(57)【要約】【課題】本発明は、少数の半導体パワー素子の温度を測定することで、半導体パワー素子全体の温度環境を判断することのできる半導体装置を提供することを課題とする。【解決手段】複数の半導体パワー素子１１を備えたパワーモジュール１０において、このパワーモジュール１０上における半導体パワー素子１１と、この半導体パワー素子１１よりも温度環境の悪い領域にある冷却効率の低い半導体パワー素子２０と、この冷却効率の低い半導体パワー素子２０の温度を測定する温度センサーとを有し、この温度センサーで測定された温度に基づきパワーモジュール１０上における半導体パワー素子１１全体の温度環境を判断することを特徴とする半導体装置。【選択図】図１
2007329330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱板を備えた半導体装置において、
前記放熱板上に設けた第１の半導体部品と、
前記放熱板上に設けた第２の半導体部品であって、前記第１の半導体部品よりも温度環境の悪い領域に設けた第２の半導体部品と、
前記第２の半導体部品の温度を測定する温度センサーと、
前記温度センサーで測定された温度に基づき前記第１の半導体部品の温度環境を判断する判断手段とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記温度環境の判断は、前記第２の半導体部品の動作に異常が生じる温度に基づいて判断す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３】
前記第２の半導体部品が、機能的に損傷を受けたとしても、前記第２の半導体部品を搭載する車両の走行能力が維持され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４】
前記温度環境の悪い領域は、前記第１の半導体部品と前記放熱板の端までの最短距離に比べて前記第２の半導体部品と前記放熱板の端までの最短距離が短い領域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５】
前記温度環境の悪い領域は、前記半導体部品あたりの前記放熱板の表面積が小さい領域であること特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に係り、特に、複数の半導体パワー素子を備えた半導体装置において、他の半導体パワー素子よりも温度環境の悪い条件にある特定の半導体パワー素子と、この特定の半導体パワー素子の温度を測定する温度センサーとを有し、この温度センサーで測定された温度に基づいて半導体パワー素子全体の温度環境を判断することを特徴とする半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の半導体パワー素子を備えた半導体装置であるパワーモジュールの性能は、発熱を伴う半導体パワー素子の温度に大きな影響を受け、温度の上昇とともにその性能は低下する。また、半導体パワー素子が異常発熱することにより、半導体素子の破損に至る可能性もある。そのために、パワーモジュールには、半導体パワー素子より放出される熱を散逸する放熱板と、半導体素子を適切に制御する温度保護回路とを付与している。それにより半導体素子の最適な動作温度を維持し、パワーモジュールの有効電力と信頼性を増大させることができる。
【０００３】
従来、搭載している全ての半導体パワー素子の温度をモニターすることにより素子の温度制御を行う方法が採られており、より簡単な構成かつ高い信頼性において制御する方法の開発が望まれている。
【０００４】
そのため、半導体チップ上の半導体パワー素子の形成領域の間の放熱効率が悪い領域に、温度センサーを配置する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−１１６９８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
全ての半導体パワー素子の温度をモニターする従来方法は、使われている半導体パワー素子の数が多数であるために、コストかかる上に、複雑な構成となりモジュールの大型化を引き起こしてしまうという問題があった。
