半导体模块及电力转换装置的制作方法

1.本发明涉及对温度进行检测而进行保护动作的半导体模块及电力转换装置。


背景技术：

2.近年来，为了过热保护，搭载于逆变器模块的lvic(low-voltage integrated circuit)具有温度检测功能。在模块内部产生的热主要由igbt芯片产生。由igbt芯片产生的热经由金属制框体及封装用模塑树脂而到达lvic的温度保护电路(例如，参照专利文献1)。温度保护电路成为针对电动机的过载动作时或冷却扇的故障等模块温度较缓慢上升这样的现象而不可或缺的保护功能。
3.专利文献1：日本特开2011-199150号公报
4.但是，在电机锁定动作或短路动作等igbt芯片的结温tj急剧地上升的暂态动作时，温度tj与温度保护电路的温度tlvic产生温度偏差。因此，存在温度保护不充分的问题。


技术实现要素：

5.本发明就是为了解决上述这样的课题而提出的，其目的在于，得到能够实现充分的温度保护的半导体模块及电力转换装置。
6.本发明涉及的半导体模块的特征在于，具有：开关元件，其具有栅极焊盘；输出部，其具有通过线而与所述开关元件的所述栅极焊盘连接的输出焊盘，所述输出部从所述输出焊盘向所述开关元件输出驱动信号；温度保护电路，其对温度进行检测而进行保护动作；以及导热图案，其与所述输出焊盘连接，从所述输出焊盘朝向所述温度保护电路延伸，将由所述开关元件产生的热传导至所述温度保护电路。
7.发明的效果
8.在本发明中，为了将由开关元件产生的热传导至温度保护电路而设置有从输出焊盘朝向温度保护电路延伸的导热图案。由此，温度保护电路的温度追随于开关元件的温度的暂态变化，因此，温度保护电路能够准确地对开关元件的急剧的温度上升进行检测。因此，即使在电机锁定动作或短路动作等开关元件的温度急剧地上升的动作模式下，也能够实现充分的温度保护，抑制半导体模块的破坏。
附图说明
9.图1是表示实施方式1涉及的半导体模块的俯视图。
10.图2是将实施方式1涉及的输出焊盘和温度保护电路放大的俯视图。
11.图3是表示实施方式1涉及的输出焊盘和温度保护电路的剖视图。
12.图4是表示温度保护电路的电路图。
13.图5是激光修整的动作的流程图。
14.图6是表示实施方式1涉及的导热图案的变形例1的俯视图。
15.图7是表示实施方式1涉及的导热图案的变形例2的俯视图。
16.图8是表示实施方式1涉及的导热图案的变形例3的俯视图。
17.图9是表示实施方式2涉及的半导体模块的俯视图。
18.图10是表示实施方式3涉及的开关元件和输出部的俯视图。
19.图11是将实施方式3涉及的输出焊盘和温度保护电路放大的俯视图。
20.图12是表示电力转换装置的结构的框图，在该电力转换装置中应用了实施方式3涉及的半导体模块。
具体实施方式
21.参照附图，对实施方式涉及的半导体模块及电力转换装置进行说明。对相同或者相应的结构要素标注相同的标号，有时省略重复说明。
22.实施方式1.
