JP5111592B2 - 遮断機構を有する電力用半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子回路に流れる電流を遮断するための機構を有する電力用半導体装置に関するものである。

電力用半導体装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar transistor）およびＭＯＳ
ＦＥＴ（Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor）と呼ばれる複数の半導体スイ
ッチが一体化された電子機器であり、所定のタイミングでオン／オフすることで、所望の周波数の交流電流を発生させ、モータの自在な速度制御などのために用いられる。

また、半導体スイッチは、物理的に接続されていない部分を形成することなく、電子回路に流れる電流を遮断することができる。具体的には、半導体スイッチは、半導体基板上に薄い絶縁層を媒介として設けられたゲート電極に微小な電圧信号を与えて、ソース電極とドレイン電極との間に流れる大きな電流の流れを遮断する。したがって、半導体スイッチは、物理的な接触／非接触を切り換えるスイッチに比較して、損傷し難い。

しかしながら、この半導体スイッチは、ソース電極とドレイン電極との間を流れる電流の密度が所定値を超えると、局所的に高い密度のエネルギがチャネル領域に与えられ、溶融によって破損する場合がある。この場合、半導体スイッチは、短絡した状態になる、つまり、常時接続された状態になってしまう。このような事態は宇宙線が半導体素子に命中した場合などにも発生すると言われている。

通常、電子回路は、ヒューズまたはブレーカ等を有しているため、半導体スイッチの破損によって、その全体が破壊されてしまうことが防止されている。

しかしながら、移動体のモータ制御のための電力用半導体装置においては、低コスト化を図るために、ヒューズまたはブレーカを有していない電力用半導体装置が要望されている。言い換えれば、能動的に電気回路に流れる電流を遮断することができる機構を備えたき電力用半導体装置が求められている。より具体的には、定格電流値よりも小さい値の電流しか流れていない場合においても、電子回路に流れる電流を意図的に遮断できる遮断機構を備えた電力用半導体装置が求められている。

従来においては、前述のような遮断機構として、たとえば、特許第３５５２５３９号に開示されているように、電子回路の所定の部分が所定の温度になると、溶断されて、電流を遮断する温度ヒューズが用いられている。

特開２００１−１１８４８１号公報 特開２０００−２５１５９８号公報 特開２０００−２６０２８０号公報 特開２００１−１３５２１３号公報 特開平０７−２３０７４７号公報 特許第３５５２５３９号

一般に、遮断機構の一例として導体の金属が用いられる。金属は、溶融すると、表面の自由エネルギが最小になるように変形するため、基本的に球形に近づく。２つの電極同士の間に橋渡しされた金属導体への通電によって発熱が生じた場合、その中央部が最も高温
になる。融点を超えた温度になっている金属導体は球状になろうとするが、溶融している金属導体の範囲が広がると、その中央部から電極まで向かって溶融金属が移動し、それに従って球形が大きくなる。溶融した金属導体が２つの球に分かれたときのそれぞれの球の直径の合計が、溶融している金属同士の間の距離よりも小さいときには、分離した金属導体のエネルギは、分離していない金属導体のエネルギよりも大きい。このとき、金属導体は分離し易い。

そのため、温度ヒューズとして用いられる低融点導体は、幅および厚さに対して数倍程度の長さを有していることが望ましい。したがって、上記の温度ヒューズの材料としては、細長い形状を有する低融点導体が用いられている。一方、低融点導体の電気抵抗値（以下、「単に、抵抗値」と言及される。）は、その断面積に反比例しかつ長さに比例する。このため、細長い低融点導体は、低い温度で切断され易いが、その抵抗値が大きくなってしまう。

本発明は、上述の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、低い温度で分断され易くかつ抵抗値が小さい温度ヒューズを有する遮断機構を備えた電力用半導体装置を提供することである。

本発明の一の局面の遮断機構を有する電力用半導体装置は、絶縁性の基板と、基板の一方の主表面上に設けられた電極膜とを備えている。また、その装置は、電流が流れることによって発熱するように基板の他方の主表面上に設けられたヒータ導体と、電極膜に近接して設けられ、それぞれが所定の電子回路に接続された一方の主配線導体および他方の主配線導体とを備えている。さらに、その装置は、一方の主配線導体と電極膜とを接続する一方の低融点導体と、他方の主配線導体と電極膜とを電気的に接続する他方の低融点導体とを備えている。また、一方の低融点導体および他方の低融点導体のそれぞれが、一方の主配線導体および他方の主配線導体のいずれの融点よりも低い融点を有している。

上記の構成によれば、基板、電極膜、およびヒータ導体にかかる重力の作用によって、一方の低融点導体および他方の低融点導体のそれぞれの溶断が促進される。したがって、遮断機構は低い温度で分断され易くなる。

本発明の他の局面の遮断機構を有する電力用半導体装置は、絶縁性の基板と、基板の一方の主表面上に設けられた電極膜とを備えている。また、その装置は、基板の他方の主表面上に設けられ、電流が流れることによって発熱するヒータ導体と、それぞれが所定の電子回路および電極膜に電気的に接続された一方の主配線導体および他方の主配線導体とを備えている。また、電極膜は、平面的に見て一方の主配線導体と他方の主配線導体との間の領域を横切るように延びる破断線状の複数の貫通孔を有する。

上記の構成によれば、破断線状の複数の貫通孔に沿って電極膜および基板が破断し易い。そのため、遮断機構は低い温度で分断され易くなる。

本発明のさらに他の局面の遮断機構を有する電力用半導体装置は、絶縁性の基板と、基板の一方の主表面上に設けられた電極膜とを備えている。また、その装置は、基板の他方の主表面上に設けられ、電流が流れることによって発熱するヒータ導体と、それぞれが所定の電子回路および電極膜に電気的に接続された一方の主配線導体および他方の主配線導体とを備えている。さらに、その装置は、一方の主配線導体と電極膜とを電気的に接続する一方の導体層と、他方の主配線導体と電極膜とを電気的に接続する他方の導体層とを備えている。また、一方の導体層と他方の導体層とは仮想線の両側に分離して設けられている。

上記の構成によれば、一方の導体装置と他方の導体層との間の領域を横切る仮想線に沿って基板および電極膜が破断され易くなる。したがって、一方の低融点導体および他方の低融点導体のそれぞれが溶断し難くなるという不具合の発生が抑制される。

本発明のまたさらに他の局面の遮断機構を有する電力用半導体装置は、絶縁性の基板と、基板の一方の主表面上に設けられた電極膜とを備えている。また、その装置は、基板の他方の主表面上に設けられ、電流が流れることによって発熱するヒータ導体と、それぞれが所定の電子回路に接続された一方の主配線導体および他方の主配線導体とを備えている。さらに、その装置は、一方の主配線導体と電極膜とを電気的に接続する一方の低融点導体と、他方の主配線導体と電極膜とを電気的に接続する他方の低融点導体とを備えている。また、その装置は、一方の低融点導体と他方の低融点導体の間の位置に設けられ、一方の低融点導体および他方の低融点導体のそれぞれと共晶反応を生じる他の低融点導体とを備えている。

