JPH053623A - フエールセーフ半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】フェールセーフ半導体素子を低価格化、小型化
する。 【構成】ワックス型サーモスタットを、シリコン基板１
内のトランジスタ２の周囲に設けられた容器に注入し、
ポリイミド等の有機絶縁物５で封入し、トランジスタ２
のＣ、Ｅ、Ｂ端子への電流入出力配線用の配線パターン
６を有機絶縁物５の上を通るようにする。万が一、トラ
ンジスタ２が短絡故障した時、トランジスタ２の熱によ
りワックス型サーモスタットが所定温度を越え、相変化
して体積が膨張し、配線パターン６を切断してトランジ
スタ２の出力を遮断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フェールセーフ半導体
素子に関し、特に故障短絡が起こった場合に前記半導体
素子の電流の入出力を遮断する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、安全を確保する為にはフェールセ
ーフな処理が要求される。特に鉄道等においてはこのよ
うなフェールセーフ性が要求される。このようにフェー
ルセーフが要求される分野における出力装置では、例え
ばアクチュエータの電源等のように、アクチュエータが
誤動作しても安全を確保する出力許可信号があってはじ
めて出力がされるように構成することが必要である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の半導
体素子、例えばトランジスタ、ＳＳＲ（ソリッドステー
トリレー）、サイリスタ等のディスクリート素子、及び
これらを集積化したハイブリッドＩＣ、及びその他の集
積回路等では、万が一、短絡故障が発生した時に、出力
許可信号がないにもかかわらず出力を生じる可能性があ
る為、このような半導体素子をフェールセーフな出力装
置に使用する場合には、出力許可信号と出力結果を照合
してチェックするようにしている。さらにこのチェック
機能を有する照合回路においても、フェールセーフ性を
備える為に例えば１つのＡＮＤゲートを構成するのに数
多くの半導体素子を必要とし、回路構成が複雑となる。
また万が一、出力用半導体素子が短絡故障を起こした場
合、最終的にはその出力用半導体素子と電圧の供給電源
とをフェールセーフ特性を有する機械式のリレーによっ
て切り離し、通電を遮断してフェールセーフ性を保証す
るようにしているが、このような機械式のリレーは、制
作が容易ではなく大量生産をするのが難しい為、高価で
あり、小型化出来ないおそれがあった。

【０００４】本発明ではこのような従来の課題に鑑みて
なされたもので、機械式のリレーを用いずに、簡便かつ
小型化を可能にするフェールセーフ半導体素子を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、半導
体素子の近傍に配設され、当該半導体素子の発熱により
所定温度を越えた時、形状が変化して前記半導体素子の
電流入出力用配線の少なくとも一方を切断する電流遮断
手段を設けた。

【０００６】

【作用】上記の構成によれば、万が一、半導体素子が短
絡故障して電流入出力制御が不能となると、半導体素子
の温度が上昇する。半導体素子の発熱により、半導体素
子の近傍に配設されている電流遮断手段の温度が所定温
度を越えた時、形状が変化し、半導体素子の電流入出力
用配線の少なくとも一方を切断して半導体素子の通電電
流を遮断する。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜３に基づい
て説明する。本実施例を示す図１において、半導体のシ
リコン基板１に、半導体素子である例えばｎ、ｎ⁺ 、ｐ
⁺ 形層からなるトランジスタ２を形成する。尚、シリコ
ン基板１に形成する半導体素子としてはトランジスタの
他に、ＳＳＲ（ソリッドステートリレー）、サイリスタ
等のディスクリート素子、及びこれらを集積化したハイ
ブリッドＩＣを含む集積回路素子がある。このトランジ
スタ２の周囲を全面に渡って囲むようにシリコン酸化膜
層３を介してワックス型サーモスタット層４を形成す
る。またこのワックス型サーモスタット層４はトランジ
スタ２との間に出来るだけ温度差が出ないように出来る
だけトランジスタ２の近傍に配設する。このワックス型
サーモスタット層４を形成するには、まずシリコン基板
１の表面に細い孔を掘り、この孔から結晶異方性エッチ
ングを行ってシリコン基板１内に空洞の容器を形成す
る。そしてこの容器を保護し、かつトランジスタ２をシ
リコン基板１から分離して囲むようにシリコン酸化膜層
３を形成し、シリコン酸化膜層３が形成された容器に外
形変化部材であるワックス型サーモスタットを温めて液
体状として注入する。ワックス型サーモスタットは常温
では固体であり、常温から加熱すると所定温度で相変化
して固体から液体になり、体積が急激に膨張する性質を
有する。またこのワックス型サーモスタットの組成を調
整することにより相変化する所定温度を任意に設定する
ことが出来る。ワックス型サーモスタットを注入した
後、常温まで冷却して再び固体化し、前記細い孔に例え
ばポリイミド等の有機絶縁物５を形成してワックス型サ
ーモスタットを封入する。ポリイミドは感光性の絶縁物
であり、配線に使用されるアルミニウム（以後、アルミ
と記す）との密着性が良好である。また細い孔に有機絶
縁物５でワックス型サーモスタットを封入することによ
り、ワックス型サーモスタットが液体化して膨張した
時、有機絶縁物５に圧力がかかり、この細い孔から勢い
よく噴出するようになる。有機絶縁物５を形成した後、
トランジスタ２のコレクタ（Ｃ）、エミッタ（Ｅ）、ベ
ース（Ｂ）端子に其々、例えばアルミ等の配線パターン
６をこの有機絶縁物５上を通るように電流入出力配線用
として形成する。

