(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱板上の絶縁回路基板に取り付けられた半導体素子に流れる電流を検出するシャント抵抗器が内蔵された半導体装置であって、
前記シャント抵抗器は、Ｕ字状の金属板と、この金属板の一対の直線部位間に設けられた絶縁材とを備え、
前記絶縁材は、セラミックスで構成された絶縁材本体と、この絶縁材本体の両面に形成され絶縁材本体よりも電気伝導率が高い金属層とを有している半導体装置。
【請求項２】
放熱板上の絶縁回路基板に取り付けられた半導体素子に流れる電流を検出するシャント抵抗器が内蔵された半導体装置であって、
前記シャント抵抗器は、Ｕ字状の金属板と、この金属板の一対の直線部位間に設けられた絶縁材とを備え、
前記金属板は、前記絶縁材に接合された第１の金属部材と、この第１の金属部材よりも電気伝導率が高く、前記絶縁回路基板に接合された第２の金属部材とを有している半導体装置。
【請求項３】
放熱板上の絶縁回路基板に取り付けられた半導体素子に流れる電流を検出するシャント抵抗器が内蔵された半導体装置であって、
前記シャント抵抗器は、Ｕ字状の金属板と、この金属板の一対の直線部位間に設けられた絶縁材とを備え、
前記金属板は、曲面形状の抵抗体と、この抵抗体の両端面に接合され抵抗体よりも電気伝導率が高い金属部材で構成されている半導体装置。
【請求項４】
放熱板上の絶縁回路基板に取り付けられた半導体素子に流れる電流を検出するシャント抵抗器が内蔵された半導体装置であって、
前記シャント抵抗器は、Ｕ字状の金属板と、この金属板の一対の直線部位間に設けられた絶縁材とを備え、
前記金属板は、曲面形状の抵抗体と、この抵抗体の両端面に接合され抵抗体よりも電気伝導率が高い金属部材で構成され、
前記直線部位の前記絶縁回路基板側には、前記抵抗体と前記金属部材との境界部に段差が設けられている半導体装置。
【請求項５】
放熱板上の絶縁回路基板に取り付けられた半導体素子に流れる電流を検出するシャント抵抗器が内蔵された半導体装置であって、
前記シャント抵抗器は、Ｕ字状の抵抗体からなる金属板と、この金属板の一対の直線部位間に設けられた絶縁材と、前記金属板の前記直線部位の外側に接合され前記金属板よりも電気伝導率が高い板状の金属部材とを備えている半導体装置。
【請求項６】
前記絶縁材は、前記金属板の一対の前記直線部位に接合材で接合されている請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記絶縁材は、セラミックスで構成された絶縁材本体と、この絶縁材本体の両面に形成され絶縁材本体よりも電気伝導率が高い金属層とを有している請求項２〜６の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記絶縁材は、前記金属板の一対の前記直線部位間に熱可塑性または熱硬化性の合成樹脂が充填されて構成されている請求項２〜５の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記金属板は、前記絶縁材に接合された第１の金属部材と、この第１の金属部材よりも電気伝導率が高く、前記絶縁回路基板に接合された第２の金属部材とを有している請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記金属板の曲面部位には、絶縁性の合成樹脂で覆ったカバー体が設けられている請求項１〜９の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
放熱板上の絶縁回路基板に取り付けられた半導体素子に流れる電流を検出するシャント抵抗器が内蔵された半導体装置であって、
前記シャント抵抗器は、Ｕ字状の金属板と、この金属板の一対の直線部位の一方の直線部位に一端部が接続され他端部が前記絶縁回路基板に接続された板状の第１端子部材と、前記金属板の一対の直線部位の他方の直線部位に一端部が接続され他端部が外部と電気的に接続される電極と接続されている板状の第２端子部材とから構成されており、
前記第１端子部材は、前記第２端子部材よりも熱通路断面積が大きく、また前記金属板および第２端子部材より電気伝導率が高い半導体装置。
【請求項１２】
前記第２端子部材は、可撓性部材で構成されている請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記シャント抵抗器は、半導体素子と、交流側電極との間に設けられ、半導体素子と交流側電極とに電気的に接続されている請求項１〜１２の何れか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、放熱板上の絶縁回路基板に取り付けられた半導体素子に流れる電流を検出するシャント抵抗器が内蔵された半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、モータの回転数を制御するインバータ装置などにおいては、交流周波数を変換させるためにＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子であるパワー半導体素子を複数個セラミック基板上に搭載した半導体装置が用いられる。
