JPH0390872A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH0390872A
JPH0390872A JP1227245A JP22724589A JPH0390872A JP H0390872 A JPH0390872 A JP H0390872A JP 1227245 A JP1227245 A JP 1227245A JP 22724589 A JP22724589 A JP 22724589A JP H0390872 A JPH0390872 A JP H0390872A
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semiconductor device
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emitter
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Tetsujiro Tsunoda
哲次郎 角田
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、ダイオード、トランジスタ、サイリスタ等の
半導体素子を内蔵した半導体装置に間するもので、特に
過電流検出機能を有する大電力半導体装置に使用される
ものである。
（従来の技術） 一般に使用されている大電力半導体装置のｍ造の従来例
としてＩＧＢ’ｒ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
）を取り上げ以下説明する。　第４図（ａ）は、このＩ
ＧＢＴの内部構造を示す斜視図（樹脂封止部の図示を省
略）、同図（ｂ）はＩＧＢＴの外観図、同図（ｃ）はＩ
ＧＢＴの等価回路図である。　同図＜ａ＞に示すように
、セラミック板上に銅板２．３及び４が接着された実装
用基板１を使用する。　半導体素子チップ（ＩＧＢＴ）
５は、一方の主面（裏面）にコレクタを極（主を極）、
他方の主面く表面）にエミッタｔｉ（主ｔｆｉ）６及び
ゲート＠ｆ！７を有している。
前記銅板２に半導体素子５のコレクタ電極を半田付は等
の方法により固着し、銅板３はゲート電極７と、又銅板
４はエミッタ電極６とそれぞれ金属細線等により電気的
に接続される。ＩＩＩＵ板２．３及び４は、それぞれコ
レクタ（Ｃ）、ゲート（Ｇ）及びエミッタ（Ｅ）の外部
端子８．９及び１０に接続している。　このような半導
体装置は最終的に樹脂封止され、同図（ｂ）に示すよう
な外観を示す。
一般に、このような大電力半導体装置の場合、半導体装
置の過電流通過による破壊事故を防ぐため、第５図（ａ
）に示すように、電流を検出する抵抗器１１を主電流路
に直列に挿入したり、或いは第５図（ｂ）に示すように
、カレントトランス〈変流器）１２を主電流ラインに通
すなどして電流検出を行ない、過電流通過の情報を検出
し、この情報をＴ、、Ｔ２＃Ａ子、或いはＴ、　、Ｔ、
端子から出力し、半導体装置のドライブ回路にフィード
バックをかけ、過電流を停止又は低減するようにして使
用される。
しかし第５図（ａ）に示す抵抗器使用による電流検出の
方法では、定常通電状態においても抵抗器の両端に発生
する電圧と、流れる電流との積により電力損失が生じる
。　この損失は、定常′＠流値が大きくなるにつれて大
きくなるので、大電流を収り扱う半導体装置では電力効
率が低下する。
又大きな許容損失を必要とするので抵抗器も大形になる
などにより、この抵抗器による電流検出の方式は、大電
流を取り扱う装置には通常使用されなかった。
又第５図（ｂ）に示すようなカレントトランスによる電
流検出の方法は、前述の抵抗器を用いた方法のように電
力損失は生じないので、大電流でも使用が可能である。
　しかし、この方法は、理論的に完全な直流（ｄｉ／ｄ
ｔ＝ｏ　）の電流検出は不可能であり、又パルス電流で
あっても、パルス幅が比較的長い時間の大電流を検出し
ようとする場合、カレントトランスはかなり大形のもの
を使用しなければならないという欠点があった。
このように、半導体装置内にカレントトランスや抵抗器
などの電流検出器を内蔵するのは困難であり１、大電力
半導体装置を実際に使用するに当たっては、電流が大き
いときはカレントトランス、又比較的低電流の場合は抵
抗器のどちらかを外付けする必要があり、その取り扱い
が面倒であった。
又電流検出の機能面でも前述したような不都合が生じて
いた。
次に一般に使用されている電流検出機能内蔵の半導体装
置の一例（ＩＧＢＴ）を第６図に示す。
