(57)【要約】【課題】平滑コンデンサとしてセラミックコンデンサを採用することにより小型化され、かつ、組立性、生産性がよく、高信頼性の電力半導体装置を提供する。【解決手段】直流から交流または交流から直流への電力変換を行う半導体素子１、直流電源出力を平滑するための平滑コンデンサ２、半導体素子の電力変換を制御する制御回路部６を備えた電力半導体装置において、平滑コンデンサ２は、セラミックコンデンサで、半導体素子１及び平滑コンデンサ２は、放熱機能を備えた金属ベース板５ｃ上のＣｕパターン（配線）５ａに電気的に接合され、配線５ａの回路に過電流が流れたときに溶融し断線するエレメントとエレメントの両端に設けられ配線５ａに接合される電極部とを備えた保護機構３が、配線５ａに接合部材で接合されて平滑コンデンサ２と直列に配設されている構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流から交流または交流から直流への電力変換を行う半導体素子を備えた回路と、直流電源出力を平滑するための平滑コンデンサと、上記半導体素子の電力変換を制御する制御回路部と、上記回路に過電流が流れた際に上記半導体素子及び平滑コンデンサを保護する保護機構とを備えた電力半導体装置において、
上記平滑コンデンサは、セラミックコンデンサであり、
上記保護機構は、上記回路に過電流が流れたときに溶融し断線するエレメントと上記エレメントの両端に設けられた電極部とを備え、
上記回路の配線が、放熱機能を備えたベース板上に形成され、
上記半導体素子、平滑コンデンサ及び保護機構の電極部は、上記ベース板上に形成された回路の配線に接合部材で接合されていることを特徴とする電力半導体装置。
【請求項２】
上記保護機構のエレメントと電極部とは同一導電性部材からなることを特徴とする請求項１記載の電力半導体装置。
【請求項３】
上記保護機構のエレメントは、上記電極間に並列に設けられた、略同一長でかつ２つ以上の細線からなることを特徴とする請求項１記載の電力半導体装置。
【請求項４】
上記保護機構のエレメントは、上記電極間において略均一な断面積であることを特徴とする請求項１記載の電力半導体装置。
【請求項５】
上記保護機構のエレメントは、上記電極間において曲線形状であることを特徴とする請求項１記載の電力半導体装置。
【請求項６】
上記保護機構のエレメントは、１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の電力半導体装置。
【請求項７】
上記同一導電性部材からなる保護機構のエレメントと電極部は、ニッケルまたはアルミニウムからなることを特徴とする請求項２記載の電力半導体装置。
【請求項８】
上記保護機構のエレメントの少なくとも中央部の一部が、絶縁材で覆われていることを特徴とする請求項１記載の電力半導体装置。
【請求項９】
上記保護機構の少なくともエレメントが、シールド板により覆われていることを特徴とする請求項１記載の電力半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平滑コンデンサとしてセラミックコンデンサを用いた電力半導体装置、特に電気自動車、ハイブリッド自動車、アイドリングストップ車において制御装置として搭載される電力半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止を背景にＣＯ２の排出量削減が求められ、環境を配慮した、インバータ等の電力半導体装置の開発が進められている。特に、車載向けの電力半導体装置に対し、エンジンルームの高温、高湿といった厳しい環境下であるにも関わらず、高品質、高信頼性が要求され、さらには、エンジンルームといった限られたスペースに搭載するため、小型化が要求されている。
【０００３】
インバータ等の電力半導体装置において、スイッチングを行うとき、直流電源の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がりを平滑にするために、平滑コンデンサを用いる。この平滑コンデンサとしては、十分に大きな静電容量が必要となるため、一般的には、アルミ電解コンデンサが用いられている。
【０００４】
しかしながら、このアルミ電解コンデンサは、サイズ（体積）が大きく、電力半導体装置の小型化には適していなかった。
【０００５】
