(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップに電気的に接合された電極と、上記電極と上記半導体チップとの電気的接合部をモールドする樹脂と、上記電極と外部接続端子との間を電気的に接続すると共に、上記樹脂の外部に設けられる配線体と、を備え、
上記配線体の一部であって上記半導体チップへの熱衝撃が及ばない位置にシリコンゲルで覆われた溶断部を構成し、上記溶断部の断面積を上記配線体の他の部分の断面積より小さくしたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体チップに電気的に接合された電極と、上記電極と上記半導体チップとの電気的接合部をモールドする樹脂と、上記電極と外部接続端子との間を電気的に接続すると共に、上記樹脂の外部で互いに並列接続される第１及び第２の配線体と、を備え、
上記第１の配線体の少なくとも一部をシリコンゲルで覆うと共に、上記第２の配線体に電磁力で開閉するスイッチを接続し、
上記スイッチを動作させて上記第２の配線体の電路を開放し、上記半導体チップに流れる電流を上記第１の配線体に転流して上記第１の配線体を溶断もしくは遮断することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
上記半導体チップの短絡モードを検出する検出装置を備え、
上記検出装置の検出信号により、上記スイッチを動作させて上記第２の配線体の電路を開放することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
上記スイッチは、電磁開閉器であることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置。
【請求項５】
上記配線体は、一本または複数本からなる導電ワイヤをシリコンゲルで覆った箇所で凸状に曲率をもたせたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
上記第１の配線体は、一本または複数本からなる導電ワイヤをシリコンゲルで覆った箇所で凸状に曲率をもたせたものであることを特徴とする請求項２〜４の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の半導体装置を、Ｕ相、Ｖ相またはＷ相の少なくとも２相に備えたことを特徴とするインバータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワー半導体モジュールとして適用される半導体装置及びその半導体装置を備えたインバータシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力変換器に使用されるパワー半導体モジュールは、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（以下、「ＩＧＢＴ」と称す）チップなどの半導体チップが複数集められてモジュール化されている。そして、ＩＧＢＴチップに過電流が流れて故障するときは、短絡故障となる場合が大部分であり、そのまま通電を続けると、パワー半導体モジュールを使用したシステム自体の動作に不具合を生じることになる。このためパワー半導体モジュールの内部または外部、あるいは半導体チップに遮断機構を備えている。遮断機構の例としては、例えば、配線体の一部を細くして溶断しやすい構造にしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−８６７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、半導体技術の進歩により、ＩＧＢＴチップは大容量化しており、高電圧、大電流の電力変換を行うことができるようになってきた。これにともない、従来の遮断機構では対応できなくなってきている。例えば、高電圧、大電流の電力変換においては、配線体を溶断するとアーク電流が発生する。電圧が低いときはアーク電流が発生してもすぐ消弧され遮断されるが、電圧が高いときは消弧することが困難になり、単に配線体を溶断するだけでは電流遮断が困難となり電流が流れ続ける。
【０００５】
一方、高電圧、大電流の遮断が可能なブレーカや電磁開閉器は、アーク電流を消弧するため接点の開閉速度を速くすると共に、アークの冷却を促進する工夫がなされている。特に電圧が数キロボルト以上になると、気中での遮断が困難になるため、真空中（真空遮断機）やＳＦ6ガス中（ガス遮断機）で遮断される。このような工夫が施されているため遮断機構のサイズは非常に大きくなり、コストも高くなる。
【０００６】