【０００３】
この半導体装置は、モータに接続されるが、このモータに流れる電流は電流検出器によって検出される。電流検出器としてカレントトランスを用いた場合、他の部品に比べて容積が大きいため、装置の小型化の妨げとなっていた。
【０００４】
これに対して、シャント抵抗器を半導体装置に内蔵して、半導体素子に流れる電流を検出することによって小型化を図ったものとして特許文献１に示されたものが知られている。図１７はその特許文献１に示されたシャント抵抗器の断面図である。
【０００５】
このシャント抵抗器は、例えば銅マンガン材料からなるハット型部材６０の凹部内に、例えばエポキシ樹脂からなる絶縁物１４が充填されて構成されている。ハット型部材６０のフランジ部分６０ａ、６０ｂには例えば銅材料からなる一対の端子１３が固着されている。この端子１３は絶縁回路基板１６の導電パターン１５に実装されている。
【０００６】
このシャント抵抗器は、抵抗体であるハット型部材６０で生じたジュール熱を逃がす必要があり、絶縁物が充填されていないシャント抵抗器と比較して放熱性を高めるために、ハット型部材６０の凹部内に絶縁物１４が充填されている。
【０００７】
しかしながら、このシャント抵抗器では、数１００Ａレベルの大電流のときにはシャント抵抗器の温度が許容レベルを超え、絶縁物１４が劣化してしまうだけでなく、シャント抵抗器が高温になるためシャント抵抗器自体の抵抗値が変化してしまい、高精度の電流測定ができないという問題点があった。
【０００８】
これに対して、図１８のシャント抵抗器は、特許文献２に記載されたシャント抵抗器であって、大電流時でも電流測定が可能であるシャント抵抗器である。
このシャント抵抗器は、銅製のベース６上にはんだからなる接合材７で接合された絶縁回路基板５上に取り付けられている。シャント抵抗器では、セラミックス基板１７を挟んでその表面側に所定の抵抗値にあわせて設計したサイズの計測用精密抵抗材からなるシート状抵抗部１８および裏面に銅部材１９を重ね合わせて、銀ろうなどを用いた活性金属法により一体に接合して抵抗体を構成している。シート状抵抗部１８の両端部には電流通電用ボンディング部が形成され、この部分にボンディングワイヤ１０ａ、１０ｂが接続されている。シート状抵抗部１８の内側には電流検出用のボンディング電極部が形成され、この部分にボンディングワイヤ１１ａ、１１ｂが接続されている。それぞれのボンディングワイヤ１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂは紙面に対して垂直方向に複数本配置されている。
【０００９】
このシャント抵抗器は、熱伝導率が数Ｗ/ｍ・Ｋのエポキシ樹脂よりも高い、数１０〜１５０Ｗ/ｍ・Ｋのセラミックス基板１７により抵抗体の発熱をより効果的に放熱しており、大電流の検出が可能になっている。
【００１０】
しかしながら、セラミックス基板１７を挟んでシート状抵抗部１８および銅部材１９を重ね合わせ、銀ろうなどで一体接合しているので、確かに初期の放熱特性という点では高性能化が図れるが、使用環境下では次のような問題点があった。
即ち、このような構造を採用したところで、シート状抵抗部１８での発熱は避けられないため、抵抗部１８とセラミックス基板１７との接合界面に熱応力が発生し、セラミックス基板１７に割れが発生し、この割れは繰り返し使用されるにつれて拡大し、最後には抵抗部１８とセラミックス基板１７とが分離してしまい、その結果抵抗部１８の温度は上昇し、初期の性能が維持できなくなってしまうという問題点があった。
【００１１】
また、図１７および図１８に示したシャント抵抗器は、小型化や生産性という点で問題点があった。
即ち、図１７のシャント抵抗器ではフランジ部分６０ａ、６０ｂで端子１３にはんだ接合するため、この接合スペースが必要であった。
また、図１７および図１８に示した半導体装置は、当然ながら共にシャント抵抗器の大きさ分だけのスペースも必要となる。従って、外付けでカレントトランスを用いた場合に比べて、半導体装置のパッケージサイズは少なくとも１５ｍｍ以上も大きくなってしまうことになる。
【００１２】
また、図１８に示した半導体装置では、１本に付き１０Ａ程度しか電流を流すことができないボンディングワイヤ１０ａ、１０ｂを、多数本並列に接合する必要があり、今後の大電流化にとっては、生産性に問題が生じることが考えられる。
【００１３】