なお第４図と同符号は同じ部分又は対応する部分を表わ
す、　同図（ａ）に示す半導体素子２５は、を流検出ｔ
　＠　２６を具備し、金Ｒ細線、銅板２７を通して、電
流検出（Ｅｓ）の外部端子２８に接続されている。　こ
のような半導体装置の場合、電流検出外部端子より電流
検出は容易に行なうことができる。　同図（ｂ）はこの
半導体装置の等価回路図である。
このような半導体装置の場合、電流検出の出力は、電流
検出外部端子２８〈又はＥｓ）とエミッタ外部端子１０
（スはＥ）との間に現われる。
従って、半導体素子を複数個、直列に接続して使用する
場合（通常の３相モータ駆動用インバータ等）、各素子
の電流検出出力のグランド側端子（、ｒ、ミッタＥ〉の
電位が異なり、フィードバック回路の設計が複雑になる
等の不都合が生じていた。
又このような電流検出機能内蔵の素子を使用する場合、
半導体素子を新たに設計ＩＷｆｆ発しなければならない
という手間が生じるばかりでなく、開発した半導体素子
は電流検出出力用として設ける電極面積により、能動領
域の面積の割合が減少し、等しい電流定格を得ようとす
る場合、半導体素子のチップサイズが大きくなり、チッ
プの価格が高くなる等の欠点が生じていた。
（発明が解決しようとする課題） 半導体装置の過電流による破壊事故を防止することは、
特に大電力半導体装置の場合、重要な問題である。　こ
のため種々の過電流検出手段が提案されている。　その
うち、半導体素子の主電流通電路に直列に電流検出用抵
抗器やカレントトランスを挿入する手段は、これ等の部
品が比較的大形となるため外付けする必要があり、又抵
抗器では電力損失、カレントトランスは直流電流検出に
は不適当等機能面でも不都合がある。　＠方電流検出機
能内蔵の半導体素子では、上記課題は改善されるが、３
相モータ駆動用インバータ等で、複数素子を直並列接続
で使用する場合には、各素子の検出信号出力端子対の間
に共通電位端子を設定することができないことが多く、
フィードバック回路の設計が複雑になる。　又半導体素
子内に電流検出機能を付加するのに伴い、チップサイズ
が大きくなる等の欠陥が生ずる。
本発明の目的は、上記問題点にかんがみてなされたもの
であり、電流検出用の外付は部品を必要とせず、電力損
失が少なく、検出特性にすぐれ、しかも半導体素子の電
極端子とは電気的に絶縁された電流検出手段を内蔵する
半導体装置を提供することである。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段とその作用）本発明の半導
体装置は、実装用基板と、　該基板にＷＩ載される半導
体素子と、　該半導体素子の主電極と導電部材によって
電気接続される主電流用外部端子と、　前記導電部材内
を流れる主電流から発生する磁界を検出する磁電変換素
子とを、具備することを特徴とするものである。
なお上記の半導体素子の主電極は、制御される負荷電流
が流れる電極で、例えばダイオード及び一般のサイリス
タ等にあっては、アノード電極。
カソード電極、　バイポーラトランジスタ、Ｉ’ＧＢＴ
等にあっては、コレクタ電極、エミッタ電極、又ＭＯ８
ＦＥＴ等ではドレインを極、ソース電極である。
ス半導体素子の主電極と主電流用外部端子とを接続する
導電部材は、金属組線や金属板等からなり主電流の通電
路を形成する。　この導電部材に流れる主電流に伴って
、その周囲に主電流の大きさに比例した磁界が発生する
。　この磁界は、例えばホール素子や磁気抵抗素子のよ
うに磁気信号を電気信号に変換する磁電変換素子を用い
て検出される。　即ち主電流の大きさに比例した磁界の
強さが、磁電変換素子により電気信号に変換され、この
電気信号は該素子の１対の信号出力端子に現われる。
なお前記導電部材の一部を、絶縁物上に形成された帯状
の金属板とし、主電流に伴う磁束が集中するような例え
ばコの字形等の形状とし、その中心に磁電変換素子を配
設することは望ましい実施態様である４ 又半導体装置内に、半導体素子のドライブ回路を含まな
い場合には、前記磁電変換素子の電気信号を外部に出力
する検出信号出力外部端子を設けることが必要である。
磁電変換素子から出力される電気信号は半導体装置のド
ライブ回路にフィードバック（帰Ｅｌ＞される、　主電
流が半導体素子を破壊するおそれのある過大電流値に達
する直前の素子破壊を起こさない所定電流値に達した時
、その時の１ｉｌｉ電変換素子の検出電気信号をドライ
ブ回路にフィードバックし、ドライブ回路を介して主電
流の増加を抑えたり、主電流を切断したりして、半導体
装置の破壊は防止される。
〈実施例〉 以下本発明の第１の実施例を第１図（ａ）を参照して説