この発明の目的は、高電圧・大電流で動作するＩＧＢＴチップなどの半導体チップが故障した時の短絡電流を遮断する小型、低コストの半導体装置を提供することにある。
【０００７】
また、このような半導体装置を備え、信頼性が高く、かつ小型で低コストのインバータシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る半導体装置は、半導体チップに電気的に接合された電極と、上記電極と上記半導体チップとの電気的接合部をモールドする樹脂と、上記電極と外部接続端子との間を電気的に接続すると共に、上記樹脂の外部に設けられる配線体と、を備え、上記配線体の一部であって上記半導体チップへの熱衝撃が及ばない位置にシリコンゲルで覆われた溶断部を構成し、上記溶断部の断面積を上記配線体の他の部分の断面積より小さくしたものである。
【０００９】
また、この発明に係るインバータシステムは、上記構成の半導体装置をＵ相、Ｖ相、またはＷ相の少なくとも２相に備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る半導体装置によれば、電極と半導体チップとの電気的接合部を樹脂でモールドすると共に、上記樹脂の外部に上記電極と外部接続端子との間を電気的に接続する配線体を備え、上記配線体の一部であって上記半導体チップへの熱衝撃が及ばない位置にシリコンゲルで覆われた溶断部を構成し、上記溶断部の断面積を上記配線体の他の部分の断面積より小さくしたので、高電圧・大電流で動作するＩＧＢＴチップなどの半導体チップが故障した時の短絡電流を遮断する際、半導体チップ及び半導体チップをモールドする樹脂に損傷が及ばない小型、低コストの半導体装置を得ることができる効果がある。
【００１１】
また、この発明に係るインバータシステムによれば、上記構成の半導体装置をＵ相、Ｖ相、またはＷ相の少なくとも一つの相に備えるので、信頼性が高く、かつ小型で低コストのインバータシステムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明に係る半導体装置及びその半導体装置を備えたインバータシステムの好適な実施の形態について図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面模式図であり、図２は、図１のモールド部分を取り除いたＡ部平面を示す模式図である。なお、図１は、図２のＢ−Ｂ線断面模式図である。
【００１４】
この発明の実施の形態１に係る半導体装置は、例えばＩＧＢＴチップなどの半導体チップ１、半導体チップ１が半田２により接合されているセラミック基板３、及びセラミック基板３が接合されているベース板４を有する。
また、実施の形態１に係る半導体装置は、セラミック基板３の表面に形成された半田付けに適したメタル層５と、メタル層５に半田２により接合されている半導体チップ１と、半導体チップ１に半田２により接合されている電極、即ち配線板６を有する。半導体チップ１、セラミック基板３、及びベース板４は樹脂７でモールドされている。配線板６も樹脂７でモールドされているが、その一部分はモールドの外部に突出している。なお、図２においては、セラミック基板３とセラミック基板３の表面に形成されたメタル層５が省略されている。
【００１５】
配線板６のモールドの外部に突出した部分と配線体８が接続されており、配線板６は配線体８により一方の外部接続端子９に接続されている。また、半導体チップ１は、制御信号配線１０により他方の外部接続端子１１に接続されている。なお、半導体チップ１と配線板６との電気的接合部を、半導体チップ１と共に樹脂でモールドすることにより、後述するように、配線体８の溶断もしくは遮断する時、アーク電流により半導体チップ１が損傷するのを防止できる。
【００１６】
配線体８は一本または複数からなる銅ワイヤを凸状に曲率をもたせて構成されており、配線板６及び外部接続端子９とそれぞれ半田接合されている。なお、本実施の形態においては配線体８として銅製のワイヤを使用したが、アルミニウム製のワイヤを使用しても良い。また、配線体８を凸状に曲率をもたせて構成したので、アーク電流も曲率をもつように発生するため、距離が長くなり、アーク電圧が高くなって消弧しやすくなる利点がある。
【００１７】
この銅ワイヤからなる配線体８は、その一部の断面積が他の部分の断面積より小さく設定されており、その断面積の小さい部分をシリコンゲル１２で覆うように構成されている。これにより、通常時には通電可能であるが、事故時の短絡電流が流れると配線体８の断面積の小さい部分が焼き切れることになる。そして、その焼き切れる時に発生するアーク電流がその部分を覆うシリコンゲル１２により消弧される。シリコンは消弧作用が高いうえに、ゲル状にすることにより、水素原子、炭素原子が加わり、水素や一酸化炭素の冷却作用が働くため、一層、消弧作用が高く好適である。なお、上記については以降で詳述する。
