JP2022160154A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度センサの測定精度の劣化を抑制できる半導体装置を提供する。【解決手段】第一面及び該第一面と背合わせとなる第二面を有する基板本体と、前記第一面に実装されたパワー半導体素子と、前記第二面に接触する冷却器と、前記パワー半導体素子の温度を測定する温度センサと、を備え、前記温度センサは、前記基板本体よりも前記パワー半導体素子の実装されている側である第一側に設けられるとともに、前記パワー半導体素子よりも前記基板本体の前記第一面から離間した位置に設けられている半導体装置。【選択図】図１
Description
本開示は、半導体装置に関する。
特許文献１には、インバータ等の電力変換器に用いられるパワー半導体素子が開示されている。パワー半導体素子は、電力の変換や、昇圧及び降圧する回路の一部を担っており、大きな電流を扱うため、大量の熱を発生する。このため、冷却器でパワー半導体素子を冷却しつつ、電力変換器の制御装置は、温度センサを用いてパワー半導体素子の温度をモニタリングする必要がある。
温度センサは、例えば、パワー半導体素子が実装される基板と同一の基板において、パワー半導体素子から面内方向に離間して実装される場合がある。温度センサは、実装される箇所において、パワー半導体素子から伝導する熱の温度を測定する。この温度センサの測定結果により、制御装置は、パワー半導体素子の温度を間接的にモニタリングすることが可能となっている。
ところで、昨今は、パワー半導体素子がより大きな電流を扱えるように、パワー半導体素子を冷却する冷却器の冷却性能の向上が望まれている。パワー半導体素子の冷却器の冷却性能が向上すればするほど、パワー半導体素子の熱は面内方向には放散されにくくなる。このように、パワー半導体素子の熱が面内方向へ放散されにくくなると、温度センサが実装される箇所まで伝導する熱量が減少するため、パワー半導体素子の温度上昇に対する温度センサの測定精度が劣化する可能性がある。
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、温度センサの測定精度の劣化を抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示に係る半導体装置は、第一面及び該第一面と背合わせとなる第二面を有する基板本体と、前記第一面に実装されたパワー半導体素子と、前記第二面に接触する冷却器と、前記パワー半導体素子の温度を測定する温度センサと、を備え、前記温度センサは、前記基板本体よりも前記パワー半導体素子の実装されている側である第一側に設けられるとともに、前記パワー半導体素子よりも前記基板本体の前記第一面から離間した位置に設けられている。
本開示によれば、温度センサの測定精度の劣化を抑制できる半導体装置を提供することができる。
［第一実施形態］
（半導体装置）
以下、本開示の第一実施形態に係る半導体装置について、図面を参照して説明する。
本実施形態の半導体装置は、例えば、インバータやコンバータ等の電力変換器が備える電力変換回路の一部を構成している。
本実施形態における半導体装置は、直流電流を入力とし、交流電流を出力とするインバータに用いられる。
（半導体装置）
以下、本開示の第一実施形態に係る半導体装置について、図面を参照して説明する。
本実施形態の半導体装置は、例えば、インバータやコンバータ等の電力変換器が備える電力変換回路の一部を構成している。
本実施形態における半導体装置は、直流電流を入力とし、交流電流を出力とするインバータに用いられる。
図１は、第一実施形態に係る半導体装置を横から見た図である。図１に示すように、本実施形態の半導体装置１は、基板１０と、パワー半導体素子２０と、冷却器３０と、リードフレーム４０と、絶縁基板５０と、温度センサ６０と、を備えている。
（基板）
基板１０は、基板本体１１と、入力回路Ｃｉと、出力回路Ｃｏと、制御回路Ｃｎと、接合パターンＣｂと、を有している。
基板本体１１は、平板状を成す部材である。基板本体１１は、第一面１１ａ及び該第一面１１ａの裏側に位置する第二面１１ｂを有している。即ち、基板本体１１の第一面１１ａと第二面１１ｂとは背合わせとなっている。
基板１０は、基板本体１１と、入力回路Ｃｉと、出力回路Ｃｏと、制御回路Ｃｎと、接合パターンＣｂと、を有している。
基板本体１１は、平板状を成す部材である。基板本体１１は、第一面１１ａ及び該第一面１１ａの裏側に位置する第二面１１ｂを有している。即ち、基板本体１１の第一面１１ａと第二面１１ｂとは背合わせとなっている。
以下、本実施形態において基板本体１１が延びている方向（図１における紙面奥行方向及び上下方向）を面内方向Ａと称する。
本実施形態において、基板本体１１には、例えばセラミック等が採用される。