【０００６】
特許文献１で示した従来技術は半導体チップというスケールでの発明であり、本発明の半導体装置とはスケールという面で異なる。しかしながら、この先行技術の技術的思想を、半導体装置のスケールにそのまま適用した場合に生じうる問題について記載する。この方法は、発熱領域である半導体パワー素子の形成領域に挟まれた部分に温度センサーを設けて温度をモニタリングする方法であり、この半導体パワー素子形成領域に挟まれた領域を新たに確保しなければならず、スペースを消費してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、複数の半導体パワー素子を備えた半導体装置において、他の半導体パワー素子よりも温度環境の悪い条件にある特定の半導体パワー素子と、その特定の半導体パワー素子の温度を測定する温度センサーとを有し、この温度センサーで測定された温度に基づいて半導体パワー素子全体の温度環境を判断する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】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項１の発明は、放熱板を備えた半導体装置において、前記放熱板上に設けた第１の半導体部品と、前記放熱板上に設けた第２の半導体部品であって、前記第１の半導体部品よりも温度環境の悪い領域に設けた第２の半導体部品と、前記第２の半導体部品の温度を測定する温度センサーと、前記温度センサーで測定された温度に基づき前記第１の半導体部品の温度環境を判断する判断手段とを有することを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の、前記温度環境の判断は、前記第２の半導体部品の動作に異常が生じる温度に基づいて判断することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１に記載の、前記第２の半導体部品が、機能的に損傷を受けたとしても、前記第２の半導体部品を搭載する車両の走行能力が維持されることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１に記載の、前記温度環境の悪い領域は、前記第１の半導体部品と前記放熱板の端までの最短距離に比べて前記第２の半導体部品と前記放熱板の端までの最短距離が短い領域であることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１に記載の、前記温度環境の悪い領域は、前記半導体部品あたりの前記放熱板の表面積が小さい領域であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
上述の如く本発明によれば、パワーモジュール上の半導体パワー素子の発する熱を散逸する効率が低い領域を設け、該領域上の半導体パワー素子の温度を測定することできる。
【００１５】
その結果、上記領域の半導体パワー素子の温度を検出するのみで、パワーモジュール上の半導体パワー素子全体の温度判断を適切に行うことが可能になる。
【００１６】
また、上述した半導体パワー素子の発する熱を散逸する効率が低い領域は、他の領域よりもスペースを要しない構造設計にすることも可能である。この構造設計により、パワーモジュールを小型化することもまた可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施例であるパワーモジュール１０を示す構成図である。
【００１９】
図１で示した構成図は、大略すると、パワーモジュール筐体１４と、冷却水配管１５と、放熱板Ａ１６と、放熱板Ｂ１７と、放熱板Ｃ１８と、絶縁基板１２と、半導体パワー素子１１と、保護回路１９とよりなる。
【００２０】
パワーモジュール１０は、本実施例においてはインバータとして機能しており、直流電流を入力し、交流電流に変換し出力する装置である。本実施例のインバータは、大電力を扱うことを想定しており、作動時には半導体パワー素子１１からの相当量の発熱がある。
