JP2006108308A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の温度を精度よく検出できる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体素子５の熱を放熱する放熱板３と温度検出手段２とを備えた半導体装置において、放熱板３と温度検出手段２との間に、該放熱板よりも熱伝導率の低い断熱手段４を配置したことを特徴とする半導体装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、作動時に発熱する半導体素子を有する半導体装置に関し、特に、半導体素子の温度を検出する温度センサを備えた半導体装置に関する。

パワーモジュールを制御するＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子は、作動時に温度が上昇するため、熱破壊を抑制するための対策を講じることが求められる。特に、半導体素子を含むパワーモジュールの小型化が進行するにつれて作動時の電流密度が増大し、発熱の局所化が顕著になったことから、半導体素子の温度が大幅に上昇するようになった。

このため、パワーモジュールに温度センサを設けて温度変化を検出し、所定の温度を超えた場合には、パワーモジュールへの電力供給を制限する等の制御を行う試みがなされている。

パワーモジュールを構成するＩＧＢＴの温度を検出する半導体装置として、ＩＧＢＴ等が発した熱を良熱伝導層へ伝達し、良熱伝導層に取り付けられた温度センサにより温度を検出する検出構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。図４は、特許文献１記載の半導体装置の分解斜視図を示す。ヒートシンクとして機能する放熱板２００の一方の主面部２００ａ上に凹部９００を形成し、この凹部９００内に放熱板２００よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層３００を配置する。そして、この良熱伝導層３００上に絶縁層４００を介して金属配線層５００を設け、この金属配線層５００に半導体素子（ＩＧＢＴ）６００を実装すると共に、温度センサ１００を良熱伝導層３００に密着させて取り付ける。また、凹部９００の底面と良熱伝導層３００との間には空気層が形成される。当該温度検出構造によれば、空気層による断熱効果によって均一化された温度が熱伝導層３００を伝わって温度センサ１００により検出される。
特開２００４−３１４８５号公報

しかしながら、特許文献１記載の温度検出構造では、半導体素子の温度を精度よく検出することができないという問題がある。半導体素子から発生した熱は、絶縁層４００と金属配線層５００を熱伝導するので、温度センサ１００により検出される温度と半導体素子には温度差が生じることが避けられない。特に、大電力により発熱した場合、絶縁層４００を通過する際に生じる温度低下を無視できない。

また、複数の半導体素子のうち、特定の半導体素子が許容温度よりも高くなった場合でもその他の半導体素子の温度と平均化されてしまうので、温度センサ１００は温度上昇を的確に検出することができない。また、瞬間的に発熱するような場合も、絶縁層４００の熱抵抗と熱伝導層３００の熱容量により、温度変化が平均化されてしまうため瞬時的な温度上昇の検出が困難である。

このように、従来の温度検出構造では温度を正確に検出できない。かかる不都合をカバーするために、半導体素子の定格に多めのマージンを見込むこととすると、半導体素子のコスト増をもたらす。また、マージンが含まれているので、半導体素子の定格まで温度上昇を許容できず、半導体素子の性能を充分に使用できないでいた。

本発明は、上記問題に鑑み、半導体素子の温度を精度よく検出できる半導体装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため本発明は、半導体素子の熱を放熱する放熱板と温度検出手段とを備えた半導体装置において、放熱板と温度検出手段との間に、該放熱板よりも熱伝導率の低い断熱手段を配置した、ことを特徴とする。本発明によれば、断熱手段により温度検出手段の近傍の熱勾配が小さくなるため半導体素子の温度を精度よく検出することができる。本発明の半導体装置は、好適には一対の放熱板を有し、断熱手段は一方の放熱板と温度検出手段との間に設けられる。“放熱板と温度検出手段との間”であるので、断熱手段は、温度検出手段よりも放熱板寄りに、放熱板の垂線方向から見て温度検出手段と重なるように配設される。断熱手段は、放熱板の垂線方向から見て温度検出手段と完全に重なるように配設されていなくともよく、一部が温度検出手段と重なるように配置されていてもよい。また、半導体装置の小型化を考慮すれば、断熱手段は放熱板及び／又は温度検出手段と密接していることが好適である。