上記の構成によれば、共晶反応が生じれば、一方の低融点導体および他方の低融点導体のいずれの融点よりも低い温度で一方の低融点導体および他方の低融点導体が液化する。したがって、一方の低融点導体および他方の低融点導体のそれぞれが低い温度で溶断され易くなる。

本発明の別の局面の遮断機構を有する電力用半導体装置は、絶縁性の基板と、基板の一方の主表面上に設けられた電極膜とを備えている。また、その装置は、基板の他方の主表面上に設けられ、電流が流れることによって発熱するヒータ導体と、それぞれが所定の電子回路および電極膜に電気的に接続された一方の主配線導体および他方の主配線導体とを備えている。ヒータ導体は、一方の主配線導体および他方の主配線導体が一方の主表面上に投影された領域の裏側の他方の主表面上の領域内にのみ配置されている。

上記の構成によっても、一方の低融点導体および他方の低融点導体のそれぞれが溶断し難くなるという不具合の発生が抑制される。

本発明のさらに別の局面の遮断機構を有する電力用半導体装置は、絶縁性の基板と、基板の一方の主表面上に設けられた電極膜とを備えている。また、その装置は、基板の他方の主表面上に設けられ、電流が流れることによって発熱するヒータ導体と、それぞれが所定の電子回路に接続された一方の主配線導体および他方の主配線導体とを備えている。さらに、その装置は、一方の主配線導体および他方の主配線導体のそれぞれに接続され、ヒータ導体の発熱によって溶融する低融点導体を備えている。低融点導体は、両端部の厚さよりも中央部の厚さが大きい。

上記の構成によれば、遮断機構は低い温度で溶断され易くかつその抵抗値が小さくなる。

本発明によれば、低い温度で分断され易くかつ抵抗値が小さい温度ヒューズを有する遮断機構を備えた電力用半導体装置が得られる。

実施の形態１の電力用半導体装置の遮断機構の表面図である。 実施の形態１の電力用半導体装置の裏面図である。 図１および図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 実施の形態１の低融点金属導体が溶融して分断された直後の状態を示す図である。 実施の形態１の電力用半導体装置を示す図であって、遮断機構が電子回路に接続されている状態を示す部分断面図である。 実施の形態１の電力用半導体装置を示す図であって、遮断機構が電子回路に接続されていない状態を示す部分断面図である。 実施の形態２の電力用半導体装置の断面図であって、遮断機構が電子回路に接続されている状態を示す部分断面図である。 実施の形態２の電力用半導体装置の断面図であって、遮断機構が電子回路に接続されていない状態を示す部分断面図である。 実施の形態３の電力用半導体装置の断面図であって、遮断機構が電子回路に接続されている状態を示す部分断面図である。 実施の形態３の電力用半導体装置の断面図であって、遮断機構が電子回路接続されていない状態を示す部分断面図である。 実施の形態４の電力用半導体装置の遮断機構の断面図である。 実施の形態５の電力用半導体装置の遮断機構の断面図である。 実施の形態６の電力用半導体装置の遮断機構の表面図である。 実施の形態６の電力用半導体装置の遮断機構の裏面図である。 図１３および図１４のＸＶ−ＸＶ線の断面図である。 実施の形態７の電力用半導体装置の遮断機構の表面図である。 図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線の断面図である。 実施の形態７の電力用半導体装置の遮断機構が破断した状態を示す断面図である。 実施の形態８の電力用半導体装置の遮断機構の断面図である。 実施の形態９の電力用半導体装置の遮断機構の裏面図である。 実施の形態９の電力用半導体装置の遮断機構の断面図である。 実施の形態９の電力用半導体装置の遮断機構が破断した状態を示す断面図である。 実施の形態１０の電力用半導体装置の遮断機構の断面図である。 実施の形態１０の電力用半導体装置の遮断機構の２種類の低融点金属導体が一体化した状態を示す断面図である。 実施の形態１１の電力用半導体装置の遮断機構の表面図である。 実施の形態１１の電力用半導体装置の遮断機構の裏面図である。 図２５および図２６のＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩ線の断面図である。 実施の形態１２の電力用半導体装置の遮断機構の表面図である。 実施の形態１２の電力用半導体装置の遮断機構の裏面図である。 図２８および図２９のＸＸＸ−ＸＸＸ線の断面図である。 実施の形態１３の電力用半導体装置の遮断機構の断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の遮断機構を備えた電力用半導体装置が説明される。なお、各実施の形態において、同一の機能を果たす部位には同一の参照符号が付されており、その説明は、特に必要がなければ、繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態の電力用半導体装置の遮断機構の一方の主表面を示す平面図であり、図２は、本実施の形態の電力用半導体装置の遮断機構の他方の主表面を示す平面図である。図３および図４は、それぞれ、遮断機構を構成する温度ヒューズが溶断されていない状態および遮断機構を構成する温度ヒューズが溶断された直後の状態を示す線断面図である。

遮断機構１０は、電力用半導体装置の主配線導体２を媒介として他の電子回路に直列に接続されている。遮断機構１０は、図１〜図３に示されるように、絶縁性の基板１と、基板１の一方の主表面上に形成された電極膜３と、基板１の一方の主表面に対向する他方の主表面上に形成されたヒータ導体４とを備えている。電極膜３は、たとえばＡｇＰｄ、ＡｇＰｔ、またはタングステン等の厚膜材料からなる。また、遮断機構１０の電極膜３の一方端および他方端は、図３に示されるように、それぞれ、一方の主配線導体２の端部および他方の主配線導体２の端部にロウ材としての低融点金属導体５を媒介として接続されている。

基板１は、絶縁性および耐熱性の観点において、アルミナ等のセラミック基板からなることが好ましい。したがって、本実施の形態においては、基板１はアルミナ基板である。基板の厚みとしては０.５ｍｍ〜１ｍｍ程度の値が産業上よく用いられており、この値で
あれば、十分な強度が得られ易い。基板の大きさとしては１０ｍｍ角〜２０ｍｍ角程度の値が望ましい。

電極膜３は、ガラス粉末のバインダと金属粉末の混合物を基板表面に、印刷などの方法でパターニングおよび焼成することによって、形成される。そのため、電極膜３は容易に形成され得る。電極膜３の厚みは数μｍから数十μｍ程度である。

遮断機構１０は、次のような製法によって形成される。
まず、グリーンシートと呼ばれるアルミナ微粉末とバインダの混合物とを固めたものが準備される。これが焼成され、アルミナからなる基板１が形成される。次に、ヒータ導体４および電極膜３は、ＡｇＰｄ、ＡｇＰｔ、またはタングステンなどからなり、これらは、ガラス粉末のバインダと金属粉末の混合物とを基板表面に、印刷などの工法を用いてパターニングおよび焼成によって形成される。したがって、基板１は容易に形成される。基盤の厚さは、数μｍから数十μｍ程度であれば、実現され得る。その後、基板１が、約千数百度以上の高温で数時間程度焼き固められる。これにより、タングステン等の金属導体が、基板１の表面および裏面のそれぞれに所望の形状に形成される。つまり、電極膜３およびヒータ導体４が、それぞれ、一方の主表面上および他方の主表面上に形成された基板１を得ることができる。