更に、図１８に示したシャント抵抗器のように、平板状導体であるシート状抵抗部１８を用いた場合には、インダクタンスが大きく、高周波特性が悪いという問題点もあった。ＩＧＢＴのようなパワー半導体装置では、例えばＩＧＢＴ素子１個あたり１００Ａ程度の大きな電流を測定することになるが、抵抗挿入による電力損失を低くするために、抵抗体の抵抗値としてはミリオーム程度の低い値が必要とされる。このような抵抗値をもつ平板抵抗は１００ｋＨｚから１ＭＨｚといった高周波においては抵抗よりもインダクタンスによるインピーダンスが支配的となり、検出特性が周波数依存性を持つという問題点もあった。
【００１４】
これに対して、図１９は周波数特性が平坦なシャント抵抗器を有する半導体装置を示す図である。図１９は特許文献３に記載されたシャント抵抗器の斜視図であり、周波数特性が平坦である電流センサを得ることができる。
図において、平行平板状に折り返した形状の導電体（ここでは銅）からなる電流センサ部２８は、平行平板をなす第１の平板状部分２８ａ、第２の平板状部分２８ｃおよびこれら第１、第２の平板状部分２８ａ、２８ｃの一方の端部を互いにつなぐ折れ曲がり部２８ｂで構成されている。第１の平板状部分２８ａの他方の端部は電極パターン２９にはんだ付けにより接合されて電流センサ部２８の一方の検出端子３４を形成している。第２の平板状部分２８ｃの他方の端部はモジュールエミッタ電極２７と一体になって繋がっており、電流センサ部２８の他方の検出端子３５を形成している。エミッタ中継基板２６上の電極パターン２９はアルミニウムワイヤ５１によりダイオード素子４０のアノード電極４１およびＩＧＢＴ素子３のエミッタ電極３１と接続されている。なお、符号１６は過電流・短絡電流保護回路である。
【００１５】
上記構成の半導体装置では、平行平板をなす第１、第２の平板状部分２８ａ、２８ｃを流れる電流が互いに対向し、磁界を相殺するので、周波数特性が平坦で検出精度の良い電流センサを得ることができる。
【００１６】
しかしながら、図１９に示した半導体装置では、検出精度および放熱性において問題点があることが分かった。
即ち、電流センサ部２８に銅を使用した場合、抵抗温度係数が大きいため、環境温度によって抵抗値が変化し、高精度な電流検出ができない。また、電流センサ部として銅−ニッケル合金等の抵抗温度係数の小さい金属を使用すると、熱伝導率が小さいために、電流センサ部の熱抵抗が大きくなる。従って、放熱板であるエミッタ中継基板２６と接合された電極パターン２９に接触している部分以外は非常に高温になり、電極パターン２９との接合部の信頼性やその近傍の部材に熱による悪影響を与えてしまうという問題点があった。
【００１７】
【特許文献１】
実用新案登録第３０６７２１３号公報（［００１８］〜［００１９］、図１）
【特許文献２】
特開平１１-９７２０３号公報（［００２０］〜［００２１］、図２）
【特許文献３】
特開２０００-３５３７７８号公報（［００２２］〜［００２３］、図１）
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来、放熱性および信頼性が優れた半導体装置を提供することが困難であった。
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、コンパクトな構造で、高精度に大電流を検出でき、かつ放熱性が高い半導体装置を得ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置では、シャント抵抗器は、Ｕ字状の金属板と、この金属板の一対の直線部位間に設けられた絶縁材とを備えている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について説明するが、先に説明した従来のものと同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の半導体装置の部分断面図、図２は半導体装置に内蔵されたシャント抵抗器の斜視図である。
図において、半導体装置にはシャント抵抗器４が組み込まれている。このシャント抵抗器４は、絶縁回路基板５の導電パターン５ａに接合されている。絶縁回路基板５は、大電流対応の基板として多用される、窒化アルミニウムセラミックスと銅板とを接合して構成されている。絶縁回路基板５には例えば銅製のベース板６が例えばはんだからなる接合材７で接合されている。放熱板であるこのベース板６は、半導体装置の外枠の一部を形成し、シャント抵抗器４からの熱が外部に放出されるときの冷却通路を形成している。ベース板６にはポリフェニレンサルファイド製のケース１７が固着されている。このケース１７には、例えばモータなどとの接続のための交流側モジュール電極９、このモジュール電極９の反対側にあり例えばバッテリーなどの直流電源との接続のための直流側モジュール電極（図示せず）が固着されている。
【００２１】
絶縁回路基板５の導電パターン部５ａには接合材７で例えばＩＢＧＴやＭＯＳＦＥＴ、ダイオードなどの半導体素子１２が接合されている。シャント抵抗器４と交流側モジュール電極９とはボンディングワイヤ１０ａで電気的に接続されている。シャント抵抗器４に接合された導電パターン５ａと、隣接した半導体素子１２とはボンディングワイヤ１０ｂで電気的に接続されている。なお、符号１１ａ、１１ｂはそれぞれシャント抵抗器４の電位差を検出するためのボンディングワイヤである。
