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JP2009146933A - バスバーとバスバーを備えた半導体装置 - Google Patents

バスバーとバスバーを備えた半導体装置 Download PDF

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JP2009146933A JP2007319577A JP2007319577A JP2009146933A JP 2009146933 A JP2009146933 A JP 2009146933A JP 2007319577 A JP2007319577 A JP 2007319577A JP 2007319577 A JP2007319577 A JP 2007319577A JP 2009146933 A JP2009146933 A JP 2009146933A
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Abstract

【課題】簡易な構成で電流検出を実行可能とする発熱性の半導体素子への電流供給用のバスバーを提供すると共に、該バスバーを用いて、更なる放熱性の向上を図りつつ、簡易な構成で電流検出を低コストで実行可能とする半導体装置の提供を目的とする。
【解決手段】バスバー30は、外部電源に接続される基端部300と、基端部300から延設した主回路部301、302、303、304と、主回路部301、302、303、304から複数に枝分かれする従回路部311、312、313、314と、従回路部311、312、313、314のそれぞれの端部に設けられ半導体素子を実装する実装部312、322、323、324とを具備し、基端部300から複数の実装部312、322、323、324に至るまでの各抵抗値R、R、R、Rを同一に設定する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、発熱性の半導体素子に電流を供給するバスバーに係り、該バスバーを用いて半導体素子に流れる電流を検出する検出部を備えた半導体装置に関するものである。
自動車等の車両には、半導体素子のスイッチング機能を利用して、燃料噴射制御、点火制御、モータ制御、油圧制御、電力分配制御等の様々な制御を行う半導体装置が種々と搭載されている。
近年、これらの半導体装置の更なる高機能化、高速応答化を図るべく、半導体素子には高い信頼性とともに更なる高電力化、高周波化、小型化等が要求されている。
この為、これらの半導体素子としては、パワーMOSFET(金属酸化膜型電界効果トランジスタ)、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、BSIT(バイポーラモード静電誘導トランジスタ)等のパワーデバイスが用いられている。
このようなパワーデバイスの多くは、作動に伴って発熱するため、素子の放熱性に優れた半導体装置の構造について種々と提案されている。
また、これらの半導体装置においては、半導体素子に流れる電流を検出し、過電流を抑制し素子の破壊を防いだり、外部の負荷を制御したりするために、電流流路の途中に所定の抵抗値Rを有した電流検出抵抗を介装し、該検出抵抗の端子間に生じる電圧降下Vを測定し、素子に流れる電流I(=V/R)を測定している。
特許文献1には、発熱性の電子部品を含む各種電子部品が実装されるプリント板と、該プリント板の電子部品実装面に対し平行又は垂直方向にに配設され、該プリント板に実装された電子部品に対し熱伝導性の良好な絶縁物を介して接するバスバーとを具備することにより、プリント板の小型化や電子部品の熱保護を図り、プリント板に実装した電子部品やシステムの信頼性向上を図る技術が開示されている。
特許文献2には、半導体素子を流れる主回路電流を検出する検出部として、第1の回路パターンと第2の回路パターンとをボンディングワイヤで接続し、ボンディングワイヤの両端間の電位差を検出して、シャント抵抗を用いることなく主回路電流を検出する技術が開示されている。
