(57)【要約】【課題】  ＩＧＢＴの温度と還流ダイオードの温度の両方を正確に検出する。【解決手段】  半導体装置であって、半導体基板と、第１温度センスダイオードと、第２温度センスダイオード、を有する。前記半導体基板が、ＩＧＢＴ領域と還流ダイオード領域を有する。前記第１温度センスダイオードが、前記ＩＧＢＴ領域内に配置されている。前記第２温度センスダイオードが、前記還流ダイオード領域内に配置されている。この構成によれば、ＩＧＢＴ領域の温度を第１温度センスダイオードで正確に検出し、還流ダイオード領域の温度を第２温度センスダイオードで正確に検出することができる。【選択図】図１
2020136451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置であって、
半導体基板と、
第１温度センスダイオードと、
第２温度センスダイオード、
を有し、
前記半導体基板が、ＩＧＢＴ領域と還流ダイオード領域を有し、
前記第１温度センスダイオードが、前記ＩＧＢＴ領域内に配置されており、
前記第２温度センスダイオードが、前記還流ダイオード領域内に配置されている、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。
【０００２】
特許文献１に開示の半導体装置は、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）と還流ダイオードと温度センスダイオードを有している。ＩＧＢＴと還流ダイオードは、電力変換回路の一部を構成する。温度センスダイオードは、半導体基板の温度を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１６６８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の半導体装置では、半導体基板にＩＧＢＴとダイオードが形成されている。ＩＧＢＴとダイオードの特性や動作タイミングが異なるので、ＩＧＢＴの温度とダイオードの温度は異なる。特許文献１の半導体装置では、１つの温度センスダイオードによって半導体基板の温度を検出するが、この構成ではＩＧＢＴの温度と還流ダイオードの温度の両方を正確に検出することができない。本明細書では、ＩＧＢＴの温度と還流ダイオードの温度の両方を正確に検出する技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、第１温度センスダイオードと、第２温度センスダイオードを有する。前記半導体基板が、ＩＧＢＴ領域と還流ダイオード領域を有する。前記第１温度センスダイオードが、前記ＩＧＢＴ領域内に配置されている。前記第２温度センスダイオードが、前記還流ダイオード領域内に配置されている。
【０００６】
この半導体装置では、ＩＧＢＴの温度を検出する第１温度センスダイオードと還流ダイオードの温度を検出する第２温度センスダイオードが個別に設けられている。したがって、ＩＧＢＴの温度と還流ダイオードの温度の両方を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】半導体装置の平面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図。
【図３】温度検出回路の回路図。
【図４】半導体モジュールの平面図。
【図５】半導体モジュールの回路図。
【図６】温度検出処理時の各値の変化を示すグラフ。
【図７】温度センスダイオードに対する配線の一例を示す図。
【図８】温度センスダイオードに対する配線の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１に示す実施形態の半導体装置１０は、半導体基板１２を有している。半導体基板１２の上面には、２つの上部電極１４が設けられている。半導体基板１２の下面には、下部電極１６（図２参照）が設けられている。半導体基板１２は、ＩＧＢＴ領域２０と還流ダイオード領域２２を有している。ＩＧＢＴ領域２０内には、ＩＧＢＴが形成されている。ＩＧＢＴのエミッタが上部電極１４に接続されており、ＩＧＢＴのコレクタが下部電極１６に接続されている。還流ダイオード領域２２内には、還流ダイオードが形成されている。還流ダイオードのアノードが上部電極１４に接続されており、還流ダイオードのカソードが下部電極１６に接続されている。