平滑コンデンサとして、セラミックコンデンサを用いると、電力半導体装置を大幅に小型化できるのであるが、セラミックコンデンサは、構造上、短絡破壊故障モードを有しており、また、アルミ電解コンデンサやフィルムコンデンサと異なり、保護機構が備わっていない。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、電力半導体装置の信頼性を高めるために、複数のヒューズを並列接続して設ける。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１４４６０３号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に、高電圧、大電流を扱うパワーエレクトロニクス回路に対応した、高圧ヒューズを使用しているのが現状であり、半導体装置の保護機構として、高価なヒューズを用いざるを得なかった。
【０００９】
また、そのヒューズは、信頼性が低く、また、バスバー等の配線接続部で接続されるため、組立性、生産性を悪化させていた。
【００１０】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、平滑コンデンサとしてセラミックコンデンサを採用することにより小型化され、かつ、組立性、生産性がよく、信頼性の高い電力半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る電力半導体装置は、直流から交流または交流から直流への電力変換を行う半導体素子を備えた回路と、直流電源出力を平滑するための平滑コンデンサと、上記半導体素子の電力変換を制御する制御回路部と、上記回路に過電流が流れた際に上記半導体素子及び平滑コンデンサを保護する保護機構とを備えた電力半導体装置において、
上記平滑コンデンサは、セラミックコンデンサであり、
上記保護機構は、上記回路に過電流が流れたときに溶融し断線するエレメントと上記エレメントの両端に設けられた電極部とを備え、
上記回路の配線が、放熱機能を備えたベース板上に形成され、
上記半導体素子、平滑コンデンサ及び保護機構の電極部は、上記ベース板上に形成された回路の配線に接合部材で接合されているものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る電力半導体装置によれば、平滑コンデンサとしてセラミックコンデンサを採用することにより小型化され、かつ、組立性、生産性がよく、信頼性の高い電力半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る電子機器装置について、図を用いて好適な実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明に係る電力半導体装置の実施の形態１を示す断面図である。本実施の形態１の電力半導体装置は、Ｃｕパターン５ａによる配線回路に電気的に接続された半導体素子１、平滑コンデンサ２及び保護機構３、外部と接続する入力端子４ａ及び出力端子４ｂ、入力端子４ａ及び出力端子４ｂと接続され、配線回路と入力端子４ａ及び出力端子４ｂとを電気的に接続するバスバー１１、これらが搭載、実装された金属基板５、半導体素子１を制御するための制御回路部６、金属基板５と制御回路部６と入出力端子４を一体化した筐体７、金属ベース板５ｃの裏面にグリース層８を介して取り付けられた放熱器９を備えている。
【００１４】
半導体素子１は、例えば、スイッチングを行うＭＯＳＦＥＴを用いることができるが、ＭＯＳＦＥＴに限定するものでなく、例えば、ＩＧＢＴ、トランジスタ等を用いてもよい。本実施の形態１において、半導体素子１の形状は、ディスクリート形状となっているが、ベアチップ、もしくは上アーム、下アームが一対となって樹脂等により一体化されたパワーモジュールでもよい。
【００１５】
半導体素子１、平滑コンデンサ２、保護機構３をはじめとした電子部品が搭載された金属基板５は、上層から順にＣｕパターン（配線）５ａ、絶縁層５ｂ、厚さ２〜３ｍｍ程のアルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）といった良好な熱伝導性を有した金属ベース板５ｃを備えた放熱性の高いものであり、半導体素子１、平滑コンデンサ２、保護機構３の熱は金属基板５から放熱器９に拡散され、放熱、冷却される。このように、半導体素子１、平滑コンデンサ２、保護機構３は、はんだ１５により金属基板５のＣｕパターン（配線）５ａに接合され、バスバー１１を介して入力端子４ａ及び出力端子４ｂへと電気的に接続されている。
【００１６】
また、マイコン、メモリ等の電子部品が搭載された駆動回路、電源回路から構成された半導体素子１のスイッチング制御を行うための制御回路部６が、金属基板５のＣｕパターン（配線）５ａと電気的に接続されている。
【００１７】
