layer on an insulating substrate to which a semiconductor element is fixed, and the insulating substrate, the metal layer, and the metal layer on the insulating substrate to which the semiconductor element and the temperature detector are fixed are provided. This is a semiconductor device that eliminates the junction.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, the temperature difference between the temperature of the semiconductor element and the temperature detector is reduced to 1/10 to 1/1 by fixing one end of the terminal of the temperature detector (thermistor) to the metal layer on the insulating substrate to which the semiconductor element is fixed. The temperature can be reduced by 1000 ° C., and the temperature detection accuracy of the semiconductor element can be improved as compared with the conventional method.
[0016]
Furthermore, the semiconductor element and the metal layer to which the temperature detector is fixed are not bonded to the insulating substrate at the portion where the temperature detector is fixed from the semiconductor element, thereby preventing diffusion of heat to the insulating substrate. The accuracy of temperature detection can be further improved.
[0017]
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
[0018]
[Example 1]
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device according to the present invention. A temperature detection body (hereinafter referred to as a thermistor) 2 that is a temperature detection body has one end of an external connection terminal fixed to the same metal layer as the
[0019]
In this case, the heat generated in the
[0020]
A circuit using this embodiment is shown in FIG.
[0021]
One end of the
[0022]
[Example 2]
In FIG. 2, there is no part between the
A circuit using this embodiment is shown in FIG.
[0023]
In FIG. 6, 24a is a U-phase upper arm semiconductor element, 24b is a U-phase lower arm IGBT, 24c is a V-phase upper arm IGBT, 24d is a V-phase lower arm IGBT, 24e is a W-phase upper arm IGBT, 24f. Is a W-phase lower arm IGBT, 25 is a diode, 26 is a load, 27a is a thermistor joined to a metal layer joined to the U-phase
[0024]
In this case, the
[0025]
Similarly, when an excessive current flows through the
[0026]
Therefore, by employing the present invention, the conductor circuit and the semiconductor element can be protected even when excessive current is generated in the conductor circuit of the semiconductor device and heat is generated.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a semiconductor device suitable for a package type power semiconductor module having a relatively large current capacity, by bonding the temperature detector to the same metal layer as the metal layer on the insulating substrate to which the semiconductor element is bonded. Since the heat generated by the semiconductor element is transmitted from the metal layer having good thermal conductivity to the temperature detection body, the heat radiation to the insulating substrate can be reduced, and the temperature difference between the temperature of the semiconductor element and the temperature detection body can be reduced. Further, by eliminating the bonding between the metal layer between the semiconductor element and the temperature detection body and the insulating substrate, the heat radiation from the semiconductor element to the temperature detection body to the insulating substrate and the support substrate is reduced to further reduce the temperature difference. be able to. Furthermore, it is possible to accurately cope with an excessive temperature rise of the semiconductor element, such as stopping the operation of the semiconductor element with high precision.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural cross-sectional view of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a structural cross-sectional view of another semiconductor device of the present invention.
FIG. 3 shows a cross-sectional structure of a semiconductor device of a conventional internal insulation type semiconductor module.
FIG. 4 shows a circuit using Example 1 of the present invention.
FIG. 5 shows a circuit using a semiconductor device of a conventional internal insulation type semiconductor module.
FIG. 6 shows a circuit using Example 2 of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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