【０００９】
半導体基板１２の上面には、２つの温度センスダイオード３２、３４が設けられている。温度センスダイオード３２、３４は、２つの上部電極１４に挟まれたスペースに配置されている。図２は、温度センスダイオード３２、３４の位置における半導体装置１０の断面図を示している。図２に示すように、上部電極１４が存在しない範囲では、半導体基板１２の上面は層間絶縁膜３６によって覆われている。層間絶縁膜３６の上面の一部に、ポリシリコン層３８が設けられている。温度センスダイオード３２、３４は、ポリシリコン層３８内に形成されている。温度センスダイオード３２、３４は、層間絶縁膜３６によって半導体基板１２から絶縁されている。温度センスダイオード３２は、還流ダイオード領域２２内に配置されており、温度センスダイオード３４は、ＩＧＢＴ領域２０内に配置されている。
【００１０】
図１に示すように、半導体基板１２の上面には、複数の電極パッド４０ａ〜４０ｅが設けられている。電極パッド４０ａと電極パッド４０ｂは、図示しない配線によって温度センスダイオード３２、３４に接続されている。電極パッド４０ｃは、ＩＧＢＴのゲートに接続されている。電極パッド４０ｄは、ＩＧＢＴに流れる電流を検出するためのセンスエミッタパッドである。電極パッド４０ｅは、上部電極１４に接続されたケルビンエミッタパッドである。
【００１１】
図３は、温度センスダイオード３２、３４を含む温度検出回路の回路図を示している。図３に示すように、温度センスダイオード３２と温度センスダイオード３４は、逆並列に接続されている。すなわち、温度センスダイオード３２のアノードが温度センスダイオード３４のカソードに接続されており、温度センスダイオード３２のカソードが温度センスダイオード３４のアノードに接続されている。また、温度センスダイオード３２のアノードは電極パッド４０ｂに接続されており、温度センスダイオード３２のカソードは電極パッド４０ａに接続されている。
【００１２】
図４は、２つの半導体装置１０を内蔵する半導体モジュール６０を示している。図４では、２つの半導体装置１０のそれぞれを、半導体装置１０ａ、１０ｂとして示している。半導体モジュール６０は、導体板６２、６４、６６、６８、７０を有している。導体板６２は、Ｐ端子６２ａを有している。導体板６２上に、半導体装置１０ａが配置されている。半導体装置１０ａの下部電極は、導体板６２に接続されている。半導体装置１０ａ上に、導体板６４が配置されている。半導体装置１０ａの上部電極１４は、導体板６４に接続されている。導体板６４は、継手部６４ａを有している。導体板６６は、継手部６６ｂとＯ端子６６ａを有している。継手部６４ａは継手部６６ｂに接続されている。導体板６６上に、半導体装置１０ｂが配置されている。半導体装置１０ｂの下部電極は、導体板６６に接続されている。半導体装置１０ｂ上に、導体板６８が配置されている。半導体装置１０ｂの上部電極１４は、導体板６８に接続されている。導体板６８は、継手部６８ａを有している。継手部６８ａは、導体板７０に接続されている。導体板７０は、Ｎ端子７０ａを有している。半導体モジュール６０は、複数の信号端子７２を有している。各信号端子７２は、ワイヤーによって半導体装置１０ａ、１０ｂの電極パッド４０ａ〜４０ｅに接続されている。半導体装置１０ａ、１０ｂは、絶縁樹脂８０により封止されている。絶縁樹脂８０から外側に、Ｐ端子６２ａ、Ｏ端子６６ａ、Ｎ端子７０ａ、及び、各信号端子７２が突出している。
【００１３】
図５は、半導体モジュール６０の回路図を示している。図５に示す回路は、インバータ回路やＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部を構成する。上述したように、各半導体装置１０は、ＩＧＢＴ領域２０内のＩＧＢＴ（以下、ＩＧＢＴ２０という）と還流ダイオード領域２２内の還流ダイオード（以下、還流ダイオード２２という）を有している。各半導体装置１０において、還流ダイオード２２のカソードがＩＧＢＴ２０のコレクタに接続されており、還流ダイオード２２のアノードがＩＧＢＴ２０のエミッタに接続されている。以下では、半導体装置１０ａのＩＧＢＴ２０をＩＧＢＴ２０ａといい、半導体装置１０ａの還流ダイオード２２を還流ダイオード２２ａといい、半導体装置１０ｂのＩＧＢＴ２０をＩＧＢＴ２０ｂといい、半導体装置１０ｂの還流ダイオード２２を還流ダイオード２２ｂという。ＩＧＢＴ２０ａのコレクタは、Ｐ端子６２ａに接続されている。ＩＧＢＴ２０ａのエミッタとＩＧＢＴ２０ｂのコレクタは、Ｏ端子６６ａに接続されている。ＩＧＢＴ２０ｂのエミッタは、Ｎ端子７０ａに接続されている。