なお、基板本体１１には、紙フェノール、紙エポキシ、ガラスコンポジット、ガラスエポキシ、ガラスポリイミド、フッ素樹脂等を採用してもよい。
本実施形態において、基板本体１１には、例えばセラミック等が採用される。
なお、基板本体１１には、紙フェノール、紙エポキシ、ガラスコンポジット、ガラスエポキシ、ガラスポリイミド、フッ素樹脂等を採用してもよい。
入力回路Ｃｉ、出力回路Ｃｏ、及び制御回路Ｃｎは、基板本体１１の第一面１１ａにおいて、面内方向Ａに互いに離間してそれぞれ形成されている銅箔等のパターンである。より詳しくは、これら回路は、基板本体１１の第一面１１ａにろう付け等がなされて基板本体１１と一体に形成されており、基板本体１１上においてそれぞれが独立した回路パターンを形成している。
入力回路Ｃｉには、半導体装置１への入力である直流電流が、基板本体１１の一部から延びている入力用のバスバー（図示無し）を介して基板１０外部から入力される。
出力回路Ｃｏは、入力回路Ｃｉから面内方向Ａに離間して形成されている。出力回路Ｃｏは、基板本体１１の一部から延びている出力用のバスバー（図示無し）を介して、基板１０の外部に設けられた装置に、半導体装置１によって変換された交流電流を出力する。
出力回路Ｃｏは、入力回路Ｃｉから面内方向Ａに離間して形成されている。出力回路Ｃｏは、基板本体１１の一部から延びている出力用のバスバー（図示無し）を介して、基板１０の外部に設けられた装置に、半導体装置１によって変換された交流電流を出力する。
本実施形態における制御回路Ｃｎの詳細な構成については後述する。
接合パターンＣｂは、基板本体１１の第二面１１ｂに設けられている銅箔等のパターンである。接合パターンＣｂは、後述の冷却器３０を接合するために第二面１１ｂの全体にわたってろう付け等がなされて基板本体１１と一体に形成されている。
接合パターンＣｂは、基板本体１１の第二面１１ｂに設けられている銅箔等のパターンである。接合パターンＣｂは、後述の冷却器３０を接合するために第二面１１ｂの全体にわたってろう付け等がなされて基板本体１１と一体に形成されている。
第一面１１ａに形成されている上記入力回路Ｃｉ、出力回路Ｃｏ、及び制御回路Ｃｎと、第二面１１ｂに形成されている接合パターンＣｂとは、電気絶縁材料からなる基板本体１１が間に挟まることで電気的に絶縁されている。
（パワー半導体素子）
パワー半導体素子２０は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ、ＦＷＤ等であり、入力面２０ｂ及び該入力面２０ｂの裏側に位置する出力面２０ａを有する。入力面２０ｂには、電流が入力される入力端子（図示無し）が設けられており、出力面２０ａには、変換された後の電流が出力される出力端子（図示無し）が設けられている。入力端子は、基板本体１１の第一面１１ａに形成されている入力回路Ｃｉに接合材Ｓを介して電気的に接続されている。即ち、パワー半導体素子２０は、基板本体１１の第一面１１ａに実装されている。以下、基板１０とパワー半導体素子２０とが積層される方向（図１における左右方向）を積層方向Ｌと称する。
パワー半導体素子２０は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ、ＦＷＤ等であり、入力面２０ｂ及び該入力面２０ｂの裏側に位置する出力面２０ａを有する。入力面２０ｂには、電流が入力される入力端子（図示無し）が設けられており、出力面２０ａには、変換された後の電流が出力される出力端子（図示無し）が設けられている。入力端子は、基板本体１１の第一面１１ａに形成されている入力回路Ｃｉに接合材Ｓを介して電気的に接続されている。即ち、パワー半導体素子２０は、基板本体１１の第一面１１ａに実装されている。以下、基板１０とパワー半導体素子２０とが積層される方向（図１における左右方向）を積層方向Ｌと称する。
パワー半導体素子２０は、少なくとも、パワートランジスタが回路素子として組み込まれたパワートランジスタ回路（図示無し）を有している。
パワー半導体素子２０は、後述の制御回路Ｃｎより制御ワイヤ７０を介して入力される制御信号を受け入れる。パワー半導体素子２０は、制御回路Ｃｎより入力された制御信号に従ってスイッチングを行う。
パワー半導体素子２０は、後述の制御回路Ｃｎより制御ワイヤ７０を介して入力される制御信号を受け入れる。パワー半導体素子２０は、制御回路Ｃｎより入力された制御信号に従ってスイッチングを行う。
（冷却器）
冷却器３０は、接合材Ｓを介して、基板１０の第二面１１ｂに設けられている接合パターンＣｂに接合されている。冷却器３０は、基部３１と、放熱フィン３２と、を有している。基部３１は、接合材Ｓを介して、基板１０の接合パターンＣｂに接合される接合面３１ａと、該接合面３１ａと背合わせとなり、放熱フィン３２が設けられるフィン面３１ｂと、を有している。放熱フィン３２は、基部３１のフィン面３１ｂから積層方向Ｌに延びるように複数設けられている。