【００２１】
パワーモジュール筐体１４は、３枚の放熱板１３を等間隔に固定している。
【００２２】
冷却水配管１５は、放熱板Ａ１６、放熱板Ｂ１７および放熱板Ｃ１８の下部と密着している。冷却水配管１５内部には冷却水がＡの方向に向けて流れている。
【００２３】
また、冷却水配管１５は熱伝導性の良好な素材で作られており、放熱板と冷却水との間の熱交換を効率よく行うことができる。
【００２４】
放熱板Ａ１６、放熱板Ｂ１７および放熱板Ｃ１８は、それぞれ同じ大きさであり、等間隔にパワーモジュール筐体１４に固定されて存在する。
【００２５】
放熱板Ａ１６、放熱板Ｂ１７および放熱板Ｃ１８は、絶縁基板１２がそれぞれ等間隔に６枚載せられている。放熱板Ａ１６については、６枚の絶縁基板１２は放熱板Ａ１６の中心を軸として、間隔ＢとＣが等しい関係で載せられている。放熱板Ｃ１８についても放熱板Ａ１６と同様に６枚の絶縁基板１２が配置されており、間隔ＥとＦは、間隔ＢとＣとそれぞれ等しい。放熱板Ｂ１７は、放熱板Ａ１６と放熱板Ｃ１８とは異なり、６枚の絶縁基板１２は放熱板Ｂ１７の長辺に対して端となる部分に載せられている。その具体的な位置関係は、放熱板Ａ１６における間隔Ｂに対応する放熱板Ｂ１７の間隔Ｄは、間隔Ｂに比べてその間隔は狭くなっている。そのため、放熱板Ｂ１７上の６枚の絶縁基板１２は、放熱板Ｂ１７の一方の長辺に対して近接した配置になっている。よって、間隔Ｅは、間隔ＢまたはＤよりも広くなる。
【００２６】
また、放熱板Ａ１６、放熱板Ｂ１７および放熱板Ｃ１８は、熱伝導性の良好な金属である銅やアルミニウムなどで構成されている。そのため、半導体パワー素子１１の作動により発生した熱を、放熱板Ａ１６、放熱板Ｂ１７および放熱板Ｃ１８それぞれの表面で空気と、もしくは放熱板Ａ１６、放熱板Ｂ１７および放熱板Ｃ１８の下に密着した冷却水配管１５を介して冷却水との間で効率よく熱交換を行うことができる。この熱交換の結果として、半導体パワー素子１１が発した熱は放熱板１３を介して散逸される。
【００２７】
絶縁基板１２は、放熱板Ａ１６、放熱板Ｂ１７および放熱板Ｃ１８それぞれに６枚ずつ固定されている。絶縁基板１２上には、半導体パワー素子１１が固定されている。
【００２８】
また、絶縁基板１２は、電気を通さない絶縁性を示し、かつ熱伝導性に優れた素材で作られている。そのため絶縁基板１２は、半導体パワー素子１１を介する電流は通さないが、半導体パワー素子１１で発生した熱は効率よく放熱板１３に伝導する。
【００２９】
半導体パワー素子１１は、絶縁基板上１２に固定されている。外部より給電され、半導体素子としての機能を果たす。本実施例では上述の通り大電力用インバータとして機能しており、作動時には相当量の発熱を伴う。ここで生じた熱は、絶縁基板１２を介して放熱板Ａ１６、放熱板Ｂ１７または放熱板Ｃ１８に伝導され散逸される。このため、半導体パワー素子１１にて相当量の発熱があったとしても、一定の効率で半導体パワー素子１１を冷却することが可能である。
【００３０】
また、半導体パワー素子１１の内部には、温度を測定することができる感熱素子が内蔵されている。
【００３１】
放熱板Ｂ１７上に配置される半導体パワー素子１１は、その配置が上述の通りに放熱板Ｂ１７の長辺の一方側に偏在している。そのため、放熱板Ａ１６または放熱板Ｃ１８上に配置されている半導体パワー素子１１に比べて、放熱板Ｂ１７上に上述の狭い間隔Ｂをもって配置されている３枚の絶縁基板１２上の半導体パワー素子１１の冷却効率は低い。そのため、この３個の半導体パワー素子１１は、他の素子と比べて高い温度状態で作動している。この３個の半導体パワー素子１１を、冷却効率の低い半導体パワー素子２０とする。
【００３２】
半導体パワー素子１１には感熱素子が内蔵されており、この半導体内部の温度を測定することができる。この冷却効率の低い半導体パワー素子２０は、この感熱素子にて測定した温度を保護回路１９に出力する。これ以外の半導体パワー素子１１は、温度情報を保護回路１９に出力する手段を有さない。
【００３３】