【００１４】
Ｐ端子６２ａの電位は、Ｎ端子７０ａの電位よりも高い。Ｏ端子６６ａの電位は、半導体モジュール６０の動作状態に応じて変化する。ゲート電圧Ｖｇ１、Ｖｇ２によって、ＩＧＢＴ２０ａとＩＧＢＴ２０ｂは制御される。
【００１５】
Ｐ端子６２ａの電位がＯ端子６６ａの電位よりも高い状態でＩＧＢＴ２０ａがオンすると、ＩＧＢＴ２０ａに電流Ｉｃｅａが流れる。ＩＧＢＴ２０ａがオフしている状態では、Ｏ端子６６ａの電位がＰ端子６２ａの電位よりも高くなる場合がある。Ｏ端子６６ａの電位がＰ端子６２ａの電位よりも高くなると、還流ダイオード２２ａがオンし、還流ダイオード２２ａに電流Ｉｄａが流れる。このように、ＩＧＢＴ２０ａがオンしているときにはＩＧＢＴ２０ａに電流Ｉｃｅａが流れる場合があり、ＩＧＢＴ２０ａがオフしているときには還流ダイオード２２ａに電流Ｉｄａが流れる場合がある。
【００１６】
Ｏ端子６６ａの電位がＮ端子７０ａの電位よりも高い状態でＩＧＢＴ２０ｂがオンすると、ＩＧＢＴ２０ｂに電流Ｉｃｅｂが流れる。ＩＧＢＴ２０ｂがオフしている状態では、Ｎ端子７０ａの電位がＯ端子６６ａの電位よりも高くなる場合がある。Ｎ端子７０ａの電位がＯ端子６６ａの電位よりも高くなると、還流ダイオード２２ｂがオンし、還流ダイオード２２ｂに電流Ｉｄｂが流れる。このように、ＩＧＢＴ２０ｂがオンしているときにはＩＧＢＴ２０ｂに電流Ｉｃｅｂが流れる場合があり、ＩＧＢＴ２０ｂがオフしているときには還流ダイオード２２ｂに電流Ｉｄｂが流れる場合がある。
【００１７】
次に、温度センスダイオード３２、３４によって温度を検出する処理について説明する。なお、半導体装置１０ａと半導体装置１０ｂでは同じ温度検出処理が行われるので、以下では、半導体装置１０ａの温度検出処理について説明する。
【００１８】
図３に示すように、温度検出回路は、半導体モジュール６０の外部で定電流源９０と電圧計９２に接続される。定電流源９０は、電極パッド４０ａと電極パッド４０ｂの間に接続される。定電流源９０は、温度検出回路に電流Ｉｓを流す。定電流源９０は、電流Ｉｓを流す向きを変更することができる。電圧計９２は、電極パッド４０ａと電極パッド４０ｂの間の電圧Ｖｓを検出する。温度検出処理では、図６に示すように各値が変化する。ゲート電圧Ｖｇ１が高電圧Ｖｏｎである間はＩＧＢＴ２０ａがオンしており、ゲート電圧Ｖｇ１が低電圧Ｖｏｆｆである間はＩＧＢＴ２０ａがオフしている。定電流源９０は、ゲート電圧Ｖｇ１に同期して電流Ｉｓの向きを変化させる。
【００１９】
図６に示すように、定電流源９０は、ゲート電圧Ｖｇ１が高電圧Ｖｏｎである期間Ｔｏｎの間は、正方向（温度センスダイオード３４の順方向）に一定電流Ｉｓ１を流す。このため、期間Ｔｏｎの間に電圧計９２で検出される電圧Ｖｓは、温度センスダイオード３４の順方向電圧である。温度センスダイオード３４の温度が高いほど、温度センスダイオード３４の順方向電圧が低くなる。このため、期間Ｔｏｎの間においては電圧Ｖｓは温度センスダイオード３４の温度を示す。また、温度センスダイオード３４はＩＧＢＴ領域２０内に配置されているので、温度センスダイオード３４の温度はＩＧＢＴ２０ａの温度と略等しい。このため、期間Ｔｏｎの間においては電圧ＶｓはＩＧＢＴ２０ａの温度を示す。期間ＴｏｎにおいてはＩＧＢＴ２０ａがオンしている。期間Ｔｏｎの間にＩＧＢＴ２０ａに電流Ｉｃｅａ（図５参照）が流れている場合には、期間Ｔｏｎの間に、ＩＧＢＴ２０ａの温度が徐々に上昇し、電圧Ｖｓ（すなわち、温度センスダイオード３４の順方向電圧）が徐々に低下する。期間Ｔｏｎの間に電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆを下回ると、ＩＧＢＴ２０ａの温度が定格温度を超えたと図示しないゲート制御回路が判断し、そのゲート制御装置が半導体モジュール６０の動作を強制停止させる（すなわち、ＩＧＢＴ２０ａ、２０ｂをオフさせる）。これによって、ＩＧＢＴ２０ａが過度な高温となることが防止される。
【００２０】
