(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部冷却フィンと、両側主面に固着された金属層を有する絶縁基板が該絶縁基板の片側主面に固着された支持基板を介して接合されてなる半導体装置において、前記絶縁基板の他の片側主面に固着された同じ金属層に半導体素子及び温度検出体が電気的に接続し、前記半導体素子と前記温度検出体の接合されている金属層のうち、前記半導体素子と前記温度検出体の間の金属層が前期絶縁基板と接合されていないことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
外部冷却フィンと、両側主面に固着された金属層を有する絶縁基板が該絶縁基板の片側主面に固着された支持基板を介して接合されてなる半導体装置において、前記絶縁基板の他の片側主面に固着された同じ金属層に半導体素子及び温度検出体が電気的に接続され、該半導体素子及び温度検出体がドライバＩＣを搭載した実装基板と電気的に接続し、前記半導体素子と前記温度検出体の接合されている金属層のうち、前記半導体素子と前記温度検出体の間の金属層が前期絶縁基板と接合されていないことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
絶縁基板の片側主面上の金属層に固着された半導体素子及び温度検出体と、前記絶縁基板の他の片側主面の金属層に固着された支持基板を有し、該支持基板上の絶縁基板の半導体素子及び温度検出体を封止してなる樹脂体によって冷却フィンと結合し、前記半導体素子と前記温度検出体の接合されている金属層のうち、前記半導体素子と前記温度検出体の間の金属層が前期絶縁基板と接合されていないことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内部絶縁型の半導体モジュールに係り、特に比較的大電流容量のパッケージ型パワー半導体モジュールに好適な半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平９−１４８５２３号公報には半導体素子のチップ上の周辺部に温度検出用素子を配置して熱抵抗の増加を検出する半導体装置の開示がある。
【０００３】
図３は、従来の内部絶縁型の半導体モジュールの半導体装置の断面構造を示す。この図において、絶縁基板４は、アルミナなどの絶縁材で作られ、その一方の面には、配線パターンが形成された金属層５ａがろう材６ａにより接合され、他方の面には、半田などによる接合を可能とする為の金属層５ｂがろう材６ｂにより接合されている。
【０００４】
そして、複数個の半導体素子１は、絶縁基板４の一方の主面に形成されている金属層５ａの所定の部分にソルダー３ａにより接合され、サーミスタ２は金属層５ａの所定の部分にソルダー３ｂにより接合され、さらに絶縁基板４のもう一方の面に形成されている金属層５ｂがソルダー３ｃにより、支持基板７に積層される。
【０００５】
そして、これらの半導体素子１は、金属ワイヤ９により、金属層５ａの所定の部分に対して配線が施されている。支持基板７は、半導体素子１で発生した熱を拡散させるヒートシンクを兼ねている。
【０００６】
電流入出力用の配線端子１２ａおよび信号入出力用の配線端子１２ｂを有する樹脂体８は、金属層５ａに形成されている配線パターンの所定の部分と配線端子１２ａおよび実装基板１１と信号入出力用の配線端子１２ｂを接続するものである。
【０００７】
実装基板１１にはドライバＩＣを含めた制御回路及び電位の上げ下げを行うレベルシフト回路が形成され、半導体素子１の駆動を行う。このとき、ケース内部には、半導体素子１を保護するためのゲル１０が封入される。樹脂体８及び支持基板７はネジ１６により外部冷却フィン１５へ取り付けられる。
【０００８】
図３の半導体装置を使用した回路の例を図５に示す。
【０００９】
この図において、１７ａは上アームの半導体素子であるＩＧＢＴ、１７ｂは下アームのＩＧＢＴ、１８はダイオード、１９は負荷、２０はサーミスタ、２１は電源、２２ａは上アームの制御回路、２２ｂは下アームの制御回路である。半導体素子１７ａは制御回路２２ａにより駆動され、半導体素子１７ｂは制御回路２２ｂにより駆動される。この場合、サーミスタ２０の一端は半導体素子１７ｂの接地側に、一端は制御回路側に接続されている。この場合、半導体素子１７ｂの温度は制御回路２２ｂに接続されたサーミスタ２０の電位により測定され、その温度が半導体素子１７ｂの使用可能範囲を超えたときは、制御回路２２ｂから半導体素子１７ｂに駆動の停止信号が伝わり、半導体素子１７ｂの駆動が停止する。
【００１０】