保護回路１９は、冷却効率の低い半導体パワー素子２０から出力された温度情報を入力する。入力された温度が、冷却効率の低い半導体パワー素子２０の性能が著しく低下しうる、若しくは冷却効率の低い半導体パワー素子２０の熱破壊が起こりうるような温度より低いある一定の温度に達した際に、保護回路１９は、パワーモジュール１０の全ての半導体パワー素子１１に供給される電力を小さくするように制御する。保護回路１９の上述の制御により、冷却効率の低い半導体パワー素子２０を含む半導体パワー素子１１の熱破壊やその著しい性能の低下を未然に防止する。
【００３４】
図２は、本発明の実施例であるパワーモジュール３０を示す構成図である。
【００３５】
図２で示した構成図は、大略すると、パワーモジュール筐体３４と、放熱板Ａ３６と、放熱板Ｂ３７と、放熱板Ｃ３８と、絶縁基板３２と、半導体パワー素子３１とよりなる。
【００３６】
冷却水配管および保護回路については図２に示してはいないが、本実施例の図１の項で説明した冷却水配管１５および保護回路１９の内容と同様なものが図２にもあるものとする。
【００３７】
パワーモジュール３０は、大電力用インバータとして機能しており、作動時には半導体パワー素子３１からの相当量の発熱がある。
【００３８】
パワーモジュール筐体３４は、放熱板Ａ３６、放熱板Ｂ３７および放熱板Ｃ３８を等間隔に固定している。下述するように、３枚の放熱板のうち放熱板Ｂ１７の短径が、他の２枚の放熱板の短径より小さい。そのため、パワーモジュール筐体３４は、図１で示したパワーモジュール筐体１４よりも容積が小さい。よって、パワーモジュール３０は、図１で示したパワーモジュール１０よりも小型である。
【００３９】
放熱板Ａ１６、放熱板Ｂ１７および放熱板Ｃ１８は、それぞれ等間隔にパワーモジュール筐体３４に固定されて存在する。この３枚の放熱板のそれぞれの長径の大きさは同じである。対して短径の大きさは異なり、放熱板Ｂ３７の短径Ｒは、放熱板Ａ３６の短径Ｑおよび放熱板３８短径Ｓより小さい。また、放熱板Ａ３６の短径Ｑと放熱板Ｃ３８短径Ｓは同じである。
【００４０】
放熱板Ａ３６、放熱板Ｂ３７および放熱板Ｃ３８には、絶縁基板３２がそれぞれ等間隔に６枚載せられている。放熱板Ａ３６、放熱板Ｂ３７および放熱板Ｃ３８では、６枚の絶縁基板１２はそれぞれの放熱板の中心を軸として載せられている。しかし、放熱板Ａ３６の短径Ｑは上述したとおり、放熱板Ａ３６の短径Ｑと放熱板Ｃ３８短径Ｓより小さい。そのため、放熱板Ｂ３７の長辺の端となる部分と絶縁基板３２との間隔ＭとＮは、放熱板Ａ３６の同様な間隔ＫとＬおよび放熱板Ｃ３８の同様な間隔ＯとＰに比べてその間隔は狭くなっている。また、６枚の絶縁基板１２は各放熱板の中心を軸として載せられているため、間隔ＭとＮ、間隔ＫとＬ、間隔ＯとＰはそれぞれ等しい。
【００４１】
絶縁基板３２と半導体パワー素子３１については、本実施例の図１で説明した絶縁基板１２と半導体パワー素子１１と同様なものであるので、重複する説明を省略する。
【００４２】
放熱板Ｂ３７上に配置される半導体パワー素子３１は、上述の通りに放熱板Ｂ３７の短径が小さいため、１個の半導体パワー素子３１あたりの放熱板の面積が、放熱板Ａ３６および放熱板Ｃ３８のその面積に比べて小さい。そのため、放熱板Ａ３６または放熱板Ｃ３８上に配置されている半導体パワー素子３１に比べて、放熱板Ｂ３７上の半導体パワー素子３１の冷却効率は低い。
【００４３】
半導体パワー素子３１には感熱素子が内蔵されており、この半導体内部の温度を測定することができる。放熱板Ｂ３７上の６個のうち少なくとも１個以上の半導体パワー素子３１は、この感熱素子にて測定した温度を保護回路１９に出力する。これ以外の半導体パワー素子１１は、温度情報を保護回路に出力する手段を有さない。
【００４４】
保護回路については、本実施例の図１で説明した保護回路１９と同様なものであるので説明を省略する。
【００４５】
本実施例の図１および図２で示したパワーモジュールは、動力源として電気モーターと内燃機関の双方を具有するハイブリットカー内で使用することが想定されている。ハイブリットカー内のパワーモジュールは、電気モーターにその有効電力の多くを供給することになるが、ブレーキ、エアコン、カーオーディオなどの他の電装品にも電力を供給する。また、パワーモジュール内の所定の領域のそれぞれが、ハイブリットカー内の何れの電装品（電気モーターを含む）に電力を供給するかは厳密に決められている。