冷却器３０は、接合材Ｓを介して、基板１０の第二面１１ｂに設けられている接合パターンＣｂに接合されている。冷却器３０は、基部３１と、放熱フィン３２と、を有している。基部３１は、接合材Ｓを介して、基板１０の接合パターンＣｂに接合される接合面３１ａと、該接合面３１ａと背合わせとなり、放熱フィン３２が設けられるフィン面３１ｂと、を有している。放熱フィン３２は、基部３１のフィン面３１ｂから積層方向Ｌに延びるように複数設けられている。
これにより、パワー半導体素子２０が発熱した際に、パワー半導体素子２０の熱は、パワー半導体素子２０と入力回路Ｃｉとを接続する接合材Ｓ、入力回路Ｃｉ、基板本体１１、接合パターンＣｂ、基板本体１１と基部３１とを接続する接合材Ｓ、基部３１、放熱フィン３２の順に伝導する。したがって、パワー半導体素子２０の入力面２０ｂから積層方向Ｌに放散される熱は、上記経路を伝搬して、放熱フィン３２によって放散される。
本実施形態において、冷却器３０の基部３１及び放熱フィン３２の材料には、例えばアルミニウムが採用される。なお、冷却器３０の基部３１及び放熱フィン３２には、鉄、銅、セラミック等を採用してもよい。
冷却器３０の放熱フィン３２は、冷媒が流れる冷媒流路（詳細は図示無し）に浸漬されている。図１に、二点鎖線で冷媒流路の概形を示し、冷媒の流れＷを右向きの矢印で示す。放熱フィン３２は、冷媒流路内を流れる冷媒と常時熱交換を行い、パワー半導体素子２０から伝導する熱を水冷方式によって放散している。本実施形態において、冷媒には、例えば水が採用される。なお、冷媒には、水以外の液体を採用してもよい。
（リードフレーム）
リードフレーム４０は、パワー半導体素子２０と出力回路Ｃｏとを橋渡しすることで、両者を電気的に接続する導体である。リードフレーム４０は、一端が出力回路Ｃｏに接続され、他端がパワー半導体素子２０に接続されている。より詳しくは、リードフレーム４０の上記一端は、接合材Ｓを介して、基板本体１１の第一面１１ａに形成された出力回路Ｃｏに接続されている。リードフレーム４０の上記他端は、パワー半導体素子２０の出力面２０ａの少なくとも一部を覆うようにして、接合材Ｓを介して出力面２０ａに設けられた出力端子に接続されている。本実施形態において、リードフレーム４０には、例えば銅クリップが採用される。
リードフレーム４０は、パワー半導体素子２０と出力回路Ｃｏとを橋渡しすることで、両者を電気的に接続する導体である。リードフレーム４０は、一端が出力回路Ｃｏに接続され、他端がパワー半導体素子２０に接続されている。より詳しくは、リードフレーム４０の上記一端は、接合材Ｓを介して、基板本体１１の第一面１１ａに形成された出力回路Ｃｏに接続されている。リードフレーム４０の上記他端は、パワー半導体素子２０の出力面２０ａの少なくとも一部を覆うようにして、接合材Ｓを介して出力面２０ａに設けられた出力端子に接続されている。本実施形態において、リードフレーム４０には、例えば銅クリップが採用される。
（絶縁基板）
絶縁基板５０は、リードフレーム４０と接合材Ｓを介して接触している絶縁部材である。絶縁基板５０は、絶縁基板本体５１と、接合パターンＣｂと、を有している。
絶縁基板本体５１は、平板状を成す部材である。絶縁基板本体５１は、絶縁面５１ｂ及び該絶縁面５１ｂの裏側に位置するセンサ実装面５１ａを有している。即ち、絶縁基板本体５１の絶縁面５１ｂとセンサ実装面５１ａとは背合わせとなっている。
絶縁基板５０は、リードフレーム４０と接合材Ｓを介して接触している絶縁部材である。絶縁基板５０は、絶縁基板本体５１と、接合パターンＣｂと、を有している。
絶縁基板本体５１は、平板状を成す部材である。絶縁基板本体５１は、絶縁面５１ｂ及び該絶縁面５１ｂの裏側に位置するセンサ実装面５１ａを有している。即ち、絶縁基板本体５１の絶縁面５１ｂとセンサ実装面５１ａとは背合わせとなっている。
本実施形態において、絶縁基板本体５１には、例えばセラミック等が採用される。なお、絶縁基板本体５１には、紙フェノール、紙エポキシ、ガラスコンポジット、ガラスエポキシ、ガラスポリイミド、フッ素樹脂等が採用されてもよい。
本実施形態における接合パターンＣｂは、絶縁基板５０の絶縁面５１ｂ及びセンサ実装面５１ａに設けられている銅箔等のパターンである。より詳しくは、接合パターンＣｂは、絶縁基板本体５１の絶縁面５１ｂ及びセンサ実装面５１ａの一面にそれぞれろう付け等がなされて絶縁基板本体５１と一体に形成されている。絶縁面５１ｂに形成されている接合パターンＣｂと、センサ実装面５１ａに形成されている接合パターンＣｂとは、絶縁基板本体５１が間に挟まることで電気的に絶縁されている。