【００２２】
シャント抵抗器４は、絶縁回路基板５に直線部位が接合された例えば銅マンガン合金からなるＵ字状の金属板２と、この金属板２の一対の直線部位間に例えば銀ペーストからなる接合材３で接合された例えば窒化アルミニウムセラミックスからなる絶縁材１とから構成されている。なお、金属板２としては抵抗温度係数の低い抵抗材料として銅マンガンの他、銅ニッケル、ニッケルクロム等を用いることができる。
【００２３】
図３は上記構成の半導体装置の電気回路図である。
図３において、８Ｐ、８Ｎは直流側モジュール電極、９Ｕ、９Ｖ、９Ｗは交流側モジュール電極、１２ａはＩＧＢＴ、１２ｂはダイオードである。上述の交流側モジュール電極９は９Ｕ、９Ｖまたは９Ｗを示し、半導体素子１２は１２ａまたは１２ｂを指す。なお、３つの相は単一のパワー半導体装置の内部に構成されていてもよいし、それぞれ独立したパワー半導体装置を組み合わせて構成されていてもよい。また、ＩＧＢＴ１２ａはＩＧＢＴ以外のスイッチング可能な電力半導体素子であってもよい。
【００２４】
上記構成の半導体装置では、交流側モジュール電極９Ｕ、９Ｖ、９Ｗには、パワー半導体装置から外部へ電流が流れる場合と、外部からパワー半導体装置に電流が戻って流れる場合がある。図３に示すように、シャント抵抗器４を、交流側モジュール電極９Ｕ、９Ｖ、９Ｗと半導体素子１２ａ、１２ｂの間に配置することにより、どちらの場合でも電流は必ずシャント抵抗器４を通過する。従って、各相に流れる電流の大きさはもとより、その流れる方向までも常に把握することができる。
なお、図３に示した半導体装置の電気回路図は、直流を３相交流に変換する、または３相交流を直流に変換する半導体装置の場合であるが、特にこれに限定するものではなく、どのようなパワー半導体装置であってもよい。
【００２５】
以上説明したように、上記構成の半導体装置では、シャント抵抗器４は、絶縁回路基板５に直線部位で接合材７により接合されたＵ字状の金属板２と、この金属板２の一対の直線部位間に接合材３で接合された絶縁材１とから構成されているので、シャント抵抗器の接合用として必要とした図１７に示した従来のシャント抵抗器のようなフランジ部分６０ａ、６０ｂを必要とせず、専用の接合スペースが不要となる。
【００２６】
また、絶縁回路基板５上にシャント抵抗器４を搭載して、その搭載領域の上部に位置するシャント抵抗器４からボンディングワイヤ１０ａで交流側モジュール電極９と接続できるので、シャント抵抗器を内蔵していない従来のパワー半導体モジュールの絶縁回路基板に関して、その絶縁回路基板を設計変更せずに従来のワイヤボンディング領域をシャント抵抗搭載領域として利用することができ、その領域にシャント抵抗器４を搭載できる。この結果、シャント抵抗器を内蔵したパワー半導体装置が従来と同一サイズで実現できる。
また、Ｕ字状の金属板２の直線部位間には絶縁材１が挿入されて接合材３で固着されているため、金属板２のみの場合に比べ堅固となり、シャント抵抗器４の上面にワイヤボンディングを行っても超音波振動が安定に伝わり、その結果、安定した接合が得られる。
【００２７】
実施の形態２．
図４は実施の形態２の半導体装置のシャント抵抗器４の断面図である。このシャント抵抗器４の金属板２は、絶縁板１に接合材３で固着された第１の金属部材２ａと、この第１の金属部材２ａよりも電気伝導率が高く、直線部位に設けられた銅製の第２の金属部材２ｂ、２ｃとから構成されている。第２の金属部材２ｃは絶縁回路基板５に接合材７により接合されている。
他の構成は実施の形態１と同様である。
【００２８】
この半導体装置のシャント抵抗器４では、金属板２の直線部位の抵抗値は、第１の金属部材２ａと第２の金属部材２ｂ、２ｃとの並列抵抗になるため、実施の形態１のシャント抵抗器４と比較して抵抗値が小さくなり、その結果、同一電流が流れた場合は電位差が小さくなる。従って、ボンディングワイヤ１１ａのワイヤボンディングの位置がずれた場合でもシャント抵抗器４の抵抗値の誤差が小さくなり、高精度測定が可能となる。
【００２９】
また、高電気伝導率の金属は高熱伝導率の金属でもあるため、主に第１の金属部材２ａのＵ字状の曲面部位でのジュール発熱は高熱伝導の第２の金属部材２ｂ、２ｃに伝わり、さらにこの熱は、絶縁回路基板５、放熱板であるベース板６に伝わり、実施の形態１のシャント抵抗器４と比較してシャント抵抗器４の放熱性が向上する。
【００３０】
さらに、第２の金属部材２ｂ、２ｃは、第１の金属部材２ａよりも硬度が低い銅または銅合金を用い、また第１の金属部材２ａの直線部位の外側に設けられているので、ワイヤボンディング性が向上するという効果も有する。
即ち、ワイヤボンディングされる部材として銅・ニッケル合金を用いた場合に、この部材に直接ワイヤボンディングをすると接合強度不足が０．１％のレベルで発生したが、銅が用いられた第２の金属部材２ｂ上にワイヤボンディングすると、接合強度不足はその１／１０以下に低下することが分かった。