たとえば、電極膜３およびヒータ導体４のそれぞれのパターンの幅は、１００μｍから数ｍｍ程度であり、それぞれのパターンの部分同士の間隔の最低値は、１００μｍ以上である。さらに、Ｎｉめっき等が電極膜３を構成する金属材料およびヒータ導体４を構成する金属材料のそれぞれ上に施されることによって、パターンの厚さが所望の厚さに調整されてもよい。

前述の方法の代わりに、ＭｏＭｎ法と呼ばれる方法によって、前述のパターンが形成されてもよい。ＭｏＭｎ法は、Ｍｏと酸化マンガンとの混合物が印刷された基板１を焼成することによって、所望のパターンを形成する方法である。この方法においては、たとえば、２００μｍ以上の幅のパターンを形成することが可能であり、２００μｍ程度の最低間隔を有するパターンを形成することが可能である。

また、ヒータ導体４は、たとえば、パターン幅１００μｍかつパターン間隔１００μｍであり、また、図２に示されるように、複数の折り曲げ部を有する形状であれば、ヒータ導体４の全長を大きくかつ幅を小さくすることができる。たとえば、ヒータ導体４は、長さ１０ｍｍの直線部が５０個の折り曲げ部を媒介として接続された形状を有していれば、長さ５００ｍｍという細長い導体が小さな領域内に形成され得る。また、たとえば、パターンの厚さが１０μｍ程度であれば、ヒータ導体４の抵抗値は１００Ω程度になり得る。

一般に、ヒータ導体４の抵抗値は高いことが望ましいが、電極膜３の抵抗値は低いことが望ましい。これは、遮断機構の機能を短時間で発揮させながら、電力用半導体装置の発熱量を低減することができるためである。たとえば、電極膜３に数１００Ａもの大きな電流が流れる場合に、電極膜３の抵抗値が０．１Ωであれば、電極膜３において１００Ａあたり１０Ｖの電位差が生じる。そのため、電極膜３における発熱量が１０００Ｗにもなってしまう。このような大きな発熱が生じることは電力用半導体装置にとって好ましくない。

また、幅０．１ｍｍでかつ長さ５００ｍｍの電極膜３の抵抗値が１００Ωであるということは、幅１０ｍｍで長さ１ｍｍの電極膜３の抵抗値は０．００２Ωということになる。電極膜３を流れる電流の値が１００Ａであれば、電極膜３における電位差は０．２Ｖであり、発熱量は２０Ｗになる。この値は、かろうじて許容される値である。

このように電極膜３に要求される抵抗値とヒータ導体４に要求される抵抗値とは異なっており、電極膜３の抵抗率は小さくかつヒータ導体４の抵抗率は大きいことが望ましい。たとえば、ヒータ導体４がカーボン系の導電性を有する材料からなっていてもよい。

本実施の形態においては、電極膜３の長さが１ｍｍであるが、これは電極膜３の両端部に接続された１対の主配線導体２同士の間隔が１ｍｍであれば、容易に実現され得る。

主配線導体２は、たとえば、厚さ１ｍｍから２ｍｍ程度の銅または銅合金からなることが望ましい。これによれば、主配線導体２の抵抗値を低くすることができる。このような主配線導体２が電極膜３にたとえば半田などのロウ材からなる低融点金属導体５を媒介として電気的に接続されている遮断機構１０によれば、主配線導体２同士の間の経路における抵抗値を小さくすることができる。したがって、電極膜３の抵抗値が小さくかつヒータ導体４の抵抗値が大きな遮断機構を得ることができる。

次に、遮断機構１０の動作が説明される。
遮断指令が図示されてない整流機構から出力されると、図示されていないヒータ導体４に接続された配線を通じて、電流がヒータ導体４に流れる。たとえば、２００Ｖのバッテリからヒータ導体４へ電流が流れると、１００Ωの抵抗値のヒータ導体４においては、２Ａの電流が流れ、４００Ｗの熱が発生する。この熱によって基板１の温度が上昇する。このとき、基板１の温度は、数秒間で３００℃以上に上昇し、数１０秒で７００℃程度まで上昇する。

低融点金属導体５が、たとえば、はんだからなる場合には、その融点はほぼ２００℃であるため、基板１および電極膜３上において溶融する。本実施の形態においては、基板１は主配線導体２の下側に配置されているため、基板１、電極膜３、およびヒータ導体４は一体となって重力にしたがって落下する。

本実施の形態においては、はんだが低融点金属導体５の一例として用いられているが、他の低融点金属がはんだの代わりに用いられてもよい。低融点金属導体５は、電気伝導性を有し、かつ主配線導体２、基板１、電極膜３、およびヒータ導体４よりも低い融点を有
していれば、いかなる材料からなっていても、温度ヒューズとして機能することができる。

前述のように、本実施の形態の遮断機構１０においては、電極膜３およびヒータ導体４がそれぞれ基板１の一方の主表面上および他方の主表面上に設けられており、かつ電極膜３が一方の低融点金属導体５および他方の低融点金属導体５のそれぞれを媒介として一方の主配線導体２および他方の主配線導体２に電気的に接続されている。この構成によれば、遮断機構１０は、非常に小型され得るものとなり、かつ、その抵抗値を非常に小さくすることができるものとなる。

次に、図５および図６を用いて、本実施の形態の遮断機構１０が用いられている電力用半導体装置が説明される。

本実施の形態の電力用半導体装置においては、図５に示されるように、図示されていない電力用半導体素子が内蔵された樹脂封止型のパワーモジュール６がベースプレート７上に配置されている。パワーモジュール６は信号端子８および主端子９を備えている。主端子９の延長部分は、遮断機構１０の一方の主配線導体２を構成している。

また、他方の主配線導体２の延長部分は、外部接続用の端子台１１を形成している。このとき、遮断機構１０は、蓋を有する樹脂製の筐体１２に内装され、それにより、外部空間に露出しないように保護されている。

遮断機構１０が動作したときには、低融点金属導体５が、筐体１２の内部の空間において、ヒータ導体４の発熱によって溶融するため、基板１を支持するものがなくなる。そのため、図６に示されるように、基板１が重力に従って落下し、パワーモジュール６の主端子９と端子台１１との間を流れる電流が遮断される。

なお、端子台１１は、主配線導体２に設けられた貫通孔に挿入されたボルト１３によって、遮断機構１０を内蔵する筐体１２の樹脂の所定の位置に固定されている。このように遮断機構１０と端子台１１とが一体化されているため、電力用半導体装置は小型化されかつ軽量化されている。

図示されていないが、たとえば、遮断機構１０および端子台１１を備えた樹脂製の筐体１２がパワーモジュール６に一体化されていてもよい。この場合、放熱性等の性能の低下がなければ、電力用は導体装置はベースプレート７を有していないくてもよい。また、電力用半導体装置は、ベースプレート７の代わりに、冷却用のヒートシンクを有していてもよい。樹脂製の筐体１２の材質としては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）またはエポキシなどの耐熱性を有する樹脂が用いられることが好ましい。

