JP6156131B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度センサを備えた半導体装置に関する。

パワー半導体素子をモジュール化したパワーモジュールでは、一般に、高電流および高電圧に起因したパワー半導体素子からの発熱によるモジュールの温度上昇に対策が施される。モジュールに放熱構造を採用するとともに温度センサを配置して、温度管理や温度に応じた動作制御を行うことが多い。

特許文献１には、プリント基板に半田付けされるパワーモジュールのプリント基板側と反対側面に、放熱用のアルミ板およびヒートシンクが取り付けられた構成が開示されている。パワーモジュールとプリント基板との間隙において、プリント基板上に温度検出素子が設けられる。

特許文献２には、配線基板上に設けられたパワーモジュールに第１の温度センサが内蔵され、金属面と接触したパワーモジュールの放熱面側に第２の温度センサが設けられた構成が開示されている。

特許文献３には、金属ケース上に３相インバータ回路のスイッチング素子を構成するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と当該ＩＧＢＴに近接した温度センサとが設けられるとともに、金属ケースの反実装面に冷却フィンが設けられた構成が開示されている。

特許文献４には、２つの半導体スイッチング素子を備えるパワー回路部において、温度の高い方の半導体スイッチング素子に設けられた温度測定素子のみについて配線を接続し、温度測定用端子の数を削減するようにした構成が開示されている。

特許文献５には、インバータからなるＩＧＢＴモジュールにおいて、ヒートシンクの上に配置されたバスバーと金属板との間にこれらをコレクタ電極配線、エミッタ電極配線とするＩＧＢＴ素子が設けられた構成が開示されている。当該金属板の上にさらに温度センサが配置されている。

特開２０１０−１２４５７０号公報 特開２０１０−２２６７８２号公報 特開２０００−０８３３８３号公報 特開２０１１−２４３９０９号公報 特許第４６９５０４１号公報

しかしながら、半導体素子の温度を検出する温度センサを備えた従来の半導体装置では、半導体素子を他の部材と接合している接合部に発生する熱ストレスが大きい。従って、熱ストレスによって当該接合部にクラックや材質の変性などが発生するなどして、半導体素子から温度センサへの熱経路の熱抵抗が増大してしまうと、温度センサが温度を適切に検出することができなくなる。特にパワーモジュールではパワー半導体が扱う電流や電圧が大きいため、それだけ熱ストレスが大きくなって熱経路の熱抵抗が増大しやすい。

本発明は、半導体素子の温度を安定して検出することのできる半導体装置を提供するものである。

本発明は、半導体素子が形成されている素子基板と、前記素子基板に前記素子基板の一方面側から第１の接合部を介して接合された第１の基板と、前記素子基板に前記素子基板の他方面側から前記第１の接合部とは構成が異なる第２の接合部を介して接合された第２の基板と、前記第１の基板に設けられた第１の温度センサと、前記第２の基板に設けられた第２の温度センサとを備え、前記第１の温度センサの検出温度と前記第２の温度センサの検出温度との絶対値及び相対値を用いて前記素子基板の異常発熱を検出することを特徴とする半導体装置である。

本発明によれば、半導体素子の温度を安定して検出することのできる半導体装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図であり、（ａ）は一方の接合部が異常を発生した場合の熱の伝達を示す図、（ｂ）は他方の接合部が異常を発生した場合の熱の伝達を示す図 本発明の実施形態に係る半導体装置の回路構成を示す回路図 本発明の実施形態に係る半導体装置が備える一方の実装基板の構成を示す平面図 本発明の実施形態に係る半導体装置の第１の断面構成を示す断面図 本発明の実施形態に係る半導体装置の第２の断面構成を示す断面図 本発明の実施形態に係る比較例の半導体装置の構成を示す断面図