また、本発明の一形態において、断熱手段は、放熱板の垂線方向から見て半導体素子と重複部分のないように配設されることが好適である。これにより、半導体素子からの発熱を良好に放熱することができる。

また、本発明の半導体装置の一形態において、断熱手段は、半導体素子の略中心から放熱板へ下ろした垂線にかからない領域に、配設されていることを特徴とする。したがって、少なくとも半導体素子の略半分は断熱手段に覆われることがないように断熱手段と半導体素子との位置が定められる。本発明により、半導体素子からの発熱を良好に放熱できる。また、半導体素子の発熱が少なければ、半導体素子の全体と重複するように配設してもよい。

また、本発明の半導体装置の一形態において、半導体装置が並設された複数の半導体素子を有するような場合、断熱手段又は温度検出手段は、放熱板の垂線方向から見て、並設された半導体素子の略中央に配設されることを特徴とする。略中央とは、完全に中央であることではなく、併設された各半導体素子の温度を検出できるように配設されていることをいう。これにより、一つの温度検出手段により複数の半導体素子の温度を応答性を損なわないで精度よく検出することが可能となる。

また、本発明の半導体装置の一形態において、断熱手段は、放熱板の半導体素子側の面に設けられた凹部に配設されることを特徴とする。放熱板を凹ませ、該凹部に断熱手段を設けることで、半導体装置に断熱手段を設けたことによる厚みの増加を抑制できる。なお、断熱手段は、凹部内に完全に配設されていなくともよく、一部が凹部から突出していてもよい。

また、本発明の半導体装置の一形態において、断熱手段は、断熱材又は空気層により構成されていることを特徴とする。断熱手段の熱伝導率は、上述の如く、少なくとも放熱板よりも低ければよく、また、設計事項であるが、熱伝導率が充分に低い樹脂等の断熱材や空気層を用いることで、断熱手段の厚みを薄くすることが可能となる。

また、断熱手段は、放熱板と温度検出手段とを接着する接着剤により構成されていてもよい。接着剤の熱伝導率が、温度検出手段の近傍の熱勾配が小さくし温度を精度よく検出するために充分であれば、接着剤を断熱手段として兼ねることで、製造工程を短縮できコストの低減が可能となる。

半導体素子の温度を精度よく検出できる半導体装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態における半導体装置の概略断面図を示す。該半導体装置は、ＩＧＢＴ等の半導体素子である発熱体５及び温度センサ２を一対の放熱板３の間に有するように構成される。

一方の放熱板３は、発熱体５側の面に凹部を有し、該凹部に断熱手段４が配設されている。断熱手段４には、温度センサ２が密接される。したがって、断熱手段４と温度センサ２は、放熱板３の垂線方向（Ｄ方向）から見て重なるように配置される。また、断熱手段４は、放熱板３の垂線方向から見て重ならないように設けられることが好適である。かかる構造により放熱が良好に行われる。なお、一対の放熱板３の間は、エポキシ等で満たされており、温度センサ２の直下部分には、半導体素子や回路、配線等の発熱構造は設けられない。

放熱板３は、アルミニウム、銅等の金属材料が板状に成形されてなるものであり、発熱体５で発生した熱を外部に放熱するヒートシンクとしての機能を有している。放熱板３に、冷却水等の流路を形成してもよい。断熱手段４は、ポリイミド等の樹脂や空気、真空断熱材等の断熱材が板状に形成されたものである。断熱手段４として用いる断熱材は設計事項であり、少なくとも放熱板３よりも熱伝導率が低ければよく、ポリイミド等に限定されない。温度センサ２は、発熱体５の定格温度範囲よりも若干広い範囲で温度検出可能なダイオードを用いることが好適ある。断熱手段４と放熱板３とはどのように製造してもよいが、半導体製造プロセスで一体成形することが好適である。また、後述のように必ずしも凹部に断熱手段を設けなくともよい。

