(57)【要約】【課題】主回路の配線部材であるリードフレームに信頼性の高いヒューズ機能を持たせて半導体装置の過電流保護が行えるようにする。【解決手段】絶縁基板２にマウントした半導体チップ３の上面主電極と絶縁基板の導体パターン２ｂ，２ｃとの間に主回路の配線用リード材としてリードフレーム４を布設し、該リードフレームの両端を接合相手部材に接合した半導体装置において、前記リードフレームの中間部位に線膨張係数がリードフレーム材と異なる絶縁材の条片１０を重ね合わせて一体結合し、そのバイメタル効果により過電流が流れた際にリードフレームの中間部位を撓ませて破断させ、主回路をオープン状態にして過電流を遮断する。【選択図】        図１
2008118010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板にマウントした半導体チップの上面主電極と絶縁基板の導体パターンとの間に主回路の配線用リード材としてリードフレームを布設し、該リードフレームの両端を接合相手部材に接合した半導体装置において、
前記リードフレームの中間部位に線膨張係数がリードフレーム材と異なる絶縁材の条片を重ね合わせて一体結合したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、リードフレームにおける絶縁材条片との重ね合わせ面域にヒューズエレメントとして機能する断面縮小部を形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置において、リードフレームの材質が銅，アルミニウムないしその合金、絶縁材条片の材質がアルミナ，窒化アルミなどのセラミック系絶縁材であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ装置に適用するＩＧＢＴモジュールなどを対象とした電力用の半導体装置に関し、詳しくはその過電流保護対策に係わる。
【背景技術】
【０００２】
最近では、半導体装置の容量拡大化に伴い、絶縁基板にマウントした半導体チップに接続する主回路の配線リード材として、ボンディングワイヤに変えて通電容量の大きなリードフレームを半導体チップの上面主電極と絶縁基板の導体パターン，入／出力端子との間に接続した配線構造が採用される傾向にあり（例えば、特許文献１参照）、次にＩＧＢＴモジュールを例にその組立構造を図３に示す。
【０００３】
図３において、１は放熱用金属ベース、２はセラミック基板２ａの表，裏両面に銅箔を直接接合して導体パターン２ｂ，２ｃ，２ｄを形成した絶縁基板（ＤＢＣ基板）、３は絶縁基板２の導体パターン２ｂにマウントした半導体チップ（ＩＧＢＴ）、４は半導体チップ３の上面主電極（ＩＧＢＴのエミッタ電極）と絶縁基板２の導体パターン２ｃとの間に配線したリードフレーム、５は導体パターン２ｃと入／出力端子６との間に配線したリードフレーム、７は半導体チップ３の制御電極（ゲート電極）に接続したボンディングワイヤ、８は金属ベース／絶縁基板，絶縁基板／半導体チップ，半導体チップ／リードフレームの間の半田接合部、９は外囲樹脂ケースである。なお、半導体チップ３を保護するために、外囲樹脂ケース９にシリコーンゲルなどを充填して半導体チップ３，リードフレーム４，５の周域を樹脂封止している。
【０００４】
一方、前記の電力用半導体モジュールについて、サージなどにより過電流が流れると半導体チップが破壊されて短絡状態になり、この過電流が継続して流れると半導体モジュールのみならず、この半導体モジュールで回路を構成したインバータ装置にも故障が波及するおそれがある。
この場合に、主回路の配線リード材が細いワイヤであれば、過電流が流れた際のジュール熱でワイヤ自身が溶断し、これにより主回路が電気的にオープン状態となって過電流を遮断することができる。これに対して、図３のようにリボン状のリードフレーム４を採用した配線構造ではワイヤのように溶断する部分がないために、このままではオープン状態とならずに過電流を遮断することができない。
【０００５】
そこで、リードフレームを採用した半導体装置の過電流保護対策として、前記リードフレームの途中に断面縮小部を形成する、あるいはリードフレームを複数本の細いリードフレームに分けて配線するなどして電流ヒューズの機能を持たせて、過電流が流れた際にリードフレームを溶断して電流を遮断するようにした構成の半導体装置が知られている（例えば、特許文献２，特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００１−１１０９５７号公報（図２）
【特許文献２】特開２００３−１１００６４号公報（図１，図２）
【特許文献３】特開２００６−１２０９７０号公報（図１，図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前記のようにリードフレーム自身にヒューズ機能を持たせて半導体素子を過電流から保護するには、その動作，機能面で高い信頼性が要求される。
すなわち、主回路の通電路であるリードフレームは、半導体装置の定格電流を連続し流す通電容量を確保し、一方では半導体素子の許容サージ電流，過電流耐量との保護協調を図りつつ、故障電流が流れた際には確実に溶断させ、かつ電流遮断後も回路のオープン状態を保持する必要がある。この要求に対して、先記した従来の構成では十分な過電流の保護機能が発揮できず、さらなる信頼性の向上が課題となる。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、主回路の配線部材であるリードフレームに機能，動作面で信頼性の高いヒューズ機能を持たせて過電流保護が行えるようにした半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明によれば、絶縁基板にマウントした半導体チップの上面主電極と絶縁基板の導体パターンとの間に主回路の配線用リード材としてリードフレームを布設し、該リードフレームの両端を接合相手部材に接合した半導体装置において、