明する。　同図（ａ）で、符号１０１はアルミナや窒化
アルミニウムなどのセラミック基板に銅板を接着した実
装用基板である。　符号１０２は基板１０１に搭載され
た半導体素子で、本実施例ではチップ状のＴＧＢＴ素子
を例示する。
ＩＧＢＴ　　１０２の裏面はコレクタ電極で、銅板１０
３上に半田付けされている。　＠板１０３にコレクタ外
部端子１０４が半田付けされている。
また半導体素子１０２の表面には、ゲート電極１０５及
び主電極であるエミッタ電極１０６が設けられ、それぞ
れの電極がら超音波ボンディング法などの方法により金
属ＭＪａを導出し銅板１０７、銅板１０８へそれぞれ接
続している。Ｓ板１０７にはゲート外部端子１０９が、
又銅板１０８にはエミッタ外部端子１１０がそれぞれ半
田付けされている。　８板１０８は、図に示すようにコ
の字形はバターニングされており、そのコの字の内側の
部分に８＆電変換素子のホールセンサー１１１が基板１
０１の絶縁物上に固着されている。　ホールセンサー１
１１は、１対の制御電流入力リード及び１対のホール電
圧出力リードを具備している。　１対の制御電流入力リ
ードは、それぞれ銅板１１２及び１１３に接続され、各
銅板にはそれぞれ制御電流入力外部端子１１６及び１１
７が半田付けされる。　１対のホール゛は圧出カリード
は、それぞれ銅板１１４及び１１５に接続され、各銅板
には、それぞれホール電圧出力外部端子即ち電流検出信
号出力外部端子１１８及び１１９が半田付けされている
。　最後に各外部端子の端部を露出して、樹脂封止して
半導体装置が得られる。　なお上記実施例において、半
導体素子の主電極と主電流用外部端子とを結ぶ導電部材
は、エミッタでは金属細線と銅板１０８、コレクタでは
銅板１０３である。
このような構成であれば、第１図（ｂ）に示すように、
コレクタ外部端子１０４とエミッタ外部端子１１０との
間に実線矢印方向１２０に電流が流れると、アンペア右
ねじの法則により、銅板１０８の周辺に破線１２１で示
すような磁界が発生する。ｖｉ板１０８はコの字形に形
成されているので、基板面に垂直に通過する磁束はコの
字の内側に集められる。　同図の■印は、磁束Ｂが紙面
の表面から裏面に向かうことを示す、　ホールセンサー
は磁束密度の大きいコの字の内側に設けられ、ホール電
圧出力外部端子１１８．１１９間には、磁界に比例した
電圧、即ちコレクタとエミッタ間を流れる主電流の大き
さに比例した電圧が出力される。　なお、ホールセンサ
ーの制御電流入力外部端子１１６．１１７間には、数ｎ
Ａの制御電流を通電している。
このように、半導体素子に流れる主電流の検出が半導体
装置内部で行なわれるため、電流検出のため格別抵抗器
やカレントトランス等の外付は作業が不要となり、極め
て容易に収り扱うことができる。
更に電流検出は、半導体素子の前記導電部材を流れる主
電流に付随する磁界を有効的に利用して行なわれるため
、電流検出による電力損失はほとんど生じない、　又半
導体素子の直流を含むあらゆる周波数帯域での動作にお
いても電流検出が可能であり、更に＠流検出信号出力端
子と半導体素子のｔｔｉとは電気的に絶縁されていると
いう利点を持ち合わしているため、フィードバック回路
の設計等に対し、極めて容易に取り扱うことができる。
なお前記実施例は、半導体素子のエミッタ側導電部材か
ら発生する磁界から主電流を検出したものであるが、第
２図（ａ）に示すようにコレクタ側の導電部材から同様
の手法で電流を検出する方法であっても差し支えない、
　なお同図において、第１図と同じ符号は、等しいか又
は対応する部分を示す、　半導体素子１０２の裏面のコ
レクタ電極は、半田付は等で銅板２０３に固着され、銅
板２０３（導電部材）は、その一部がコの字形に形成さ
れ、その内側に磁電変換素子２１１が配設される。
又エミッタ側の導電部材とコレクタ側の導電部材の両方
から発生ずる磁界の和によって、主電流を検出する方法
にしても差し支えない、　第２図（ｂ）は、この場合の
導電部材の配置の一例を示す模式図である。　即ちコレ
クタ側の銅板３０３とエミッタ（ｌＰＪｔＩＡ板３０８
にｌｌ１ｌＩまれた口の字形の内側に磁電変換素子を配
置する。　図面を見やすくするため、磁電変換素子は図
示してないが、該素子の入出力リードと銅板が交差する
部分には眉間絶縁膜を介在させることが望ましい。
更に上記実態例では導電部材の一部の銅板の形状をコの
字形成いは口の字形にしたが、円形であってもよく、ス
銅板で渦巻き状のコイルを形成しても差し支えない、　
ただコイルの巻数増加等により主電流通路に無視できな
い寄生リアクタンスが付加されると、スイッチング特性