23.图1是表示实施方式1涉及的半导体模块的俯视图。该半导体模块是逆变器模块。低压侧驱动用途的lvic 1对u相的开关元件2a、v相的开关元件2b、w相的开关元件2c进行驱动。开关元件2a、2b、2c例如是igbt，具有栅极焊盘3。lvic 1具有输入部4、输出部5a、5b、5c、温度保护电路6、电源电路7、过电流保护电路8、电源下降保护电路9。分别针对u相、v相、w相的开关元件2a、2b、2c而设置有u相的输出部5a、v相的输出部5b、w相的输出部5c。
24.输入部4将来自外部的控制信号传输至输出部5a、5b、5c。输出部5a、5b、5c具有输出焊盘10。输出部5a、5b、5c的输出焊盘10通过线(wire)11而分别与开关元件2a、2b、2c的栅极焊盘3连接。线11是au、ag、cu等金属制线。输出部5a、5b、5c从输出焊盘10向开关元件2a、2b、2c输出驱动信号。
25.温度保护电路6对温度进行检测而进行保护动作。保护动作包含ot保护和vot保护。在ot保护中，在温度保护电路6急剧地温度上升时，使各相的输出部5a、5b、5c的动作停止。在vot保护中，lvic 1自身不进行自我保护，而是由外部的微机对温度保护电路6的输出电压vot的上升进行感知而将控制输入信号切断。
26.电源电路7从外部引入电源电压而向lvic 1内的各电路模块传输。过电流保护电路8在通过外部连接分流电阻而检测到过电流时将开关元件2a、2b、2c切断。电源下降保护电路9在电源电压下降时将开关元件2a、2b、2c切断。
27.图2是将实施方式1涉及的输出焊盘和温度保护电路放大的俯视图。图3是表示实施方式1涉及的输出焊盘和温度保护电路的剖视图。在lvic 1的半导体基板12之上设置有输出焊盘10、温度保护电路6和导热图案13。导热图案13与输出焊盘10连接，导热图案13从输出焊盘10朝向温度保护电路6延伸，重叠于温度保护电路6之上。在导热图案13与温度保护电路6之间设置有绝缘膜(未图示)。因此，导热图案13与温度保护电路6并非电连接，而是热连接。导热图案13通过铝溅射而形成，但也可以由其它金属形成。
28.由开关元件2a、2b、2c产生的热经由线11而传导至输出焊盘10，导热图案13将该热传导至温度保护电路6。此外，线11不仅导电而且导热，因此，优选线11的直径为200～500μm。
29.图4是表示温度保护电路的电路图。在dc电源与接地点之间串联连接有恒流电路cc和温度感测二极管d1。温度感测二极管d1可以是1个，也可以串联连接多个。温度感测二极管d1的阳极电压otvf经由电阻r1而被输入至运算放大器oa的-输入端子。在运算放大器
oa的输出端子与-输入端子之间连接有电阻r2。在基准电压电路的基准电压vregot与接地点之间串联连接有电阻ra、激光修整电路lt、电阻rb。激光修整电路lt的输出电压otref被输入至运算放大器oa的+输入端子。
30.运算放大器oa将温度感测二极管d1的阳极电压otvf反转放大，将由式(1)示出的输出电压vot作为模拟温度信号而输出。
31.vot＝otref
·
(1+r2/r1)-otvf
·
r2/r1
…………
(1)
32.如果温度保护电路6的温度上升，则温度感测二极管d1的正向电压下降，运算放大器oa的输出电压vot上升。
33.由于元件波动等，阳极电压otvf及基准电压vregot发生波动。因此，如以下所说明的这样，激光修整电路lt对阳极电压otvf及基准电压vregot的波动进行校正。图5是激光修整的动作的流程图。
34.首先，对输出电压vot和基准电压vregot进行测定(步骤s1)。对vregot是否处于波动规格内进行确认(步骤s2)，在处于规格外的情况下，判定为测试不合格品。对vot是否处于波动规格内进行确认(步骤s3)，在处于规格外的情况下，判定为测试不合格品。对vot是否为规定值进行确认(步骤s4)，在是规定值的情况下，判定为测试合格品。并且，激光修整电路lt使a点和b点分别处于连接状态。
35.激光修整电路lt的a点与b点的连接时的otref由式(2)求得。
36.otref＝vregot
·
rb/(ra+rb)
…………
(2)
37.接下来，对vot是否大于规定值进行确认(步骤s5)，在大的情况下，切断a点。在这种情况下，otref由式(3)求得。通过式(1)及式(3)而决定成为最佳的vot的可变电阻rlt。
38.otref＝vregot
·
rb/(ra+rlt+rb)