絶縁面５１ｂに形成された接合パターンＣｂは、接合材Ｓを介してリードフレーム４０に接続されている。センサ実装面５１ａに形成された接合パターンＣｂには、一端が半導体装置１外部の電力変換器の制御装置（図示無し）に接続されたセンサ導線（図示無し）の他端が接続されている。センサ導線は、センサ実装面５１ａに実装された温度センサ６０を動作させるための電流を制御装置から供給するとともに、温度センサ６０が出力する測定結果としての応答信号を制御装置に取り出す。
上記パワー半導体素子２０と基板１０の入力回路Ｃｉ、冷却器３０の基部３１と基板１０の接合パターンＣｂ、リードフレーム４０と出力回路Ｃｏ、リードフレーム４０とパワー半導体素子２０、及びリードフレーム４０と絶縁基板５０の接合パターンＣｂとを接続している接合材Ｓには、例えば、半田等が採用される。なお、焼結材（金属やセラミック等の粉末）を接合材Ｓとして採用してもよい。また、冷却器３０の基部３１と基板１０の接合パターンＣｂ、リードフレーム４０と絶縁基板５０の接合パターンＣｂとを接続する接合材Ｓには、接着剤を採用してもよい。
（温度センサ）
温度センサ６０は、絶縁基板５０のセンサ実装面５１ａに形成された接合パターンＣｂに実装されている。温度センサ６０は、絶縁基板５０上の接合パターンＣｂの実装箇所における温度を測定するセンサである。本実施形態において、温度センサ６０には、例えばサーミスタが採用される。なお、温度センサ６０には、測温抵抗体等を採用してもよい。
温度センサ６０は、絶縁基板５０のセンサ実装面５１ａに形成された接合パターンＣｂに実装されている。温度センサ６０は、絶縁基板５０上の接合パターンＣｂの実装箇所における温度を測定するセンサである。本実施形態において、温度センサ６０には、例えばサーミスタが採用される。なお、温度センサ６０には、測温抵抗体等を採用してもよい。
温度センサ６０は、基板１０よりもパワー半導体素子２０の実装されている側である第一側に設けられるとともに、パワー半導体素子２０よりも基板本体１１の第一面１１ａから離間した位置に設けられている。本実施形態における温度センサ６０は、更に、積層方向Ｌにおいて、リードフレーム４０がパワー半導体素子２０と重なる領域に位置している。
パワー半導体素子２０から放散される熱は、積層方向Ｌにおいて、パワー半導体素子２０とリードフレーム４０とを接続する接合材Ｓ、リードフレーム４０、リードフレーム４０と接合パターンＣｂとを接続する接合材Ｓ、接合パターンＣｂ、絶縁基板５０、接合パターンＣｂ、温度センサ６０の順に伝導する。センサ実装面５１ａにおける温度センサ６０の実装箇所は上記経路を経て伝導した熱により温められる。本実施形態において、温度センサ６０は、積層方向Ｌから見た時にパワー半導体素子２０の略中央の位置に設けられる構成が望ましい。
（制御回路）
制御回路Ｃｎは、基板本体１１の第一面１１ａにおいて入力回路Ｃｉから面内方向Ａに離間して設けられている。制御回路Ｃｎには、パワー半導体素子２０を制御するための電気信号を該制御回路Ｃｎから送信可能とする制御ワイヤ７０が接続されている。制御ワイヤ７０は、一端が制御回路Ｃｎに電気的に接続されており、他端がパワー半導体素子２０の制御信号の入力用端子（図示無し）に電気的に接続されている。
制御回路Ｃｎは、基板本体１１の第一面１１ａにおいて入力回路Ｃｉから面内方向Ａに離間して設けられている。制御回路Ｃｎには、パワー半導体素子２０を制御するための電気信号を該制御回路Ｃｎから送信可能とする制御ワイヤ７０が接続されている。制御ワイヤ７０は、一端が制御回路Ｃｎに電気的に接続されており、他端がパワー半導体素子２０の制御信号の入力用端子（図示無し）に電気的に接続されている。
制御回路Ｃｎには、パワー半導体素子２０の制御信号を生成する制御部（図示無し）が接続されている。これにより、制御回路Ｃｎは、制御ワイヤ７０を介してパワー半導体素子２０に上記制御部で生成した制御信号を入力することができる。本実施形態において、制御ワイヤ７０には、例えばアルミニウムが採用される。なお、制御ワイヤ７０には、銅や金等を採用してもよい。
（作用効果）
上記第一実施形態に係る半導体装置１は、第一面１１ａ及び該第一面１１ａと背合わせとなる第二面１１ｂを有する基板本体１１と、第一面１１ａに実装されたパワー半導体素子２０と、第二面１１ｂに接触する冷却器３０と、パワー半導体素子２０の温度を測定する温度センサ６０と、を備え、温度センサ６０は、基板本体１１よりもパワー半導体素子２０の実装されている側である第一側に設けられるとともに、パワー半導体素子２０よりも基板本体１１の第一面１１ａから離間した位置に設けられている。
上記第一実施形態に係る半導体装置１は、第一面１１ａ及び該第一面１１ａと背合わせとなる第二面１１ｂを有する基板本体１１と、第一面１１ａに実装されたパワー半導体素子２０と、第二面１１ｂに接触する冷却器３０と、パワー半導体素子２０の温度を測定する温度センサ６０と、を備え、温度センサ６０は、基板本体１１よりもパワー半導体素子２０の実装されている側である第一側に設けられるとともに、パワー半導体素子２０よりも基板本体１１の第一面１１ａから離間した位置に設けられている。