しかしながら、前記の方法では、半導体素子の発熱による熱は半導体素子から、半導体素子の固着されている金属層、絶縁基板、サーミスタの固着されている金属層、サーミスタへと伝わる為、熱の一部が絶縁基板下の支持基板、冷却フィンに拡散する。そのため、半導体素子の温度とサーミスタの温度に差が生じ、半導体素子の温度を正確に測定できなかった。その為、半導体素子の使用可能な温度範囲に相当するサーミスタの検出温度設定を別に行う必要があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の課題を解決するもので、その目的は、半導体素子の温度とサーミスタの温度との検出温度差を小さくすることで、半導体素子の温度を正確に検出できる半導体装置を提供する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は以下のとおりである。
外部冷却フィンと、両側主面に固着された金属層を有する絶縁基板が該絶縁基板の片側主面に固着された支持基板を介して接合されてなる半導体装置において、前記絶縁基板の他の片側主面に固着された同じ金属層に半導体素子及び温度検出体が電気的に接続し、前記半導体素子と前記温度検出体の接合されている金属層のうち、前記半導体素子と前記温度検出体の間の金属層が前期絶縁基板と接合されていないことを特徴とする半導体装置である。
また、外部冷却フィンと、両側主面に固着された金属層を有する絶縁基板が該絶縁基板の片側主面に固着された支持基板を介して接合されてなる半導体装置において、前記絶縁基板の他の片側主面に固着された同じ金属層に半導体素子及び温度検出体が電気的に接続され、該半導体素子及び温度検出体がドライバＩＣを搭載した実装基板と電気的に接続し、前記半導体素子と前記温度検出体の接合されている金属層のうち、前記半導体素子と前記温度検出体の間の金属層が前期絶縁基板と接合されていないことを特徴とする半導体装置である。
【００１３】
更に、絶縁基板の片側主面上の金属層に固着された半導体素子及び温度検出体と、前記絶縁基板の他の片側主面の金属層に固着された支持基板を有し、該支持基板上の絶縁基板の半導体素子及び温度検出体を封止してなる樹脂体によって冷却フィンと結合し、前記半導体素子と前記温度検出体の接合されている金属層のうち、前記半導体素子と前記温度検出体の間の金属層が前期絶縁基板と接合されていないことを特徴とする半導体装置である。
【００１４】
本発明は半導体素子の固着された絶縁基板上の金属層に温度検出体を固着した半導体装置であり、半導体素子と温度検出体の固着された絶縁基板上の金属層について絶縁基板と金属層との接合をなくした半導体装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は半導体素子の固着された絶縁基板上の金属層に温度検出体（サーミスタ）の端子の一端を固着することにより、半導体素子の温度と温度検出体の温度差を１／１０〜１／１０００℃小さくすることができ、従来の方法に比べて半導体素子の温度検出の精度を向上できる。
【００１６】
更に、半導体素子、温度検出体の固着されている金属層の中で半導体素子から温度検出体が固着している部分を絶縁基板と接合しないことで、熱の絶縁基板へ拡散を防ぎ、半導体素子の温度検出の精度を更に向上できる。
【００１７】
以下、本発明を実施例を用いて具体的に説明する。
【００１８】
【実施例１】
図１は本発明の半導体装置の構成断面図である。温度検出体である温度検出体（以下サーミスタという）２は半導体素子１の固着された金属層５ａと同じ金属層にその外部接続用端子の一端が固定されている。
【００１９】
この場合、半導体素子１で発生した熱は、熱伝導率のよい金属層５ａを伝わり、サーミスタ２に達する。このため、絶縁基板４、支持基板７への放熱が少なく、半導体素子１の温度とサーミスタ２の温度差が小さくなり、サーミスタ２により測定される温度は従来に比べ半導体素子１の温度に近い値となる。
【００２０】
この実施例を使用した回路を図４に示す。
【００２１】
サーミスタ２０の一端は半導体素子１７ｂの高電位側に接続され、一端は上アーム制御回路２２ａに接続される。この場合、サーミスタ２０は高電位となるが、高電位の上アーム制御回路２２ａからレベルシフト回路２３を経由することで低電位となり下アーム制御回路２２ｂに伝わる。
【００２２】
【実施例２】
図２において、半導体素子１及びサーミスタ２の固着されている金属層５ａと絶縁基板４とを接合しているろう材６ａうち、半導体素子１からサーミスタ２の間の部分がなく、この部分は絶縁基板４と金属層５ａは接合していない。この場合、半導体素子１の熱は絶縁基板４に放熱されることなくサーミスタ２へと伝わるため、更に半導体素子１の温度とサーミスタ２の温度の差が小さくなり、半導体素子の温度の検出精度を実施例１に比べ向上できる。
この実施例を使用した回路を図６に示す。
【００２３】