例えば、従来の車載用半導体装置として、図略の内燃機関の気筒毎に載置されたグロープラグの通電を制御する、図6(a)、(b)、(c)に示すGCU(グロープラグコントローラ)10xは、ヒートシンク400xに絶縁性樹脂410xを介して実装したパワーMOSFET200x(1〜4)と、図略のECUからの信号に従ってパワーMOSFET200x(1〜4)の開閉を制御して図略のグロープラグへの通電を制御する集積回路150xを含む制御回路基板100xとによって構成されている。GCU10xでは、発熱性のパワーMOSFET200x(1〜4)と制御回路基板100xとを分離し、パワーMOSFET200x(1〜4)で発生した熱をヒートシンク400xへ速やかに放熱することにより、パワーMOSFET200x(1〜4)からの熱による集積回路150xへの影響を少なくしている。
特開平5−67889号公報 特開2005−33965号公報
ところが、近年、始動時における高速昇温を図る為にグロープラグの低抵抗化が進んでおり、また、燃費向上、燃焼排気エミッション低減等の要求から、PWM(パルス幅変調)制御等により、始動時のみならず走行中にも常時グロープラグへの通電が行われるようになっており、パワーMOSFET200xに流れる電流の大容量化と更なる放熱性の向上必要とされている。
GCU10xでは、回路基板100xには、電源端子111xに入力された大電流をパワーMOSFET200x(1〜4)のドレイン端子210x(1〜4)へ流す入力側配線回路114x(1〜4)と、パワーMOSFET200x(1〜4)によりスイッチング制御され、パワーMOSFET200x(1〜4)のソース端子220x(1〜4)から出力端子121x(1〜4)へ出力される大電流を流す出力配線回路123x(1〜4)とが形成されている。 従って、数十Aの大電流が流れる配線回路114x、123xは、発熱を抑制するため、配線を太く又は厚く形成しなければならず、回路基板100xの小型化が困難であった。更に、両配線回路114x、123xの絶縁性を確保するために、図6(a)、(b)に示すように、両配線回路114x、123xを別々の層に形成した多層基板を使用しなければならず、省コスト化を阻んでいた。
また、配線抵抗のバラツキを相殺してグロープラグへの供給電流を精度良く検出するために、入力側配線回路114x(1〜4)又は、出力側配線回路123x(1〜4)とパワーMOSFET200x(1〜4)との間に、低抵抗の電流検出用抵抗140x(1〜4)を介装して、その上流側と下流側とにそれぞれ上流側電流検出用配線113x(1〜4)と下流側電流検出用配線213x(1〜4)を形成し、集積回路150xによって、電流検出用抵抗140x(1〜4)における電圧降下を測定し、流れる電流を計測している。この為、回路基板100xに形成される配線回路が複雑となり、回路基板100xの小型化、省コスト化を阻んでいた。
そこで、本発明は上記実情に鑑み、発熱性の半導体素子への電流供給用のバスバーにおいて、簡易な構成で電流検出を実行可能とするバスバーを提供すると共に、半導体素子の発熱による半導体素子制御用集積回路への影響の低減を図るべく、半導体素子と集積回路の実装された回路基板とを離隔した状態で載置した半導体装置において、該バスバーを用いて、更なる放熱性の向上を図りつつ、簡易な構成で電流検出を低コストで実行可能とする半導体装置の提供を目的とするものである。
請求項1の発明では、帯板状の金属からなり、発熱性の半導体素子に電力供給を行うバスバーであって、上記バスバーは、外部電源に接続される基端部と、該基端部から延設した主回路部と、該主回路部から複数に枝分かれする従回路部と、該複数の従回路部のそれぞれの端部に設けられ上記半導体素子を実装する実装部とを具備し、上記基端部から上記複数の従回路部を経由して上記実装部に至るまでの各抵抗値を同一に設定する。
請求項1の発明によれば、上記基端部から各実装部までの抵抗値が一定であるので、上記バスバーを電流検出用抵抗として利用すれば、電流検出抵抗を用いずとも、上記半導体素子に流れる電流を精度良く検出できる。しかも、バスバーは放熱性に優れているので、発熱性の半導体素子を効率よく冷却できる。
請求項2の発明では、上記バスバーの板厚を一定に形成し、且つ、上記主回路部の幅を一定に形成し、更に、上記従回路部の幅を上記基端部から上記実装部までの距離が遠いほど広く形成し、上記基端部から上記実装部までの距離が近いほど狭く形成する。