図６に示すように、定電流源９０は、ゲート電圧Ｖｇ１が低電圧Ｖｏｆｆである期間Ｔｏｆｆの間は、負方向（温度センスダイオード３２の順方向）に一定電流Ｉｓ１を流す。すなわち、期間Ｔｏｆｆの間は、電流Ｉｓが一定電流−Ｉｓ１となる。このため、期間Ｔｏｆｆの間に電圧計９２で検出される電圧Ｖｓは、温度センスダイオード３２の順方向電圧である。期間Ｔｏｆｆでは、温度センスダイオード３２の順方向電圧が負の値として電圧計９２で検出される。温度センスダイオード３２の温度が高いほど、温度センスダイオード３２の順方向電圧が低くなる。このため、期間Ｔｏｆｆの間において電圧Ｖｓは温度センスダイオード３２の温度を示す。また、温度センスダイオード３２は還流ダイオード領域２２内に配置されているので、温度センスダイオード３２の温度は還流ダイオード２２ａの温度と略等しい。このため、期間Ｔｏｆｆの間において電圧Ｖｓは還流ダイオード２２ａの温度を示す。期間Ｔｏｆｆの間に還流ダイオード２２ａに電流Ｉｄａ（図５参照）が流れている場合には、期間Ｔｏｆｆの間に、還流ダイオード２２ａの温度が徐々に上昇し、電圧Ｖｓ（すなわち、温度センスダイオード３２の順方向電圧を負の値として検出した値）が徐々に上昇する。期間Ｔｏｆｆの間に電圧Ｖｓが基準値−Ｖｒｅｆを超えると、還流ダイオード２２ａの温度が定格温度を超えたと図示しないゲート制御回路が判断し、そのゲート制御装置が半導体モジュール６０の動作を強制停止させる（すなわち、ＩＧＢＴ２０ａ、２０ｂをオフさせる）。これによって、還流ダイオード２２ａが過度な高温となることが防止される。
【００２１】
図６に示すように、期間Ｔｏｎから期間Ｔｏｆｆに切り換わるタイミングｔ１において、電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆよりも高い値から基準電圧−Ｖｒｅｆよりも低い値まで変化する。タイミングｔ１はマスク期間に設定されており、タイミングｔ１においてはゲート制御装置は電圧Ｖｓに基づく半導体モジュール６０の強制停止を行わない。したがって、タイミングｔ１において電圧Ｖｓが一時的に基準電圧Ｖｒｅｆと基準電圧−Ｖｒｅｆの間の値となっても、半導体モジュール６０の強制停止は行われない。同様に、期間Ｔｏｆｆから期間Ｔｏｎに切り換わるタイミングｔ２も、マスク期間に設定されている。これによって、半導体モジュール６０の誤停止が防止される。
【００２２】
以上に説明したように、半導体装置１０によれば、ＩＧＢＴ領域２０内に設けられた温度センスダイオード３４によってＩＧＢＴ２０の温度を検出し、還流ダイオード領域２２内に設けられた温度センスダイオード３２によって還流ダイオード２２の温度を検出することができる。したがって、ＩＧＢＴ２０と還流ダイオード２２のそれぞれの温度を正確に検出することができる。また、この半導体装置１０によれば、共通の電圧計９２によって、ＩＧＢＴ２０の温度と還流ダイオード２２の温度を検出することができる。
【００２３】
なお、図７に示すように、半導体基板１２上に設けられた配線９６によって図３に示す温度検出回路（温度センスダイオード３２、３４を逆並列に接続した回路）が形成されてもよい。また、図８に示すように、温度センスダイオード３２のアノードとカソード及び温度センスダイオード３４のアノードとカソード毎に電極パッド４０ｆ〜４０ｉを個別に設け、各電極パッドと信号端子７２を接続するワイヤー７３によって温度センスダイオード３２、３４を逆並列に接続してもよい。
【００２４】
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ：半導体装置
１２  ：半導体基板
１４  ：上部電極
１６  ：下部電極
２０  ：ＩＧＢＴ領域
２２  ：還流ダイオード領域
３２  ：温度センスダイオード
３４  ：温度センスダイオード
３６  ：層間絶縁膜
３８  ：ポリシリコン層
４０ａ〜４０ｅ：電極パッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020136451.tif 000007
【図６】
2020136451.tif 000008
【図７】
2020136451.tif 000009
【図８】
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