入力端子４ａ及び出力端子４ｂ、入力端子４ａ及び出力端子４ｂに接続されたバスバー１１及び金属基板５が、ＰＰＳやＰＢＴにて一体成形された筐体７に取り付けられ、入力端子４ａ及び出力端子４ｂを介して外部の負荷、直流電源と電気的接続ができるようになっている。
【００１８】
電力半導体装置等のパワーエレクトロニクス回路では、大電流を扱い、発熱量も大きくなるため、放熱、冷却能力が要求される。そこで金属基板５の金属ベース板５ｃをグリース層８を介して放熱器９に取り付けている。放熱器９は、複数のフィンを有し、風により空冷されるもの、あるいは冷却水通路が設けられ水冷されるものなどが用いられる。
【００１９】
放熱器９と対向する側には、防塵、防水性の役割を担うカバー１０を筐体７を蓋するように設ける。
【００２０】
図２は、本実施の形態１の電力半導体装置における動作を説明するための概略回路図である。電力半導体装置１４は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を構成する半導体素子１、半導体素子１を制御する制御回路部６によって構成され、直流電源１３を三相交流に変換し、三相交流モータ等の交流負荷１２を駆動する回路構成となっており、直流電源１３からの電流を、半導体素子１にて、各Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相とからなる三相交流に変換して、交流負荷１２を駆動させる。また、回生により、交流負荷１２の三相交流を直流に変換して直流電源１３に戻している。
【００２１】
保護機構３は、平滑コンデンサ２と直列に接続され、保護機構３及び平滑コンデンサ２はＵ相、Ｖ相、Ｗ相と並列に接続されている。
【００２２】
本実施の形態１の電力半導体装置においては、平滑コンデンサ２としてセラミックコンデンサを採用し、回路上に組み込むことで、電力半導体装置の小型化を実現している。
【００２３】
セラミックコンデンサは、構造上、製造する過程の中で、不良率が高く、また故障率も大きい上に、アルミ電解コンデンサやフィルムコンデンサのように保護機構が備わっていないという問題がある。この問題を解決するために、回路上に新たに保護機構３を配設し、セラミックコンデンサに短絡故障が生じると、本回路においては、数百〜１２００Ａ程度の電流が流れ、保護機構３が作動して半導体素子１及びセラミックコンデンサの破壊が阻止されることが実験により確認されている。
【００２４】
図３は、本実施の形態１における保護機構３の断面図、図４は、本実施の形態１における保護機構３の平面図である。図３及び図４に示したように、保護機構３は、エレメント３ａ及び電極部３ｂが同一の導電部材から構成されている。電極部３ｂが、金属基板５の配線部であるＣｕパターン（配線）５ａと接合部材であるはんだ１５で接合されている。
【００２５】
このように、保護機構３を配線に接合することにより、セラミックコンデンサが短絡故障し、急激な過電流が回路内を流れても、保護機構３のエレメント３ａが、即座に溶融し、断線することによって、セラミックコンデンサあるいは電力半導体装置１内部において、破壊、焼損、発煙、発火といった事態が発生するのを未然に防ぐことができる。
【００２６】
また、電極部３ｂが、金属基板５の配線部であるＣｕパターン（配線）５ａと接合部材であるはんだ１５で接合され、かつ、金属基板５の絶縁層５ｂの熱伝導率は凡そ１．５〜２．５Ｗ／ｍｋと良好であるので、定常状態においてはエレメント３ａ及び電極部３ｂで発生したジュール熱が電極部３ｂから放熱機能（放熱器９）を備えた金属ベース板５ｃに放熱されエレメント３ａが溶断しないようにし、かつ、接合部材であるはんだ１５が溶融しないようにすることができ、過電流がエレメント３ａに流れたときに過電流によるジュール熱により溶断するようにできるので電力半導体装置を信頼性の高いものとすることができる。また、保護機構３を、半導体素子１、平滑コンデンサの実装と同時に実装することができるので、組立性がよくなり、生産性が向上する。
【００２７】
また、絶縁層５ｂの弾性率を凡そ１００〜１０００ＭＰａとし、金属基板５の低弾性率化を図ることにより、例えば、エンジンルームといった高温度の厳しい環境下においても、電極部３ｂにおける構造的な高い信頼性が得られ、かつ、電気的特性及び十分な放熱性を維持することができる。また、生産性も向上する。
【００２８】
また、エレメント３ａ及び電極部３ｂを同一の導電部材から構成することにより、保護機構を簡単な構造とし、金型を用いたプレス等により製造することができるので、量産性のよいものにすることができる。
【００２９】
