(57)【要約】      （修正有）【課題】絶縁基板と金属基板とを接合する接合部材および絶縁基板と放熱部材とを接合する接合部材の接合性を同時に良好に評価することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１は、絶縁基３体に埋設された、絶縁基体の温度を検出する複数の温度検出素子を備え、複数の温度検出素子が、金属基体５の上面に配設された半導体素子７の中心と上下に重なり合う部分に位置する第１の温度検出素子と、金属基体の外周縁と上下に重なり合う部分に位置する少なくとも１つの第２の温度検出素子とを有している。【選択図】図１
2013062269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面および下面を有する絶縁基体と、
該絶縁基体の上面に下面が第１の接合部材で接合された金属基体と、
該金属基体の上面に配設された半導体素子と、
前記絶縁基体を介して前記金属基体と上下に重なり合うように、前記絶縁基体の下面に上面が第２の接合部材で接合された放熱基板と、
前記絶縁基体に埋設された、該絶縁基体の温度を検出する複数の温度検出素子とを備えた半導体装置であって、
前記複数の温度検出素子は、前記半導体素子の中心と上下に重なり合う部分に位置する第１の温度検出素子と、前記金属基体の外周縁と上下に重なり合う部分に位置する少なくとも１つの第２の温度検出素子とを有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記金属基体が矩形状であって、
前記第２の温度検出素子を２つ以上備え、
前記金属基体の外周縁をなす４辺における対向する２辺のそれぞれに対して上下に重なり合う位置に前記第２の温度検出素子が位置してい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の温度検出素子を４つ以上備え、
前記金属基体の外周縁をなす４辺のそれぞれに対して上下に重なり合う位置に前記第２の温度検出素子が位置してい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】
前記複数の温度検出素子が、それぞれ前記絶縁基体の厚み方向の中央に位置してい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】
前記金属基体および前記半導体素子を平面視した場合に、前記金属基体の外周縁が前記半導体素子の外周縁を囲むように位置してい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】
前記複数の温度検出素子は、前記半導体素子の外周縁と上下に重なり合う部分に位置する少なくとも１つの第３の温度検出素子をさらに有していることを特徴とする請求項５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、半導体素子、特にＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴのようなパワー半導体素子が載置された半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴのようなパワー半導体素子が載置された半導体装置としては、たとえば特許文献１に記載のパワーモジュールが知られている。パワー半導体素子には大電流が流されるため、半導体装置における発熱量が増大する傾向にある。半導体素子で生じた熱は、絶縁基板に伝わる。また、絶縁基板に伝わった熱は絶縁基板の下面に接合される金属材料からなる放熱フィンのような放熱部材を介して外部に放出される。
【０００３】
上述のように、パワー半導体素子が載置された半導体装置においては、この半導体素子に大電流が流されるため、半導体素子から多くの熱が生じ易い。このとき、半導体素子からの熱を絶縁基板の広範囲に伝えるために、金属部材を絶縁基板の上面に接合するとともにこの金属部材の上面に半導体素子が配設される場合がある。
【０００４】
金属部材を構成する金属材料は、絶縁基板を構成するセラミックスのような絶縁材料よりも熱伝導性が良好である。そのため、半導体素子から金属部材へと伝わった熱が、金属部材の上面に平行な方向へと拡散し易くなる。そのため、絶縁基板の上面に半導体素子を直接に配設した場合と比較して、上記の熱が絶縁基板の広範囲に伝わりやすくなる。
【０００５】
半導体素子から非常に多くの熱が生じる場合には、半導体素子が載置される金属部材と絶縁基板とを接合する接合部材および絶縁基板と放熱部材とを接合する接合部材に多くの熱が伝わる。そのため、これらの接合部材による接合性が低下して、半導体素子からの放熱が十分でなくなる可能性がある。
【０００６】