請求項2の発明によれば、上記従回路部の幅の調整を行うだけで、基端部から実装部までの距離に比例し、断面積に反比例するバスバーの抵抗値を極めて容易に統一できる。従って、基端部と各実装部との電位差を測定すれば、上記半導体素子に流れる電流を精度良く検出できる。
請求項3の発明では、少なくとも、請求項1又は2に記載のバスバーと、該バスバーに実装する半導体素子と、上記半導体素子に接続され上記半導体を制御する集積回路を有する回路基板とを具備する半導体装置であって、上記基端部を上記実装部の実装面に対して略垂直方向に延設し、上記回路基板と上記実装面とが階層状態となるように接続すると共に、上記回路基板には、上記基端部から上記集積回路に接続する上流側電流検出用配線と上記複数の実装部から上記集積回路に接続する下流側電流検出用配線とを形成する。
請求項3の発明によれば、上記回路基板に、上記半導体素子への電源を供給する大容量の入力配線をする必要がなく、回路基板の小型化が極めて容易である。また、電流検出用配線の内、上流側は上記基端部に接続する1本だけで良く、更に回路基板の小型化が可能となる。加えて、使用する集積回路の入力端子数も削減できるので更なるコスト低減が可能となる。更に、バスバーは、回路基板上に形成される配線に比べ、遙に放熱性に優れているので、簡易な構成で信頼性の高い半導体装置を実現できる。
請求項4の発明では、上記バスバーの実装面に対向する面側に、絶縁性接着剤を介して高熱伝導率を有する材料からなるヒートシンクを設ける。
請求項4の発明によれば、上記半導体素子の放熱が極めて容易となり、半導体装置の信頼性が更に向上する。また、装置全体の放熱性が向上するので、更なる小型化も可能となる。
請求項5の発明では、燃機関の気筒毎に設けられたグロープラグへの通電を上記半導体素子のスイッチングによって制御するグロープラグ制御装置に、請求項3または4に記載の半導体装置を適用する。
請求項5の発明によれば、小型で、放熱性に優れたグロープラグ制御装置が低コストで実現できる。
図1を参照して本発明の第1の実施形態として図略の半導体素子へ電力供給を行うバスバー30について説明する。本図(a)は、バスバー30の概要を示す斜視図、本図(b)は、その内部抵抗を模式的に示した等価回路図である。
バスバー30は、例えば、銅、銅とニッケルとの合金、銅と亜鉛との合金、銅と錫との合金、銅と亜鉛とニッケルとの合金等の金属材料を帯板状に形成されている。
バスバー30には、図略の外部電源に接続される基端部300が形成され、基端部300から一定幅で延設された主回路部301、302、303、304が形成され、主回路部301、302、303、304から複数に枝分かれする従回路部311、312、313、314が形成され、複数の従回路部311、312、313、314のそれぞれの端部には図略の半導体素子を実装する実装部321、322、323、324が形成されている。従回路部311、312、313、314の幅は、基端部300から実装部321、322、323、324までの距離に応じて、内部抵抗が同一となるように調整されている。
例えば、図1(b)に示すように、一定幅の単位長さ当たりの内部抵抗をr(Ω)とし、基端部300の長さを2単位、基端部から各従回路部311、312、313、314までの距離が等間隔で1単位づつ離れ、各実装部321、322、323、324が1単位相当の大きさに形成されている場合、基端部300から最も遠い従回路部314内部抵抗をr(Ω)とし、その幅を1とすると、従回路部311、312、313の幅をそれぞれ、4分の1、3分の1、2分の1に設定すれば、従回路部311、312、313の内部抵抗はそれぞれ、4r(Ω)、3r(Ω)、2r(Ω)となり、基端部300から実装部321、322、323、324までの内部抵抗R、R、R、Rは全て一定(8r)とすることができる。
基端部300から各実装部321、322、323、324までの抵抗値が一定であるので、バスバー30を電流検出用抵抗として利用すれば、電流検出抵抗を用いずとも、半導体素子に流れる電流を精度良く検出できる。しかも、バスバー30は放熱性に優れているので、発熱性の半導体素子を効率よく冷却できる。
尚、本実施形態に示したバスバー30の内部抵抗は相対的な関係を例示したもので、特定の範囲に限定するものではない。また、本実施形態において、実装部を4個具備するものを例示したが、本発明は、実装部の数を限定するものではなく、実装部の数に応じて、実装部までの距離が離れるほど従回路部の幅は広く、距離が近いほど従回路部の幅を狭く形成し、抵抗値が一定となるように調整すれば良い。