このような構成によれば、パワー半導体素子２０から温度センサ６０に伝導する熱が、パワー半導体素子２０が実装される基板１０の面内方向Ａにおける熱放散の影響を受けない。そのため、例えば、冷却器３０の性能が向上して、基板１０の面内方向Ａにおける熱放散が小さくなった場合であっても、温度センサ６０の測定精度が低下することを抑制できる。
また、上記第一実施形態に係る半導体装置１は、パワー半導体素子２０に接続されているリードフレーム４０と、リードフレーム４０と温度センサ６０とに熱伝導可能に接続し、リードフレーム４０と温度センサ６０とを電気的に絶縁する絶縁基板５０と、をさらに備える。
このような構成によれば、温度センサ６０が、パワー半導体素子２０の入力及び出力に係る回路に影響を及ぼすことがない。したがって、パワー半導体素子２０の回路設計の自由度を低下させることがない。
また、基板１０とパワー半導体素子２０とが積層される積層方向Ｌにおいて、温度センサ６０は、リードフレーム４０がパワー半導体素子２０と重なる領域に位置している。
このような構成によれば、温度センサ６０は、パワー半導体素子２０において生じる熱が損失無く伝導する箇所に位置している。したがって、温度センサ６０が測定する箇所の温度を、パワー半導体素子２０の実温度に近づけることができる。
また、上記第一実施形態に係る半導体装置１において、冷却器３０は、基板１０の第二面１１ｂに接触する基部３１と、基部３１から積層方向Ｌ他方側に向かって延びる放熱フィン３２と、を有している。
このような構成によれば、冷却器３０が温度センサ６０の測定する箇所を冷却することがない。したがって、温度センサ６０の測定値に影響を与えることなく、パワー半導体素子２０を冷却できる。
［第二実施形態］
以下、本開示の第二実施形態に係る半導体装置について図２及び図３を参照して説明する。第二実施形態では、第一実施形態の半導体装置１が備えるパワー半導体素子２０、リードフレーム４０、及び制御回路Ｃｎの構成が一部異なる。第一実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図２は、第二実施形態に係る半導体装置を横から見た図である。図２に示すように、本実施形態の半導体装置１は、複数のパワー半導体素子２０を備えている。
以下、本開示の第二実施形態に係る半導体装置について図２及び図３を参照して説明する。第二実施形態では、第一実施形態の半導体装置１が備えるパワー半導体素子２０、リードフレーム４０、及び制御回路Ｃｎの構成が一部異なる。第一実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図２は、第二実施形態に係る半導体装置を横から見た図である。図２に示すように、本実施形態の半導体装置１は、複数のパワー半導体素子２０を備えている。
（パワー半導体素子）
複数のパワー半導体素子２０は、入力面２０ｂ及び該入力面２０ｂの裏側に位置する出力面２０ａをそれぞれ有している。複数のパワー半導体素子２０は、接合材Ｓを介して、入力面２０ｂに設けられている入力端子（図示無し）が、基板本体１１の第一面１１ａに設けられている入力回路Ｃｉにそれぞれ電気的に接続されている。即ち、複数のパワー半導体素子２０は、基板本体１１の第一面１１ａに実装されている。
複数のパワー半導体素子２０は、入力面２０ｂ及び該入力面２０ｂの裏側に位置する出力面２０ａをそれぞれ有している。複数のパワー半導体素子２０は、接合材Ｓを介して、入力面２０ｂに設けられている入力端子（図示無し）が、基板本体１１の第一面１１ａに設けられている入力回路Ｃｉにそれぞれ電気的に接続されている。即ち、複数のパワー半導体素子２０は、基板本体１１の第一面１１ａに実装されている。
本実施形態においては、三つのパワー半導体素子２０が基板本体１１の第一面１１ａにおいて並列に実装されている。基板本体１１の第一面１１ａにおいて並列に実装される三つのパワー半導体素子２０のうち、二つのパワー半導体素子２０に挟まれる中央のパワー半導体素子２０は、二つのパワー半導体素子２０から放散される熱の影響を受けるため、温度が比較的高くなりやすい。
（冷却器）
冷却器３０は、接合材Ｓを介して、基板１０の第二面１１ｂに設けられている接合パターンＣｂに接合されている。冷却器３０は、上記第一実施形態と同様の構成を成している。
冷却器３０は、接合材Ｓを介して、基板１０の第二面１１ｂに設けられている接合パターンＣｂに接合されている。冷却器３０は、上記第一実施形態と同様の構成を成している。
図３は、半導体装置１を積層方向Ｌから見た図である。図３に示す半導体装置１においては、制御回路Ｃｎの図示を省略している。
（リードフレーム）