【０００８】次に動作を説明する。一般に半導体素子を
使用する場合、通常、半導体素子が熱によって破壊する
のを防止する為に、半導体素子の放熱には充分配慮する
必要がある。また半導体素子の熱設計が最適になされ、
許容損失電力以下で使用している限り半導体素子が破壊
することは極めて稀である。

【０００９】前記トランジスタ２が直流電源を入力とし
て正常にスイッチングしている場合で考えると、図２に
おいて導通期間Ｔonでトランジスタはオン抵抗により電
力が損失し、この電力損失によりトランジスタは発熱し
温度ｔ₂ となる。例えばデューティ比50％（周期Ｔとし
てＴon＝１／２Ｔ）とすると、トランジスタの電力損失
による発熱量はデューティ比 100％の時と比較して約１
／２となる。この発熱量を配慮して熱設計が行われる
が、放熱量が一定であればトランジスタの素子温度は放
熱量と発熱量との差で決まり、スイッチングしている状
態の素子温度はデューティ比 100％の時と比較して１／
２の温度ｔ₁ となる。したがって最大デューティ比50％
である場合は、ワックス型サーモスタットの組成も、ワ
ックス型サーモスタットが相変化する所定温度ｔ₀ がｔ
₁ ＜ｔ₀ ＜ｔ₂ になるように調整しておけば、トランジ
スタが正常の時、ワックス型サーモスタットは相変化を
起こさずトランジスタは全く影響を受けず仕様通り動作
している。

【００１０】万が一、トランジスタに短絡故障等が発生
した場合、制御不能の状態となり、半導体素子内には直
流電流が流れる。この場合、スイッチング状態よりも素
子温度が上昇し、ワックス型サーモスタットはトランジ
スタ素子の熱により所定温度ｔ₀ を越える。この時、ワ
ックス型サーモスタットは固体から液体に相変化し、体
積が膨張する。そして有機絶縁物５に圧力がかかり、ワ
ックス型サーモスタットはこの有機絶縁物５を破って勢
いよく噴出し、有機絶縁物５の上に配線されているアル
ミの配線パターン６を切断する。この有機絶縁物５の封
入口が硬ければ硬いほどワックス型サーモスタットは勢
いよく噴出し、配線パターン６を確実に切断することが
出来る。そして配線パターン６が切断されるとトランジ
スタへの電力の供給が停止し、出力が遮断される。

【００１１】このように短絡故障して制御不能になった
場合に自ら出力を遮断する構造にすることにより、対称
故障素子、即ち、短絡故障モードと断線故障モードとが
存在する通常の素子を、断線故障モードしか存在しない
非対称故障素子にすることが出来る。このように対称故
障素子を非対称故障素子にすることにより、断線故障の
対策だけを行えばよく、故障対策が容易となる。

【００１２】このようなトランジスタを用いたインバー
タ制御回路について説明する。図３において、直流電圧
Ｖ_CCの電源から電圧−Ｖ_CCの電源まで順次、電流制限抵
抗Ｒ、誘導性負荷である電動モータ11、ＮＰＮトランジ
スタＴｒが直列に接続している。そしてトランジスタＴ
ｒの制御端子であるベースにパルス信号が入力され、こ
のパルス信号に基づいて電動モータ11への電力の供給が
制御される。