【００３１】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３の半導体装置のシャント抵抗器４の断面図である。
この絶縁板１は、例えば厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウムセラミックスの絶縁材本体１ａの両側表面に、例えば厚さ０．３ｍｍの銅の金属層１ｂ、１ｃを形成して構成されている。金属層１ｂ、１ｃは絶縁材本体１ａよりも電気伝導率が高い。金属層１ｂ、１ｃと金属板２とは例えば銀ろうからなる接合材３で接合されている。金属板２の構成は、実施の形態１と同様である。
【００３２】
このシャント抵抗器４では、電流は、矢印Ａに示すように、ワイヤボンディング部から金属板２と金属層１ｃとに分流して流れ、Ｕ字状の曲面部を通過してさらに、金属板２と金属層１ｂとに分流して流れる。従って、実施の形態２と同様の理由で、シャント抵抗器４の電流抵抗値の値は実施の形態１のシャント抵抗器４と比較して小さくなり、高精度測定が可能になるとともに、シャント抵抗器４の冷却性能が向上する。
【００３３】
さらに、絶縁材本体１ａの両側表面に金属層１ｂ、１ｃを形成したので、金属板２と絶縁板１との溶接接合が可能となり、より放熱性が良好になる上、金属板２に挿入する絶縁板１の板厚をこの例では１．２３５ｍｍと厚くすることができるため、例えば０．８ｍｍ程度の板厚の金属板２の曲げ曲率半径を大きくすることができ、曲げ加工が容易となる。
【００３４】
なお、絶縁板本体１ａの板厚を厚くすると、コストが高くなり、金属層１ａ、１ｂのみで構成するとシャント抵抗器の絶縁がとれなくなり、抵抗体としての機能を有しないため、ここに示すように、厚さ０．６３５ｍｍの絶縁板本体１ａと高電気伝導の０．３ｍｍ程度の金属層１ｂ、１ｃを張り合わせた積層構造で構成・配置することが好ましい。
【００３５】
実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４の半導体装置の要部断面図である。この半導体装置のシャント抵抗器４では、金属板２は、絶縁回路基板５に接合されシャント抵抗器４での電位差を検出するための一方のボンディングワイヤ１１ｂが接続された第１の直線部位２Ａと、この第１の直線部位２Ａよりも長さが短い第２の直線部位２Ｂとを有している。他方のボンディングワイヤ１１ａは絶縁板１の金属層１ｂに接続されている。
【００３６】
以上のように実装されたシャント抵抗器４には、電位差を検出するための電極部分を有しているため、絶縁回路基板５に電極を形成する必要がないだけでなく、ノイズの影響を受けにくく、実装構造や方法に左右されることなく安定に電位差を引き出すことができる。
即ち、実施の形態１のシャント抵抗器４において電位差の検出を一対のボンディングワイヤ１１ａ、１１ｂで行った場合の例と比較すると、実施の形態１では絶縁回路基板５上から片側の電位検出を行うため、一対のボンディングワイヤ１１ａ、１１ｂの接合位置の距離が離れてしまい、ノイズの影響を受けやすい。さらに、片側の電位検出が絶縁回路基板５上からであるため、測定結果が絶縁回路基板５の材料の温度変化の影響を受けてしまい、シャント抵抗器４にとって本来の機能である正確な抵抗を検知できなくなってしまう。
これに対して、この実施の形態のシャント抵抗器４では、シャント抵抗器４自身から検出用の電流を検出するため実装技術に左右されることなく、安定して電位差を検出することができ、かつ検出位置は近いため、ノイズの影響を受けることが少ない。以上の結果から正確な電流値を検出できるという効果を有する。
【００３７】
また、電流は、例えば、矢印Ｂに示すように、ボンディングワイヤ１０ｂから、シャント抵抗器４の第１の直線部位２Ａ、曲面部位２Ｃおよびボンディングワイヤ１０ａを流れ、ボンディングワイヤ１１ａ、１１ｂの接合部にはほとんど流れることが無く、従って等電位線の密度が疎であるため、ボンディングワイヤ１１ａ、１１ｂの接続位置の誤差による検出電位の誤差が小さくなり、高精度な検出が可能となる。
【００３８】
実施の形態５．
図７はこの発明の形態５の半導体装置の要部断面図である。このシャント抵抗器４は、曲面部位が絶縁回路基板５側に指向しているＵ字状の金属板５０ａと、この銅マンガン合金等からなる金属板５０ａの一対の直線部位にそれぞれ一端部が接続され他端部がそれぞれ絶縁回路基板５の導電パターン５ａに溶接接合されているＬ字状の端子部材５０ｂ、５０ｃとから構成されている。Ｌ字状で板状の端子部材５０ｂ、５０ｃは、金属板５０ａよりも電気伝導率が高い銅部材で構成されている。
【００３９】
