CN103137631A - 半导体组件、驱动器和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体组件、驱动器和制造方法。触发功率半导体开关(4a、4b)的驱动器(2)的半导体组件(8a、8b)带有多个电路模块(10a-10d)和通信接口(12)，该通信接口带有能由携载信号的光线(16)照射的光电接收器(14)，接收器(14)具有光敏的接收面(20)并且作为电路模块(10a-10d)如下地集成，即，接收面(20)能被光线(16)光学地达到。本发明所涉及的一种带有上述半导体组件(8a、8b)的驱动器(2)包含用于针对光线(16)的光导体(18)的机械保持器(54)。在本发明所涉及的制造驱动器(2)的方法中，光线导引元件(56)作为能变形的毛坯件(58)安装在驱动器(2)上，并且借助冲压模(60)或其它成型工艺冲压为成品件(59)。

Description

半导体组件、驱动器和制造方法

技术领域

本发明涉及一种触发功率半导体开关的驱动器的半导体组件、一种相应的驱动器以及一种用于制造驱动器的方法。

背景技术

功率半导体开关，例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管：insulated gatebipolar transistor)，例如使用在功率电路中，如发动机控制机构的换流器中。它们通常通过电位分离的驱动器联接在给出切换信号的控制逻辑上。在这种驱动器中实现了多种切换功能、触发功能、故障控制功能、逻辑功能等。为此通常使用半导体组件尤其是ASIC(专用集成电路：application specific integrated circuit)。功率半导体的待由驱动器触发的控制输入端通常处于不同于控制逻辑的电位，该控制逻辑预先给出相应的切换指令。

公知的尤其是用于IGBT的驱动器不但能在带有电传输的触发信号的变型方案中使用，也能在带有光学传输的触发信号的变型方案中使用。后者所提到的光学触发用光线实现，该光线携载控制信号，作为逻辑信息。光线对功率半导体而言在很多方面是一种理想的触发方式。光线不会由于在功率电子系统内的高电压偏移而受到影响并且因此至少在理论上是理想抗电干扰的数据传输介质。此外，光线可以在光波导中在很远的距离上导引，而不怕干扰耦入。光学传输控制信号的优点是在很长路段上的高EMV耐受度。这例如赋予想要使用驱动器的换流器制造者在其系统设计上的自由度。

如下是公知的，即，为了光学触发的目的而通过光电模块向当前的驱动器提供光学触发信号。这种模块例如由DE 101 51 113B4公知，其包括带有集成的光电二极管以及必要时放大器电路的插孔并且也被称为插孔。插孔按功能性包含光学的输入端和电的输出端或反之亦然并且在光信号和电信号之间进行转化。这些发射器插孔或接收器插孔具有两个缺陷：第一个缺陷是在电路板上的额外的构件；第二个缺陷是简单的插孔的糟糕的EMV适应性。在公知的插孔设计中，相对插孔电气部分内的电磁场有较大的敏感度。插孔的电连接销尤其形成了一个面，磁场能够很容易地将不期望的电流耦入到这个面。这种电敏感性毁掉了对EMV不敏感的光学触发的本身的优点。

发明内容

本发明的任务是提供一种改良后的驱动器。

本发明基于这样的认知，即，在驱动器内部由此替代迄今为止的插孔，即，将光敏的接收器直接集成在使用在驱动器内的半导体组件中以及随后将携载控制信号的光线直接射入半导体组件。在驱动器中在半导体组件内部发生信号的光电转换。此外，本发明还基于这样的认知，即，半导体组件的每一部分，无论是晶体管、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管：metal oxide semiconductor field effecttransistor)或二极管，当其没有被不透光地遮盖时，都在物理上有条件地光敏。