また、遮断機構１０が内蔵された筐体１２は、蓋を有し、外気から遮断されているため、塵埃などから保護されているだけでなく、遮断機構１０が動作したときに発生するアーク放電から筐体１２の周辺の部品が保護されている。筐体１２の蓋の材質としては、パワーモジュール６の主端子９などの導体と接する部分は絶縁性を有している必要があり、たとえば、ＰＰＳなどの耐熱性を有する樹脂などが用いられることが好ましい。

このように、本実施の形態の電力用半導体装置によれば、外部の端子台１１とパワーモジュール６の主端子９との間に遮断機構１０が設けられかつ外部からその発熱の制御によって低融点導体５を溶かすことができるヒータ導体４が設けられているため、過電流が遮断機構１０に流れた場合だけでなく、故障が発生したときにおいてもまた、ヒータ導体４に電流を流すことによって、遮断機構１０を能動的に機能させることが可能である。

なお、本実施の形態の電力用半導体装置においては、遮断機構１０は、パワーモジュール６の側方であってベースプレート７の上方に配置されているが、外部接続端子を有する端子台１１と電力用半導体素子の主端子９との間に設けられていれば、その配置としていかなる配置が採用されてもよい。

多くの場合には、パワーモジュール６の主端子９とプリント配線基板に電子部品が実装された制御基板とが固定されているが、本実施の形態の電力用半導体装置のように、それらが水平方向において並んで配置されている場合には、プリント配線板の面積の制約がないため、電力用半導体装置の設計の自由度が高い。一方、パワーモジュール６の主端子９とプリント配線基板に電子部品が実装された制御基板とが垂直方向において並んで配置されている場合には、電力用半導体装置の平面的な面積は小さく、かつ、プリント配線基板を配置することができる領域の制約がないという利点がある。

本実施の形態においては、パワーモジュール６の主端子９が遮断機構１０の主配線導体２を構成するものとされているが、それぞれが別個独立した部品からなっていてもよい。パワーモジュール６の主端子９と遮断機構１０の主配線導体２とが一体的な部品であれば、電力用半導体装置を小型化かつ軽量化することができる。一方、パワーモジュール６の主端子９および遮断機構１０の主配線導体２のそれぞれが別個独立した部品であれば、遮断機構１０から熱が逃げることを抑制し易くなるため、電力用半導体装置の設計の自由度が増加する。

（実施の形態２）
次に、図７および図８を用いて、本発明の実施の形態３の電力用半導体装置が説明される。本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態１の半導体装置とほぼ同様であるため、以下において、本実施の形態の電力用半導体装置と実施の形態１の半導体装置との相違点が主に説明される。

図７および図８に示されるように、本実施の形態の電力用半導体装置においては、基板１が一方の主配線導体２および他方の主配線導体２から離れるように、基板１を押圧する押圧機構が、筐体１２の蓋の下面に設けられている。押圧機構の一例としてばね１６が用いられている。押圧機構は、ばね１６以外に、ゴムなどの弾性体であってもよい。また、弾性体は、延びた状態で、基板１の下面と筐体１２の底面とに接続され、基板１を引っ張ることによって、基板１が一方の主配線導体２および他方の主配線導体２から離れさせるものであってもよい。

筐体１２の蓋は、絶縁性を要求されるため、樹脂などの絶縁材料によって金属の表面が被覆された部材であることが望ましい。本実施の形態においては、低融点金属導体５が溶融すると、ばね１６が伸張しようとする力によって、基板１が下方に押される。そのため、低融点金属導体５に与えられる熱量が小さくても、容易に基板１上の電極膜３を主配線導体２から離れさせることができる。

図示されていないが、珪砂などの絶縁性の材料が遮断機構１０の周囲の空間に充填されていてもよい。その場合、通常、ばね１６の力は珪砂から反力を受けるため、過度に大きな力が低融点金属導体５に働かない。そのため、低融点金属導体５がばね１６から受ける力のみによって破断してしまうという不具合の発生を抑制することができる。そのため、電力用半導体装置の信頼性を保証することができる期間を長くすることができる。

言い換えると、上記の構成によれば、重力以外に、押圧機構が絶縁性の基板１を一方の主配線導体２および他方の主配線導体２から離れるように押圧する力によって、一方の低
融点金属導体５および他方の低融点金属導体５のそれぞれの溶断が促進される。

前述のことがより具体的に説明される。
一般に、金属材料は絶対温度で標記された融点の半分程度の温度以上で再結晶を起こす材料であることが知られている。たとえば、Ｐｄフリーはんだの融点は２１７℃程度であることが知られている。これは、絶対温度で標記されると、は約４９０Ｋである。したがって、２４５Ｋ＝零下２８℃以上の温度で、Ｐｂフリーはんだの再結晶が生じる。再結晶が生じる温度の範囲内においては、Ｐｂフリーはんだは容易に変形する。そのため、力がＰｂフリーはんだに常に加えられていると、Ｐｂフリーはんだがその力によって除々に変形してしまうおそれがある。したがって、力が常にＰｂフリーはんだに加えられている場合には、電力用半導体装置の遮断機構の信頼性を保証できる期間が短い。

そのため、本実施の形態の電力用半導体装置のように、遮断機構１０が珪砂等によって封止されていることが好ましい。前述の説明においては、遮断機構１０が珪砂に内包されている電力用半導体装置が挙げられているが、難燃性および絶縁性の材料であれば、珪砂の代わりに他の材料が用いられても、電力用半導体装置の信頼性を保証することができる期間を長くすることができるという効果が得られる。

（実施の形態３）
次に、図９および図１０を用いて、実施の形態３の電力用半導体装置が説明される。本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態１の半導体装置とほぼ同様であるため、以下において、本実施の形態の電力用半導体装置と実施の形態１の半導体装置との相違点が主に説明される。

図９および図１０に示されるように、本実施の形態の電力用半導体装置においては、樹脂１４ａおよび１４ｂが筐体１２内の遮断機構１０の周囲の空間に充填されている。遮断機構１０の上側の空間が樹脂１４ａによって満たされ、遮断機構１０の下側の空間が樹脂１４ｂによって満たされている。

本実施の形態においては、遮断機構１０の上側の樹脂１４ａの熱膨張率が、遮断機構１０の下側の樹脂１４ｂの熱膨張率よりも大きい。たとえば、難燃性の耐熱樹脂として普及しているエポキシの熱膨張率は１５×１０^-6／℃程度であるのに対して、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）の熱膨張率は２２×１０^-6／℃程度である。したがって、遮断機構１０の上側の樹脂１４ａがＰＰＳからなり、遮断機構１０の下側の樹脂１４ｂがエポキシ樹脂からなっていれば、遮断機構１０の上側の樹脂１４ａの熱膨張率が遮断機構１０の下側の樹脂１４ｂの熱膨張率よりも大きい構成を実現することができる。

本実施の形態においては、ＰＰＳ樹脂およびエポキシ樹脂が、それぞれ、樹脂１４ａおよび１４ｂとして用いられているが、他の樹脂がそれぞれ樹脂１４ａおよび１４ｂとして用いられてもよい。