本発明の実施形態について図面を用いて説明すれば以下の通りである。

図２に、本実施形態に係る半導体装置１の構成例が備える回路の回路図を示す。当該半導体装置１は、ここでは３相インバータ回路を備えたパワーモジュールである。当該３相インバータ回路は、ＩＧＢＴ１１〜１６およびダイオード２１〜２６を備えている。スイッチング素子としての１つのＩＧＢＴに、還流ダイオードとしての１つのダイオードが並列接続されてなるスイッチ回路が、ＵＶＷ相の各上相と各下相との分だけ設けられている。ＩＧＢＴ１１とダイオード２１とを備えたスイッチ回路ＳＵ１がＵ相の上相アームを、ＩＧＢＴ１２とダイオード２２とを備えたスイッチ回路ＳＵ２がＵ相の下相アームを、それぞれ構成している。ＩＧＢＴ１３とダイオード２３とを備えたスイッチ回路ＳＶ１がＶ相の上相アームを、ＩＧＢＴ１４とダイオード２４とを備えたスイッチ回路ＳＶ２がＶ相の下相アームを、それぞれ構成している。ＩＧＢＴ１５とダイオード２５とを備えたスイッチ回路ＳＷ１がＷ相の上相アームを、ＩＧＢＴ１６とダイオード２６とを備えたスイッチ回路ＳＷ２がＷ相の下相アームを、それぞれ構成している。半導体装置１のＵＶＷの３相出力により、例えば発電電動機２が駆動される。

半導体装置１は、図４、図５に示されるように、半導体素子が形成されている素子基板１０が、回路基板からなる２枚の実装基板に挟持されるように当該実装基板に接続された構成を備えている。素子基板１０は例えばチップ基板の形態をとる。ここでは、一例として、素子基板１０に形成されている半導体素子を、１対のＩＧＢＴおよびダイオードを含む前記スイッチ回路とする。またここでは、素子基板１０の一方の表面には、絶縁構造を経て引き出されたＩＧＢＴのコレクタ電極とダイオードのカソード電極とが接続されてなる第１の電極が例えばパッド状に形成されている。さらに、素子基板１０の他方の表面には、絶縁構造を経て取り出されたＩＧＢＴのエミッタ電極とダイオードのアノード電極とが接続されてなる第２の電極が例えばパッド状に形成されている。ＩＧＢＴのゲート電極は、例えばエミッタ電極側の表面といった一方の表面に別途分離して引き出されている。２枚の実装基板のうち、一方はＩＧＢＴのコレクタ側となる素子基板１０の一方面側に接合される第１の基板であり、他方はＩＧＢＴのエミッタ側となる素子基板１０の他方面側に接合される第２の基板である。以下では、第１の基板を「コレクタ側基板」と称し、図４、図５ではコレクタ側基板ＢＤ１として示す。また、第２の基板を「エミッタ側基板」と称し、図４、図５ではエミッタ側基板ＢＤ２として示す。このように、半導体装置１は、素子基板１０で発生した熱を両側に配置した基板から放熱する両面放熱構造をとる。

図３に、上記２枚の実装基板のうちコレクタ側基板ＢＤ１を平面視した場合の素子およびパターンの配置図を示す。

コレクタ側基板ＢＤ１は、例えば図４、図５に示すように、絶縁樹脂板５１の表裏それぞれに銅板５２が積層された構成を備えている。エミッタ側基板ＢＤ２も同様の構成をとる。

コレクタ側基板ＢＤ１において、銅板５２は電極や配線のパターンに加工されている。コレクタ側基板ＢＤ１の３相インバータ回路が実装される側の面において、銅板５２は、正電極１００、Ｕ相電極１１０、Ｖ相電極１３０、Ｗ相電極１５０、配線パターン３２、および、配線パターン３３に絶縁分離加工されている。これらの電極や配線のパターンの位置は特に限定されるものではなく、それぞれが図示しない引回し配線により外部の電源に接続される。また、コレクタ側基板ＢＤ１上に温度センサ３１が設けられている。温度センサ３１は、後述するように、コレクタ側基板ＢＤ１から温度センサ３１に伝達される熱を検出することによる温度測定を行う。

ここでは、正電極１００が、領域１０１、１０３、１０５のそれぞれを、一列に分離して並ぶよう包含するパターンとなっている。正電極１００の当該パターンは領域１０１、１０２、１０３の並ぶ方向に延伸するような矩形状をなす。領域１０１はＵ相の上相のスイッチ回路が接続された領域、領域１０２はＶ相の上相のスイッチ回路が接続された領域１０３、領域１０３はＷ相の上相のスイッチ回路が接続された領域１０５である。