（１）前記リードフレームの中間部位に線膨張係数がリードフレーム材と異なる絶縁材の条片を重ね合わせて一体結合し、そのバイメタル効果により過電流が流れた際にリードフレームの中間部位を撓ませて破断させるようにする（請求項１）。
（２）前項（１）の構造に加えて、リードフレームにおける絶縁材条片との重ね合わせ面域にヒューズエレメントとして機能する断面縮小部を形成し、前記バイメタル効果と集中発熱との相乗効果でリードフレームを確実に溶断させるようにする（請求項２）。
（３）前項（１），（２）において、リードフレームの材質が銅，アルミニウムないしその合金、絶縁材条片の材質がアルミナ，窒化アルミなどのセラミック系絶縁材で構成する（請求項３）。
【発明の効果】
【０００９】
上記のように両端を接合相手部材に接合して布設したリードフレームに対し、その中間部位に線膨張係数がリードフレーム材と異なる（線膨張係数が小さい）絶縁材の条片を重ね合わせて一体結合し、該部にバイメタル機能（両端固定）を持たせることにより、リードフレームに過電流が流れた際のジュール熱によるバイメタル効果によりリードフレームの中間部位が凸状に撓み変形するとともに、この撓み応力によりリードフレームを破断して主回路をオープン状態にすることができる。
【００１０】
また、リードフレームにおける絶縁材条片との重ね合わせ面域にヒューズエレメントとして機能する断面縮小部を形成することにより、前記のバイメタル効果によるリードフレームの撓み変形と、断面縮小部によるジュール熱の集中発熱とが相乗的に作用して、リードフレームをその断面縮小部で確実に溶断させることかできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図１，図２に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図３に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の請求項１に係わる実施例を示すものである。この実施例においては、絶縁基板２の導体パターン２ｂにマウントした半導体チップ３の上面主電極と導体パターン２ｃとの間に布設して両端を接合した銅，アルミニウムないしその合金（例えば、Ｃｕ−Ｍｏ，Ａｌ−Ｍｏ合金を採用して脆性化させる）で作られたリードフレーム４に対し、その中間部位の裏側にはリードフレーム４の材質よりも線膨張係数が小さいアルミナ，窒化アルミなどのセラミック系絶縁材で作られた板状の条片１０を重ね合わせて一体結合している。なお、この絶縁材条片１０をリードフレーム４に一体結合するには、条片１０の接合面をメタライズしてリードフレーム４にろう付けする。あるいはクラッド加工法により一体化する。これにより、リードフレーム４の中間部位と絶縁材条片１０とで両端を固定したバイメタルの機能を持つようになる。
【００１３】
上記構成で、半導体装置の通電状態で過電流が流れると、リードフレーム４に生じたジュール熱で前記の中間部位がバイメタル効果により凸状に湾曲して撓み、その撓み応力の作用でリードフレーム４が変形，破断して通電路をオープン状態にし、過電流を遮断する。なお、リードフレーム４が破断した後は、絶縁材条片１０が破断面の間を隔離して電流遮断後の絶縁を確保する。
【実施例２】
【００１４】
次に、本発明の請求項２に対応する実施例を図２（ａ）〜（ｃ）で説明する。すなわち、この実施例ではリードフレーム４の中間部位に実施例１で述べた線膨張係数が小さい絶縁材の条片１０を重ね合わせて一体結合するとともに、さらにリードフレーム４における絶縁材条片１０との重ね合わせ面域にヒューズエレメントとして機能する断面縮小部４ａを形成している。この断面縮小部４ａは、図２（ａ）においてはリードフレーム４の上面中央を凹状にエッチングして形成している。また、図２（ｂ）のようにリードフレーム４の状面中央部を残してその左右側縁をトリミングして断面縮小部４ａ形成する、あるいは図２（ｃ）のようにリードフレーム４の板面にトリミング穴４ｃを穿孔して断面縮小部４ａを形成することもできる。
【００１５】
上記の構成でリードフレーム４に過電流が流れると、先記したバイメタル効果によりリードフレーム４の断面縮小部４ａには撓み応力（引っ張り力）が作用することに加えて、断面縮小部４ａにジュール発熱が集中し、これによりリードフレーム４が断面縮小部４ａで確実に溶断して信頼性の高いヒューズ機能を発揮させることかできる。
なお、図示実施例では半導体チップ４の上面主電極に接続したリードフレーム４の中間部位にヒューズ機能部を構築しているが、例えば図３で入／出力端子６との間の主回路通電路に布設したリードフレーム５に形成して実施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１に係わる半導体装置の要部構造図
【図２】本発明の実施例２に係わるリードフレームの断面縮小部を表す図で、（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ形態の異なる構造図
【図３】ＩＧＢＴモジュールを例示した半導体装置の従来構成図
【符号の説明】
【００１７】
２    絶縁基板
２ｂ，２ｃ  導体パターン
３    半導体チップ（ＩＧＢＴ）
４，５  リードフレーム
４ａ  断面縮小部
１０    絶縁材条片
【図１】
2008118010.tif 000003
【図２】
2008118010.tif 000004
【図３】
2008118010.tif 000005