本実施の形態においては、前述のように、遮断機構１０の上側、すなわちヒータ導体４が設けられていない側の樹脂１４ａの熱膨張率が樹脂１４ｂの下側、すなわちヒータ導体４が設けられている側の樹脂１４ｂの熱膨張率よりも大きい。そのため、電流をヒータ導体４に流すことによって遮断機構１０を動作させるときに、樹脂１４ａの膨張の度合が樹脂１４ｂの膨張の度合よりも大きくなる。その結果、樹脂１４ａと樹脂１４ｂとの間の膨張の度合の相違に起因して、基板１が主配線導体２から離れるように、力が作用する。したがって、遮断機構１０が確実に機能する。つまり、図９に示される状態から図１０に示される状態へ変化し、一方の主配線導体２と他方の主配線導体２との間の電流の流れが遮断される。電力用半導体装置は、前述のような２種類の樹脂１４ａおよび１４ｂだけでは
なく、実施の形態２において説明されたばね１６もまた備えていてもよい。

（実施の形態４）
次に、図１１を用いて、実施の形態４の電力用半導体装置が説明される。本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態１の半導体装置とほぼ同様であるため、以下において、本実施の形態の電力用半導体装置と実施の形態１の半導体装置との相違点が主に説明される。

図１１に示されるように、本実施の形態の電力用半導体装置の遮断機構１０においては、電極膜３上にはたとえばＣｕまたはＡｌからなる導体層１５が設けられている。導体層１５は電極膜３よりも電気抵抗値が小さい。低融点金属導体５と電極膜３とは導体層１５を媒介として電気的に接続されている。

本実施の形態の遮断機構１０の製造方法は、次のようなものである。
たとえば、鋳ぐるみ法と呼ばれる手法が用いられる場合には、まず、基板１が導体層１５の形状に対応するキャビティを有する金型に装着される。次に、溶融したアルミニウム等の金属導体材料がキャビティ内に射出される。その後、金属導体材料が冷却される。次に、金型が開かれる。その後、金属導体材料が導体層１５として成形された遮断機構１０が、金型から取り出される。

また、活性金属ロウ付け法と呼ばれる方法が用いられる場合には、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ系、Ｃｏ−Ｔｉ系、Ｎｉ−Ｔｉ系、またはアルミニウム合金系等のロウ材を用いて、基板１にたとえばＣｕなどの金属層がロウ付けされることにより、金属層が導体層１５として形成された遮断機構１０が得られる。

このような手法によれば、基板１が大きく反ってしまう。しかしながら、電力用半導体装置の遮断機構１０の部品として基板１が用いられる場合には、その反りは遮断機構１０の機能を低下させてしまうようなものではない。したがって、基板１が多少反ったとしても、前述のような手法が採用されることが望ましい。

また、導体層１５と主配線導体２とが低融点金属導体５によって電気的に接続されるため、前述の各実施の形態の遮断機構１０と同様に、遮断機構１０が動作した場合には、ヒータ導体４の発熱によって低融点金属導体５が溶断され、主配線導体２と導体層１５とが電気的に分離されるため、電子回路を流れる電流が遮断される。

本実施の形態によれば、導体層１５を用いることによって、遮断機構１０における抵抗値が、導体層１５を用いない遮断機構１０の抵抗値の１０分の１から数１０分の１まで低減される。たとえば、抵抗値が０．１ｍΩに低減されると、１００Ａの電流が電子回路に流れる場合には、遮断機構１０における電圧ドロップは、０．０１Ｖ程度になる。したがって、遮断機構１０において生じる電力のロスは１Ｗ程度という非常に小さな値になる。

上記の構成によれば、一方の主配線導体２と他方の主配線導体２との間の電気抵抗値が電極膜３の電気抵抗値に依存せずに、電極膜３よりも電気抵抗値が小さい導体層１５に依存する。そのため、一方の主配線導体２と他方の主配線導体２との間の電気抵抗値をさらに低減することができる。また、ヒータ導体４が発した熱は導体層１５を経由して主配線導体２へ伝導される。したがって、導体層１５が設けられていない場合に比較して、ヒータ導体４が発した熱の逃げが抑制される。故に、小さいエネルギで低融点金属導体５を溶断させることができる。

（実施の形態５）
次に、図１２を用いて、実施の形態５の電力用半導体装置が説明される。本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態１の半導体装置とほぼ同様であるため、以下において、本実施の形態の電力用半導体装置と実施の形態１の半導体装置との相違点が主に説明される。

図１２に示されるように、電極膜３上に導体層１５が固着されている。一方の低融点導体５および他方の低融点導体５は、それぞれ、一方の主配線導体２の側端面上および他方の主配線導体２の側端面上おいて、それぞれの側端面に沿って垂直方向に延びるように設けられている。このような構成によれば、ヒータ導体４が発した熱は、導体層１５から一方の低融点導体５および他方の低融点導体５を経由して一方の主配線導体２の側端面および他方の主配線導体２の側端面へ伝達される。そのため、ヒータ導体４から主配線導体２までの熱伝導を抑制することができる。

主配線導体２を構成する主材料は、銅または銅合金であり、その熱伝導率は金属の中でも非常に大きい。一般的に、熱伝導率が高い金属は電気抵抗率が低い。主配線導体の材料としては、電気抵抗率が低いことが望ましい。なせならば、主配線導体２と低融点金属導体５との接合部を通ってヒータ導体４の熱が逃げてしまうからである。ヒータ導体４の熱が逃げてしまうと、ヒータ導体４の温度の上昇の速度が遅くなる傾向がある。この傾向は、主配線導体２の断面積が大きくなるほど、顕著になる。この場合、数１００Ａという大きな電流が遮断機構１０を流れれば、非常にヒータ導体４の温度の上昇速度が小さくなってしまう。

これに対して、本実施の形態の遮断機構１０によれば、極めて厚さが小さい主配線導体２の端面にのみ低融点導体５が接触している。したがって、主配線導体２の下面と低融点導体５の上面とによって面積が大きな接合部が形成される実施の形態１の遮断機構等との比較において、ヒータ導体４から主配線導体２までの熱の逃げを抑制することができる。

（実施の形態６）
次に、図１３〜図１５を用いて、実施の形態６の電力用半導体装置が説明される。本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態１の半導体装置とほぼ同様であるため、以下において、本実施の形態の電力用半導体装置と実施の形態１の半導体装置との相違点が主に説明される。

図１３〜図１５に示されるように、本実施の形態の電力用半導体装置の遮断機構１０においては、主配線導体２と電極膜３とが、リボン状の低融点金属導体５を媒介として電気的に接続されている。リボン状の低融点金属導体５は、たとえば、アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム（Ａｌ）合金の箔からなり、１ｍｍ〜２ｍｍ程度の幅および１００μｍ〜２００μｍ程度の厚さを有している。また、リボン状の低融点金属導体５は、超音波接合によって、主配線導体２および電極膜３のそれぞれに接合される。

一般に、Ａｌの融点は６６０℃である。したがって、ヒータ導体４が放出する熱によって、Ａｌからなるリボン状の低融点金属導体５のうちの電極膜３との接合面が溶断される。それにより、電子回路を流れる電流が遮断される。

本実施の形態においては、リボン状の低融点金属導体５が用いられているが、その代わりに、ＡｌまたはＡｌ合金からなる直径数１００μｍ程度の線（ワイヤ）状の低融点金属導体５が用いられてもよい。この場合においても、線状の低融点金属導体５は、超音波接合によって、主配線導体２および電極膜３のそれぞれに接合される。

