特許ウォッチ

公開番号2024099221
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-25
出願番号2023003005
出願日2023-01-12
発明の名称半導体装置
出願人サンケン電気株式会社
代理人
主分類H01L 23/34 20060101AFI20240718BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】回路や機構の規模を大きくすることなく、また、パワーモジュールのサイズに影響を与えずに、放熱性の低下を検知し、パワーシステム機器の安定動作に寄与できるパワーモジュールを提供する。
【解決手段】絶縁性の基板と、前記基板上に設けられた複数の電子素子と、前記基板上に設けられ、前記基板上の温度を検知するためのn個の温度検知素子と、前記n個の温度検知素子と接続される放熱性の低下検知機構と、を備え、前記n個の温度検知素子は、第1の端子と第2の端子を有し、前記n個の温度検知素子の中の第1の素子の第1の端子は前記低下検知機構と接続され、前記第1の素子の第2の端子は前記複数の温度検知素子の第2の素子の第1の端子と接続され、以下、前記第nの素子まで、第aの素子の第2の端子と第a+1の素子の第1の端子が接続され、前記第nの素子の第2端子は前記低下検知機構と接続され、前記基板は樹脂により封止されている。
【選択図】図5

特許請求の範囲【請求項１】
絶縁性の基板と、
前記基板上に設けられた複数の電子素子と、
前記基板上に設けられ、前記基板上の温度を検知するためのn個の温度検知素子と、
前記n個の温度検知素子と接続される放熱性の低下検知機構と、を備え、
前記n個の温度検知素子は、第１の端子と第２の端子を有し、
前記n個の温度検知素子の中の第１の素子の第１の端子は前記低下検知機構と接続され、前記第１の素子の第２の端子は前記複数の温度検知素子の第２の素子の第１の端子と接続され、以下、前記第ｎの素子まで、第aの素子の第２の端子と第a+1の素子の第１の端子が接続され、前記第nの素子の第２端子は前記低下検知機構と接続され、
前記基板は樹脂により封止されていることを特徴にしたパワーモジュール
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記基板は、セラミック板及びその両主面に形成された金属板部を有し、
前記セラミック板の第一主面に形成された第一金属板部は、前記複数の電子素子及び前記n個の温度検知素子を基板に接合するための金属板と、前記複数の電子素子間および外部との電気信号を伝達する配線用金属板と、前記n個の温度検知素子間および、温度検知回路間の電気信号を伝達する配線用金属板とを間隔をあけて配された前記放熱用金属板を設けた、請求項１に記載したパワーモジュール
【請求項３】
前記温度検知素子は温度変化により、電流-電圧特性が変化することを特徴とする請求項１ないし請求項２に記載したパワーモジュール
【請求項４】
前記温度検知素子は前記基板の四隅に配置されることを特徴とする請求項１から請求項３に記載したパワーモジュール
【請求項５】
絶縁性の基板と、
前記基板上に設けられた複数の電子素子と、
前記基板上に設けられ、前記基板上の温度を検知するためのn個の温度検知素子と、
前記n個の温度検知素子と接続される放熱性の低下検知機構と、を備え、
前記n個の温度検知素子は、第1の端子と第2の端子を有し、
前記n個の温度検知素子の中の第1の素子及び第１＋ｎ／２の素子の第１の端子は前記低下検知機構と接続され、前記第1の素子及び前記第（１＋ｎ／２）の素子の第２の端子は第２及び第（２＋ｎ／２）の素子の第１の端子と接続され、以下、第aの素子及び第（ａ＋ｎ／２）の第２の端子と第a+1の素子及び（ａ＋１＋ｎ／２）の素子の第１の端子が接続され、前記第n／２の素子及び第ｎの素子の第２端子は前記低下検知機構と接続され、
前記基板は樹脂により封止されていることを特徴にしたパワーモジュール
【請求項６】
前記基板は、セラミック板及びその両主面に形成された金属板部を有し、
前記セラミック板の第一主面に形成された第一金属板部は、前記複数の電子素子及び前記四個の温度検知素子を基板に接合するための金属板と、前記複数の電子素子間および外部との電気信号を伝達する配線用金属板と、前記四個の温度検知素子間および、温度検知回路間の電気信号を伝達する配線用金属板をと間隔をあけて配された前記放熱用金属板を設けた、請求項５に記載したパワーモジュール
【請求項７】
前記温度検知素子は温度変化により、電流-電圧特性が変化することを特徴とする請求項５ないし請求項６に記載したパワーモジュール
【請求項８】
前記温度検知素子は前記基板の四隅に配置されることを特徴とする請求項５から請求項７に記載したパワーモジュール