そこで、特許文献１に記載のパワーモジュールにおいては、半導体素子の表面に温度検出素子として複数のダイオードを固着し、これらのダイオードを用いて半導体素子の温度を測定している。具体的には、接合部材に亀裂が生じて熱伝達が低下した場合に半導体素子の温度勾配が変化することから、複数のダイオードを用いて上記の温度勾配の変化を検出することによって、パワーモジュールの寿命を判断して半導体素子への通電を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１１４５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
半導体素子が載置される基板は一般的に放熱フィン、あるいは配線基板のような放熱部材に接合されている。特許文献１に記載のパワーモジュールにおける温度検出素子は半導体素子の表面に固着されることによって半導体素子の温度を測定していることから、絶縁基板と放熱部材とを接合する接合部材に亀裂が生じることによって熱伝導性が低下した場合、放熱性の低下を正確に検出することが困難であった。
【０００９】
そこで、特許文献１に記載のパワーモジュールにおいては、放熱部材である金属ベース板の表面に別途、温度検出素子を固着することによって絶縁基板と放熱部材とを接合する
接合部材の接合性を評価している。しかしながら、温度検出素子を別途用いる必要があることから、温度検出素子である複数のダイオードと半導体素子との間の固着部に剥離などの不具合が発生した場合には、検出温度が低下し、結果として半導体素子の温度勾配を誤判定することとなったり、固着状態のバラツキによる温度検出誤差による誤判定を招くという課題や、温度検出素子を固着するためのスペースを確保することによるモジュールの大型化という課題が生じていた。
【００１０】
本発明は、このような従来技術に鑑みてなされたものであり、モジュールを小型化しつつ、半導体素子が載置される金属部材と絶縁基板とを接合する接合部材および絶縁基板と放熱部材とを接合する接合部材の接合性を同時に良好に評価することが可能な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】
【００１１】
本発明の一態様に係る半導体装置は、上面および下面を有する絶縁基体と、該絶縁基体の上面に下面が第１の接合部材で接合された金属基体と、該金属基体の上面に配設された半導体素子と、前記絶縁基体を介して前記金属基体と上下に重なり合うように、前記絶縁基体の下面に上面が第２の接合部材で接合された放熱基板と、前記絶縁基体に埋設された、前記絶縁基体の温度を検出する複数の温度検出素子とを備えている。そして、前記複数の温度検出素子が、前記半導体素子の中心と上下に重なり合う部分に位置する第１の温度検出素子と、前記金属基体の外周縁と上下に重なり合う部分に位置する少なくとも１つの第２の温度検出素子とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
半導体装置の製造時の不良あるいは長期間の半導体装置の使用によって、金属基体の下面を絶縁基体の上面に接合する第１の接合部材および放熱基板の上面を絶縁基体の下面に接合する第２の接合部材が剥離する場合のように、第１の接合部材および第２の接合部材における熱伝達が低下した場合、このような熱伝達の低下は第１の接合部材および第２の接合部材のそれぞれの外周縁部分から生じ易い。そして、半導体素子が配設された金属基体の直下にまで上記の熱伝達の低下が進んだ場合に、金属基体から絶縁基体への放熱が阻害され、絶縁基体の温度勾配に大きな変化が生じるようになる。
【００１３】
上記の態様に係る半導体装置においては、温度検出素子を半導体素子の表面に固着することによって半導体素子の温度を測定するのではなく、絶縁基体に埋設することによって絶縁基体の温度を測定している。しかも、複数の温度検出素子が単に絶縁基体に埋設されているのではなく、複数の温度検出素子が、半導体素子の中心と上下に重なり合う部分に位置する第１の温度検出素子と、金属基体の外周縁と上下に重なり合う部分に位置する少なくとも１つの第２の温度検出素子とを有している。
【００１４】
そのため、第１の接合部材における熱伝達の低下が金属基体の直下まで進行することによって絶縁基体の温度勾配に変化が生じた場合および第２の接合部材における熱伝達の低下が金属基体の直下まで進行することによって絶縁基体の温度勾配に変化が生じた場合のいずれにおいても、複数の温度検出素子によってこれらの温度勾配の変化を即座に検出することが可能となる。
【００１５】
このように、第１の接合部材における熱伝達の低下による絶縁基体の温度勾配の変化および第２の接合部材における熱伝達の低下による絶縁基体の温度勾配の変化を別々の温度検出素子によって測定するのではなく、同じ温度検出素子によって測定できる。絶縁基体中に温度検出素子を内蔵一体化することにより、温度検出素子と絶縁基体との接合性に関する変化を防止できることによる温度検出測定の信頼性向上を実現することができるとともに、半導体装置を小型化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態の半導体装置を示す斜視図である。
【図２】図１に示す半導体装置の平面透視図である。
【図３】図２に示す半導体装置におけるＸ−Ｘ断面での断面図である。