【００４６】
パワーモジュール内で温度条件が悪い半導体パワー素子である、図１で示した冷却効率の低い半導体パワー素子２０や、図２で示した放熱板Ｂ３７上の半導体パワー素子３１を含むパワーモジュール内の領域は、言い換えれば、他の領域の半導体パワー素子よりも信頼性の低い電力供給装置である。そのため、パワーモジュールの上記領域からは、電気モーターやブレーキといったハイブリットカーの運転走行に直接関わる電装品への電力供給は行わず、エアコンやカーオーディオといった運転走行に直接関わらない電装品への電力供給に限定される。上記した温度条件が悪い半導体パワー素子が、万が一偶発的な理由で熱破壊したとしても、ハイブリットカーの急停止や制御不能というような危険な状況に陥ることはない。
【００４７】
本実施例の効果として、半導体パワー素子の発する熱を散逸する効率が低い領域と、前記領域上の前記半導体パワー素子の温度を測定する測定手段とを有するパワーモジュールを提供することが可能となる。
【００４８】
また、本実施例では、パワーモジュール中で最も温度条件が劣悪な半導体パワー素子である図１で示した冷却効率の低い半導体パワー素子２０および図２で示した放熱板Ｂ３７上の半導体パワー素子３１の温度をモニタリングし、半導体パワー素子３１全体の温度制御の判断材料にしている。最も条件の悪い素子の温度データを判断材料にすることにより、非常に信頼性の高いパワーモジュールを提供することが可能になる。
【００４９】
また、本実施例では、パワーモジュール上の全ての半導体パワー素子の温度データをモニタリングせずに、図１で示した冷却効率の低い半導体パワー素子２０または図２で示した放熱板Ｂ３７上の半導体パワー素子３１のうち少なくとも１個の半導体パワー素子の温度をモニタリングするのみである。そのため、半導体パワー素子から保護回路への配線を少なくすることが可能となり、また多くの温度データを処理する必要も無いので保護回路も簡易な構成とすることができる。これらの効果から、より簡単な構成かつ低コストにて信頼性の高いパワーモジュールを提供することが可能になる。
【００５０】
さらに、上述の温度データを保護回路に出力しない半導体パワー素子については、内蔵されている感熱素子をその構成から省略することも可能である。この半導体パワー素子の構成変更によって、さらに低コストのパワーモジュールを提供することがまた可能になる。
【００５１】
また、本実施例では、図２に示したとおり、温度条件が悪い半導体パワー素子を設計するために、放熱板を縮小する方法を提案した。このように、放熱板を縮小することによりパワーモジュール全体の小型化に大きく貢献できることになる。
【００５２】
本実施例に示したような大電力用コンデンサーとしての機能を果たすパワーモジュールは、ハイブリットカーの電源装置の一部として使われる。ハイブリットカー内において、電装部品を格納できるスペースは非常に限られたものであり、今後のハイブリットカーの機能追加および向上を考える上で、既存部品を小型化する意義は非常に大きい。そのため、本実施例によるパワーモジュールの信頼性の向上に付随した小型化は、きわめて有用な技術であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施例であるパワーモジュールを示す構成図である。
【図２】本発明の実施例であるパワーモジュールを示す構成図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  パワーモジュール
１１  半導体パワー素子
１２  絶縁基板
１４  パワーモジュール筐体
１５  冷却水配管
１６  放熱板Ａ
１７  放熱板Ｂ
１８  放熱板Ｃ
１９  保護回路
２０  冷却効率の低い半導体パワー素子
３０  パワーモジュール
３１  半導体パワー素子
３２  絶縁基板
３４  パワーモジュール筐体
３６  放熱板Ａ
３７  放熱板Ｂ
３８  放熱板Ｃ
【図１】
2007329330.tif 000003
【図２】
2007329330.tif 000004