…………
(3)
39.在vot输出电压小于规定值的情况下，切断b点。在这种情况下，otref由式(4)求得。通过式(1)及式(4)而决定成为最佳的vot的可变电阻rlt。
40.otref＝vregot
·
(rlt+rb)/(ra+rlt+rb)
…………
(4)
41.这样，根据vregot的测定值而计算vot成为最佳值的可变电阻rlt的电阻值，决定rlt的修整值，执行修整。
42.如以上所说明的那样，在本实施方式中，为了使由开关元件2a、2b、2c产生的热传导至温度保护电路6，设置有从输出焊盘10朝向温度保护电路6延伸的导热图案13。由此，温度保护电路6的温度tlvic追随于开关元件2a、2b、2c的温度tj的暂态变化，因此，温度保护电路6能够准确地对开关元件2a、2b、2c的急剧的温度上升进行检测。因此，即使在电机锁定动作或短路动作等开关元件2a、2b、2c的温度急剧地上升的动作模式下，也能够实现充分的温度保护，抑制半导体模块的破坏。
43.另外，在向民用或工业用途等的各种产品组装本实施方式涉及的半导体模块时，能够简化顾客侧系统中的温度保护设定。并且，本实施方式能够由现行的逆变器模块结构实现，因此，能够低成本地使搭载于逆变器模块的lvic的温度检测精度提高。
44.图6是表示实施方式1涉及的导热图案的变形例1的俯视图。直线状的2个导热图案13重叠于温度保护电路6之上，另外2个直线状的导热图案13设置于温度保护电路6的侧旁。这样，通过设置多个导热图案13而进一步提高向温度保护电路6的导热性。
45.图7是表示实施方式1涉及的导热图案的变形例2的俯视图。导热图案13将温度保
护电路6的周围包围。导热图案13与温度保护电路6分离，热被从导热图案13经由半导体基板12而传导至温度保护电路6。此外，导热图案13也可以隔着绝缘膜而与温度保护电路6的侧面接触。即使是这样的导热图案13，也能够将由开关元件2a、2b、2c产生的热传导至温度保护电路6。
46.图8是表示实施方式1涉及的导热图案的变形例3的俯视图。2个导热图案13将温度保护电路6的周围包围。这样，通过设置多个导热图案13而进一步提高向温度保护电路6的导热性。
47.另外，导热图案13与温度保护电路6整体靠近地设置。但是，在图4的温度保护电路6的结构中，温度感测二极管d1、激光修整电路lt及电阻ra、rb的元件温度及特性值追随于模块的温度变化而发生变化，对输出电压vot作出贡献。因此，只要与这些部分靠近地设置导热图案13即可。
48.实施方式2
49.图9是表示实施方式2涉及的半导体模块的俯视图。温度保护电路6与lvic 1所包含的电源下降保护电路9等其它电路相比配置于输出部5a、5b、5c的输出焊盘10的附近。由此，向温度保护电路6的导热性进一步提高，因此，能够更准确地对开关元件2a、2b、2c的温度tj的急剧上升进行检测。
50.实施方式3.
51.图10是表示实施方式3涉及的开关元件和输出部的俯视图。在输出部5a、5b、5c的输出焊盘10的旁边设置有哑焊盘14。在开关元件2a、2b、2c的栅极焊盘3的旁边设置有哑焊盘15。
52.输出部5a、5b、5c的输出焊盘10通过导电性线16而与开关元件2a、2b、2c的栅极焊盘3连接。输出部5a、5b、5c的哑焊盘14通过导热线17而与开关元件2a、2b、2c的哑焊盘15连接。
53.图11是将实施方式3涉及的输出焊盘和温度保护电路放大的俯视图。导热图案13与哑焊盘14连接。导热图案13从哑焊盘14朝向温度保护电路6延伸，将由开关元件2a、2b、2c产生的热传导至温度保护电路6。其它结构与实施方式1、2相同。
54.在本实施方式的结构中，也与实施方式1、2同样地，温度保护电路6的温度tlvic追随于开关元件2a、2b、2c的温度tj的暂态变化，因此，温度保护电路6能够准确地对开关元件2a、2b、2c的急剧的温度上升进行检测。因此，即使在电机锁定动作或短路动作等开关元件2a、2b、2c的温度急剧地上升的动作模式下，也能够实现充分的温度保护，抑制半导体模块的破坏。
55.为了进行高效的导热，优选导热线17的直径比导电性线16的直径粗，例如为200～500μm。导热线17及导电性线16是au、ag、cu等金属制线。但是，导热线17的材质也可以是以aln为代表的高导热率精细陶瓷等非导电性部件。此外，为了进行更高效的导热，优选导热图案13不仅与哑焊盘14连接，也与输出焊盘10连接。
56.实施方式4.