また、エレメント３ａは、断面の一辺の長さが、おおよそ０．１ｍｍ〜２．０ｍｍといった細線形状であるのに対して、電極部３ｂの実装面積は、定常時、エレメント３ａで発生したジュール熱をはんだ１５で接合された電極部３ｂを介して金属基板５へ放熱させるために可能な限り大きくするのが好ましい。
【００３０】
また、エレメント３ａは同一長でかつ複数の細線を並列に配設した構成とすることにより、エレメント３ａを短くすることができ、ひいては、電力半導体装置を小型化することができる。
【００３１】
また、エレメント３ａが複数個の細線を並列配設したものとすることにより、電流を分散しはんだ１５の温度上昇を抑えることができる。
【００３２】
エレメント３ａにおける細線の並列数は、保護機能としての溶断特性に依存する。つまり、エレメント３ａにおける細線の並列数、細線の長さ、細線の断面積と、溶断特性とは、厳密な関係があるので、エレメント３ａの抵抗と流れる電流からジュール熱を計算し、細線の並列数を求める。一例として、図４には、エレメント３ａにおける細線の並列数を３個とした場合を示したが、エレメント３ａにおける細線の数は１個の場合もある。
【００３３】
保護機構３の小型化を行うためには、例えば、エレメント３ａの長さを短くし、断面積を小さくする、または、エレメント３ａの長さを短くし、かつ複数個の細線を並列配設する。
【００３４】
本実施の形態１においては、保護機構３は、おおよそ１００〜２０００Ａの大きな過電流に対し、おおよそ１ｓ以内（１００ｍｓ程度）にて断線、溶断させる必要があり、かつ定常時において、おおよそ５０Ａ以下の電流に対し、エレメント３ａを断線、溶断させないという条件を満たさなければならない。また、電極部３ｂと金属基板５との接合部分、すなわち、はんだ１５が、エレメント３ａや電極部３ｂで発熱した熱影響を受けて溶融しないように、はんだ１５の温度上昇を抑える必要があるので、既に述べたように、保護機構３の電極部３ｂを放熱機能を備えた金属基板５の配線部に接合する。
【００３５】
一般に、保護機構あるいはヒューズは、エレメント中央部において極細にしており、エレメント中央部を極細にした場合は、大きな過電流に対し、おおよそ１ｓ以内（１００ｍｓ程度）にて断線、溶断させ、かつ定常時において、おおよそ５０Ａ以下の電流に対し、エレメント３ａを溶融、断線させないという条件を満すように形状寸法を設定するのが困難になるが、本実施の形態１においては、電極部３ｂ間におけるエレメント３ａの長さ方向の断面積を一様にし、また、エレメント３ａが複数個の細線から構成されるものにおいて細線の長さも同一としているので、形状寸法の設定が容易になる。
【００３６】
電力半導体装置の過電流における保護機構３の溶断特性は、一定以上の長さになると、長さに関らず、略同一の溶断時間となることが実験よりわかった。図５は、ニッケル（Ｎｉ）からなるエレメント２ａの断面積０．２ｍｍ×０．２５ｍｍ、長さを５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍとしたときの溶断時間と溶断電流との関係を示す図である。図５の結果から、３０Ａの溶断電流で見た場合、Ｃ：２０ｍｍ、Ｂ：１０ｍｍでは長さに関係なく溶断時間が１００ｍｓとなっており、長さの影響は無視できる。したがって、エレメント３ａの長さは２０ｍｍといった不要に長くする必要はなく、１０ｍｍ以下とすればよい。
【００３７】
同一導電性材料からなる保護機構の材料として、ニッケル（Ｎｉ）またはアルミニウム（Ａｌ）を用いるのが好ましい。Ｎｉ及びＡｌは、温度が上がるにつれて抵抗率が大きくなる。つまり、定常時においては温度が低く、抵抗率が小さく、ジュール熱の発生は小さくて、溶融、断線することはない。過電流が流れると温度上昇により抵抗率が大きくなり、急激に大きいジュール熱が発生して温度上昇し、即座に溶融、断線させることができるので、電力半導体装置に最も適している。
【００３８】
また、保護機構３において、特に、金属基板５への接合部分である電極部３ｂにＳｎ、はんだ等のめっきを施すことにより、はんだ１５の濡れ性を改善することができる。
【００３９】
また、電極部３ｂと金属基板５の配線部との接合は、はんだ１５に限らず、はんだ１５に代えて導電性を有する接着性樹脂を使用することもできる。
【００４０】
実施の形態２．
図６は、本発明に係る電力半導体装置の実施の形態２を説明するための断面図であり、保護機構の構造を示している。本実施の形態２は、保護機構を除く部分は実施の形態１と同様であり、上記実施の形態１と相違する点は保護機構の構造である。
【００４１】