図2を参照して、本発明の第2の実施形態として、本発明のバスバー30を半導体素子への電流供給用配線として用いた半導体装置において、半導体素子として、複数のパワーMOSFET200(1〜4)を用い、図略の内燃機関の気筒毎に装着されるグロープラグの通電を制御するグロープラグコントローラGCU10に適用した場合について説明する。図2は、GCU10の概要を示す展開斜視図である。
バスバー30には、上記実施形態と同様、基端部300と主回路部301、302、303、304と、従回路部311、312、313、314と、実装部321、322、323、324とが形成されている。
バスバー30は、基端部300から各実装部321、322、323、324に至る内部抵抗R1、R2、R3、R4が一定となるように従回路部311、312、313、314の幅が調整されている。
実装部321、322、323、324の表面には、動作時のオン電流によって発熱する発熱性の半導体素子としてパワーMOSFET200(1〜4)がハンダ箔等を介して実装されている。尚、パワーMOSFET200(1〜4)は、ネジ等によりバスバー30にネジ止めしても良い。
パワーMOSFET200(1〜4)の下面には、内部でドレイン端子210(1〜4)と導通しつつ、電源入力用の端子と放熱板とを兼ねて設けられている下面ドレイン端子211(1〜4)が形成されている。各下面ドレイン端子211(1〜4)は、それぞれ、対応する実装部321、322、323、324に導通している。
回路基板100には、ガラスエポキシ樹脂等の基板にパワーMOSFET200を制御する集積回路150が実装され、後述する出力用配線回路、信号配線等が形成されている。また、回路基板100には、電源端子挿入孔112(1〜4)、出力端子挿入孔122(1〜4)、入力端子挿入孔132(1〜4)、ドレイン端子挿入孔212(1〜4)、ソース端子挿入孔222(1〜4)、ゲート端子挿入孔231(1〜4)が穿設されている。
パワーMOSFET200と回路基板100とを接続する導通線として、ドレイン端子210(1〜4)、ソース端子220(1〜4)、ゲート端子230(1〜4)が、パワーMOSFET200から垂直方向に伸びて、回路基板100に穿設されたドレイン端子挿入孔212(1〜4)、ソース端子挿入孔221(1〜4)、ゲート端子挿入孔231(1〜4)に挿入され、後述する回路基板100の表面に形成された回路とハンダ付け等により導通接続されている。
電源コネクタ部110には、電源端子111がインサート成形され、出力コネクタ部120には、出力端子121がインサート成形され、入力コネクタ部130には、入力端子131がインサート成形されている。
電源端子111、出力端子121、入力端子131は、それぞれ電源端子挿入孔112、出力端子挿入孔122、入力端子挿入孔132に挿入され、後述する回路にハンダ付け等により導通接続されている。
回路基板100には、後述する回路が形成され、集積回路150によって、バスバー30の基端部300とドレイン端子210(1〜4)の間における電圧降下を検出し、各パワーMOSFET200(1〜4)に流れる電流を測定可能となっている。
バスバー30の実装面に対向する下面側には、電気絶縁性の接着剤410を介してヒートシンク400が接着されている。ヒートシンク400は、アルミニウム等の高い熱伝導率を有した金属材料等を用いて形成されている。
バスバー30は、回路基板100上での回路形成に比較して遙に抵抗値を低くできるので、パワーMOSFET200(1〜4)への大電流の供給が容易である。
また、電源入力回路をバスバー30によって形成することによって、回路基板100上に電源入力回路を形成する必要がないので出力用回路の占有面積を多く取る事ができ、出力用の大電流を流しやすくなる。従って、GCU10の耐久性と安定性との更なる向上が期待できる。
尚、上記施形態においては、GCU10は、4気筒の内燃機関に装着される4個のグロープラグを制御する場合を例示しており、パワーMOSFET200は4個実装されているが、本発明は、半導体素子の数を限定するものではなく、適宜変更可能である。
