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公開番号2024116857
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-28
出願番号2023022683
出願日2023-02-16
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 25/07 20060101AFI20240821BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】新たな素子・部品や機構を追加することなく、また、パワーモジュールのサイズに影響を与えずに、パワーモジュール内のパワー素子の動作時に発生するノイズの影響を低減するパワーモジュールを提供する。
【解決手段】絶縁性の基板に設けられた複数の電子素子と、前記基板上の外周部に設けられたn個の温度検知素子とこれらの温度検知素子と接続される放熱性の変動検知機構とを備え、前記n個の温度検知素子同士は金属配線で接続され、第1の素子の第1の端子は前記変動検知機構と基準電位とを切り替える第1のスイッチ素子と接続され、第nの素子の第2端子は前記変動検知機構と基準電位とを切り替える第2のスイッチ素子と接続され、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、
前記基板上の外周部に設けられ、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変動検知機構と、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の端子は前記変動検知機構と基準電位を切り替える第１のスイッチ素子と接続され、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の端子と金属配線で接続され、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の端子が金属配線で接続され、前記第nの素子の第２端子は前記変動検知機構と基準電位を切り替える第２のスイッチ素子と接続され、
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 660 文字）【請求項２】
前記第１スイッチは、前記変動検知機構が動作する期間は、前記変動検知機構と前記第1の温度検知素子の第１の端子とを結合し、前記第２スイッチは前記変動検知機構が動作する期間は、前記変動検知機構と前記第ｎの温度検知素子の第２の端子とを結合し、さらに前記第１のスイッチは、前記変動検知機構が動作しない期間は、基準電位と前記第1の温度検知素子の第１の端子とを結合し、前記第２スイッチは前記変動検知機構が動作しない期間は、基準電位と前記第ｎの温度検知素子の第２の端子とを結合することを特徴とした、請求項１に記載したパワーモジュール
【請求項３】
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から請求項３に記載したパワーモジュール
【請求項５】
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４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 3,000 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Direct Bonded Cupper(以下DBC)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変動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、放熱性の変動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変動を検知できる機構を備える必要がある。
【０００５】
図１の例に示すDBC基板と放熱器の接着において、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、初期状態の温度と、意図的に熱量を加え温度を上昇させたときの温度とを測定することで、放熱性を算出することができる。
【０００６】
図２にパワーモジュール上で放熱性の変動検知として、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(a)～１４(d)は前記のΔVF測定用のダイオードであり、前述のとおり、複数の端部に配置されている場合を示している。それらのダイオードに、ΔVF測定により放熱性の変動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(a)～１４(d)に測定電流の印加、および、前記ダイオード１４(a)～(d)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、放熱性の変動検知として、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変動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、放熱性が変動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つの角にダイオード１４(a)～１４(d)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、もれなく放熱性の変動検知機構を配置することで、確度の高い、放熱性の変動検知を行うことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、本技術分野のパワーモジュールでは、ノイズによる影響が常に危惧されている。特に、本発明におけるDBC基板には大電流を流すパワー素子が多数（図４では6素子）搭載されており、これらの素子の動作時にノイズが発生し、伝搬する。このノイズにより、同じパワーモジュール内に搭載されているドライブICの動作に影響が生じたり、パワーモジュールに近接して搭載される他の半導体素子の動作に影響を与える恐れがある。
本発明は上述した事情に鑑みたものであって、新たな素子・部品や機構を追加することなく、また、パワーモジュールのサイズに影響を与えずに、これらのノイズの影響を低減し、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）

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