またここでは、Ｕ相電極１１０、Ｖ相電極１３０、Ｗ相電極１５０は一列に絶縁分離して並ぶよう配置されている。Ｕ相電極１１０、Ｖ相電極１３０、Ｗ相電極１５０は、正電極１００の矩形パターンが延伸する方向に平行に並んでいる。Ｕ相電極１１０はＵ相の下相のスイッチ回路が接続された領域１０２を、Ｖ相電極１３０はＶ相の下相のスイッチ回路が接続された領域１０４を、Ｗ相電極１５０はＷ相の下相のスイッチ回路が接続された領域１０６をそれぞれ有している。領域１０２、１０４、１０６もＵ相電極１１０、Ｖ相電極１３０、Ｗ相電極１５０の並ぶ方向に一列に並んでいる。

配線パターン３２、３３は、正電極１００と、Ｕ相電極１１０、Ｖ相電極１３０、Ｗ相電極１５０の並びとの間の領域に配置されている。配線パターン３２は接続パッド領域３２ａを有している。接続パッド領域３２ａは温度センサ（第１の温度センサ）３１が接続される領域である。接続パッド領域３２ａはコレクタ側基板ＢＤ１の中央部に設けられている。配線パターン３２と配線パターン３３とは、温度センサ３１に通電を行うための互いに異なる極性の電極配線である。図３では、温度センサ３１の下面電極と接続パッド領域３２ａとがダイボンディングや半田付けにより接続されるとともに、温度センサ３１の上面電極と配線パターン３３とがワイヤ４１により接続されている状態が示されている。

図４に、図３における領域１０３、領域１０４、温度センサ３１を通るＭ−Ｍ線で半導体装置１を切断した場合の矢視断面図を示す。また、図５に、図３における領域１０１、領域１０３、領域１０５を通るＮ−Ｎ線で半導体装置１を切断した場合の矢視断面図を示す。

図４および図５に示すように、コレクタ側基板ＢＤ１とエミッタ側基板ＢＤ２とは対向配置されている。３相インバータ回路の各スイッチ回路が形成された素子基板１０が、コレクタ側基板ＢＤ１とエミッタ側基板ＢＤ２とに挟持される位置に配置されている。素子基板１０の一方側の表面に取り出された前記第１の電極は、接合部Ｃ１によってコレクタ側基板ＢＤ１に接合されるとともに、素子基板１０の他方側の表面に取り出された前記第２の電極は、接合部Ｃ２によってエミッタ側基板ＢＤ２に接合されている。ここでは、接合部Ｃ１は半田付け部ｈ１から構成され、接合部Ｃ２は半田付け部ｈ２、スペーサｇ、半田付け部ｈ３が素子基板１０側からエミッタ側基板Ｃ２側へ向かって順に配置された状態に構成されている。このように、接合部Ｃ１、Ｃ２はそれぞれ接合材からなる。接合部Ｃ１、Ｃ２のそれぞれについて、接合箇所ごとに異なる構成であってもよいが、ここでは図示の便宜上、図４および図５に示す全ての接合箇所で同じ構成であるとする。

図４に示すように、エミッタ側基板ＢＤ２が備えるコレクタ側基板ＢＤ１側の銅板５２は、素子基板１０が接合部Ｃ２を介して接合される電極や配線のパターンに加工されている。具体的には、エミッタ側基板ＢＤ２の当該銅板５２は、負電極２００、Ｕ相電極２１０、Ｖ相電極２３０、Ｗ相電極２５０、および、コレクタ側基板ＢＤ１の配線パターン３２、３３と同様の配線パターン（図示せず）に加工されている。負電極２００は、コレクタ側基板ＢＤ１のＵ相電極１１０、Ｖ相電極１３０、Ｗ相電極１５０に対向して配置されており、これらＵＶＷ相の各電極に対して共通の負電極をなす。Ｕ相電極２１０はコレクタ側基板ＢＤ１のＵ相電極１１０に対向して、Ｖ相電極２３０はコレクタ側基板ＢＤ１のＶ相電極１３０に対向して、Ｗ相電極１５０はコレクタ側基板ＢＤ１のＷ相電極１５０に対向して、それぞれ配置されている。コレクタ側基板ＢＤ１の配線パターン３２、３３と同様の配線パターンは、負電極２００とＵ相電極２１０、Ｖ相電極２３０、Ｗ相電極２５０の並びとの間の領域に配置されている。そして、コレクタ側基板ＢＤ１の接続パッド領域３２ａと同様に接続パッド領域４２ａが設けられている。また、接続パッド領域４２ａに接続されるようにして、エミッタ側基板ＢＤ２上に温度センサ（第２の温度センサ）４１が設けられている。温度センサ４１は、後述するように、エミッタ側基板ＢＤ２から温度センサ４１に伝達される熱を検出することによる温度測定を行う。