図3(a)、(b)、(c)を参照して、本発明の要部であるバスバー30と、回路基板100に形成された回路と、組み付け状態でのGCU10とについて更に詳述する。
尚、本図に示した回路基板100の回路パターンは模式的なもので、実際の回路パターンを限定するものではない。
バスバー30は、ヒートシンク400に絶縁性接着剤410で貼付されており、実装部321、322、323、324には、パワーMOSFET200(1〜4)が実装されている。ドレイン端子210(1〜4)は、下面ドレイン端子211(1〜4)とパワーMOSFET200の内部で導通している。ドレイン端子210(1〜4)は、回路基板100に穿設されたドレイン端子挿入孔212(1〜4)に挿入され、更に回路基板100の表面に形成された電流検出回路213(1〜4)の一端に接続され、更に電流検出回路213(1〜4)の他端は集積回路150の入出力端子151の所定の端子に接続され、ドレイン端子210(1〜4)に入力されるドレイン端子電圧Vd(1〜4)を測定可能となっている。
電源端子111は、バスバー30の基端部300とともに、回路基板100に穿設された電源端子挿入孔112に挿入され、更に電源端子111とバスバー30とは、回路基板100の表面に形成された電源回路113の一端に導通接続され、電源回路113の他端は、集積回路150に出力端子151の所定の端子に接続され、電源端子111に入力される電源電圧V0を測定している。
従って、バスバー30の基端部300からドレイン端子210(1〜4)までに至る抵抗(R1=R2=R3=R4=R)は、全て等しく、電源電圧V0とドレイン端子電圧Vd(1〜4)との電位差(V0−Vd)並びに抵抗(R)からパワーMOSFET200(1〜4)に流れる電流I(=(V0−Vd)/R)を測定することができる。
ゲート端子230(1〜4)は、回路基板100に穿設されたゲート端子挿入孔231(1〜4)に挿入され、ゲート回路232(1〜4)の一端に接続され、ゲート回路232(1〜4)の他端は、集積回路150の入出力端子151の所定の端子に接続されている。
出力端子121(1〜4)は、回路基板100に穿設された入力端子挿入孔122(1〜4)に挿入され、出力回路222(1〜4)の一端に接続され、出力回路222(1〜4)の他端は、ソース端子220(1〜4)に接続されている。
入力端子131(1〜4)は、回路基板100に穿設された入力端子挿入孔132(1〜4)に挿入され、入力回路133(1〜4)の一端に接続され、入力回路133(1〜4)の他端は集積回路150の入出力端子151の所定の端子に接続され、外部に設けられた図略のECUからの信号を集積回路150に入力している。
パワーMOSFET200(1〜4)の実装されたバスバー30の実装面と回路基板100とは、略平行で、階層構造となっており、回路基板100の外周を筐体500で覆いつつ、回路基板100、各ターミナル部110、120、130、ヒートシンク400が固定されている。
パワーMOSFET200(1〜4)から発生する熱を、ヒートシンク400へ放熱して、集積回路150の受熱による誤動作や、パワーMOSFET200(1〜4)の熱暴走が防止されている。
図4を参照して、本発明の第2の実施形態における効果を比較例と共に説明する。
本図(a)は、実施例1として、本発明のGCU10を用いたグロープラグ通電システム1を示し、本図(b)は、比較例1として従来構造のGCU10xを用いたグロープラグ通電システム1xを示す等価回路図である。
図略の内燃機関は複数の気筒によって構成され、気筒毎にグロープラグGP(1〜4)が設けられており、電源70からGP(1〜4)への通電をパワーMOSFET200(1〜4)のスイッチングによって制御している。
本実施形態においては、図4(a)に示すように、MOSFET200(1〜4)に流れる電流検出は、上流側の電圧を検出する電源端子111側から引き出された電源回路113からの入力と、下流側の電圧を検出する各ドレイン端子210(1〜4)に導通する電流検出回路213(1〜4)からの入力との差によって測定できる。バスバー30の電源端子111から各ドレイン端子210に至る配線抵抗(R、R、R、R)が等しいので、電流検出用抵抗が不要となる。