図６に示したように、本実施の形態２における保護機構３のエレメント３ａは曲線状になっており、エレメント３ａの長さを直線状の場合同じとするのに、電極部３ｂ間の距離を短くして保護機構３の小型化を図ることができる。
【００４２】
また、エレメント３ａを曲線状とすることによって、図示のように、限られた電極部３ｂ間の空間を有効活用して上下方向にエレメント３ａの細線を配設し、必要十分なエレメント３ａの長さを確保することができ、保護機構３の小型化を図ることができる。
【００４３】
実施の形態３．
図７は、本発明に係る電力半導体装置の実施の形態３を説明するための断面図であり、保護機構の構造を示している。本実施の形態３は、保護機構を除く部分は実施の形態１と同様であり、上記実施の形態１と相違する点は保護機構の構造である。
【００４４】
図７に示したように、本実施の形態３における保護機構３は、少なくともエレメント３ａが、樹脂、難燃性の材料等からなる絶縁材１６で覆われている。
【００４５】
絶縁材１６は、エレメント３ａ全体を覆う必要はなく、エレメント３ａの一部、特にエレメント３ａの中央部付近を覆うように設ければよい。
【００４６】
本実施の形態３の保護機構３によれば、絶縁材１６により高熱で溶融、断線したエレメント３ａの破片が散乱、飛散するのを防止し、溶融、断線したエレメント３ａが配線接続部、電子部品の電極等と接触するのを防止し、短絡、焼損、発煙等が生じないようにすることができる。
【００４７】
絶縁材１６は、半導体素子１、平滑コンデンサ２、保護機構３をはじめとした電子部品を金属基板５に実装した後、樹脂をポッティングする等の方法で形成することができ、この形成方法により、生産性を向上させることができる。
【００４８】
実施の形態４．
図８は、本発明に係る電力半導体装置の実施の形態４を説明するための断面図であり、保護機構の構造を示している。本実施の形態４は、保護機構を除く部分は実施の形態１と同様である。
【００４９】
上記実施の形態１と相違する点は保護機構の構造である。図８に示したように、本実施の形態４における保護機構３は、少なくともエレメント３ａがシールド板１７で覆われている。
【００５０】
シールド板１７は、エレメント３ａ全体を覆う必要はなく、エレメント３ａの一部、特にエレメント３ａの中央部付近を覆うように設ければよい。
【００５１】
本実施の形態４の保護機構３によれば、シールド板１７により、高熱で溶融、断線したエレメント３ａの破片が散乱、飛散するのを防止し、溶融、断線したエレメント３ａが配線接続部、電子部品の電極と接触するのを防止し、短絡、焼損、発煙等が生じないようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
発明に係る電力半導体装置は、電気自動車、ハイブリッド自動車、アイドリングストップ車等に搭載される回転電機の制御装置として有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る電力半導体装置の実施の形態１を示す断面図である。
【図２】本実施の形態１の電力半導体装置における動作を説明するための概略回路図である。
【図３】本実施の形態１における保護機構３の断面図である。
【図４】本実施の形態１における保護機構３の平面図である。
【図５】ニッケル（Ｎｉ）からなるエレメント２ａの断面積０．２ｍｍ×０．２５ｍｍ、長さを５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍとしたときの溶断時間と溶断電流との関係を示す図である。
【図６】本発明に係る電力半導体装置の実施の形態２を説明するための断面図である。
【図７】本発明に係る電力半導体装置の実施の形態３を説明するための断面図である。
【図８】本発明に係る電力半導体装置の実施の形態４を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  半導体素子、２  平滑コンデンサ、３  保護機構、３ａ  エレメント、
３ｂ  電極部、４  入出力端子、４ａ  入力端子、４ｂ  出力端子、５  金属基板、
５ａ  Ｃｕパターン、５ｂ  絶縁層、５ｃ  金属ベース板、６  制御回路部、７  筐体、８  グリース層、９  放熱器、１０  カバー、１１  バスバー、１２  交流負荷、
１３  直流電源、１４  電力半導体装置、１５  はんだ、１６  絶縁材、
１７  シールド板。
【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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