Ｕ相上相のスイッチ回路ＳＵ１が形成された素子基板１０は、接合部Ｃ１を介してコレクタ側基板ＢＤ１の正電極１００に接続されているとともに、接合部Ｃ２を介してエミッタ側基板ＢＤ２のＵ相電極２１０に接続されている。Ｕ相下相のスイッチ回路ＳＵ２が形成された素子基板１０は、接合部Ｃ１を介してコレクタ側基板ＢＤ１のＵ相電極１１０に接続されているとともに、接合部Ｃ２を介してエミッタ側基板ＢＤ２の負電極２００に接続されている。

Ｖ相上相のスイッチ回路ＳＶ１が形成された素子基板１０は、接合部Ｃ１を介してコレクタ側基板ＢＤ１の正電極１００に接続されているとともに、接合部Ｃ２を介してエミッタ側基板ＢＤ２のＶ相電極２３０に接続されている。Ｖ相下相のスイッチ回路ＳＶ２が形成された素子基板１０は、接合部Ｃ１を介してコレクタ側基板ＢＤ１のＶ相電極１３０に接続されているとともに、接合部Ｃ２を介してエミッタ側基板ＢＤ２の負電極２００に接続されている。

Ｗ相上相のスイッチ回路ＳＷ１が形成された素子基板１０は、接合部Ｃ１を介してコレクタ側基板ＢＤ１の正電極１００に接続されているとともに、接合部Ｃ２を介してエミッタ側基板ＢＤ２のＷ相電極２５０に接続されている。Ｗ相下相のスイッチ回路ＳＷ２が形成された素子基板１０は、接合部Ｃ１を介してコレクタ側基板ＢＤ１のＷ相電極１５０に接続されているとともに、接合部Ｃ２を介してエミッタ側基板ＢＤ２の負電極２００に接続されている。

上述した各電極間は図示しない封止樹脂で埋められることにより、半導体装置１の全体が一体化されている。これにより、半導体装置１は全体が例えばガラスエポキシ基板やセラミック基板のような形態にパッケージ化されている。

次に、図１を用い、上記の構成の半導体装置１において、素子基板１０の発熱により生じる熱ストレスで接合部Ｃ１またはＣ２に異常が発生した場合の温度検出動作を説明する。ここでは、説明の便宜上、接合部Ｃ１により接合されているコレクタ側基板ＢＤ１の電極を符号Ａで、接合部Ｃ２により接合されているエミッタ側基板ＢＤ２の電極を符号Ｂで、それぞれ代表する。

図１（ａ）に示すように、いずれか１つまたは複数の素子基板１０の発熱に起因した熱ストレスで接合部Ｃ１にクラックや材質の変性が発生するなどして、接合部Ｃ１の熱抵抗が大きくなる異常が発生したとする。このとき、素子基板１０で発生する熱流は接合部Ｃ１で遮断され、もしくは減少する。従って、発生した熱は接合部Ｃ１を介して、電極Ａからコレクタ側基板ＢＤ１へは伝達されにくいが、矢印Ｔ１で示すように接合部Ｃ２を介して電極Ｂからエミッタ側基板ＢＤ２へは伝達されやすい。エミッタ側基板ＢＤ２においては、絶縁樹脂板５１などの絶縁物や表裏の銅板５２（前述の各電極や接続パッド領域４２ａを含む）などの導電体を介して、温度センサ４１に伝達される。ここで、コレクタ側基板ＢＤ１とエミッタ側基板ＢＤ２との間の封止樹脂を介しての温度センサ４１への熱伝達は、当該絶縁物および導電体中による熱伝達よりも十分に小さいとしている。