【図４】図３に示す半導体装置における熱伝達の様子を示す作用図である。
【図５】図３に示す半導体装置における平常時の温度検出素子の位置と温度との関係を示す概念図である。
【図６】図３に示す半導体装置における第１の接合部材の熱伝達が低下した場合の温度検出素子の位置と温度との関係を示す概念図である。
【図７】図３に示す半導体装置における第２の接合部材の熱伝達が低下した場合の温度検出素子の位置と温度との関係を示す概念図である。
【図８】図２に示す半導体装置の変形例を示す平面透視図である。
【図９】第２の実施形態の半導体装置の平面透視図である。
【図１０】図９に示す半導体装置におけるＸ−Ｘ断面での断面図である。
【図１１】図１０に示す半導体装置における平常時の温度検出素子の位置と温度との関係を示す概念図である。
【図１２】図１０に示す半導体装置における第１の接合部材の熱伝達が低下した場合の温度検出素子の位置と温度との関係を示す概念図である。
【図１３】図１０に示す半導体装置における第２の接合部材の熱伝達が低下した場合の温度検出素子の位置と温度との関係を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の各実施形態の半導体装置について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、下記の実施形態を構成する部材のうち、特徴的な構成を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、下記の実施形態の半導体装置は、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
【００１８】
図１〜７に示すように、第１の実施形態の半導体装置１は、上面および下面を有する絶縁基体３と、絶縁基体３の上面に接合された金属基体５と、金属基体５の上面に配設された半導体素子７と、絶縁基体３を介して金属基体５と上下に重なり合うように、絶縁基体３の下面に接合された放熱基板９と、絶縁基体３に埋設された複数の温度検出素子１１とを備えている。金属基体５は、下面が絶縁基体３の上面に第１の接合部材１３で接合されている。放熱基板９は、上面が絶縁基体３の下面に第２の接合部材１５で接合されている。温度検出素子１１は、絶縁基体３の温度を検出するための部材である。
【００１９】
そして、本実施形態の半導体装置１においては、複数の温度検出素子１１が、半導体素子７の中心と上下に重なり合う部分に位置する第１の温度検出素子１１ａと、金属基体５の外周縁と上下に重なり合う部分に位置する少なくとも１つの第２の温度検出素子１１ｂとを有している。
【００２０】
本実施形態の半導体装置１においては、温度検出素子１１を半導体素子７の表面に固着することによって半導体素子７の温度を測定するのではなく、絶縁基体３に埋設することによって絶縁基体３の温度を測定している。しかも、複数の温度検出素子１１は、単に絶縁基体３に埋設されているのではなく、半導体素子７の中心と上下に重なり合う部分に位置する第１の温度検出素子１１ａと、金属基体５の外周縁と上下に重なり合う部分に位置する少なくとも１つの第２の温度検出素子１１ｂとを有している。
【００２１】
そのため、例えば、絶縁基体３または金属基体５からの第１の接合部材１３の剥離によって生じた空隙、あるいは、第１の接合部材１３の側面に生じるクラックが金属基体５の直下まで進行することによって絶縁基体３の温度勾配に変化が生じた場合には、第１の温度検出素子１１ａおよび第２の温度検出素子１１ｂによって、これらの温度勾配の変化を即座に検出することが可能となる。
【００２２】
また、例えば、絶縁基体３または放熱基板９からの第２の接合部材１５の剥離によって生じた空隙、あるいは、第２の接合部材１５の側面に生じるクラックが金属基体５の直下まで進行することによって絶縁基体３の温度勾配に変化が生じた場合にも、第１の温度検出素子１１ａおよび第２の温度検出素子１１ｂによってこれらの温度勾配の変化を即座に検出することが可能となる。
【００２３】
このように、第１の接合部材１３における熱伝達の低下が金属基体５の直下まで進行することによって絶縁基体３の温度勾配に変化が生じた場合および第２の接合部材１５における熱伝達の低下が金属基体５の直下まで進行することによって絶縁基体３の温度勾配に変化が生じた場合のいずれにおいても、複数の温度検出素子１１によってこれらの温度勾配の変化を即座に検出することが可能となる。
【００２４】
すなわち、第１の接合部材１３における熱伝達の低下による絶縁基体３の温度勾配の変化および第２の接合部材１５における熱伝達の低下による絶縁基体３の温度勾配の変化を別々の温度検出素子１１によって測定するのではなく、同じ温度検出素子１１によって測定できる。従って、半導体装置１を小型化させることが可能となる。
【００２５】