一方、図4(b)に示すように、従来のGCU10xを用いたグロープラグ通電システム1xでは、電源端子111xから素子にいたる配線抵抗(R1x、R2X、R3x、R4x)にバラツキがあるため、一定の抵抗値Rsを有する電流検出用抵抗140x(1〜4)を介装し、その上流側と下流側との電圧降下を測定して、各ドレイン端子210x(1〜4)に流れる電流を検出しなければならず、上流側電流検出用配線143x(1〜4)と下流側電流検出用配線213x(1〜4)とが必要である。
図5(a)、(b)に、本発明の要部であるバスバー30の他の実施形態を示す。上記実施形態においてバスバー30の基端部300は、主回路301、302、303、304の端部に設けた例を示したが、本図(a)に示すように基端部300aを主回路301a、302a、303a、304aの中心に設けても良い。本実施形態においても、従回路部311a、312a、313a、314aの幅を調整することによって、本図(b)に示すように、基端部300aから各実装部321a、322a、323a、324aに至る内部抵抗R1a、R2a、R3a、R4aが全て等しくすることができる。本実施形態においても、上記実施形態と同様の効果が得られる。
本発明は上記実施形態に限定するものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、半導体装置の用途、機能に応じて、使用する半導体素子、集積回路の機能、形状等は適宜変更可能である。
(a)は、本発明の第1の実施形態におけるバスバーを示す斜視図、(b)は、その等価回路を示す模式図。 は、本発明の第2の実施形態におけるグロープラグコントローラの構成を示す展開斜視図。 は、本発明の第2の実施形態におけるグロープラグコントローラの詳細を示し、(a)は、バスバー載置部の概要を示す平面図、(b)は、回路基板部の概要を示す平面図、(c)は、その断面図。 (a)は、本発明の第2の実施形態におけるグロープラグコントローラを用いたグロープラグ制御システムの全体構成を示す等価回路図、(b)は比較例として従来構造のグロープラグコントローラを用いたグロープラグ制御システムの全体構成を示す等価回路。 (a)は、本発明の第3の実施形態におけるバスバーの斜視図、(b)は、その等価回路を示す模式図。 は、従来のグロープラグコントローラの詳細を示し、(a)は、入力配線の概要を示す平面図、(b)は、出力配線の概要を示す平面図(c)は、その断面図。
符号の説明
30 バスバー
300 基端部
301、302、303、304 主回路部
311、312、313、314 従回路部
321、322、323、324 実装部

Claims (5)

  1. 帯板状の金属からなり、発熱性の半導体素子に電力供給を行うバスバーであって、
    上記バスバーは、外部電源に接続される基端部と、該基端部から延設した主回路部と、該主回路部から複数に枝分かれする従回路部と、該複数の従回路部のそれぞれの端部に設けられ上記半導体素子を実装する実装部とを具備し、上記基端部から上記複数の従回路部を経由して上記実装部に至るまでの各抵抗値を同一に設定したことを特徴とするバスバー。
  2. 上記バスバーの板厚を一定に形成し、且つ、上記主回路部の幅を一定に形成し、更に、上記従回路部の幅を上記基端部から上記実装部までの距離が遠いほど広く形成し、上記基端部から上記実装部までの距離が近いほど狭く形成した請求項1に記載のバスバー。
  3. 少なくとも、請求項1又は2に記載のバスバーと、該バスバーに実装する半導体素子と、上記半導体素子に接続され上記半導体を制御する集積回路を有する回路基板とを具備する半導体装置であって、
    上記基端部を上記実装部の実装面に対して略垂直方向に延設し、上記回路基板と上記実装面とが階層状態となるように接続すると共に、
    上記回路基板には、上記基端部から上記集積回路に接続する上流側電流検出用配線と上記複数の実装部から上記集積回路に接続する下流側電流検出用配線とを形成したことを特徴とする半導体装置。
  4. 上記バスバーの実装面に対向する面側に、絶縁性接着剤を介して高熱伝導率を有する材料からなるヒートシンクを設けた請求項3に記載の半導体装置。
  5. 内燃機関の気筒毎に設けられたグロープラグへの通電を上記半導体素子のスイッチングによって制御するグロープラグ制御装置に適用したことを特徴とする請求項3又は4に記載の半導体装置。
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