リードフレーム４０は、複数のパワー半導体素子２０と出力回路Ｃｏとを橋渡しすることで、複数のパワー半導体素子２０と出力回路Ｃｏとを電気的に接続する導体である。図３に示すように、リードフレーム４０は、一部が出力回路Ｃｏに接続され、残部のうちの複数部分が複数のパワー半導体素子２０にそれぞれ接続されている。より詳しくは、リードフレーム４０の上記残部は、複数のパワー半導体素子２０の各出力面２０ａの少なくとも一部をそれぞれ覆うとともに直線的にわたって延びて各出力面２０ａに設けられている出力端子に接続されている。
リードフレーム４０は、複数のパワー半導体素子２０と出力回路Ｃｏとを橋渡しすることで、複数のパワー半導体素子２０と出力回路Ｃｏとを電気的に接続する導体である。図３に示すように、リードフレーム４０は、一部が出力回路Ｃｏに接続され、残部のうちの複数部分が複数のパワー半導体素子２０にそれぞれ接続されている。より詳しくは、リードフレーム４０の上記残部は、複数のパワー半導体素子２０の各出力面２０ａの少なくとも一部をそれぞれ覆うとともに直線的にわたって延びて各出力面２０ａに設けられている出力端子に接続されている。
（絶縁基板）
絶縁基板５０は、リードフレーム４０と接触している絶縁部材である。絶縁基板５０は、上記第一実施形態と同様の構成を成している。
絶縁基板５０は、リードフレーム４０と接触している絶縁部材である。絶縁基板５０は、上記第一実施形態と同様の構成を成している。
（温度センサ）
温度センサ６０は、絶縁基板５０のセンサ実装面５１ａに形成された接合パターンＣｂに実装されている。温度センサ６０は、絶縁基板５０上の接合パターンＣｂの実装箇所における温度を測定するセンサである。温度センサ６０は、積層方向Ｌにおいて、リードフレーム４０がパワー半導体素子２０と重なる領域に位置している。本実施形態において、温度センサ６０は、基板１０に並列に実装された三つのパワー半導体素子２０のうち、中央のパワー半導体素子２０とリードフレーム４０とが積層方向Ｌにおいて重なる領域の略中央に位置している。
温度センサ６０は、絶縁基板５０のセンサ実装面５１ａに形成された接合パターンＣｂに実装されている。温度センサ６０は、絶縁基板５０上の接合パターンＣｂの実装箇所における温度を測定するセンサである。温度センサ６０は、積層方向Ｌにおいて、リードフレーム４０がパワー半導体素子２０と重なる領域に位置している。本実施形態において、温度センサ６０は、基板１０に並列に実装された三つのパワー半導体素子２０のうち、中央のパワー半導体素子２０とリードフレーム４０とが積層方向Ｌにおいて重なる領域の略中央に位置している。
（制御回路）
制御回路Ｃｎには、パワー半導体素子２０を制御するための電気信号を該制御回路Ｃｎから送信可能とする制御ワイヤ７０が複数本（本実施形態では三本）接続されている。複数の制御ワイヤ７０は、それぞれの一端が制御回路Ｃｎに電気的に接続されており、それぞれの他端が各パワー半導体素子２０の制御信号の入力用端子（図示無し）に電気的に接続されている。
制御回路Ｃｎには、パワー半導体素子２０を制御するための電気信号を該制御回路Ｃｎから送信可能とする制御ワイヤ７０が複数本（本実施形態では三本）接続されている。複数の制御ワイヤ７０は、それぞれの一端が制御回路Ｃｎに電気的に接続されており、それぞれの他端が各パワー半導体素子２０の制御信号の入力用端子（図示無し）に電気的に接続されている。
（作用効果）
上記第二実施形態に係る半導体装置１において、パワー半導体素子２０は、基板本体１１の第一面１１ａにおいて複数が実装され、リードフレーム４０は、複数のパワー半導体素子２０にわたって延びて接続されている。
上記第二実施形態に係る半導体装置１において、パワー半導体素子２０は、基板本体１１の第一面１１ａにおいて複数が実装され、リードフレーム４０は、複数のパワー半導体素子２０にわたって延びて接続されている。
このような構成によれば、温度センサ６０は、複数のパワー半導体素子２０の温度を一括して測定することができる。したがって、例えば、いずれかのパワー半導体素子２０の温度が過度に上昇してしまう異常が生じた場合でも、温度センサ６０の測定値に基づいて、パワー半導体素子２０の過温度保護を実現することができる。
また、上記第二実施形態に係る半導体装置１において、温度センサ６０は、基板１０に並列に実装された三つのパワー半導体素子２０のうち、中央のパワー半導体素子２０とリードフレーム４０とが積層方向Ｌにおいて重なる領域の略中央に位置している。
このような構成によれば、温度センサ６０は、温度が比較的高くなる箇所において温度を測定することができる。したがって、温度センサ６０の測定値に基づくパワー半導体素子２０の過温度保護をより適切に実現することができる。
［その他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は各実施形態の構成に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内での構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本開示は実施形態によって限定されることはない。
