特開 2024-116857 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024116857

(43)【公開日】2024-08-28

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20240821BHJP

   H01L 23/34 20060101ALI20240821BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

H01L23/34 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023022683

(22)【出願日】2023-02-16

(71)【出願人】

【識別番号】000106276

【氏名又は名称】サンケン電気株式会社

(72)【発明者】

【氏名】井上 隆

【テーマコード（参考）】

5F136

【Ｆターム（参考）】

5F136BB04

5F136DA27

5F136DA41

5F136FA03

5F136FA12

5F136HA01

(57)【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

【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。

【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】

上記課題を解決するため、本発明のパワーモジュールは、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とを切り替える第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ことを特徴にしている。

【0012】

また、本発明では、前記第１のスイッチ素子は、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のスイッチ素子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のスイッチ素子は、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のスイッチ素子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ものを含む。

【0013】

また、本発明では、上記パワーモジュールにおいて、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層部を有し、前記セラミック板の第一主面に形成された第一金属層部は、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層と、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層と、前記n個の温度検知素子間および、温度検知素子間の電気信号を伝達する配線用金属層とを間隔をあけて配された前記放熱用金属層を設けているものを含む。

【0014】

また、本発明では、上記パワーモジュールにおいて、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ものを含む。

【0015】

また、本発明では、上記パワーモジュールにおいて、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ものを含む。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、複数の変動検知機構により、放熱性の変動検知を行うのと合わせ。配線のシールド効果により、DBC基板上のパワー半導体の動作により発生する、ノイズのDBC基板外への伝搬を削減することができ、パワーモジュール内の機構が複雑にならず、サイズにも影響を与えずに目的の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】DBC基板を用いたパワーモジュールパッケージの断面の一例

【図2】ダイオードを使用したΔVF法を活用し。放熱性変動検知をおこなうための機構のブロック図の一例

【図3】図２の機構にて放熱性変動の検知をおこなうフローの一例

【図4】図２の機構をDBC基板上に配置した場合の配置の一例

【図5】本発明の実施形態のDBC基板上の電子素子の配置の一例

【図6】本発明の実施形態の温度検知回路の接続および機能ブロック図

【図7】本発明における、通常時及び、放熱性変動検知時のフローの一例

【発明を実施するための最良の形態】

【0018】

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図５は本発明の第一の形態におけるパワーモジュールの、DBC基板上の各製品の平面上の配置の一例である。本例は、三相ブラシレスモータ駆動用のパワーモジュールであり、ハイサイド、ローサイドのパワー素子６石を搭載している。

【0019】

DBC基板２３の構成要素であるセラミック基板２０１の上面にはパワー素子をDBC基板に接着するための金属層２０２が配置され,その上部にパワー素子２１が６素子配置されている。そして、温度検知素子として、前記DBC基板の四隅にダイオード２４(a)～２４(d)がおのおの配置される。さらに、前記の各ダイオードを電気的に直列に接続するために各ダイオードの間に金属層による配線２０４が配置される。そして、前記DBC基板の上面に放熱性変動検知機構２５を設置し、配線２０４および金属ワイヤを用いて４つのダイオード２４が直列に接続されるよう接続する。そして、前記放熱性変動検知機構２５とダイオード２４(a)の第１端子間に第１のスイッチ素子２６(a)を接続し、前記放熱性変動検知機構２５とダイオード２４(d)の間に第２のスイッチ素子２６(b)を接続する。

【0020】

前記接続を回路ブロックで表したものが図６である。また、図７は図６の回路にて、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６の回路にて、初期状態(室温)の放熱性の値を測定する場合、最初に第１のスイッチ２６(a)及び第２のスイッチ２６(b)をダイオードと放熱性変動検知機構２５が接続されるように切り替える(S101)。その後は背景技術で述べたと同様に、ダイオードに測定電流を印加し、VF1(２４)を計測する(S102)。その後、ダイオードに流れる電流値を発熱電流値に切換え一定時間印加し、周囲温度を上昇させた後、初期状態と同様に再度ダイオードに測定電流を印加し、VF２(２４)を計測する(S103,S104)。このVF１(２４)、VF２(２４)の値を、判定及び出力回路２５４に転送し、演算を行うことで、初期の放熱性を確認し、算出された値λを記憶する。(S105,S106)。最後に第１のスイッチ素子２６(a)及び第２のスイッチ素子２６(b)をダイオードとGNDが接続されるように切り替える(S107)。
このS107のステップにより、図５において、セラミック基板上の外周部に配置されている金属配線204はGNDレベルに固定されるため、本IPMが動作を行っている際、パワー素子のスイッチング動作により発生するノイズが外部に伝搬することを防ぐシールドの役割を果たす。

【0021】

次に、本IPMを一定時時間動作させたところで、その時点での放熱性を確認する処理を実行する際の動作を説明する。前記動作を開始する際、まず第１のスイッチ素子２６(a)及び第２のスイッチ素子２６(b)をダイオードと放熱性変動検知機構２５が接続されるように切り替える(S111)。その後初期状態を測定したときと同様の処理を実施することで、λ‘が算出される。そして、初期状態として記憶したλとλ’を比較し、放熱性の変動が発生したか否か判断する。判断が終了したら最後に、第１のスイッチ素子２６(a)及び第２のスイッチ２６素子(b)をダイオードとGNDが接続されるように切り替えることで、セラミック基板上の外周部に配置されている金属配線204は再びノイズに対するシールドとして機能する。

【0022】

以上のように本発明にかかるパワーモジュールによれば、長期の使用により発生する、パワーモジュールの金属配線層と前記パワーモジュールに接着される放熱器間のはく離に伴う放熱特性の変動を早期に検知するのと同時にパワーモジュールが動作することに伴い発生の懸念があるノイズによる問題の解決も図ることができる。

【0023】

本実施形態では、２つのスイッチ素子を放熱性変動検知機構の素子と別チップとして記載してあるが、これらを同一チップにまとめた形にしても良い。また、三相ブラシレスモータの駆動回路を1パッケージに搭載したモジュールの例として示しているが、本発明はこれに限られるものではなく、種々の用途のパワーモジュールに適用することができる。

【0024】

なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。

【符号の説明】

【0025】

１ パワーモジュール
２，１２ 接着層（半田）
３ 放熱器
１１，２１ パワー素子
１３，２３ DBC基板
１４，２４ ダイオード
１５，２５ 放熱性変動検知機構
２６ スイッチ
１０１，２０１ 絶縁性基板
１０２，１０３，１０４，２０２，２０３，２０４ 金属層
１５１，２５１ 定電流回路
１５２，２５２ 大電流測定電流切換回路
１５３，２５３ VF検出回路
１５４，２５４ 判定回路及び出力回路
a，b ノード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】