【００１８】
次に、この発明の実施の形態１に係る半導体装置の動作について説明する。
半導体チップ１に過電流が流れることにより発生する故障の場合、短絡故障するケースが大部分である。そして、短絡故障した場合、半導体チップ１を流れる電流は配線板６を流れ、それから銅ワイヤからなる配線体８を流れる。通常時も同じ経路で電流が流れるが、短絡故障した場合、ピーク電流値が通常時の２〜４倍大きくなる。このため、通常時には配線体８は焼き切れることはないが、短絡故障時には焼き切れることになる。
【００１９】
上記のように配線体８が焼き切れると、焼き切れた配線体８間にアーク電流が発生する。アーク電流内は１万〜２万℃と非常に高温となり、前述のように焼き切れた箇所を覆うシリコンゲル１２を瞬時に気化する。気化したシリコンゲル１２中には水素が多く含まれており、水素は熱伝導率が高いのでアークを効率良く冷却する。また、シリコンゲル１２が気化するときのガスの流れでアークを吹き消し、アーク電流が消弧されて短絡電流が遮断される。銅ワイヤからなる配線体８及びシリコンゲル１２はモールド樹脂７の外にあるので、アーク電流が発生した熱衝撃が直接半導体チップ１に及ぶことはなく、半導体チップ１への損傷は最小限に抑制される。
【００２０】
以上のように、この実施の形態１に係る半導体装置は、配線板６と外部接続端子９とを接続する配線体８を備え、配線体８の一部であって上記半導体チップへの熱衝撃が及ばない位置にシリコンゲルで覆われた溶断部を構成し、上記溶断部の断面積を上記配線体の他の部分の断面積より小さくしたので、短絡電流を遮断する超小型で安価な半導体装置を提供することができる。
【００２１】
更に、シリコンをゲル状にすることにより、任意の形状に対応可能であると共に、軽く、機械的振動、衝撃の吸収に優れているため、小型化が可能で安定した性能を得ることができる。
【００２２】
また、配線体８をシリコンゲル１２により覆うことにより、電圧が印加された状態で切断された配線体８間に発生するアーク電流が、シリコンゲル１２の分解により発生する水素や一酸化炭素のガスにより冷却され、且つ吹き消されるので、確実にアーク電流を消弧できる。
【００２３】
次に、実施の形態１による半導体装置を備えたインバータシステムについて説明する。図３は、この発明の実施の形態１による半導体装置を備えたインバータシステムの回路図で、図３（ａ）はスター結線されたモータジェネレータの制御への適用を示し、図３（ｂ）はデルタ結線されたモータジェネレータの制御への適用を示している。
【００２４】
図３（ａ）に示すように、このインバータシステムは、直流電力をＵ相、Ｖ相及びＷ相の３相交流電力に変換し、また、３相交流電力を直流電力に変換する。そして、相毎の各アームはＩＧＢＴチップ３０ａ〜３０ｆとＩＧＢＴチップ３０ａ〜３０ｆに並列接続されたダイオード３１ａ〜３１ｆとから構成されている。また、上下のアームが直列に接続されている部分をレグと称す。
【００２５】
直流電力はレグの両端から入出力され、交流電力は各レグのアーム間から入出力される。そして、各レグのアーム間にモータジェネレータ３２ａの巻線が接続されている。
また、モータジェネレータ３２ａのＵ相とＶ相との巻線と対応するレグのアーム間の配線体８にシリコンゲル３３ａ、３３ｂを配置した遮断機構が設けられている。
【００２６】
このような遮断機構は、例えばハイブリッド自動車において使用されているインバータシステムで故障モードが発生したとき有効となる。
例えば、インバータシステムのＩＧＢＴチップ３０ｂに過電流が流れて短絡した場合、図３（ａ）に示すように、短絡したＩＧＢＴチップ３０ｂ、ダイオード３１ｄ，３１ｆ、モータジェネレータ３２ａの巻線を経由する電流路が形成され、故障していないＩＧＢＴチップ３０ｄ，３０ｆのスイッチがオフの場合でも電流が流れる。ハイブリッド自動車が走行中の場合や、牽引車に牽引されて走行状態に入ると、モータジェネレータ３２ａに起電力が生じ、電流路に回生電流が望まないのに流れ、不具合を生ずる。ここで図３（ａ）に示すように、シリコンゲル３３ａ、３３ｂを配置した遮断機構を設けると、前述のような回生電流が流れることはなく、モータジェネレータ３２ａを電気的に遮断することができる。
【００２７】
なお、上記においては、図３（ａ）に示すスター結線されたモータジェネレータ３２ａの制御への適用について説明したが、図３（ｂ）に示すデルタ結線されたモータジェネレータ３２ｂの制御への適用についても同様であり、詳細説明を省略する。
【００２８】