以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は各実施形態の構成に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内での構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本開示は実施形態によって限定されることはない。
上記第二実施形態では、リードフレーム４０は、複数のパワー半導体素子２０の各出力面２０ａの少なくとも一部をそれぞれ覆うように、直線状にわたって延びて接続されているが、この構成に限定されることはない。図４に、第二実施形態のリードフレーム４０の変形例を示す。図４に示すように、リードフレーム４０は、出力回路Ｃｏ上における任意の三か所から各パワー半導体素子２０の出力面２０ａに向かって延出するとともに、複数のパワー半導体素子２０の各出力面２０ａの少なくとも一部をそれぞれ覆うように、わたって延びて相互に接続されている構成であってもよい。これにより、上記第二実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
また、上記実施形態では、基板１０に一つのパワー半導体素子２０が実装されている場合、及び三つのパワー半導体素子２０が並列に実装されている場合を例示しているが、パワー半導体素子２０が実装される個数は上記個数に限定されることはない。パワー半導体素子２０は二つ又は四つ以上が実装されてもよい。
例えば、パワー半導体素子２０が並列に二つ実装される場合、温度センサ６０は、積層方向Ｌにおいてリードフレーム４０がパワー半導体素子２０と重なる領域に必ずしも位置していなくてよい。温度センサ６０は、二つのパワー半導体素子２０との間における略中間位置において、実装箇所の温度を測定する構成であってもよい。これにより、二つのパワー半導体素子２０の温度を効率的に測定することができ、上記第二実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
例えば、パワー半導体素子２０が並列に二つ実装される場合、温度センサ６０は、積層方向Ｌにおいてリードフレーム４０がパワー半導体素子２０と重なる領域に必ずしも位置していなくてよい。温度センサ６０は、二つのパワー半導体素子２０との間における略中間位置において、実装箇所の温度を測定する構成であってもよい。これにより、二つのパワー半導体素子２０の温度を効率的に測定することができ、上記第二実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
また、上記実施形態では、温度センサ６０は、積層方向Ｌにおいてリードフレーム４０がパワー半導体素子２０と重なる領域に位置しているが、この構成に限定されることはない。温度センサ６０の少なくとも一部が、積層方向Ｌにおいてリードフレーム４０がパワー半導体素子２０と重なる領域に位置している構成であってもよい。この場合においても、上記実施形態に記載の作用効果を実現することが可能である。
また、上記実施形態では、リードフレーム４０に銅クリップが採用されているが、銅クリップに限定されることはない。少なくとも絶縁基板５０がリードフレーム４０に接触でき、温度センサ６０が絶縁基板５０上において安定してパワー半導体素子２０の温度を測定可能でありさえすれば、リードフレーム４０にはどのような導体を採用してもよい。
また、上記実施形態では、平板状の絶縁基板５０を採用しているが、平板状に限定されることはない。少なくともリードフレーム４０と温度センサ６０とに熱伝導可能に接続し、リードフレーム４０と温度センサ６０とを電気的に絶縁し、温度センサ６０が安定してパワー半導体素子２０の温度を測定可能でありさえすれば、どのような形状の絶縁部材を採用してもよい。
また、上記実施形態では、半導体装置１は、インバータの電力変換回路に用いられるとされているが、インバータの電力変換回路に限定されることはない。半導体装置１は、交流電流を入力とし、直流電流を出力とするコンバータの電力変換回路や、直流電流の電圧の大きさを変更するレギュレータの昇圧回路等の一部を構成してもよい。
［付記］
上記実施形態に記載の半導体装置は、例えば以下のように把握される。
上記実施形態に記載の半導体装置は、例えば以下のように把握される。
（１）第１の態様に係る半導体装置１は、第一面１１ａ及び該第一面１１ａと背合わせとなる第二面１１ｂを有する基板本体１１と、前記第一面１１ａに実装されたパワー半導体素子２０と、前記第二面１１ｂに接触する冷却器３０と、前記パワー半導体素子２０の温度を測定する温度センサ６０と、を備え、前記温度センサ６０は、前記基板本体１１よりも前記パワー半導体素子２０の実装されている側である第一側に設けられるとともに、前記パワー半導体素子２０よりも前記基板本体１１の前記第一面１１ａから離間した位置に設けられている。
