JPH0687489B2

JPH0687489B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JPH0687489B2
Application number: JP30566686A
Authority: JP
Inventors: 久士芳野; 伸福島; 貞明森; 昌史飯田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-12-22
Filing date: 1986-12-22
Publication date: 1994-11-02
Anticipated expiration: 2009-11-02
Also published as: JPS63157448A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、半導体装置に関し、特に大電流のスイッチ素
子として使用される半導体素子及びこの半導体素子を過
電流から保護する限流素子を備えた半導体装置に係わ
る。

（従来の技術）大電流が流れる電気回路をオン・オフさせる機器として
は、有接点のスイッチが汎用されているが、近年、無接
点の半導体スイッチが無アーク、無騒音、無保守等の利
点を有することから使用し始められている。かかる半導
体スイッチは、上述した利点を有する反面、過電流（特
に短絡電流等の異常電流）に対して非常に弱い。例え
ば、半導体スイッチを構成しているサイリスタに規定値
以上の電流が流れると、該サイリスタが破壊して常にオ
ン状態になってしまう問題があった。

このようなことから、電気回路に速断ヒューズを挿入
し、過電流が電気回路に流れた際、回路を遮断して半導
体スイッチを保護することが行われている。しかしなが
ら、かかる速断ヒューズを用いた場合には過電流によっ
て該速断ヒューズが切れた後、回路を復帰させるため
に、新品の速断ヒューズと交換しなければならず、保守
が煩雑になるという問題があった。また、応答性も必ず
しも満足するものではなく、更に交換によるコスト面で
も問題があった。

一方、有接点のブレーカが一部半導体素子の保護に試み
られている。しかしながら、かかるブレーカは接点を開
くのに機械的動作を伴い、過電流の発生から該ブレーカ
の動作までに時間遅れが生じる。その結果、半導体素子
を保護するのに必要な応答性に関し、充分ではないとい
う問題があった。

このようなことから、本出願人はCr等を少量添加したV₂
O₃セラミックスからなり、過電流が流れた際に金属→絶
縁体転移に基づく抵抗急増により電流を絞る限流素子を
半導体素子と直列に接続した保護回路を既に出願した。
かかる保護回路では、限流素子が前述したブレーカに比
べて応答性が良好で、数msec以内に過電流を限流する作
用を有するため、電気回路を迅速にオフ状態にして半導
体スイッチを確実に保護し、しかも繰返して使用でき、
復帰を簡単に行なうことができる。しかしながら、前記
限流素子は定格電流の通電時に発熱が生じ、満足する通
電容量が得られなくなるという問題があった。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされた
もので、短絡電流等の過電が流れても半導体素子を確実
に保護し、しかも復帰を簡単に行なうことが可能で、更
に発熱を生じる限流素子及び半導体素子を効果的に放熱
して充分に満足な通電容量を確保し得る半導体装置を提
供しようとするものである。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明は、半導体素子と限流素子とを電気的に直列に接
続し、かつ同一の放熱フィンに固定し、前記放熱フィン
に冷却ファンを付設したことを特徴とする半導体装置で
ある。

上記限流素子としては、以下に具体的に説明する温度上
昇に伴って抵抗が急上昇するセラミックス系のものと金
属系のものが好ましい。

．セラミックス系の限流素子としては、(V_1-xA_x)₂O₃
［但し、式中のＡはCr、Al、Scのうちの少なくとも一
種、ｘは０≦ｘ≦0.02の範囲の数値を示す］にて表わさ
れる組成からなる限流素子が挙げられる。こうした限流
素子は、常温での抵抗が10^-3Ω・cm以下と小さく、しか
も約100℃で抵抗が２桁増大し、非常に応答性が高いと
いう特性を有する。なお、温度上昇に伴って抵抗が増大
する素子としては従来よりBaTiO₃半導体素子が知られて
いるが、かかる素子は常温の抵抗が10〜10²Ωcmと大き
く、本発明における半導体装置の限流素子としては適切
ではない。

上記一般式中のCr、Al、Scは、温度上昇時に抵抗を増大
させる特性（PTC特性）を発揮させるのに必要な元素で
あり、かつｘの値は０≦ｘ≦0.02の範囲とすることが必要であり、より好ま
しい範囲は0.0005≦ｘ≦0.015である。ｘの値が0.02を
越えると、限流素子は高抵抗状態を保ちPTC特性を示さ
なくなる。