が悪化してしまうので注意を要する。
又上記実施例は、基板上に形成された金属板より発生す
る磁界を検出するものであったが、主電流の流れる金属
細線或いは外部端子の一部から発生する磁界を検出する
ものであっても差し支えない、　しかし、ホールセンサ
ーの配置には工夫を要する。
又、上記実施例においては、電流検出の磁電変換素子に
ポールセンサーを用いたが、増幅器付きのホールＩＣを
用いても差し支えない、　この場合には、比較的低い電
流の検出も高感度に行なうことができる。　更に磁電変
換素子として磁気抵抗素子等を用いても差し支えない、
　この場合半導体素子の主電流に対する磁電変換素子の
出力信号の直線性は悪くなるが、主電流と出力信号の間
に１対１の対応があれば差し支えない。
又上記実施例においては、半導体素子としてＩＧＢＴを
例にとり説明したが、ＩＧＢＴに限らず大電力の半導体
素子全般に適用できることはいうまでもない。
又上記実施例は、半導体装置内に一個の半韓木素子（磁
電変換素子を除く）を含むものであったが、例えばフリ
ーホイリングダイオードなど、複数個の半導体素子を含
むものであっても差し支えない。　その−例を第３図に
示す、　同図において符号３２０はフリーホイリングダ
イオードである。　この例では誘導性負荷を接続した場
合にダイオードに流れる回帰電流に付随する磁界はホー
ルセンサーで検出されないように接続しである。
なお本発明の半導体装置には、複数個のパワーデバイス
を他の電子部品とともに一つのパッケージに組み込んだ
いわゆるパワーモジュールも含まれ、又リードフレーム
を実装基板としてパワーデバイス及び磁電変換素子等を
樹脂封止したものも含まれる。
又上記実旅例では、半導体素子としてチップ状態の素子
を使用したが、これに限定されない。
例えば樹脂封止され、アウターリードのみ露出した半導
体素子等であっても差し支えない。
［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の半導体装置は、装置内の
導電部材を流れる主電流に付随する磁界を、内蔵する磁
電変換素子により検出し、該素子の検出信号出力により
過電流制御を可能としたものである。　従って本発明の
装置では、抵抗器やカレントトランス等の電流検出用の
外付は部品は不要であり、又主電流に付随する磁界をイ
「効に利用するので電流検出のための電力損失は極めて
少なく、直流を含むあらゆる周波数帯域にわたってずぐ
れた検出特性を示す、　又、検出信号出力端子と半導体
素子の＠極端子とは電気的に絶縁されているので、特に
半導体装置を複数個、直列に接続し使用する場合、各装
置の＠流検出の出力端子のグランドを共通にでき、フィ
ードバック回路の設計が容易になる。
本発明により、上記のようにすぐれた電流検出手段を内
蔵する半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）は本発明の半導体装置の一実施例の斜視図
、同図（ｂ）は第１図（ａ）に示す半導体装置の検出電
流と磁界の向きを示す斜視図、第２図及び第３図は本発
明の半導体装置の他の実施例を示す斜視図、第４図（ａ
＞は従来の半導体装置の構造を示す斜視図、同図（ｂ）
は第４図（ａの半導体装置の外観を示す斜視図、同図（
ｃ）は第４図（ａ）の半導体装置の等偏口１？！図、第
５図は従来の半導体装置の電流検出方法を説明するため
の回路図、第６図（ａ）は従来の電流検出機能内蔵の半
導体装置の構造を示す斜視図、同図（ｂは第６図（ａ＞
の半導体装置の等偏口路図である１０１・・・実装用基
板、　１０２・・・半導体素子、１０３．１０８，２０
３，３０３．３０８・・・導電部材（＃Ｉ板）、　１０
４・・・主電流用外部端子（コレクタ）、　１０６・・
・主電極（エミッタ）、１１０・・・主電流用外部端子
（エミッタ）、１１１゜２１１・・・磁電変換素子、　
１１６，１１７・・・制御電流入力外部端子、　１１８
，１１９・・・電流検出信号出力外部端子。 （ａ） 第 図 （ａ） （ｂ） 第 図 第 図 （ａ） ［ （ｂ） 第４図 （ａ） 第 図 （ｂ） 第 図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １実装用基板と、該基板に搭載される半導 体素子と、該半導体素子の主電極と導電部材によって電
    気接続される主電流用外部端子と、前記導電部材内を流
    れる主電流から発生する磁界を検出する磁電変換素子と
    を、具備することを特徴とする半導体装置。
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