本実施形態の半導体装置１は、上面および下面を有する絶縁基体３を備えている。絶縁基体３としては、高い絶縁性を有する部材を用いることができる。絶縁性を有する部材としては、例えば、熱伝導率が２０〜１５０［Ｗ／ｍ・Ｋ］のセラミックス材料を用いることができ、具体的には、各種のガラスセラミック、Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉＣのようなセラミック材料を用いることができる。
【００２６】
このようなセラミック材料を含有する原料粉末、有機溶剤ならびにバインダを混ぜることによって混合部材が作製される。混合部材をシート状に成形することによってグリーンシートが作製される。これらのグリーンシートを複数積層することによって生積層体が作製される。そして、この生積層体を焼成することによって絶縁基体３が作製される。
【００２７】
絶縁基体３の形状としては、例えば、略四角板形状とすることができる。絶縁基体３が平板形状である場合、その大きさを、例えば一辺５ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定することができる。また、絶縁基体３の厚みとしては、例えば、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定することができる。
【００２８】
絶縁基体３の上面には、金属基体５の下面が第１の接合部材１３で接合されている。金属基体５は、上面に半導体素子７が載置される載置領域を有している。本実施形態において載置領域とは、金属基体５を平面視した場合に半導体素子７と重なり合う領域を意味している。金属基体５は、半導体素子７からの熱を、金属基体５において上面に平行な方向へと拡散させることによって、絶縁基体３の広範囲に効率よく伝えるための部材である。そのため、金属基体５および半導体素子７を平面視した場合に、金属基体５の外周縁が半導体素子７の外周縁を囲むように位置していることが好ましい。
【００２９】
絶縁基体３の下面に接合された放熱基板９が後述のように金属材料からなる場合、絶縁基体３を構成する材料の熱膨張係数と放熱基板９を構成する熱膨張係数との差によって絶縁基体３に大きな反りが生じる可能性がある。しかしながら、放熱基板９と同様に金属材
料からなる金属基体５が絶縁基体３の上面に配設された構成とすることによって、絶縁基体３が金属基体５および放熱基板９によって上下に挟まれた構成となる。そのため、絶縁基体３に大きな反りが生じる可能性を小さくできる。
【００３０】
金属基体５の形状としては、例えば、絶縁基体３と同様に、略四角板形状とすることができる。なお、金属基体５および絶縁基体３を平面視した場合に、金属基体５の上面と絶縁基体３の上面とが同じ大きさではなく、金属基体５および絶縁基体３を平面視した場合に、絶縁基体３の外周縁が金属基体５の外周縁を囲むように位置している。これは、第２の温度検出素子１１ｂが、金属基体５の外周縁と上下に重なり合う部分に位置するように絶縁基体３に埋設されているからである。
【００３１】
具体的には、例えば、金属基体５の上面と絶縁基体３の上面とが相似形となるように、金属基体５の上面の形状を絶縁基体３の上面を縮小した形状とすればよい。金属基体５が平板形状である場合、その大きさを、例えば一辺３ｍｍ以上４５ｍｍ以下に設定することができる。また、金属基体５の厚みとしては、例えば、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定することができる。
【００３２】
金属基体５としては、例えば、熱伝導率が５０〜５００［Ｗ／ｍ・Ｋ］の金属材料を用いることができる。具体的には、Ｗ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ａｌ，ＡｇまたはＣｕのような金属材料、これらの金属からなる合金または複合材料を用いることができる。
【００３３】
金属基体５の下面は、絶縁基体３の上面に第１の接合部材１３で接合されている。半導体装置１の使用時において半導体素子７から放熱基板９への熱伝導性が低下した場合、半導体素子７に過度の熱が溜まることによって、半導体素子７の耐久性が低下する可能性がある。そのため、金属基体５を絶縁基体３に接合する第１の接合部材１３としては、接合性が良好であると同時に、熱伝導性が良好であることが求められる。
【００３４】
第１の接合部材１３としては、Ａｇロウのような単一の金属材料からなるロウ材、Ａｇ−Ｃｕロウ、Ａｇ−ＳｎロウまたはＡｕ−Ｓｎロウのような合金材料からなるロウ材、或いは、半田を用いることができる。
【００３５】
本実施形態の半導体装置１は、金属基体５の上面に配設された半導体素子７を備えている。本実施形態における半導体素子７は矩形状であって、平面視した場合の形状が四角形である。半導体素子７としては、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴのようなパワー半導体素子７が用いられる。半導体素子７は半導体装置１の使用時において発熱する。特に、半導体素子７として上記のようなパワー半導体素子７を用いている場合、多くの熱が生じる。半導体素子７で生じた熱は、図４に示すように、金属基体５および絶縁基体３を介して放熱基板９へと伝わり、放熱基板９において外部に放熱される。そのため、半導体装置１には、半導体素子７から放熱基板９への熱伝導が良好であることが求められる。