発熱体５は、大容量パワーモジュールを制御する半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）である。本実施の形態では、半導体スイッチを例にして説明するが、発熱体５は、作動時に発熱する半導体素子（ダイオード、ＣＰＵコア等）であればよい。すなわち、本実施の形態は、作動時に発熱する半導体素子を有するあらゆる半導体装置に対して有効に適用可能である。

図１のような半導体装置では、温度センサ２と放熱板３との間には断熱手段４が備えられているため温度センサ２は冷却されにくく、温度センサ２近傍の温度を正確に検出できる。

発熱体５は、オンオフの切り替えを制御し電流が流れることで発熱する。発熱体５が発した熱は周囲にほぼ均等に伝導されるが、熱伝導率の高い放熱板３の方向Ａ又はＡ’へ多く流れる。放熱板３へ到達した熱は、外気温等により冷却される。これに対し、半導体装置内部の方向Ｂや断熱手段４の方向へ伝わる熱は、熱伝導率の低い断熱手段４を超えなければ放熱板３に到達できないので、方向Ｂや断熱手段４の方向へ伝わる熱は放熱されにくい。したがって、温度センサ２とその近傍には温度勾配が発生せず、発熱体５と温度センサ２の温度は同程度となる。すなわち、温度センサ２は、発熱体５の温度を精度よく検出できることとなる。なお、下側の放熱板３は断熱手段４を備えていないので、方向Ｂに伝わった熱は下側の放熱板３により放熱されこととなり、温度センサ２（断熱手段４）の下部に熱が滞留することが防止される。

図２は、半導体装置の長手方向の位置と温度との関係を示すグラフである。グラフの温度は温度センサ２と同程度の高さ位置（例えば図１のＴ１，Ｔ２の位置）で測定したものである。図２に示すように、グラフ中の“発熱部”の温度は“センサ部”の付近の温度よりも低い。発熱部（Ｔ１，Ｔ２の位置）で検出される温度は、放熱板３により放熱され低下するためである。これに対し、上述の如く断熱手段４の断熱効果により、温度センサ２により検出される温度は、発熱体５の温度と同程度となる。すなわち、発熱体５の温度を監視する場合、温度センサ２により検出される温度（図２のピーク温度）に基づき、発熱体５の定格温度を超えないように制御を行えばよい。温度が所定の値、例えば発熱体５の定格温度を超えそうな場合には、温度の上昇を検出して当該発熱体５への電力供給を制限する等、予め定めた制御を行うことが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態の半導体装置は、発熱体５の温度を精度よく測定できる。また、温度センサ２と発熱体５の間に熱容量のある構造がないことから、発熱体５の温度変化がそのまま温度センサ２に伝わるため、応答性よく温度を検出できる。また、マージンを見込んだ半導体素子を使用する必要がないためコストを削減でき、半導体素子の定格まで電流を流すことが可能となる。また、マージンを見込む必要がないため設計も容易になる。

〔変形例〕
本実施の形態の変形例を説明する。図３（ａ）は、各発熱体毎に温度センサ及び断熱手段を有する半導体装置の斜視図を示す。図３（ａ）の半導体装置では、温度センサ２１が発熱体５１及び発熱体５２の温度を検出し、温度センサ２２が発熱体５２の温度を検出するように構成される。温度センサ２１は断熱手段４１を介して、温度センサ２２は断熱手段４２を介して、それぞれ放熱板３と密接している。

発熱体５２の温度が異常に上昇し発熱体５１は正常な場合、温度センサ２１及び２２が温度上昇を検出する。発熱体５１の温度が異常に上昇し発熱体５２は正常な場合、温度センサ２１が温度上昇を検出する。また、発熱体５１及び５２の温度が異常に上昇した場合、温度センサ２１及び２２が温度上昇を検出すると共に、温度センサ２１が温度センサ２２よりも高い温度を検出する。したがって、各発熱体毎に温度センサを有することで、異常に温度が上昇した発熱体を特定して検出できる。