これにより、接合部Ｃ１の熱抵抗が大きいときには、コレクタ側基板ＢＤ１に設けられた温度センサ３１で素子基板１０の温度検出を適切に行えなくても、エミッタ側基板ＢＤ２に設けられた温度センサ４１で当該温度検出を適切に行うことができる。

また、図１（ｂ）に示すように、いずれか１つまたは複数の素子基板１０の発熱に起因した熱ストレスで接合部Ｃ２にクラックや材質の変性が発生するなどして、接合部Ｃ２の熱抵抗が大きくなる異常が発生したとする。このとき、素子基板１０で発生する熱流は接合部Ｃ２で遮断され、もしくは減少する。従って、発生した熱は接合部Ｃ２を介して、電極Ｂからエミッタ側基板ＢＤ２へは伝達されにくいが、矢印Ｔ２で示すように接合部Ｃ１を介して電極Ａからコレクタ側基板ＢＤ１へは伝達されやすい。コレクタ側基板ＢＤ１においては、絶縁樹脂板５１などの絶縁物や表裏の銅板５２（前述の各電極や接続パッド領域３２ａを含む）などの導電体を介して、温度センサ３１に伝達される。ここで、コレクタ側基板ＢＤ１とエミッタ側基板ＢＤ２との間の封止樹脂を介しての温度センサ３１への熱伝達は、当該絶縁物および導電体中による熱伝達よりも十分に小さいとしている。

これにより、接合部Ｃ２の熱抵抗が大きいときには、エミッタ側基板ＢＤ２に設けられた温度センサ４１で素子基板１０の温度検出を適切に行えなくても、コレクタ側基板ＢＤ１に設けられた温度センサ３１で当該温度検出を適切に行うことができる。以上のように、本実施形態によれば、半導体素子の温度を安定して検出することのできる半導体装置を提供することができる。

半導体装置１の比較例として、図６に、素子基板が実装される１つの基板にのみ温度センサが設けられた構成の半導体装置を示す。ここでは、コレクタ側基板ＢＤ１に温度センサ３１が設けられる一方、エミッタ側基板ＢＤ２には温度センサが設けられていない構成が示されている。接合部Ｃ１で熱抵抗が大きくなる異常が発生した場合に、コレクタ側基板ＢＤ１へは熱が伝達されにくいため、素子基板１０の温度を温度センサ３１により適切に検出することができない。また、このような比較例として、図６の構成からエミッタ側基板ＢＤ２および接合部Ｃ２を取り去ったような、素子基板１０が１つの基板上に実装された構成の半導体装置も挙げられる。

なお、図４、図５においては、特に、素子基板１０中にＩＧＢＴおよびダイオードが、一方の表面側から他方の表面側へと基板面に垂直な方向に電流が流れる縦型構造で構成されている。この場合に、素子基板１０は、素子基板１０を挟持する２つの基板（コレクタ側基板ＢＤ１、エミッタ側基板ＢＤ２）と、導電部どうしで接続される、回路接続された状態にある。従って、半田付け部を含む接合部Ｃ１、Ｃ２と併せて、素子基板と２枚の実装基板とは一般に熱抵抗の小さい状態に接合されている。しかしながら、本実施形態に係る半導体装置は、必ずしも素子基板と２枚の実装基板とが導電部どうしで接合される構成である必要はない。例えば、素子基板と２枚の実装基板とが少なくとも一方側で熱伝導率の高い接着剤を介して接合されるなど絶縁物を介した接合がなされていてもよい。従って、半導体素子が、素子基板１０中に基板面に沿って電流が流れる横型構造で構成されていてもよい。また、半導体素子は他のパワー半導体素子であってもよいし、パワー半導体素子以外の素子でもよい。