本実施の形態において用いられる超音波接合は、固相接合である。一方、前述の各実施
の形態において用いられた半田接合は、液相接合である。半田接合によれば、常温において、はんだの再結晶が進行する。一般的に、再結晶温度以上の温度雰囲気で金属材料が用いられる場合、疲労寿命が短い傾向がある。そのため、はんだが、長時間、熱応力に晒される環境下で用いられる場合には、電力用半導体装置の信頼性を保証することが可能な期間が短くなる。したがって、はんだに大きな熱応力が発生することを抑制するために、はんだと主配線導体２との接合面積を大きくする必要がある場合がある。この場合には、はんだと主配線導体２との接合部の金属疲労が大きいため、遮断機構の信頼性を保証する期間を短く設定する必要が生じる。

それに対して、本実施の形態のように、Ａｌ系の材料が低融点金属導体５として用いられる場合には、その再結晶温度が２００℃であるため、信頼性を保証することができる期間を長く設定することができる。ただし、Ａｌからなる低融点金属導体５の融点は６６０℃であるため、図１〜図４を用いて説明された実施の形態１の遮断機構１０のような構造を採用すると、高熱を発生させるために極めて大きな設備が必要となり、生産効率の観点からは望ましくない。より具体的には、主配線導体２の材料として用いられたＣｕまたはＣｕ合金は熱伝導率が大きく、また、低融点金属導体５のみを局所的に加熱することが困難であるため、低融点金属導体５の温度とともに主配線導体２の温度を少なくともＡｌ系ロウ材の溶融温度である６００℃以上に上昇させなければ、主配線導体２と電極膜３とを低融点導体５によってロウ付けすることができない。したがって、６００℃以上に加熱するための大型の加熱装置が必要になってしまう。

これに対して、本実施の形態の遮断機構１０の製造において用いられているＡｌ系のリボンまたはワイヤの超音波接合技術によれば、基本的には加熱なしに、主配線導体２および電極膜３のそれぞれと低融点金属導体５とを接合することが可能である。

そのため、遮断機構１０の信頼性を保証することが可能な期間を十分に長くすることができるとともに、上記のような生産効率の低下を招くことなく、設計自由度を向上させることができる。

ＷまたはＭｏＭｎなどの材料がヒータ導体の材料として用いられれば、ヒータ導体４の融点は、低融点金属導体５を構成するＡｌの融点よりも高くなるため、Ａｌが溶融する温度まで低融点金属導体５が加熱されても、遮断機構１０の機能に支障が生じることはない。

（実施の形態７）
次に、図１６〜図１８を用いて、実施の形態７の電力用半導体装置が説明される。本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態１の半導体装置とほぼ同様であるため、以下において、本実施の形態の電力用半導体装置と実施の形態１の半導体装置との相違点が主に説明される。

なお、本実施の形態の遮断機構１０は、上記実施の形態１〜６の遮断機構のように、低融点金属導体５が溶融して、基板１等が下方へ移動することにより、一方の主配線導体２と他方の主配線導体２との電気的な接続を遮断するものではない。本実施の形態の遮断機構１０は、電極膜３および基板１の破断によって、一方の主配線導体２と他方の主配線導体２との電気的な接続を遮断するものである。

図１６〜図１８に示されるように、本実施の形態の電力用半導体装置の遮断機構１０においては、複数の貫通孔１６が、平面的に見て、電極膜３に破断線状に設けられている。複数の貫通孔１６のそれぞれは、平面的に見て矩形の形状を有しており、導体膜３を貫通している。

このような破断線状の複数の貫通孔１６を有する電極膜３が、アルミナなどのセラミックからなる基板１上に焼成によって形成された場合には、その複数の貫通孔１６の近傍において、電極膜３の線膨張率と基板１の線膨張率との差に起因して大きな残留応力が生じている。このため、たとえば、衝撃、機械的荷重、または急激な温度変化によって、セラミックからなる基板１を破断線状の複数の貫通孔１６に沿って割ることができる。

基板１の一部の厚みを薄くするために、基板１の表面に、電極膜３に設けられた貫通孔１６の連なる線に重ねて、レーザなどによって、スクライブ加工を行うと、基板１は破断され易くなり、それにより、好ましい結果を得ることができる。

したがって、本実施の形態の電力用半導体装置の遮断機構１０によれば、基板１を構成するセラミックが破断線に沿って分断され易い。また、電極膜３も破断線に沿って分断され易い。つまり、一方の主配線導体２と他方の主配線導体２とが確実に電気的に分離される。このような方法によっても、遮断機構１０は、一方の主配線導体２と他方の主配線導体２との間の電流の流れを遮断することができる。

（実施の形態８）
次に、図１９を用いて、実施の形態８の電力用半導体装置が説明される。本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態５の半導体装置とほぼ同様であるため、以下において、本実施の形態の電力用半導体装置と実施の形態１の半導体装置との相違点が主に説明される。

なお、本実施の形態の遮断機構１０も、実施の形態５の遮断機構と同様に、上記実施の形態１〜６の遮断機構のように、低融点金属導体５が溶融して、基板１等が下方へ移動することにより、一方の主配線導体２と他方の主配線導体２との電気的な接続を遮断するものではない。本実施の形態の遮断機構１０は、電極膜３および基板１の破断によって、一方の主配線導体２と他方の主配線導体２との電気的な接続を遮断するものである。

図１９に示されるように、本実施の形態の電力用半導体装置の遮断機構１０においては、一方の導体層２５および他方の導体層２５が、１つの電極膜３上において、仮想線の両側に分離して配置されている。一方の主配線導体２および他方の主配線導体２は、それぞれ、一方の導体層２５および他方の導体層２５に一方の低融点金属導体５および他方の低融点金属導体５を媒介として電気的に接続されている。

本実施の形態の遮断機構１０によれば、一方の導体層２５および他方の導体層２５が分分離して配置されているため、基板１に生じる大きな内部応力を利用して、基板１および電極膜３を一方の導体層２５と他方の導体層２５との間の領域に延びる仮想線に沿って破断させることができる。

（実施の形態９）
次に、図２０〜図２２を用いて、実施の形態９の電力用半導体装置が説明される。本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態１の半導体装置とほぼ同様であるため、以下において、本実施の形態の電力用半導体装置と実施の形態１の半導体装置との相違点が主に説明される。

なお、本実施の形態の遮断機構１０も、実施の形態５の遮断機構と同様に、上記実施の形態１〜６の遮断機構のように、低融点金属導体５が溶融して、基板１等が下方へ移動することにより、一方の主配線導体２と他方の主配線導体２との電気的な接続を遮断するものではない。本実施の形態の遮断機構１０は、電極膜３および基板１の破断によって、一
方の主配線導体２と他方の主配線導体２との電気的な接続を遮断するものである。

図２０から分かるように、本実施の形態の電力用半導体装置の遮断機構１０においては、ヒータ導体が、それぞれが独立して電子回路に接続された一方のヒータ導体４ａおよび他方のヒータ導体４ｂからなっている。つまり、一方のヒータ導体４ａおよび他方のヒータ導体４ｂのそれぞれが独立した電子回路を構成している。なお、本実施の形態においては、一方のヒータ導体４ａと他方のヒータ導体４ｂとの間において延びる仮想線に沿って基板１および電極膜３が破断されるものとする。