図３（ｂ）は、複数の発熱体の温度を一つの温度センサで検出する半導体装置の平面図を示す。図３（ｂ）の半導体装置では、温度センサ２が並設された発熱体５１ないし５４の温度を検出する。温度センサ２は、併設された発熱体５１ないし５４の略中央に設けられているので、いずれかが一つでも異常に温度上昇した場合、応答性よく温度の異常を検出することができる。また、２つ以上の発熱体が温度上昇した場合の温度を、温度上昇した発熱体の個数と対応づけて予め保持しておけば、温度上昇した発熱体の個数を検出できる。これにより、温度上昇した発熱体の個数に応じた制御が可能となる。なお、図３（ｂ）では、４つの発熱体の例を示したが、発熱体は、５つであってもよいし６つ以上でもよい。

また、図３（ｃ）に示すように、放熱板３は凹部を有さなくともよく、かかる場合、断熱手段４を放熱板３の半導体素子側の面に設ける。断熱手段４を放熱板３の凹部に設けなければ、凹部を形成する加工にかかるコストを低減できる。また、断熱手段４は樹脂等としたが、例えば放熱板３よりも熱伝導率の低い接着剤等で代用してもよい。かかる場合、温度センサ２の配置が断熱手段４の配置を兼ねることになるので、製造コストを低減できる。

なお、本実施の形態の温度検出構造では、図３（ｃ）に示すように、温度センサ２と断熱手段４とが密接していなくともよく、好適には一対の放熱板３の略中間よりも断熱手段４の側に配置されていればよい。かかる構造により、発熱体５の温度と同程度の温度を温度センサ２により検出できる。

また、断熱手段４が、発熱体５の略中心から放熱板３に下ろした垂線Ｃにはかからない程度に、発熱体５と重なっていてもよい。半導体装置の小型化の要求に応じて断熱手段４と発熱体５とが近接する場合、発熱体５の発熱量に応じて重畳領域が設計される。

また、図３（ｄ）のように、温度センサ２及び断熱手段４が発熱体５と重なるように配置されていてもよい。図３（ｄ）のような構造の場合、発熱体５に近接して温度センサ２があるため、温度センサ２は発熱体５の温度を応答性よく検出できる。断熱手段４が上側の放熱板３からの放熱を困難にし、温度センサ２により検出される温度が定格温度を超えやすい場合には、発熱体５の発熱量が比較的少なく、発熱体５の温度をより精度よく検出する場合に好適である。

本実施の形態における半導体装置の概略断面図である。 半導体装置の長手方向の位置と該位置の温度との関係を示すグラフある。 本実施の形態における半導体装置の他の例を示す図である。 従来の半導体装置の一例を示す図である。

符号の説明

２ 温度センサ
３ 放熱板
４ 断熱手段
５ 発熱体

Claims (7)

1. 半導体素子の熱を放熱する放熱板と温度検出手段とを備えた半導体装置において、
   前記放熱板と前記温度検出手段との間に、該放熱板よりも熱伝導率の低い断熱手段を配設した、ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記断熱手段は、前記放熱板の垂線方向から見て、前記半導体素子と重ならないように配設されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記断熱手段は、前記半導体素子の略中心から前記放熱板へ下ろした垂線にかからない領域に、配設されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 並設された半導体素子を有し、
   前記断熱手段は、前記放熱板の垂線方向から見て、並設された半導体素子の略中央に配設されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 前記断熱手段は、前記放熱板の半導体素子側の面に設けられた凹部に配設されることを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載の半導体装置。
6. 前記断熱手段は、断熱材又は空気層により構成されていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか記載の半導体装置。
7. 前記断熱手段は、前記放熱板と前記温度検出手段とを接着する接着剤により構成されていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか記載の半導体装置。

Images