また、上記組成の限流素子において、Fe、Cu、Ni、Co、
Snを含有させることにより該限流素子の焼結性を高める
ことが可能となる。これら金属は、少なくとも一種を20
重量％以下添加することにより前記焼結性の向上化を図
ることができる。即ち、それら金属の添加量が20重量％
を越えると、PTC倍率の低下を招く。最も好ましい金属
の添加範囲は、２〜15重量％である。なお、前記金属の
中で特にsnは既述した焼結性の向上の他に、PTC特性を
向上できるため有効である。Snは、1400〜1600℃の焼結
温度及び焼結雰囲気において金属として安定で上記式で
表わされる金属酸化物の粒子間に液相として介在し、焼
結促進の効果を発揮できる。また、焼結後の焼結体はSn
析出相がPTC特性における低抵抗領域の比抵抗を低減
し、かつ電流容量を拡大する効果を有する。更に、Snを
添加した限流素子はPTC特性を示す転移温度の変数が少
ないという特徴も有する。

更に、上記組成の限流素子において、Fe、Cu、Ni、Co、
Snとは別にＷ又はMoを添加することにより焼結体の結晶
粒を小さくでき、過電流で急激に加熱された場合におい
ても充分な耐熱衝撃性を発揮できる。

．金属系の限流素子は、絶縁性筒状容器と、この容器
内に封入され、固体→液体→気体に相変態により抵抗が
急上昇する金属とから構成されている。かかる構成の限
流素子は、過電流がなくなると、金属気体は冷却して液
体から固体まで相変態して元の状態に戻るため、繰返し
使用することができる。こうした構成において、筒状容
器の内部にピストンを設けることによって、気体状の金
属の圧力の過大上昇を防止でき、かつ冷却時に固体に戻
る際、ピストンの作用によりスムーズに元の形状に復帰
させることができる。ここに用いる金属は、固有抵抗が
低く、かつ融点の低いものが望ましい。具体的には、H
g、Na、Ｋ、Cd、Zn、In、Sn、Pb又はこれらの合金等を
挙げることができる。

以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。

第１図は、本発明に係わる半導体装置の一例を示す概略
図である。この半導体装置１は、銅やアルミニウム等の
良熱伝導性材料からなる放熱フィン２を備えている。こ
の放熱フィン２上には、半導体素子３及び限流素子４が
良導電性接着剤を介して固着されている。これら半導体
素子３及び限流素子４は、リード端子５により直列に接
続されている。更に、前記放熱フィン２の一端には、該
放熱フィン２を強制的に空冷するための冷却用のファン
６が付設されている。

（作用）上記第１図図示の半導体装置１を用いて第２図図示の電
気回路を構成する。即ち、第２図中の７は前記半導体装
置１の半導体素子３によりオン・オフされる負荷、８は
ブレーカであり、これら半導体装置１、ブレーカ８及び
負荷７は夫々直列に接続されている。このような電気回
路において、負荷７に異常が生じ、回路に過電流が流れ
始めると、半導体装置１に組込まれた抵抗変化量の大き
い限流素子４が高速に応答して動作を開始し、過電流を
所定値以下に限流する。なお、ブレーカ８は短絡電流が
回路に流れ、半導体装置１の限流素子４により限流後、
回路を完全にオフ状態にする作用をなす。また、前記限
流素子４及び半導体素子３は通常の通電時に発熱を生じ
るが、これら限流素子４及び半導体素子３は同一の放熱
フィン２に固着され、かつ該放熱フィン２は冷却用ファ
ン６により強制的に冷却されているため、各限流素子４
半導体素子３の発熱を効果的に放熱でき、充分満足する
通電容量を得ることができる。しかも、限流素子４及び
半導体素子３は同一の放熱フィン２に固着されているた
め、半導体装置自体の小型化を達成できる。

（発明の実施例）以下、本発明の実施例を前述した第１図及び第２図等を
参照して説明する。

実施例１半導体スイッチ（通電容量;40A、許容電流時間積；I²・
ｔ＝3200A²sec）３、組成が（V_0.997Cr_0.003)₂O₃＋５％
Snからなる限流素子（形状;5mm×5mm×30mm、抵抗；約1
0mΩ）４を第１図に示すようにアルミニウム製の放熱フ
ィン（表面積1200cm²）２上に良導電性接着剤を介して
固着し、かつこれら半導体スイッチ３及び限流素子４を
リード端子５により直列接続し、更に前記放熱フィン２
の一端に冷却用ファン６を付設して半導体装置１を組立
てた。こうした半導体装置１を、第２図に示すように負
荷７及び市販のブレーカ８に対し直列接続して電気回路
を構成した。