【００３６】
本実施形態の半導体装置１は、絶縁基体３の下面に上面が第２の接合部材１５で接合された放熱基板９を備えている。なお、本実施形態の半導体装置１においては、放熱基板９の上面が絶縁基体３の下面全体に第２の接合部材１５で接合されているが、特にこれに限られるものではない。放熱基板９は、絶縁基体３を介して半導体素子７が上面に載置された金属基体５と上下に重なり合うように位置していればよく、必ずしも絶縁基体３の下面全体に接合される必要はない。
【００３７】
本実施形態における放熱基板９は、絶縁基体３の下面に接合される平板の形状の部位９ａと、この部位の下面側に位置する複数のフィン９ｂとを有している。平板の形状の部位９ａと複数のフィン９ｂとは、別々に作製した後で、平板の形状の部位９ａの下面にフィ
ン９ｂを接合してもよい。また、平板の形状の部位９ａと複数のフィン９ｂとは、一体的に形成してもよい。放熱基板９としては、例えば、Ｗ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ａｌ，ＡｇまたはＣｕのような金属材料、これらの金属からなる合金または複合材料を用いることができる。無論、放熱基板９として上記の構成に限定されることはなく、例えば、平板の形状の部位９ａのみからなる構成であっても良い。
【００３８】
平板の形状の部位９ａの厚みとしては、例えば、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定できる。また、複数のフィン９ｂの、基体の上面に垂直な方向の長さとしては、例えば、０．５ｍｍ〜２０ｍｍに設定できる。このような放熱基板９を備えていることによって、半導体素子７から生じた熱を、放熱基板９を介して外部に効率良く放熱することができる。
【００３９】
放熱基板９の上面は、基体の下面に第２の接合部材１５で接合されている。半導体装置１の使用時において半導体素子７から放熱基板９への熱伝導性が低下した場合、上述の通り、半導体素子７の耐久性が低下する可能性がある。そのため、放熱基板９を絶縁基体３に接合する第２の接合部材１５としては、接合性が良好であると同時に、熱伝導性が良好であることが求められる。
【００４０】
第２の接合部材１５としては、第１の接合部材１３と同様に、Ａｇロウのような単一の金属材料からなるロウ材、Ａｇ−Ｃｕロウ、Ａｇ−ＳｎロウまたはＡｕ−Ｓｎロウのような合金材料からなるロウ材、或いは、半田を用いることができる。
【００４１】
本実施形態の半導体装置１は、第１の温度検出素子１１ａおよび少なくとも１つの第２の温度検出素子１１ｂを含む複数の温度検出素子１１を備えている。複数の温度検出素子１１は、基体の温度を検出するための部材であり、それぞれ絶縁基体３に埋設されている。温度検出素子１１としては、例えば、サーミスタ、熱電対または温度特性を備えた抵抗体などを用いることができる。
【００４２】
絶縁基体３に孔部を形成して、この孔部内に温度検出素子１１を配設することによって、温度検出素子１１を絶縁基体３に埋設させることができる。また、上述のように、絶縁基体３がグリーンシートを複数積層するとともに焼成することによって形成される場合、下記のようにして温度検出素子１１を絶縁基体３に埋設させることもできる。
【００４３】
温度検出素子１１として、複数の金属ペーストを焼成することによって形成される熱電対や抵抗体を用いる場合、グリーンシートを積層する際に、温度検出素子１１となる金属ペーストを複数のグリーンシートの間に挟めばよい。具体的には、例えば、タングステンやモリブデンからなる金属ペーストをグリーンシートに印刷すればよい。金属ペーストが間に挟まれたグリーンシートを焼成することによって、温度検出素子１１を絶縁基体３に埋設することができる。
【００４４】
第１の温度検出素子１１ａは、半導体素子７の中心と上下に重なり合う部分に位置している。なお、半導体素子７の中心とは、半導体素子７を平面視した場合における面の中心を意味しており、下記のようにして示すことができる。例えば、平面視した場合の半導体素子７の形状が四角形である場合、対角線の交点が半導体素子７の中心である。また、平面視した場合の半導体素子７の形状が円形である場合、円心が半導体素子７の中心である。
【００４５】
第２の温度検出素子１１ｂは、金属基体５の外周縁と上下に重なり合う部分に位置している。なお、金属基体５の外周縁と上下に重なり合うとは、具体的には、下記のようにして示すことができる。図３に示すように、金属基体５の外周縁を下方に引き伸ばした場合に、この引き伸ばした仮想線上に第２の温度検出素子１１ｂの少なくとも一部が位置して
いることを意味している。なお、本実施形態の半導体装置１は２つの温度検出素子１１を有しており、左右それぞれの仮想線上に第２の温度検出素子１１ｂが位置している。
【００４６】
第１の温度検出素子１１ａおよび第２の温度検出素子１１ｂは、それぞれ絶縁基体３に埋設されているが、このとき、第１の温度検出素子１１ａおよび第２の温度検出素子１１ｂが、それぞれ絶縁基体３の厚み方向の中央に位置していることが好ましい。