本実施の形態においては、ヒータ導体が１つの回路からなっている場合に比較して、基板１および電極膜３の破断のときにヒータ導体が分断されてしまうことが防止されている。したがって、ヒータ導体に電流が流れずに基板１および電極３が完全には破断されないという不具合の発生が防止されている。

また、本実施の形態においては、低融点金属導体５は、ＡｌまたはＡｌ合金のリボン導体またはワイヤからなっている。一方の低融点金属導体５および他方の低融点金属導体５は、それぞれ、電極膜３および主配線導体２に超音波接合によって接合される。本実施の形態の遮断機構１０によっても、実施の形態７および８の遮断機構１０と同様に、基板１は内部応力によって、図２１に示される状態から図２２に示される状態へ変化する。すなわち、基板１および電極膜３が分断される。その結果、一方の主配線導体２と他方の主配線導体２との間の電流の流れが遮断される。

（実施の形態１０）
次に、図２３および図２４を用いて、実施の形態１０の電力用半導体装置が説明される。本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態１の半導体装置とほぼ同様であるため、以下において、本実施の形態の電力用半導体装置と実施の形態１の半導体装置との相違点が主に説明される。

図２３に示されるように、本実施の形態の電力用半導体装置の遮断機構１０においては、一方の電極膜３および他方の電極膜３が基板１上の一方の位置および他方の位置に分割して設けられている。また、一方の電極膜３と他方の電極膜３とは低融点金属導体１７を媒介として電気的に接続されている。

本実施の形態の遮断機構１０においては、ヒータ導体４が発熱すると、低融点金属導体１７が溶融する。前述のように、低融点金属導体１７は、表面積が最小となるように変形する。そのため、低融点金属導体１７は、一方の主配線導体２および他方の主配線導体２のそれぞれに近づき、２つに分割される。その結果、図２４に示されるように、一方の低融点金属導体１７および他方の低融点金属導体１７は、それぞれ、一方の低融点導体５および他方の低融点金属導体５に一体化される。つまり、融点が低い低融点導体１７が、溶融した後、相対的に融点が高い低融点導体５に向かって流れ、低融点導体５に一体化される。本実施の形態においては、低融点金属導体１７の融点が低融点金属導体５の融点よりも低いため、低融点金属導体１７が低融点金属導体５へ向かって流れているが、低融点金属導体５の融点が低融点金属導体１７の融点よりも低ければ、低融点金属導体５が溶融して低融点金属導体１７へ向かって流れ、低融点導体５が低融点導体１７に一体化される。

なお、遮断機構１０の動作時には、低融点金属導体５と低融点金属導体１７とが接触すると、その接触位置で低融点金属導体５および１７の溶融反応が一気に進む。このとき、溶融金属の表面積を低減させるように、低融点金属導体５および１７が変形する。その結果、図２４に示されるように、低融点金属導体１７が低融点金属導体５に一体化される。したがって、遮断機構１０は確実にその機能を発揮することができる。

また、前述のような一体化が確実に実現されるためには、図２３に示される状態において、低融点金属導体１７と低融点金属導体５との間の距離は小さいことが望ましい。

また、低融点金属導体１７と主配線導体２または低融点金属導体５とが、たとえば、ＳｎおよびＺｎ、またはＳｎおよびＩｎ等のような互いに共晶反応を生じる組成からなっていることが望ましい。これによれば、共晶反応を利用して、低融点金属導体５，１７が液化する温度を、低融点金属導体５または１７のそれぞれの融点よりも低くすることができる。したがって、より低い温度で遮断機構１０の機能を発揮させることができる。

また、本実施の形態の遮断機構１０によれば、低融点金属導体５，１７のうちの融点が高い方を一方の電極膜３および他方の電極膜３に接続した後で、低融点金属導体５，１７のうちの融点が低い方を一方の電極膜３および他方の電極膜３に接続することができる。したがって、製造方法の自由度が向上する。

（実施の形態１１）
次に、図２５〜図２７を用いて、実施の形態１１の電力用半導体装置が説明される。本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態５の半導体装置とほぼ同様であるため、以下において、本実施の形態の電力用半導体装置と実施の形態１の半導体装置との相違点が主に説明される。

なお、本実施の形態の遮断機構１０も、実施の形態５の遮断機構と同様に、上記実施の形態１〜６の遮断機構のように、低融点金属導体５が溶融して、基板１等が下方へ移動することにより、一方の主配線導体２と他方の主配線導体２との電気的な接続を遮断するものではない。本実施の形態の遮断機構１０は、電極膜３および基板１の破断によって、一方の主配線導体２と他方の主配線導体２との電気的な接続を遮断するものである。

図２５〜図２７に示されるように、本実施の形態の電力用半導体装置の遮断機構１０においては、ヒータ導体４ａおよび４ｂと基板１とが接触している領域が主配線導体２と電極膜３とが接触している領域よりも小さい。すなわち、ヒータ導体４ａおよび４ｂのすべてが、平面視において、主配線導体２と電極膜３とが接触している領域に内包されている。言い換えれば、ヒータ導体４ａおよび４ｂは、主配線導体２および電極膜３が基板１上に投影された場合に、その影に対応する領域の中に設けられている。

一般に、基板１のヒータ導体４の反対側の主表面に何も形成されていない場合においては、ヒータ導体４が発した熱が基板１を通じて外部へ伝達される。一方、基板１のヒータ導体４の反対側の主表面に電極膜３および主配線導体２が設けられていれば、基板１の温度は、電極膜３および主配線導体２が接触している領域から離れるほど高なる。たとえば、電極膜３および主配線導体２が基板１上の２つの位置に接触している場合には、その２つの位置のそれぞれから等距離にある位置の温度が最も高くなる。

前述のような事項を踏まえると、低融点金属導体５（ロウ材）を溶融させるために、ヒータ導体４に熱を発生させた場合には、ヒータ導体４の温度が臨界温度（ヒータ導体４の融点等）を超えると、ヒータ導体４の一部が溶融してしまう場合があると考えられる。この場合には、ヒータ導体４には電気を流すことができなくなる。そのため、前述の例のような場合には、ヒータ導体４を用いて供給することができる熱量を、基板１のうちのヒータ導体４が形成されている主表面の裏側の主表面のすべてが電極膜３および主配線導体２に覆われている遮断機構に比較して、小さくする必要がある。

前述のような例に比較して、本実施の形態の遮断機構１０によれば、ヒータ導体４から
発せられた熱が、主配線導体２および低融点金属導体５を通じて容易に外部へ放出される。そのため、ヒータ導体４の温度が極端に大きくならない。その結果、ヒータ導体４の発熱量が大きくなっても、ヒータ導体４が溶融し難い。したがって、ヒータ導体４の設計の自由度が増加し、遮断機構の機能が発揮され易くなる。