図６において、２４ａはＵ相上アームの半導体素子であるＩＧＢＴ、２４ｂはＵ相下アームＩＧＢＴ、２４ｃはＶ相上アームＩＧＢＴ、２４ｄはＶ相下アームＩＧＢＴ、２４ｅはＷ相上アームＩＧＢＴ、２４ｆはＷ相下アームＩＧＢＴであり、２５はダイオード、２６は負荷、２７ａはＵ相下アームＩＧＢＴ２４ｂの接合された金属層に接合されたサーミスタ、２７ｂはＶ相下アームＩＧＢＴ２４ｄの接合された金属層に接合されたサーミスタ、２７ｃはＷ相下アームＩＧＢＴ２４ｆの接合された金属層に接合されたサーミスタ、２８は電源、２９ａはＵ相上アームの制御回路、２９ｂはＵ相下アームの制御回路、２９ｃはＶ相上アームの制御回路、２９ｄはＶ相下アームの制御回路、２９ｅはＷ相上アームの制御回路、２９ｆはＷ相下アームの制御回路、３０ａはＵ相のレベルシフト回路、３０ｂはＶ相のレベルシフト回路、３０ｃはＷ相のレベルシフト回路である。
【００２４】
この場合、ＩＧＢＴ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆはそれぞれ制御回路の２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅ、２９ｆにより駆動され、負荷２６には３相の電流が流れる。  この３相電流は必ず下アームのＩＧＢＴである２４ｂ、２４ｄ、２４ｆのいずれかに流れる。過剰な電流がＩＧＢＴ２４ｂに流れた場合は、ＩＧＢＴ２４ｂの温度が上昇し、図２の方法により、サーミスタ２７ａにより、温度の上昇を検出できる。
【００２５】
また、他のＩＧＢＴ２４ｄ又は２４ｆに過剰な電流が流れた場合も同様に、それぞれサーミスタ２７ｂ、２７ｃにより温度を検出することができる。この温度がＩＧＢＴ素子の使用可能範囲を超えていた場合は、制御回路２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅ、２９ｆにより全ＩＧＢＴ素子の駆動を停止することができる。
【００２６】
よって、本発明を採用することで、半導体装置の導体回路に過剰な電流が発生し、発熱した際も、導体回路及び半導体素子の保護ができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上、本発明は比較的大電流容量のパッケージ型パワー半導体モジュールに好適な半導体装置において、半導体素子の接合されている絶縁基板上の金属層と同じ金属層に温度検出体を接合することで、半導体素子により発生した熱は熱伝導のよい金属層から温度検出体に伝わる為、絶縁基板への放熱を小さくでき、半導体素子の温度と温度検出体との温度差を小さくできる。また、半導体素子から温度検出体の間の金属層と絶縁基板との接合をなくすことで、半導体素子から温度検出体までの絶縁基板・支持基板への放熱を小さくして温度差をさらに小さくすることができる。更に、半導体素子の過剰な温度上昇に対し精度よく半導体素子の動作を停止するなどの対応を精度よくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の構成断面図である。
【図２】本発明の別の半導体装置の構成断面図である。
【図３】従来の内部絶縁型の半導体モジュールの半導体装置の断面構造を示す。
【図４】本発明の実施例１を使用した回路を示す。
【図５】従来の内部絶縁型の半導体モジュールの半導体装置を使用した回路を示す。
【図６】本発明の実施例２を使用した回路を示す。
【符号の説明】
１…半導体素子、２…温度検出体（サーミスタ）、３ａ…半導体素子下部のソルダー、３ｂ…サーミスタ下部のソルダー、３ｃ…絶縁基板下部のソルダー、３ｄ…配線端子下部のソルダー、４…絶縁基板、５ａ…絶縁基板上部の金属層、５ｂ…絶縁基板下部の金属層、６ａ…絶縁基板上部のろう材、６ｂ…絶縁基板下部のろう材、７…支持基板、８…樹脂体、９…金属ワイヤ、１０…ゲル、１１…実装基板、１２ａ…配線端子（電流端子）、１２ｂ…配線端子（信号端子）、１３…接着剤、１４…ドライバＩＣ、１５…外部冷却フィン、１６…・ネジ、１７ａ…上アーム半導体素子（ＩＧＢＴ）、１７ｂ…下アーム半導体素子（ＩＧＢＴ）、１８…ダイオード、１９…負荷、２０…サーミスタ、２１…電源、２２a…上アーム制御回路、２２b…下アーム制御回路、２３…レベルシフト回路、２４ａ…Ｕ相上アーム半導体素子（ＩＧＢＴ）、２４ｂ…Ｕ相下アーム半導体素子（ＩＧＢＴ）、２４ｃ…Ｖ相上アーム半導体素子（ＩＧＢＴ）、２４ｄ…Ｖ相下アーム半導体素子（ＩＧＢＴ）、２４ｅ…Ｗ相上アーム半導体素子（ＩＧＢＴ）、２４ｆ…Ｗ相下アーム半導体素子（ＩＧＢＴ）、２５…ダイオード、２６…負荷、２７ａ…Ｕ相サーミスタ、２７…ｂ：Ｖ相サーミスタ、２７ｃ…Ｗ相サーミスタ、２８…電源、２９ａ…Ｕ相上アーム制御回路、２９ｂ…Ｕ相下アーム制御回路、２９ｃ…Ｖ相上アーム制御回路、２９ｄ…Ｖ相下アーム制御回路、２９ｅ…Ｗ相上アーム制御回路、２９ｆ…Ｗ相下アーム制御回路、３０ａ…Ｕ相レベルシフト回路、３０ｂ…Ｖ相レベルシフト回路、３０ｃ…Ｗ相レベルシフト回路。
【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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