この実施の形態では、主に発熱するＵ字状に加工された金属板５０ａの曲面部位から絶縁回路基板５までの熱抵抗を低減することができる。即ち、Ｕ字状に加工された金属板５０ａの曲面部位を、絶縁回路基板５の方に向けて配置することにより、Ｕ字状の金属板５０ａの曲面部位でのジュール発熱は、金属板５０ａの直線部位をほとんど経由することなく、ほぼ最短の伝熱経路で絶縁回路基板５に至ることができ、シャント抵抗器４の放熱性が向上する。
【００４０】
実施の形態６．
図８この発明の実施の形態６の半導体装置の部分断面図である。この半導体装置のシャント抵抗器４は、Ｕ字状の金属板６１ａと、この金属板６１ａの一対の直線部位の一方の直線部位に一端部が接続され他端部が絶縁回路基板５の導電パターン５ａに接続された断面Ｌ字状の第１端子部材６１ｂと、金属板６１ａの一対の直線部位の他方の直線部位に一端部が接続され他端部が交流側モジュール電極９と電気的に接続された板状の第２端子部材６１ｃとから構成されている。
【００４１】
第１端子部材６１ｂは、第２端子部材６１ｃよりも熱通路断面積が大きく、また金属板６１ａおよび第２端子部材６１ｃよりも電気伝導率が高い銅部材が用いられている。第２端子部材６１ｃは、可撓性部材で構成され、途中に曲面部位が形成されている。
【００４２】
上記の半導体装置では、シャント抵抗器４の第１端子部材６１ｂおよび第２端子部材６１ｃによって絶縁回路基板５と交流側モジュール電極９とが接続されるため、ボンディングワイヤを大幅に削減することができる。
また、金属板６１ａの曲面部位でのジュール発熱は、第１端子部材６１ｂを介して絶縁回路基板５、さらには放熱板であるベース板６に伝わり、放熱される。なお、第１端子部材６１ｂには比較的厚い部材を用いて熱抵抗を低く抑えているので、シャント抵抗器４の発熱を低く抑えている。
【００４３】
さらに、シャント抵抗器４と絶縁回路基板５、または交流側モジュール電極９の接続部の信頼性を長期にわたって維持することができる。即ち、ベース板６とケース１７との間には熱膨張係数に差があるため、温度変化によって絶縁回路基板５と交流側モジュール電極９との間隔は０．１〜０．２ｍｍ程度変位する。シャント抵抗器４の剛性が高いと、この変位によって接続部に応力が発生し、温度サイクルによって接続部が破壊される。
しかしながら、第２端子部材６１ｃには比較的薄い部材を用い、かつ曲面部位を設けており、かつ可撓性を有している。従って、この変位を吸収して接続部に過大な応力が発生することを防止することができ、接続部の信頼性を長期にわたって維持することができる。
【００４４】
さらに、半導体装置のワイヤボンディング領域であった部分に、例えばはんだなどで絶縁回路基板５に第１端子部材６１ｂを接合し、また交流側モジュール電極９に第２端子部材６１ｃの端部を接合すればよいので、シャント抵抗器を内蔵していないパワー半導体装置の絶縁回路基板を設計変更せずに、ワイヤボンディング領域をシャント抵抗搭載領域として利用することが可能となる。その結果、シャント抵抗器４を内蔵したパワー半導体装置が従来と同一サイズで実現できる。
【００４５】
なお、この実施の形態でも、実施の形態５と同様に金属板５０ａの曲面部位を下側にして、絶縁回路基板５側に向けるようにしてもよい。
また、この実施の形態および実施の形態５のシャント抵抗器についても、実施の形態１〜４で説明したように、絶縁板をＵ字形状の金属板の直線部位間に設けるようにして、シャント抵抗器の放熱性、電流検出精度をさらに高め、また堅固にすることができるのは勿論である。
【００４６】
実施の形態７．
図９は実施の形態７の半導体装置のシャント抵抗器４の斜視図である。このシャント抵抗器４は、金属板２の曲面部に穴２ｄが形成されている点を除いては実施の形態２と同様である。
この穴２は、例えばＣＯ２レーザを金属板２の曲面部位の中間部に照射することで形成される。
【００４７】
このシャント抵抗器４は次の手順に従って製造される。
まず、第１の金属部材２ａと、第２の金属部材２ｂ、第３の金属部材２ｃとを接合する。次に、このようにして構成された金属板２の第２の金属部材２ｂ、第３の金属部材２ｃに、絶縁材１を接合材３で接合し、また金属板２をＵ字形状に曲げ加工する。この状態でのシャント抵抗器４の抵抗値は、目標値に対して低くなるように設定されている。なお、抵抗値のばらつきは、組立精度や材料特性に依存する。
【００４８】
次に、シャント抵抗器４の抵抗値を測定し、目標値と測定値との差に応じて穴２ｄの大きさを定める。この穴２ｄは、第１の金属部材２ａにＣＯ２レーザを照射して形成される。
さらに、場合によっては、シャント抵抗器４の抵抗値を再測定し、所望の値になっていなければ、再度ＣＯ２レーザ照射を行う。
以上の工程を経ることによって、高精度のシャント抵抗器４の製造が可能となる。
なお、穴２ｄの代わりに、第１の金属部材２ａの曲面部の両側縁部に切欠き部としてスリットを形成するようにしてもよい。要は、電流路を制限するものであればよい。
【００４９】
実施の形態８．
図１０はこの発明の実施の形態８の半導体装置のシャント抵抗器４の斜視図、図１１は図１０のシャント抵抗器４の断面図である。