【００４７】
例えば、温度検出素子１１が第１の接合部材１３における熱伝達の低下に起因する絶縁基体３の温度勾配の変化を検出するためのものである場合、絶縁基体３と第１の接合部材１３との接合面に近い箇所に位置していることが好ましい。また、温度検出素子１１が第２の接合部材１５における熱伝達の低下に起因する絶縁基体３の温度勾配の変化を検出するためのものである場合、絶縁基体３と第２の接合部材１５との接合面に近い箇所に位置していることが好ましい。
【００４８】
しかしながら、本実施形態における温度検出素子１１は、第１の接合部材１３および第２の接合部材１５における熱伝達の低下に起因する絶縁基体３の温度勾配の変化を検出している。そのため、第１の接合部材１３および第２の接合部材１５における熱伝達の低下に起因する絶縁基体３の温度勾配の変化をそれぞれ良好に検出するために、第１の温度検出素子１１ａおよび第２の温度検出素子１１ｂが、それぞれ絶縁基体３の厚み方向の中央に位置していることが好ましい。
【００４９】
本実施形態の半導体装置１は、上記の第１の温度検出素子１１ａおよび第２の温度検出素子１１ｂを有していることから、第１の接合部材１３および第２の接合部材１５における熱伝達の低下が金属基体５の直下まで進行することによって絶縁基体３の温度勾配に変化が生じた場合のいずれにおいても、複数の温度検出素子１１によってこれらの温度勾配の変化を即座に検出することが可能となる。
【００５０】
具体的には、第１の接合部材１３によって金属基体５が良好に絶縁基体３に接合されるとともに、第２の接合部材１５によって放熱基板９が良好に絶縁基体３に接合されている場合、平常時として、図５に示すような温度分布を示す。
【００５１】
第１の接合部材１３が金属基体５から剥離する場合、このような剥離は、第１の接合部材１３と金属基体５との接合面の周縁部分からこの接合面の中心部分へと進行する。また、第１の接合部材１３が絶縁基体３から剥離する場合、このような剥離は、第１の接合部材１３と絶縁基体３との接合面の周縁部分からこの接合面の中心部分へと進行する。また、第１の接合部材１３の側面にクラックが生じた場合、このクラックは第１の接合部材１３の側面から中心へと第１の接合部材１３の中を伝播する形態にて進行する。
【００５２】
金属基体５の下面が絶縁基体３の上面に接合されていることから、これらの剥離またはクラックが生じていない場合、金属基体５から絶縁基体３への熱の伝達が良好である。そのため、図５に示すように、平常時とほぼ同様の良好な熱伝導性を示す。しかしながら、第１の接合部材１３に上記の剥離またはクラックが生じた場合、金属基体５の周縁部分の下面から絶縁基体３へ伝わる熱の量が少なくなる。そのため、図６に示すように、第２の温度検出素子１１ｂの検出する温度が低下する。一方、この金属基体５の周縁部分の下面から絶縁基体３への熱伝導性の低下に伴って、金属基体５の中央部分の下面から絶縁基体３へ伝わる熱の量が多くなる。そのため、図６に示すように、第１の温度検出素子１１ａの検出する温度が上昇する。
【００５３】
なお、図６において、図５に示す状態での温度分布を破線で示し、第１の接合部材１３の外周縁に剥離またはクラックが生じた場合における温度分布を実線で示している。
【００５４】
また、第２の接合部材１５が放熱基板９から剥離する場合、このような剥離は、第２の接合部材１５と放熱基板９との接合面の周縁部分からこの接合面の中心部分へと進行する。また、第２の接合部材１５が絶縁基体３から剥離する場合、このような剥離は、第２の接合部材１５と絶縁基体３との接合面の周縁部分からこの接合面の中心部分へと進行する。また、第２の接合部材１５の側面にクラックが生じた場合、このクラックは第２の接合部材１５の側面から中心へと進行する。
【００５５】
放熱基板９の上面が絶縁基体３の下面に接合されていることから、第２の接合部材１５における剥離またはクラックが金属基体５と上下に重なり合う位置よりも外側に留まっている場合、絶縁基体３から放熱基板９への熱伝導性が受ける影響は小さい。そのため、図５に示すように、平常時とほぼ同様の良好な熱伝導性を示す。
【００５６】
しかしながら、これらの剥離またはクラックが金属基体５と上下に重なり合う位置に達し、当該位置より絶縁基体３の中心点方向に伸びた場合、絶縁基体３の下面における金属基体５の外周縁と上下に重なり合う部分から放熱基板９へ伝わる熱の量が少なくなる。そのため、図７に示すように、第２の温度検出素子１１ｂの検出する温度が上昇する。また、この絶縁基体３の下面から放熱基板９への熱伝導性の低下に伴って、絶縁基体３全体の温度が上昇することから、図７に示すように、第１の温度検出素子１１ａの検出する温度も上昇する。
【００５７】
なお、図７において、図５に示す状態での温度分布を破線で示し、第２の接合部材１５に生じた剥離またはクラックが金属基体５と上下に重なり合う位置に達した場合における温度分布を実線で示している。
【００５８】