また、上述のインバータシステムではＵ相とＶ相の２相にシリコンゲル３３ａ、３３ｂを配置した遮断機構を設けたが、３相すべてに遮断機構を設けることにより確実に回生電流を遮断できる。
【００２９】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す図で、半導体装置の配線板側から樹脂モールド側に見た平面図である。
【００３０】
実施の形態２に係る半導体装置は、第１の配線体８とこの第１の配線体８に並列に第２の配線体４０を設け、第２の配線体４０の電路に電磁力で開閉するスイッチ、例えば、電磁継電器、熱動過電流継電器、電磁開閉器等（以下、電磁開閉器という。）の電磁開閉器４１が設置されている。第２の配線体４０は第１の配線体８より断面積が大きく構成されており、通常時、大部分の電流は第２の配線体４０を流れる。電磁開閉器４１はノーマルクローズで、すなわち、通常時オン状態にあり、信号を与えるとオフ状態になる。実施の形態２に係る半導体装置は、更に電磁開閉器４１の駆動用電流を与える駆動電源４２と、故障を検出する検出装置４３を備え、また、駆動電流を検出装置４３の信号に応じてコントロールするリレースイッチ４４を備えている。リレースイッチ４４はノーマルオープンである。なお、第１の配線体８は一本または複数本からなる銅ワイヤを凸状に曲率をもたせて構成されている。
【００３１】
電磁開閉器４１を図５に示す。電磁開閉器４１は固定端子５０、可動端子５１、ばね５２、コイル５３、及び可動鉄心５４ａ、固定鉄心５４ｂからなる鉄心５４を備えている。なお、図５は電磁開閉器の一例を示しており、開閉できれば如何なる開閉方式の電磁開閉器でも良いことは勿論である。
【００３２】
検出装置４３は、半導体チップ１のコレクタ・エミッタ間を流れる電流を計測できる位置、たとえば銅ワイヤからなる第１の配線体８または配線板６に図示しないセンサを設けることにより構成される。
【００３３】
図６は、検出装置４３のブロック図を示している。検出装置４３は、半導体チップ１が短絡故障したことを検出する。この検出装置４３は、コレクタ・エミッタ間を流れる電流、例えば銅ワイヤからなる第１の配線体８または配線板６を流れる電流などを計測し、計測した電流の波形を解析して半導体チップ１で短絡故障が発生したことを検出する。通常動作時には半導体チップ１がスイッチングされるのに対し、短絡時には半導体チップ１がスイッチングされないため電流波形は異なる。検出装置４３でセンサにより測定した電流を解析して短絡故障を検出する。
【００３４】
検出装置４３は、ゲートのオフ時にコレクタ・エミッタ間を電流が流れることをもって短絡発生と判断する。コレクタ・エミッタ間の電流は、図７に示すように、通常時は所定のサイクルでオン・オフされる。すなわち、ゲートオフ時にはコレクタ・エミッタ間の電流が実質的に０となる。この時間帯に電流が流れていれば異常と判断する。具体的には以下のような方法が考えられるがこれらは例示であり、これらに限るものではない。なお、図７に示す時間αｋ、βｋ、及び電流値ＩTH、Ｉ1、Ｉ0については、後述の図８において説明する。
【００３５】
一つの方法として、図８に示すように、電流波形を測定し、その時間変化から、コレクタ・エミッタ間の電流が実質的に０となる時間（電流値が所定の第１の電流値Ｉ0以下となる時間）が所定時間続くか（またはサイクリックに繰り返されるか）どうかを見ることで異常を判断する。
【００３６】
例えば、図示しないコンパレータを用いて電流値Ｉが所定の第１の電流値Ｉ0（例えば、正常時の電流ピーク値の１／１０）以下を継続する時間αｋ（ｋは電流値Ｉ0以下を継続する時間が出現する度に付けられる連番）を求め、求めた時間αｋが所定の第１の時間αTH以下であれば異常とする。この第１の時間αTHは通常時の時間αｋから時間のばらつきを考慮し、その分を減算した値である。
【００３７】
他の方法として、電流値Ｉが所定の第２の電流値Ｉ1（例えば、正常時の電流ピーク値の１／１０）以上を継続する時間βｋ（ｋは電流値Ｉ1以上を継続する時間が出現する度に付けられる連番）を求め、求めた時間βｋが所定の第２の時間βTH以上であれば異常とする。この第２の時間βTHは通常時のβｋに時間のばらつきを考慮し、その分を加算した値である。また、電流値Ｉが所定の第３の電流値ＩTH（例えば、正常電流値の１．２倍であると異常と判断する。）以上のとき異常として検出する方法もある。
【００３８】
更に他の方法として、エミッタ・コレクタ間の電圧をモニターする。通常時、オン状態のときの電圧はある基準値Ｖ0より低く、オフ状態のときの電圧は基準値Ｖ0より高くなる。しかし、短絡故障した場合は、オフ時にも基準値Ｖ0より低くなる。このことから故障と診断し、駆動電源により電磁開閉器４１を開く。