【００１３】次にこのインバータ制御回路の動作を説明
する。所定の周波数でトランジスタＴｒのベースにパル
ス信号が入力された時、電動モータ11に通電される電流
はこのパルス信号と同じ周波数の交番出力となる。電動
モータは誘導性負荷である為、周波数に依存するインピ
ーダンスを有し、トランジスタＴｒへの通電電流の通電
量は電流制限抵抗Ｒと電動モータとで制限される。ここ
で、例えば使用上の出力最大定格をデューティ80％の時
に設定すれば、トランジスタＴｒが正常である場合、最
大デューティ80％でスイッチングして制御可能状態であ
り、デューティ80％を越えている時は短絡故障して制御
不能状態であると診断出来る。また万が一、短絡故障を
起こした場合、電動モータ11には直流電流が通電され、
周波数に依存するインピーダンスを有する電動モータ11
はインピーダンスが０となり、通電量は電流制限抵抗Ｒ
によって制御されるだけとなり回路全体に常時電流が流
れ、トランジスタＴｒでは非導通期間のある正常状態の
時よりも大きな電力が消費され、トランジスタＴｒの発
熱量は増加する。そしてワックス型サーモスタットがト
ランジスタＴｒの熱により所定温度ｔ₀ を越えた時、ト
ランジスタは自ら断線し、電力の供給を遮断する。電力
の供給がなくなれば、電動モータ11は直ちに停止し、事
故の起こる可能性はなくなる。

【００１４】尚、ヒューズは通電量によって溶断する電
流センサである為、スイッチング時の通電量よりも大き
な値で溶断するように設定しなければならない。またそ
のように設定すると、短絡故障が発生した時、トランジ
スタに流れる電流は電流制限抵抗Ｒにより正常時とほぼ
同じ通電量となってヒューズが溶断しないおそれがある
ので、ヒューズは電流を遮断する手段としては最適では
ない。

【００１５】かかる構成によれば、ワックス型サーモス
タットを、シリコン基板１内のトランジスタ２の周囲に
設けられた容器に注入し、有機絶縁物５で封入し、トラ
ンジスタのＣ、Ｅ、Ｂ端子への電流入出力配線用の配線
パターン６を有機絶縁物５の上を通るようにすることに
より、トランジスタ２が正常の時は、トランジスタ２の
動作には影響を与えず、万が一、トランジスタ２が短絡
故障した時、トランジスタ２から発生した熱によりワッ
クス型サーモスタットが固体から液体に相変化して体積
が膨張し、有機絶縁物５の細い孔から噴出してアルミの
配線パターン６を切断し、短絡故障が発生して制御不能
となった場合でも直ちにトランジスタ２の出力が遮断さ
れるので、事故の拡大を防止することが出来る。またこ
のように断線故障モードと短絡故障モードとが存在する
通常の素子である対称故障素子を、断線故障モードだけ
が存在する非対称故障素子とすることにより、故障対策
が容易となる。そして、従来、使用されている高価な機
械式リレーを置き換えて、複雑なフェールセーフチェッ
ク機能を半導体素子のパッケージの中に単純に収納する
ことが出来るので、価格を低減し、さらに小型化を実現
することが出来、特にフェールセーフ処理が要求される
分野において、既存のシステムの置き換え、あるいは新
しいシステムの構築にも用いることが出来、極めて有用
である。

【００１６】尚、本実施例ではワックス型サーモスタッ
ドを用いて配線パターンを断線するようにしたが、これ
に限らず例えば形状記憶合金を用いて構成しても構わな
い。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、所
定温度を越えた時、外形形状が急変する形状変化部材を
半導体素子の近傍に配設し、形状変化部材の外形形状が
急変した時、半導体素子の電流入出力用配線を切断する
ように構成することにより、半導体素子が正常の時は、
半導体素子の動作には影響を与えず、万が一、半導体素
子が故障して温度が上昇し所定温度を越えた時、半導体
素子の電流入出力用配線を切断して電流の入出力を遮断
するので、事故の拡大を防止することが出来る。また断
線故障モードと短絡故障モードとが存在する通常の素子
である対称故障素子を、断線故障モードだけが存在する
非対称故障素子とすることにより、故障対策が容易とな
る。そして煩雑なフェールセーフチェック機能を半導体
素子のパッケージの中に収納することが出来るので、価
格を低減し、さらに小型化を実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すフェールセーフ半導体
素子の断面図

【図２】図１の動作説明図

【図３】図１のフェールセーフ半導体素子を用いた回路
例

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ トランジスタ ３ シリコン酸化膜層 ４ ワックス型サーモスタット層 ５ 有機絶縁物 ６ 配線パターン 11 電動モータ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】半導体素子の近傍に配設され、当該半導体
   素子の発熱により所定温度を越えた時、形状が変化して
   前記半導体素子の電流入出力用配線の少なくとも一方を
   切断する電流遮断手段を設けたことを特徴とするフェー
   ルセーフ半導体素子。