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、IGBT、SiC-MOSFET、Si-MOSFET等のパワー半導体をスイッチングして電力変換を行うパワーモジュールに関するものである。
続きを表示（約 2,900 文字）【背景技術】
【０００２】
モーター駆動のようなパワーシステム機器に使用されるパワーモジュールの中にはDBC(Direct Bonded Cupper)構造の基板を使用しているものがある。このような構造の製品ではパワーモジュールパッケージに放熱器を接続して使用されることがある。
図１は上記のパワーモジュールパッケージの断面の一例を示している。
ここに図示するように、パワーモジュール１はセラミック基板１０１の両面に金属層１０２，１０３が形成されたDBC基板１３において、パッケージ外部に露出しない側の金属層１０２の上に、パワー素子１１や制御素子他の電子部品を搭載し、さらに前記金属層１０２からみて、セラミック基板１０１をはさんで反対側の金属層１０３を外部に露出させるように、モールド樹脂１６にて周囲を覆っている。そして前記パワーモジュール１の外部に露出させた金属層１０３と放熱器３を半田層２により接続することにより、パワーモジュール内のパワー素子で発生する熱を効率よく放出させる。
【０００３】
このように、パワーシステム機器に使用されるパワーモジュールでは、パッケージの外部に露出させた放熱パターンと放熱器を接着した構造でパワーモジュールの放熱性の確保をおこなうが、使用期間が長期になると、放熱パターン、図１におけるDBC基板の金属層１０３と、放熱器３の接着面の接合強度が劣化し、接着面の一部がはく離することがある。
接着面の一部がはく離すると、はく離で発生するすき間により熱抵抗が上がるため、放熱性が損なわれることが知られている。放熱性が損なわれることにより、パワーモジュール内の温度が上昇するため、このパワーモジュールに搭載されているパワー素子等の半導体装置や、電子部品の故障につながり、パワーシステム機器の動作が安定しなくなる。
【０００４】
このような問題を防止し、前記パワーシステム機器の安定動作のために、前記接着面のはく離による放熱性の低下を検知することが必要と考えられる。
DBC基板と放熱器の接着面の接合強度の劣化によるはく離は、DBC基板と放熱器の接着面の端部から発生しやすいことが知られており、はく離の可能性が高い上記接着面の端部において、放熱性の低下を早期に検知することで、はく離による問題発生の回避につながる。
ここで、DBC基板と放熱器の接着は双方が２次元の平面形状を有するため、複数の端部が存在する。そのため、はく離検知の確度を上げるためには、はく離の可能性が高い複数の端部に放熱性の低下を検知できる機構を備える必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１の例に示すDBC基板と放熱器の接着において、あるポイントの温度検知を実施したい場合、その手法として、例えばダイオードを使用したΔVF測定法による検知方法が知られている。前記の検知法を使用し、初期状態のVF値と、意図的に熱量を加え温度を上昇させたときのVF値とを測定することで、配置したダイオード周辺箇所の金属層１０３と放熱器３、半田層２の放熱特性を知ることができる。
【０００６】
図２にパワーモジュール上で放熱性の低下検知として、ΔVF測定法を適用するための回路構成の一例を示す。
この図に記載されているダイオード１４は前記のΔVF測定用のダイオードである。そのダイオードに、ΔVF測定により放熱性の低下検知を行う機構として回路１５を接続する。
回路１５の中には前記のダイオード１４に測定電流の印加、および、前記ダイオード１４の周囲温度を上昇させるために、測定電流より大きな発熱電流を印加する定電流源１５１、外部からの指示により測定電流もしくは発熱電流の印加を行う定電流源制御回路１５２、ダイオードに測定電流が印加された際、ダイオードのVF値を検知する検知回路１５３、検知回路の測定値から、放熱性に異常が生じたかを判定し、判定結果を外部に出力する判定及び出力回路１５４を有する。
【０００７】
図３は、放熱性の低下検知として、ΔVF測定法を適用する場合のフローの一例を示している。図３のフローに従い、ΔVF測定法を適用した放熱性低下の検知の方法を説明する。
パワーモジュールの起動時に、初期状態としてダイオード１４に測定電流を印加し、前記ダイオードの順方向電圧VF１を測定する(S１)。
その後、電流値を発熱電流に切換え一定時間エネルギーJを印加し(S２)、周囲温度を上昇させたのち、再度ダイオードに測定電流を印加し、その時のダイオードの順方向電圧VF２を測定する(S３)。
上記の測定の後、S３で取得した、ダイオードの順方向電圧VF１とVF２の値、および、上記測定に使用したダイオードが有しているVFの温度依存性を用い、計算を実施することで、初期状態の温度T1と発熱後の温度T2が計算できる。
前記の温度T1とT2の差分及び、印加したエネルギー値Ｊを用いることで、パワーモジュールの放熱性λの算出ができる（S４）。
【０００８】
前記測定の後、パワーモジュールは本来の機能動作を開始するが、このパワーモジュールが一度動作を終了し電源が切断され、再度起動する際、もしくは動作開始後、一定時間経過した時点で、ダイオード１４に対し、上記と同様の処理を改めて実行する(S１１からS１３)。今回の測定で取得したダイオード１４の順方向電圧をVF１’,VF２’とし、この値から、起動から一定時間が経過した後の放熱性λ’を算出する(S１４)。ここで起動時に取得したλの値とλ‘を比較し、差異が認められた時、放熱性が低下したと判定することができる。(S１５, S１６)
【０００９】
図４に図２の機構を実際にパワーモジュール内に配置した例の平面図を示す。この図の例ではDBCの形状を長方形としており、その端部である長方形の４つの角にそれぞれダイオード１４と放熱性の低下検知機構１５を配置している。このように、はく離ポテンシャルのある端部に、もれなく放熱性の低下検知機構を配置することで、確度の高い、放熱性の低下検知を行うことができる。
【００１０】
しかしながら、このような場合、放熱性の低下検知を行いたい箇所のおのおのにダイオード及び、放熱性の低下検知機構を設けることになり、前記低下検知機構の配置に必要な面積が大きくなり、パワーモジュールのサイズ、もしくは、パワーモジュールに搭載できるパワー素子の大きさに影響をあたえてしまう。
本発明は上述した事情に鑑みたものであって、回路や機構の規模を大きくすることなく、また、パワーモジュールのサイズに影響を与えずに、放熱性の低下を検知し、パワーシステム機器の安定動作に寄与できるパワーモジュール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】以降は省略されています）

関連特許