これにより、パワー半導体素子２０から温度センサ６０に伝導する熱が、パワー半導体素子２０が実装される基板１０の面内方向Ａにおける熱放散の影響を受けない。そのため、例えば、冷却器３０の性能が向上して、基板１０の面内方向Ａにおける熱放散が小さくなった場合であっても、温度センサ６０の測定精度が低下することを抑制できる。
（２）第２の態様に係る半導体装置１は、（１）の半導体装置１であって、前記パワー半導体素子２０に接続されているリードフレーム４０と、前記リードフレーム４０と前記温度センサ６０とに熱伝導可能に接続し、前記リードフレーム４０と前記温度センサ６０とを電気的に絶縁する絶縁部材と、をさらに備えてもよい。
これにより、温度センサ６０が、パワー半導体素子２０の入力及び出力に係る回路に影響を及ぼすことがない。したがって、パワー半導体素子２０の回路設計の自由度を低下させることがない。
（３）第３の態様に係る半導体装置１は、（２）の半導体装置１であって、前記パワー半導体素子２０は、前記基板本体１１の前記第一面１１ａにおいて複数が実装され、前記リードフレーム４０は、複数の前記パワー半導体素子２０にわたって延びて接続されていてもよい。
これにより、温度センサ６０は、複数のパワー半導体素子２０の温度を一括して測定することができる。したがって、例えば、いずれかのパワー半導体素子２０の温度が過度に上昇してしまう異常が生じた場合でも、温度センサ６０の測定値に基づいて、パワー半導体素子２０の過温度保護を実現することができる。
（４）第４の態様に係る半導体装置１は、（２）または（３）の半導体装置１であって、前記基板本体１１と前記パワー半導体素子２０とが積層される積層方向Ｌにおいて、前記温度センサ６０の少なくとも一部は、前記リードフレーム４０が前記パワー半導体素子２０と重なる領域に位置してもよい。
これにより、温度センサ６０は、パワー半導体素子２０において生じる熱が損失無く伝導する箇所に位置している。したがって、温度センサ６０が測定する箇所の温度を、パワー半導体素子２０の実温度に近づけることができる。
（５）第５の態様に係る半導体装置１は、（１）から（４）のいずれかの半導体装置１であって、前記冷却器３０は、前記基板本体１１の前記第二面１１ｂに接触する基部３１と、該基部３１から延びる放熱フィン３２と、を有してもよい。
これにより、冷却器３０が温度センサ６０の測定する箇所を冷却することがない。したがって、温度センサ６０の測定値に影響を与えることなく、パワー半導体素子２０を冷却できる。
１…半導体装置 １０…基板 １１…基板本体 １１ａ…第一面 １１ｂ…第二面 ２０…パワー半導体素子 ２０ａ…出力面 ２０ｂ…入力面 ３０…冷却器 ３１…基部 ３１ａ…接合面 ３１ｂ…フィン面 ３２…放熱フィン ４０…リードフレーム ５０…絶縁基板 ５１…絶縁基板本体 ５１ａ…センサ実装面 ５１ｂ…絶縁面 ６０…温度センサ ７０…制御ワイヤ Ａ…面内方向 Ｃｂ…接合パターン Ｃｉ…入力回路 Ｃｎ…制御回路 Ｃｏ…出力回路 Ｌ…積層方向 Ｓ…接合材 Ｗ…冷媒の流れ
Claims (5)
- 第一面及び該第一面と背合わせとなる第二面を有する基板本体と、
前記第一面に実装されたパワー半導体素子と、
前記第二面に接触する冷却器と、
前記パワー半導体素子の温度を測定する温度センサと、を備え、
前記温度センサは、前記基板本体よりも前記パワー半導体素子の実装されている側である第一側に設けられるとともに、前記パワー半導体素子よりも前記基板本体の前記第一面から離間した位置に設けられている半導体装置。 - 前記パワー半導体素子に接続されているリードフレームと、
前記リードフレームと前記温度センサとに熱伝導可能に接続し、前記リードフレームと前記温度センサとを電気的に絶縁する絶縁部材と、
をさらに備える請求項１に記載の半導体装置。 - 前記パワー半導体素子は、前記基板本体の前記第一面において複数が実装され、
前記リードフレームは、複数の前記パワー半導体素子にわたって延びて接続されている請求項２に記載の半導体装置。 - 前記基板本体と前記パワー半導体素子とが積層される積層方向において、前記温度センサの少なくとも一部は、前記リードフレームが前記パワー半導体素子と重なる領域に位置する請求項２または３に記載の半導体装置。
- 前記冷却器は、前記基板本体の前記第二面に接触する基部と、該基部から延びる放熱フィンと、を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
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