比較例１放熱フィン及び冷却用ファンを用いない以外、実施例１
と同様な構成の半導体装置を組立て、この半導体装置を
実施例１と同様に負荷、ブレーカに直列接続して第２図
の電気回路を構成した。

しかして、上記実施例１及び比較例１の電気回路につい
て220V、5.0kAの短絡電流による短絡試験を行なった。
その結果、本実施例１の場合には短絡電流を1.2kAまで
限流され、しかこ電流時間積（I²・ｔ）は1900A²・sec
と抑制され限流効果があった。これに対し、比較例１の
場合には実施例１と同様、短絡電流を1.2kAまで限流さ
れ、しかも電流時間積（I²・ｔ）は1900A²・secと抑制
され限流効果があった。

また、本実施例１及び比較例１の電気回路について通電
容量を調べるために40Aの電流を通電し、限流素子の温
度上昇を調べた。その結果、本実施例１の場合には１時
間の通電で25℃までしか温度上昇せず、充分満足する通
電容量があることが確認された。これに対し、比較例１
の場合には同電流を20分間通電した時点で70℃まで上昇
し、満足な通電容量が得られなかった。

実施例２第３図に示す絶縁製筒状容器11と、この容器11の両端部
に連結された凸状端子12a及び凹状端子12bと、この凹状
端子12b内に所定の空間をあけて装入されるピストン13
と、前記容器11内に封入され、前記ピストン13により押
圧されるHg14とから構成される限流素子（抵抗;5mΩ）
を用いた以外、実施例１と同様な半導体装置をを組立
て、この半導体装置を実施例１と同様に負荷、ブレーカ
に直列接続して第２図の電気回路を構成した。

比較例２放熱フィン及び冷却用ファンを用いない以外、実施例２
と同様な構成の半導体装置を組立て、この半導体装置を
実施例１と同様に負荷、ブレーカに直列接続して第２図
の電気回路を構成した。

しかして、上記実施例２及び比較例２の電気回路につい
て実施例１と同様な短絡試験を行なった。その結果、本
実施例２の場合には短絡電流を1kAまで限流され、しか
も電流時間積（I²・ｔ）は1500A²・secと抑制され限流
効果があった。これに対し、比較例２の場合には実施例
２と同様、短絡電流を1kAまで限流され、しかも電流時
間積（I²・ｔ）は1500A²・secと抑制され限流効果があ
った。

また、本実施例２及び比較例２の電気回路について通電
容量を調べるために40Aの電流を通電し、限流素子の温
度上昇を調べた。その結果、本実施例２の場合には１時
間の通電で20℃までしか温度上昇せず、充分満足する通
電容量があることが確認された。これに対し、比較例１
の場合には同電流を30分間通電した時点で70℃まで上昇
し、満足な通電容量が得られなかった。

なお、上記実施例ではパワー半導体素子として半導体ス
イッチを例にして説明したが、半導体整流素子等の保護
にも同様に適用できるものである。

［発明の効果］以上詳述した如く、本発明によれば短絡電流等の過電が
流れても半導体素子を確実に保護し、しかも復帰を簡単
に行なうことが可能で、更に発熱を生じる限流素子及び
半導体素子を効果的に放熱して充分に満足な通電容量を
確保し得る高信頼性でコンパクトな半導体装置を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置を示す概略図、第２図は本
発明の半導体装置を組込んだ電気回路を示す回路図、第
３図は本発明の半導体装置に用いる限流素子の一例を示
す断面図である。１……半導体装置、２……放熱フィン、３……半導体素
子（半導体スイッチ）、４……限流素子、５……リード
端子、６……冷却用ファン、７……負荷、８……ブレー
カ、11……絶縁性筒状容器、14……Hg。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体素子と限流素子とを電気的に直列に
接続し、かつ同一の放熱フィンに固定し、前記放熱フィ
ンに冷却ファンを付設したことを特徴とする半導体装
置。
【請求項２】限流素子は、温度上昇に伴って抵抗が急上
昇するセラミックス系のものであることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の半導体装置。
【請求項３】限流素子は、(V_1-xA_x)₂O₃［但し、式中の
ＡはCr、Al、Scのうちの少なくとも一種、ｘは０≦ｘ≦
0.02の範囲の数値を示す］にて表わされる組成からなる
ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の半導体装
置。
【請求項４】限流素子は、絶縁性容器と、この容器内に
封入され、固体→液体→気体への相変態により抵抗が急
上昇する金属とから構成されていることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の半導体装置。
【請求項５】金属が、Hg、Na、Ｋ、Cd、Zn、In、Sn、Pb
又はこれらの合金からなることを特徴とする特許請求の
範囲第４項記載の半導体装置。