57.本实施方式是将上述实施方式1～3涉及的半导体模块应用于电力转换装置。本发明不限定于特定的电力转换装置，但以下，对将本发明应用于三相逆变器的情况进行说明。
58.图12是表示电力转换装置的结构的框图，在该电力转换装置中应用了实施方式3
涉及的半导体模块。
59.电力转换装置具有电源100、电力转换用的半导体模块101、感应负载102、控制电路103、散热鳍片104。电源100是直流电源，向半导体模块101供给直流电力。电源100能够由各种电源构成，例如，能够由直流系统、太阳能电池、蓄电池构成，也可以由与交流系统连接的整流电路或ac/dc转换器构成。另外，也可以使电源100由将从直流系统输出的直流电力转换为规定的电力的dc/dc转换器构成。
60.半导体模块101是在电源100与感应负载102之间连接的三相逆变器，将从电源100供给来的直流电力转换为交流电力，向感应负载102供给交流电力。
61.感应负载102是由从电力转换用半导体模块供给来的交流电力驱动的三相电动机。此外，感应负载102不限定于特定的用途，是搭载于各种电气设备的电动机，例如，用作面向混合动力汽车、电动汽车、铁道车辆、电梯或空调设备的电动机。
62.以下，对半导体模块101的详情进行说明。半导体模块101具有开关元件、续流二极管及它们的控制用ic，通过开关元件的通断，从而将从电源100供给的直流电力转换为交流电力而向感应负载102供给。半导体模块101的具体的电路结构存在各种结构，但本实施方式涉及的半导体模块101是2电平的三相全桥电路，能够由6个开关元件和与各开关元件反向并联连接的6个续流二极管构成。6个开关元件通过两个两个地串联连接而构成上下桥臂，各上下桥臂构成全桥电路的各相(u/v/w相)。并且，各上下桥臂的输出端子即半导体模块101的3个输出端子与感应负载102连接。此外，向半导体模块101应用上述的实施方式1～3涉及的半导体模块。
63.内置于半导体模块101的控制用ic生成对同样内置于半导体模块101的开关元件进行驱动的驱动信号。具体地说，按照来自后述的控制电路103的控制信号，向各开关元件的控制电极输出将开关元件设为接通状态的驱动信号和将开关元件设为断开状态的驱动信号。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号是大于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(接通信号)，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号成为小于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(断开信号)。
64.控制电路103对半导体模块101的开关元件进行控制，以向感应负载102供给所期望的电力。具体地说，基于应向感应负载102供给的电力，对半导体模块101的各开关元件应成为接通状态的时间(接通时间)进行计算。例如，能够通过与应输出的电压相对应地对开关元件的接通时间进行调制的pwm控制，对半导体模块101进行控制。并且，向内置于半导体模块101的控制用ic输出控制指令(控制信号)，以在各时刻向应成为接通状态的开关元件输出接通信号，向应成为断开状态的开关元件输出断开信号。该控制用ic按照该控制信号，将接通信号或断开信号作为驱动信号而向各开关元件的控制电极输出。
65.散热鳍片104将通过半导体模块101的驱动而产生的热散出至外部。具体地说，在散热鳍片104与半导体模块101之间涂敷接合用脂，利用散热鳍片104及接合用脂的导热而将半导体模块101所生成的热散出至外部。此外，散热鳍片104可以仅安装于电力转换用半导体模块的1个侧面，也可以安装于两面。
66.在本实施方式涉及的电力转换装置中，作为半导体模块101而使用实施方式1～3涉及的半导体模块，因此，能够实现电力转换装置的温度保护功能的精度提高。
67.在本实施方式中，对在2电平的三相逆变器中应用本发明的例子进行了说明，但不
限于此，能够应用于各种电力转换装置。在本实施方式中，采用了2电平的电力转换装置，但也可以是3电平或多电平的电力转换装置，在向单相负载供给电力的情况下，也可以向单相逆变器应用本发明。另外，在向直流负载等供给电力的情况下，也能够向dc/dc转换器或ac/dc转换器应用本发明。
68.另外，应用了本发明的电力转换装置不限定于上述的负载为电动机的情况，例如，还能够用作放电加工机、激光加工机、感应加热烹调器或非接触器供电系统的电源装置，并且也能够用作太阳能发电系统及蓄电系统等的功率调节器。
69.标号的说明
70.2a、2b、2c开关元件，3栅极焊盘，5a、5b、5c输出部，6温度保护电路，10输出焊盘，11线，13导热图案，14、15哑焊盘，16导电性线，17导热线。