また、主配線導体２および低融点金属導体５などが複数に分断されている場合には、ヒータ導体４のうちの主配線導体２と低融点金属導体５とが重なっている部分に対応する部分のみの抵抗を高くするとともに、主配線導体２同士の間に位置する電極膜３の抵抗値を低くすることが望ましい。また、抵抗率が高いヒータ導体４を、主配線導体２および低融点金属導体５が基板１に投影されたときに影が存在する領域のみに設けるが望ましい。

これによれば、ヒータ導体４の溶融を考慮する必要がないため、遮断機構１０の設計の自由度が増加する。たとえば、ヒータ導体４の発熱量を大きくすることによって、電気回路が遮断されるまでの時間を短縮することができる。

上記の構成によれば、ヒータ導体４の温度上昇に起因する悪影響が及ぼされる領域を極力小さくしながら、ヒータ導体４の発熱を効率的に一方の低融点金属導体５および他方の低融点金属導体５に伝達することができる。

なお、実施の形態５と同様の複数の貫通孔１６は必ずしも設けられていなくて、前述の本実施の形態の遮断機構の機能を発揮することは可能であるが、複数の貫通孔１６が電極膜３に破断線状に設けられていれば、電極膜３および基板１を破断線に沿って破断させ易くなる。

（実施の形態１２）
次に、図２８〜図３０を用いて、実施の形態１２の電力用半導体装置が説明される。本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態１の半導体装置とほぼ同様であるため、以下において、本実施の形態の電力用半導体装置と実施の形態１の半導体装置との相違点が主に説明される。

図２８〜図３０に示されるように、本実施の形態の電力用半導体装置の遮断機構１０においては、他の配線が接続され得る接続パッド１４ａおよび１４ｂが、それぞれ、ヒータ導体４ａの両端およびヒータ導体４ｂの両端に設けられている。接続パッド１４ａおよび１４ｂは、それぞれ、主配線導体２の基板１上への投射影に内包される領域内であって、かつヒータ導体４ａおよび４ｂの最も外側の位置に設けられている。

本実施の形態の遮断機構１０によれば、電流がヒータ導体４に流れているときに、接続パッド１４ａおよび１４ｂの温度を他の領域の温度よりも低くすることができる。これは、本実施の形態の遮断機構１０においてはヒータ導体４が発した熱が主に主配線導体２へ伝達されることによって、接続パッド１４ａおよび１４ｂの温度上昇が抑制されるためである。

つまり、主配線導体２が基板１上へ投影されたときに影になる領域の温度が他の領域に比較して低くなっている。そのため、接続パッド１４ａおよび１４ｂの温度を最も低減することができるようにするために、接続パッド１４ａおよび１４ｂが設けられている領域が、基板１の主配線導体２が投影された領域に包含され、かつ、最も基板１の外側に設けられている。これにより、接続パッド１４ａおよび１４ｂの温度を基板１のうちで最も低い値に維持することができる。

前述のように、接続パッド１４ａおよび１４ｂの温度を低減することによって、電流が
ヒータ導体４に流れて、たとえば、４００℃以上にヒータ導体４が発熱した場合においても、接続パッド１４ａおよび１４ｂの温度を２００℃以下に抑えることが可能である。そのため、接続パッド１４ａおよび１４ｂと他の配線との接続の信頼性を向上させることができる。したがって、遮断機構１０が動作するまでに、接続パッド１４ａおよび１４ｂから他の配線が外れてしまうことが防止される。

（実施の形態１３）
次に、図３１を用いて、実施の形態１３の電力用半導体装置が説明される。本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態１の半導体装置とほぼ同様であるため、以下において、本実施の形態の電力用半導体装置と実施の形態１の半導体装置との相違点が主に説明される。

なお、本実施の形態の遮断機構は、実施の形態１〜６の遮断機構と同様に、低融点材料１７の溶融および分断によって一方の主配線導体２と他方の主配線導体２とが電気的に分離されるものである。なお、遮断機構１０は、低融点金属導体１７が基板１よりも下側に配置されていれば、つまり、図３１に示される遮断機構１０が上下逆さまに配置されていれば、低融点金属導体１７は、溶融したときに、重力によって落下する。そのため、より容易に一方の主配線導体２と他方の主配線導体２との電気的な接続を遮断することができる。このような重力の作用を利用して低融点金属導体１７を落下させることは、たとえば、基板１が鉛直方向に沿って延びるように配置されている場合にも、実現される。

図３１に示されるように、本実施の形態の電力用半導体装置の遮断機構１０においては、低融点金属導体１７が、基板１が介在する状態で、ヒータ導体４に対向するように配置されている。また、低融点金属導体１７は低融点導体５の融点よりも低い融点を有している。さらに、低融点金属導体１７は厚み分布を有する。本実施の形態の低融点金属導体１７においては、主配線導体２に接触している両端部において厚みが小さく、かつその中央部において厚みが大きい。

一般に、低融点金属粉末が、バインダとしての粉末金属に混合され、基板１上に印刷され、焼成されることによって、低融点金属導体が形成される。一方、本実施の形態の低融点金属導体１７は、溶融したはんだを、はんだに対する漏れ性が低い材料の枠の中に流し込む等の方法によって形成され得る形状を有している。

前述の本実施の形態の低融点金属導体１７によれば、その中央部の断面積がその両端部に接続されている主配線導体の断面積よりも大きいため、主配線導体２同士の間の抵抗値を非常に小さくすることができる。つまり、本実施の低融点金属導体１７の形状は、大電流が流れる回路の遮断に適している。

一般に主配線導体２から外部へ放出される熱が、ヒータ導体４が発した熱による低融点金属導体１７の温度上昇の妨げになるが、本実施の形態の遮断機構１０の低融点金属導体１７のように主配線導体２に接触している部分の厚みが中央部の厚みよりも小さくなっていれば、低融点金属導体１７から主配線導体２への熱の流れが、低融点金属導体１７の厚みが均一の場合に比較して抑制される。そのため、低融点金属導体１７の温度が上昇し易い。その結果、電子回路を遮断するまでの時間が短縮される。したがって、ヒータ導体４の発熱のために消費されるエネルギを小さくすることができる。これは、遮断機構１０の設計の自由度の増加につながる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意
図される。

１ 基板、２ 主配線導体、３ 電極膜、４，４ａ，４ｂ ヒータ導体、６ パワーモジュール、７ ベースプレート、８ 信号端子、９ 主端子、１０ 遮断機構、１１ 端子台、１２ 筐体、１４ａ，１４ｂ 接続パッド、５，１７ 低融点金属導体、１５，２５ 導体層。

Claims (1)

1. 絶縁性の基板と、
   前記基板の一方の主表面上に設けられた電極膜と、
   前記基板の他方の主表面上に設けられ、電流が流れることによって発熱するヒータ導体と、
   それぞれが所定の電子回路および前記電極膜に電気的に接続された一方の主配線導体および他方の主配線導体とを備え、
   前記電極膜は、平面的に見て前記一方の主配線導体と前記他方の主配線導体との間の領域を横切るように延びる破断線状の複数の貫通孔を有し、
   前記ヒータ導体は、前記破断線の一方の側に設けられた一方のヒータ導体と、前記破断線の他方の側に設けられた他方のヒータ導体とを有する、遮断機構を有する電力用半導体装置。

Images