また、図４、図５においては、接合部Ｃ１どうしの構成と、接合部Ｃ２どうしの構成とが同様のものである。従って、半導体装置１に複数の素子基板１０が実装されている場合に、素子基板１０の発熱により接合部が熱抵抗が増大する異常を起こすにあたっては、複数の接合部Ｃ１で一斉に、または、複数の接合部Ｃ２で一斉に異常を起こしやすくなる。この場合に、温度センサ３１で一斉に複数の接合部Ｃ１を介した適切な温度検出が不能になるか、温度センサ４１で一斉に複数の接合部Ｃ２を介した適切な温度検出が不能になるかのいずれか一方の状態が出現しやすい。このことは、構成の異なる接合部Ｃ１と接合部Ｃ２とが同時に熱抵抗が増大する故障モードは起きにくいことを考慮すると、常にいずれか一方の温度センサは全ての素子基板の温度を適切に検出できることを意味している。また、このようなメカニズムにより、２つの温度センサは互いに異なる温度の検出動作を行う。従って、両温度センサの絶対値と相対値とを用いて、一方の温度センサの検出温度が所定温度よりも高く、他方の温度センサの検出温度が所定温度以下であるといった状態から、異常発熱の検出を行うことも可能である。

このように、常にいずれか一方の温度センサが全ての素子基板の温度を適切に検出できると、各実装基板に設けられる温度センサは１つか素子基板の数よりも少ない数でよく、素子基板ごとに設ける必要がない。従って、２つ以上の素子基板１０が半導体装置１の同一パッケージに実装される場合に、素子基板ごとに温度センサを設ける場合と比較して、センサの個数およびセンサ信号線の数を減少させることができる。また、パッケージ外へのセンサ信号線の取り出しが簡素化される。また、素子基板１０の内部に温度センサを設けたり素子基板１０の上に温度センサを積層するように設けたりする必要がなく、素子基板１０および素子基板１０の周囲の構成のサイズを小さくすることができる。以上により、小型化および低コスト化された半導体装置を提供することができる。

例えば、１つの温度センサに少なくとも２本の信号線が必要であるとしたとき、１パッケージに６チップの素子基板を実装して全てのチップに温度センサを配置すると、少なくとも１２本の信号線が必要になる。これに対して、本実施形態で説明したように実装基板ごとに１つの温度センサを設ける場合には、１つの温度センサについて図３に配線パターン３２、３３で示したように２つの信号線を用いると、２枚の実装基板を合せて合計４つの信号線で済む。

以上、本実施形態について説明した。
図２ではインバータ回路のパワーモジュールを例に挙げたが、コンバータ回路のパワーモジュールも典型的な例として挙げられる。また、図３では温度センサを実装基板の中央部に配置したが、任意の位置でよく、各素子基板から均等に離れた場所や特定の素子基板の近傍などに配置してもよい。また、上記例では温度センサをそれぞれ２つの実装基板が対向する側の面上に設けたが、これに限らず、各温度センサについて、２つの実装基板が対向する側の面上やその反対側の面上、実装基板の中など、実装基板の任意の部位に設けてもよい。

本発明は、パワーモジュールや温度特性を有する半導体装置等に適用可能である。

１ 半導体装置
２ 発電電動機
１０ 素子基板
１１、１２、１３、１４、１５、１６ ＩＧＢＴ
２１、２２、２３、２４、２５、２６ ダイオード
３１、４１ 温度センサ
３２、３３ 配線パターン
３２ａ、４２ａ 接続パッド領域
５１ 絶縁樹脂板
５２ 銅板
１００ 正電極
２００ 負電極
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６ 領域
１１０、２１０ Ｕ相電極
１３０、２３０ Ｖ相電極
１５０、２５０ Ｗ相電極
ＳＵ１、ＳＵ２、ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＷ１、ＳＷ２ スイッチ回路
Ｔ１、Ｔ２ 矢印
Ａ、Ｂ 電極
ＢＤ１ コレクタ側基板
ＢＤ２ エミッタ側基板
Ｃ１、Ｃ２ 接合部
ｈ１、ｈ２、ｈ３ 半田付け部
ｇ スペーサ

Claims (1)

1. 半導体素子が形成されている素子基板と、
   前記素子基板に前記素子基板の一方面側から第１の接合部を介して接合された第１の基板と、
   前記素子基板に前記素子基板の他方面側から前記第１の接合部とは構成が異なる第２の接合部を介して接合された第２の基板と、
   前記第１の基板に設けられた第１の温度センサと、
   前記第２の基板に設けられた第２の温度センサとを備え、
   前記第１の温度センサの検出温度と前記第２の温度センサの検出温度との絶対値及び相対値を用いて前記素子基板の異常発熱を検出することを特徴とする半導体装置。

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