【００３９】
また、図９に示すように、検出装置４３でゲート電圧を併せて計測し、この電圧が実質０である時間帯（すなわちゲートオフ時）にコレクタ・エミッタ間に電流が流れた場合は異常とする。
【００４０】
この発明の実施の形態２に係る半導体装置は上記のように構成されており、次に動作について説明する。
通常時、リレースイッチ４４はオフ状態にある。この状態においては、電磁開閉器４１は、ばね５２が可動端子５１を固定端子５０に押し付けるのでオン状態にある。このため、大部分の電流は配線板６から第２の配線体４０を流れる。故障すると検出装置４３が故障を検出し、リレースイッチ４４に信号を与えてオン状態にする。
【００４１】
電磁開閉器４１のコイル５３に駆動電源４２により駆動電流が流れ、磁力が発生し、固定鉄心５４ｂに可動鉄心５４ａが吸引される。電磁開閉器４１は、ばね５２の押し付け力より固定鉄心５４ｂが可動鉄心５４ａを吸引する吸引力の方が勝るように設計されており、これにより可動端子５１は固定端子５０から離れてオフ状態になる。
【００４２】
電磁開閉器４１がオフ状態になると第２の配線体４０に流れていた電流が第１の配線体８に転流する。第１の配線体８に過剰な電流が流れるため、第１の配線体８を構成する銅ワイヤが焼き切れ、アーク電流が流れる。発生したアーク電流はシリコンゲル１２により消弧される。
【００４３】
本来、数キロボルトの電圧がかかる場合、気中で遮断することは不可能であり、アーク電流は消弧されることなく流れ続ける。本実施の形態では第１の配線体８に転流し、消弧作用の強いシリコンゲルでアーク電流を消弧できるため、実施の形態１で説明したように、小型で低コストの遮断機構を構成することができる。
【００４４】
この実施の形態２に係る半導体装置においては、第１の配線体８と並列に第２の配線体４０を設け、第２の配線体４０に電磁開閉器４１を設けることによって電路を開閉するように構成している。この電磁開閉器４１として市販品の電磁開閉器を使用することにより信頼性が増す。なお、電磁開閉器としては、図５に示す開閉方式以外の電磁開閉器であっても良い。
【００４５】
また、この実施の形態２に係る半導体装置は、図３に示すインバータシステムに適用し、インバータシステムで故障モードが発生したとき確実に回生電流を遮断できることは実施の形態１に係る半導体装置と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
この発明に係る半導体装置及びその半導体装置を備えたインバータシステムは、ハイブリッド自動車において使用されているインバータシステムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面模式図である。
【図２】図１のモールド部分を取り除いたＡ部平面を示す模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る半導体装置を備えたインバータシステムの回路図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の配線板側から樹脂モールド側に見た平面図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る電磁力で開閉するスイッチを示す図である。
【図６】コレクタ・エミッタ間の電圧を測定して異常を検出する場合の回路図である。
【図７】通常時にコレクタ・エミッタ間に流れる電流の波形を示すグラフである。
【図８】異常と判断されるときのコレクタ・エミッタ間に流れる電流の波形を示すグラフである。
【図９】コレクタ・エミッタ間に流れる電流の計測と合わせてゲート電圧を計測して異常を検出する場合の回路図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  半導体チップ
２  半田
３  セラミック基板
４  ベース板
５  メタル層
６  配線板
７  樹脂
８  第１の配線体
９、１１  外部接続端子
１０  制御信号配線
１２、３３ａ、３３ｂ  シリコンゲル
３０ａ〜３０ｆ  ＩＧＢＴチップ
３１ａ〜３１ｆ  ダイオード
３２ａ、３２ｂ  モータジェネレータ
４０  第２の配線体
４１  電磁開閉器
４２  駆動電源
４３  検出装置
４４  リレースイッチ
５０  固定端子
５１  可動端子
５２  ばね
５３  コイル
５４  鉄心
５４ａ  可動鉄心
５４ｂ  固定鉄心
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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