このシャント抵抗器４は、エポキシ樹脂等の熱硬化性の合成樹脂からなる絶縁材１がＵ字状の金属板２で挟まれている。この金属板２は、曲面形状の抵抗体２ｅの両端面に第１の金属部材２ｆ、第２の金属部材２ｇを突き合わせて溶接されている。抵抗体２ｅは銅マンガン合金で構成され、第１の金属部材２ｆ、第２の金属部材２ｇは銅等の高電気伝導率の金属で構成されている。
なお、抵抗体２ｅの材料として、温度係数の低い抵抗材料としての銅マンガンの他、銅ニッケル、ニッケルクロム等を用いることができる。
また、絶縁材１としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂の他に、ＰＰＳ等の熱可塑性の合成樹脂を用いることができる。また必要に応じて熱伝導率を向上させるために、窒化アルミニウムセラミックス等の絶縁性を有する高熱伝導性フィラーを混入させるようにしてもよい。
【００５０】
このシャント抵抗器４の金属板２は、実施の形態２のシャント抵抗器４の金属板２と近似しており、抵抗体２ｅよりも電流抵抗および熱抵抗の小さい電流通路である第１の金属部材２ｆ、第２の金属部材２ｇが確保されており、実施の形態２で述べたと同様の効果がある。
【００５１】
このシャント抵抗器４では、絶縁材１が熱硬化性または熱可塑性の合成樹脂で構成されているので、絶縁材１が金属板２の内部に密着され、放熱性向上を図ることが容易である。
即ち、絶縁材１が熱硬化性樹脂の場合は、硬化前の液状の樹脂は金属板２のＵ字形状の内部に流し込んだ後に加熱硬化されるので、絶縁材１を金属板２の内部の全面にわたって隙間なく密着させることができる。
絶縁材１が熱可塑性樹脂の場合でも、樹脂を加熱し、溶融した状態で金属板２の内部に流し込むことで熱硬化性樹脂の場合と同様に、絶縁材１を金属板２の内部の全面にわたって隙間なく密着させることができる。このようにすることで、熱伝導面積を最大限に確保することができるとともに、絶縁板１と金属板２との界面での熱抵抗増加を抑制することができる。
【００５２】
これらの合成樹脂は、一般的に普及しているポッティングやトランスファーモールドおよび射出成型の技術を利用できるので、量産性に優れる。なお、絶縁材１はこれに限定されるものではなく、絶縁性および熱伝導性を有し、金属板２の内部の全面にわたって隙間なく密着させることができるものであれば同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５３】
実施の形態９．
図１２は実施の形態９の半導体装置の部分断面図である。
この実施の形態では、シャント抵抗器４の絶縁回路基板５側では、抵抗体２ｅと第２の金属部材２ｈとの境界部に段差を有している点が実施の形態８のシャント抵抗器４と異なる。
【００５４】
実施の形態８のシャント抵抗器４が絶縁回路基板５に接合される際に、はんだ等のろう材からなる接合材７が溶融して濡れ広がり、抵抗体２ｅに付着するおそれがある。抵抗体２ｅよりも電気伝導率の高い導電材料である接合材７が抵抗体２ｅに付着すると、その箇所では抵抗体２ｅと接合材７とは並列抵抗となり、抵抗値が変化する。この変化の割合は接合材７の付着量、およびその範囲による。製造工程でこの接合材７の付着量を制御することは事実上不可能であるので、シャント抵抗器４について安定した抵抗値が得られない。
これに対して、この実施の形態９では、第２の金属部材２ｈに段差を設けることで、シャント抵抗器４と絶縁回路基板５とを接合する接合材７が濡れ広がって抵抗体２ｅに付着するのを防止することができる。従って、接合材７の付着によって抵抗体２ｅの抵抗値が変化したり、ばらついたりすることは無く、高精度で安定した電位差を検出することができる。
【００５５】
なお、図１３に示すように、第２の金属部材２ｉに示すように、第２の金属部材２ｉを曲げ加工して形成するようにしてもよい。
【００５６】
実施の形態１０．
図１４は実施の形態１０の半導体装置のシャント抵抗器４の断面図であり、銅マンガン合金からなるＵ字状の金属板２の一対の直線部位の外側に金属板２よりも高電気伝導率の第１の金属部材２ｋ、第２の金属部材２ｌが接合されている。また、金属板２の内部には実施の形態８と同様の絶縁材１が密着されている。
【００５７】
この実施の形態のシャント抵抗器４では、金属板２の内部に絶縁材１が密着されており、実施の形態８と同様の効果を得ることができるとともに、第１の金属部材２ｋおよび第２の金属部材２ｌにより段差が形成されており、シャント抵抗器４と絶縁回路基板５とを接合する接合材７が濡れ広がって金属板２の曲面部位に付着するのを防止することができる。
従って、接合材７の付着によって金属板２の抵抗値が変化したり、ばらついたりすることは無く、高精度で安定した電位差を検出することができる。
【００５８】
実施の形態１１．
図１５は実施の形態１１の半導体装置のシャント抵抗器４の断面図であり、金属板２の曲面部位を絶縁材１と同一材料で構成されたカバー体２ｍで覆われている点が実施の形態１０と異なる。