このように、第１の接合部材１３における熱伝達の低下および第２の接合部材１５における熱伝達の低下を別々の温度検出素子１１を用いて検出するのではなく、本実施形態の半導体装置１においては、同じ温度検出素子１１によって測定できる。従って、第１の接合部材１３または第２の接合部材１５における熱伝達の低下に起因する絶縁基体３における温度勾配の変化を即座に検出しつつも、半導体装置１を小型化させることが可能となる。
【００５９】
上述のように、本実施形態の半導体装置１においては、金属基体５が矩形状である。また、第２の温度検出素子１１ｂを２つ以上備え、図２に示すように、金属基体５の外周縁をなす４辺における対向する２辺のそれぞれに対して上下に重なり合う位置に第２の温度検出素子１１ｂが位置している。
【００６０】
このような場合、図３に示すように、左右それぞれに位置する金属基体５の外周縁を下方に引き伸ばした仮想線上にそれぞれ第２の温度検出素子１１ｂを位置させることができる。そのため、第１の接合部材１３および第２の接合部材１５における熱伝達の低下がそれぞれの右側端部または左側端部のいずれから生じて金属基体５の直下まで進行した場合であっても、２つの第２の温度検出素子１１ｂによって温度勾配の変化を即座に検出することが可能となる。
【００６１】
具体的には、第１の接合部材１３の金属基体５からの剥離、第１の接合部材１３の絶縁基体３からの剥離、または第１の接合部材１３の側面におけるクラック、或いは、第２の接合部材１５の放熱基板９からの剥離、第２の接合部材１５の基体からの剥離、または第２の接合部材１５の側面におけるクラックが金属基体５の右側方および左側方のいずれから起きた場合であっても、２つの第２の温度検出素子１１ｂによって精度良く検出することができる。
【００６２】
また、図３においては、金属基体５の外周縁をなす４辺における対向する２辺のそれぞれに対して上下に重なり合う位置に第２の温度検出素子１１ｂが位置しているが、例えば、金属基体５の外周縁の対角線上に位置する２つの頂部のそれぞれに対して上下に重なり合う位置に第２の温度検出素子１１ｂが位置していてもよい。
【００６３】
さらには、図８に示すように、半導体装置１が第２の温度検出素子１１ｂを４つ以上備え、金属基体５の外周縁をなす４辺のそれぞれに対して上下に重なり合う位置に第２の温度検出素子１１ｂが位置していることが好ましい。
【００６４】
このような場合、図８に示すように、金属基体５の外周縁を成す上下左右に位置する４辺のそれぞれと重なり合う位置に第２の温度検出素子１１ｂが位置していることから、第１の接合部材１３および第２の接合部材１５における熱伝達の低下がそれぞれの平面視した場合の上下左右のいずれの端部から生じて金属基体５の直下まで進行した場合であっても、４つの第２の温度検出素子１１ｂによって温度勾配の変化を精度良く検出することが可能となる。
【００６５】
また、図８においては、金属基体５の外周縁をなす４辺のそれぞれに対して上下に重なり合う位置に第２の温度検出素子１１ｂが位置しているが、例えば、金属基体５の外周縁の４つの頂部のそれぞれに対して上下に重なり合う位置に第２の温度検出素子１１ｂが位置していてもよい。
【００６６】
次に、第２の実施形態の半導体装置１について、図面を用いて詳細に説明する。なお、本実施形態にかかる各構成において、第１の実施形態と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
【００６７】
図９〜１３に示すように、本実施形態の半導体装置１は、第１の実施形態の半導体装置１と比較して、複数の温度検出素子１１が、半導体素子７の外周縁と上下に重なり合う部分に位置する少なくとも１つの第３の温度検出素子１１ｃをさらに有している。
【００６８】
既に示した通り、第１の接合部材１３に上記の剥離またはクラックが生じた場合、金属基体５の周縁部分の接合部材１３における熱伝達の低下が生じることとなり、第２の接合部材１５における熱伝達の低下が金属基体５の直下まで進行し、当該位置より絶縁基体３の中心点方向に伸びた場合、絶縁基体３の温度勾配に変化が生じることから、第１の温度検出素子１１ａおよび第２の温度検出素子１１ｂによってこれらの温度勾配の変化を即座に検出することが可能となる。
【００６９】
半導体素子７で生じた熱は金属基体５および絶縁基体３を介して放熱基板９に伝達されるとともに、放熱基板９において半導体装置１の外部に放出される。そのため、第１の接合部材１３または第２の接合部材１５における熱伝達の低下が金属基体５の直下からさらに進行して半導体素子７の直下にまで進行した場合、第１の接合部材１３または第２の接合部材１５における熱伝達が大きく低下する。そのため、半導体素子７からの放熱が十分でなくなる可能性がある。
【００７０】
本実施形態の半導体装置１は、複数の温度検出素子１１が、半導体素子７の外周縁と上下に重なり合う部分に位置する少なくとも１つの第３の温度検出素子１１ｃをさらに有している。そのため、第１の接合部材１３または第２の接合部材１５における熱伝達の低下が半導体素子７の直下まで進行した場合における温度勾配の変化を第１の温度検出素子１１ａおよび第３の温度検出素子１１ｃによって検出することが可能となる。結果として、第１の接合部材１３または第２の接合部材１５における熱伝達の低下が半導体素子７の直