この実施の形態では、シャント抵抗器４が絶縁回路基板５に接合材７で接合される際に、接合材７は、溶融し、飛散するが、金属板２の曲面部位はカバー体２ｍで覆われているので、その接合材７が金属板２の曲面部位に付着するようなことはない。
【００５９】
実施の形態１２．
図１６は実施の形態１２の半導体装置の部分断面図であり、第２の金属部材２ｇの絶縁回路基板５との接合面に４カ所突起１３が形成されている点が実施の形態８と異なる。
【００６０】
実施の形態８では、シャント抵抗器４と絶縁回路基板５とは線膨張係数が異なるため、温度変化によって接合材７に応力が作用する。この応力が繰り返されると、接合材７に亀裂が生じ、製品としての信頼性を損なうおそれがある。
このため、第２の金属部材２ｇに突起１３を形成することで、突起１３の高さ分の接合材７の厚さを確保することができ、応力に抗するに十分な接合材７の厚みが得られ、接合材７の亀裂の発生を防止することができる。
この突起１３の数は、絶縁回路基板５に対するシャント抵抗器４の傾きを防止するためには、３個あればよいが、確実に傾きを防止するために、この実施の形態では４個としてある。
この突起１３は、第２の金属部材２ｇをプレス加工して直接形成してもよいが、簡単な方法として、シャント抵抗器４の絶縁回路基板５との接合面にアルミニウムワイヤを超音波圧接等の方法で接合してもよい。
なお、シャント抵抗器４の絶縁回路基板５との接合面に突起１３を形成することに関しては、実施の形態８以外のシャント抵抗器４にも適用できるのは勿論である。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の半導体装置によれば、シャント抵抗器は、Ｕ字状の金属板と、この金属板の一対の直線部位間に接合材で接合された絶縁板とを備えているので、大電流の検出においても抵抗器でのジュール発熱を効率よく放出することができる。また、シャント抵抗器は小型化できるとともに、堅固となり、ワイヤボンディングの接合強度が安定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１の半導体装置の部分断面図である。
【図２】  図１のシャント抵抗器の斜視図である。
【図３】  図１の半導体装置の電気回路図である。
【図４】  この発明の実施の形態２の半導体装置に内蔵されたシャント抵抗器の断面図である。
【図５】  この発明の実施の形態３の半導体装置に内蔵されたシャント抵抗器の断面図である。
【図６】  この発明の実施の形態４の半導体装置の部分断面図である。
【図７】  この発明の実施の形態５の半導体装置の部分断面図である。
【図８】  この発明の実施の形態６の半導体装置の部分断面図である。
【図９】  この発明の実施の形態７の半導体装置に内蔵されたシャント抵抗器の斜視図である。
【図１０】  この発明の実施の形態８の半導体装置に内蔵されたシャント抵抗器の斜視図である。
【図１１】  図１０のシャント抵抗器の断面図である。
【図１２】  この発明の実施の形態９の半導体装置の部分断面図である。
【図１３】  図１２のシャント抵抗器の変形例であるシャント抵抗器が組み込まれた半導体装置の部分断面図である。
【図１４】  この発明の実施の形態１０の半導体装置に内蔵されたシャント抵抗器の断面図である。
【図１５】  この発明の実施の形態１１の半導体装置に内蔵されたシャント抵抗器の断面図である。
【図１６】  この発明の実施の形態１２の半導体装置の部分断面図である。
【図１７】  従来のシャント抵抗器の断面図である。
【図１８】  従来の半導体装置の部分断面図である。
【図１９】  従来の半導体装置の斜視図である。
【符号の説明】
１  絶縁材、１ａ  絶縁板本体、１ｂ，１ｃ  金属層、２  金属板、２ａ  第１の金属部材、２ｂ，２ｃ  第２の金属部材、２ｄ  穴（切欠き部）、２ｅ  抵抗体、２ｆ，２ｋ  第１の金属部材、２ｇ，２ｈ，２ｉ，２ｌ  第２の金属部材、２ｍ  カバー体、２Ａ  第１の直線部位、２Ｂ  第２の直線部位、２Ｃ  曲面部位、４  シャント抵抗器、５  絶縁回路基板、６  ベース板（放熱板）、９  交流側モジュール電極、１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ  ボンディングワイヤ、１２  半導体素子、１３  突起、５０ａ，６１ａ  金属板、５０ｂ，５０ｃ  端子部材、６１ｂ  第１端子部材、６１ｃ  第２端子部材。
【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】
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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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