下まで進行した場合であっても、これを正確に検出して半導体素子７への通電を制御することができる。
【００７１】
具体的には、第１の接合部材１３に生じた熱伝達の低下をもたらす剥離またはクラックが、半導体素子７の外周縁と上下に重なり合う位置に達し、当該位置より絶縁基体３の中心点方向に伸びた場合、金属基体５の下面における半導体素子７の外周縁と上下に重なり合う部分から外辺部の間より絶縁基体３へ伝わる熱の量が少なくなる。そのため、図１２に示すように、第３の温度検出素子１１ｃの検出する温度が低下する。一方、金属基体５の上記の部分から絶縁基体３への熱伝導性の低下に伴って、金属基体５の中央部分の下面から絶縁基体３へ伝わる熱の量がさらに多くなる。そのため、図１２に示すように、第１の温度検出素子１１ａの検出する温度がさらに上昇する。
【００７２】
なお、図１２において、図１１に示す状態での温度分布および第１の接合部材１３の外周縁に剥離またはクラックが生じて当該位置より絶縁基体３の中心点方向に伸びた場合における温度分布を破線で示し、第１の接合部材１３に生じた剥離またはクラックが半導体素子７と上下に重なり合う位置に達して、当該位置より絶縁基体３の中心点方向に伸びた場合における温度分布を実線で示している。
【００７３】
また、第２の接合部材１５に生じた熱伝達の低下をもたらす剥離またはクラックが、半導体素子７の外周縁と上下に重なり合う位置に達して、当該位置より絶縁基体３の中心点方向に伸びた場合、絶縁基体３の下面における半導体素子７の外周縁と上下に重なり合う部分から外辺部の間より放熱基板９へ伝わる熱の量が少なくなる。そのため、図１３に示すように、第３の温度検出素子１１ｃの検出する温度が上昇する。また、この絶縁基体３の下面から放熱基板９への熱伝導性の低下に伴って、絶縁基体３全体の温度が上昇することから、図１３に示すように、第１の温度検出素子１１ａの検出する温度がさらに上昇する。
【００７４】
なお、図１３において、図１１に示す状態での温度分布および第２の接合部材１５に生じた剥離またはクラックが金属基体５と上下に重なり合う位置に達して、当該位置より絶縁基体３の中心点方向に伸びた場合における温度分布を破線で示し、第２の接合部材１５に生じた剥離またはクラックが半導体素子７と上下に重なり合う位置に達して、当該位置より絶縁基体３の中心点方向に伸びた場合における温度分布を実線で示している。
【００７５】
このように、第１の接合部材１３または第２の接合部材１５における剥離またはクラックが金属基体５の直下まで進行した場合だけでなく、第１の接合部材１３または第２の接合部材１５における剥離またはクラックが半導体素子７の直下まで進行した場合もそれぞれ正確に検出することができる。
【００７６】
そのため、例えば、第１の接合部材１３または第２の接合部材１５における剥離またはクラックが金属基体５の直下まで進行した場合においては、半導体装置１の寿命が近いと外部に出力するとともに、第１の接合部材１３または第２の接合部材１５における剥離またはクラックが半導体素子７の直下まで進行した場合においては、半導体装置１の寿命を判断して半導体素子７への通電を制御することができる。
【００７７】
本実施形態の半導体装置１において、第３の温度検出素子１１ｃは、第１の温度検出素子１１ａと第２の温度検出素子１１ｂとを結ぶ直線上に位置していることが好ましい。また、複数の第二、および第三の温度検出素子の配置する位置は中心点よりの距離が最も遠くなる金属基体５の放射線上の外辺位置に重なる位置に配置することが好ましい。
【００７８】
第１の接合部材１３または第２の接合部材１５において金属基体５の直下まで進行した
剥離またはクラックを第１の温度検出素子１１ａと第２の温度検出素子１１ｂとによって検出した場合に、この剥離またはクラックが、半導体素子７の直下まで進行することをより正確に検出することができるからである。
【００７９】
上述の通り、各実施形態の半導体装置について説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば、種々の変更や実施の形態の組み合わせを施すことは何等差し支えない。
【符号の説明】
【００８０】
１・・・半導体装置
３・・・絶縁基体
５・・・金属基体
７・・・半導体素子
９・・・放熱基板
９ａ・・・平板の形状の部位
９ｂ・・・フィン
１１・・・温度検出素子
１１ａ・・・第１の温度検出素子
１１ｂ・・・第２の温度検出素子
１１ｃ・・・第３の温度検出素子
１３・・・第１の接合部材
１５・・・第２の接合部材
【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】
2013062269.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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