因此，本发明的任务通过用于驱动器的依据权利要求1的半导体组件、依据权利要求10的驱动器以及用于制造驱动器的依据权利要求14的方法来解决。

依据本发明的用于触发功率半导体开关的驱动器的半导体组件具有多个集成的电路模块。此外，半导体组件还具有通信接口，该通信接口包含光电接收器，也就是说带有光输入端和电输出端的接收器。后者能由携载控制信号的光线照射并且从中产生电输出信号。所述控制信号例如是用于功率半导体的触发信号。接收器具有光敏的接收区域。该接收区域如下程度地处在接收器的光线可到达的表面上，即，入射光在那里能被探测且能转化成电信号。接收区域的表面接下来称为接收面并且也代表整个接收区域。接收器作为其中一个电路模块集成在半导体组件中。在此如下地实现集成，即，使得照射接收面的光线能从半导体组件的外部空间光学地到达该接收面。

集成在半导体组件中的电路模块还用于监控功率半导体、触发信号中的脉冲形成、故障处理、交联控制以及必要时其它的功能。相应的半导体组件尤其适合于驱动器的次级侧，例如半桥中的TOP触发。经由携载信号的光线可以实现接收器在次级侧电位上的直接触发，当驱动器中的半导体组件布置在这个电位的区域中时。在入射的光线中作为控制信号储存的切换信息或其它待传递给半导体组件或其接收器的信息的转化由集成的接收器转化成电输出信号，以便之后在半导体组件中能够进一步处理。例如，从光导体射出的以便照射接收器的光线不必先到达插孔，而是直接传导到半导体组件上并且在那里转化。在这种情况中，半导体组件本身比公知的插孔更有预防EMV的能力。在光电信号转换中的电磁干扰耦合显著降低。在半导体组件中产生了带有在光电接收器中的高抗干扰性的光探测器。

插孔至少在驱动器侧不再是必需的。因此取消了约50%的成本，因为驱动器的使用者仅需要在发送信号的、通常在初级侧的控制电路板上的光学插孔(这里在文中为发射器)，该光学插孔通过光波导触发驱动器。迄今为止，在次级侧的驱动器上需要同样数量的插孔。

因此产生了一种耐受EMV的触发系统，因为光信号直接到达半导体组件并且在那里转化成输出信号形式的明确的电信号。结合插孔也省去了EMV干扰信号能够耦入的相应的表面。此外，在触发侧或者说控制器侧使用者可以使用插孔，因为控制器电路板通常置放在一个很大程度上较少电磁临界的环境中。

在优选的实施方式中，半导体组件具有遮盖元件，该遮盖元件虽然使接收面裸露，却使半导体组件的剩余表面防入射地遮蔽。当并非所有的剩余表面而是至少表面的一部分被遮盖时，在该部分上可能会有不期望的入射。遮盖元件优选是金属化平面。半导体组件的未考虑为光敏的部位的遮蔽出于实际原因应当在最上层的金属层中实现。下面的金属层中的连续的金属面通常意味着在半导体组件或芯片上的机械应力的提高。反之，上面的层可以与芯片或者说加工的基底通过添加优化了流动性和低熔点的玻璃而分离并且大多由较小脆性的金属制造。此外，在闭合的金属面上的层不再用于芯片的布线。这个层也注定适于遮蔽。

在特殊的实施方式中，遮盖元件是遮蔽用于信号传输的光线、尤其是可见光的遮盖元件。特别是可见光的意外的耦入是干扰的。反之，例如耦入的红外线辐射通常（例如由热引起）均匀地分布并且因此比意外地局部入射的可见光造成较少的干扰。

如下是公知的，即，借助LED(发光二级管)来产生用于触发半导体组件的光线，该LED具有少量的效率百分比。此外，由于老化和光波导而丢失能量，从而仅相对较少的光线到达接收器。

通常额外使用标准CMOS制造过程来生产半导体组件。射入的光线依赖于发射器频率地在芯片中以确定的深度产生电子空穴对。构件在芯片的光敏区中的空间电荷区并非总处于这个产生电子的最佳深度。接收器的效率因此处在一位数至低的两位数的百分比范围内。接收器必须能够探测极低的电流。但因为接收面同时具有相对大的面，所以相对易于将干扰信号以高干扰电平形式耦入接收器。由此得到其较低的抗干扰性。

逻辑电路尤其数字式地工作。光电接收器通常也数字式地工作，也就是说它仅给出逻辑的1或0作为输出信号。携载信号的光线同样仅具有两个状态，也就是说携载信号的光线的存在(“1”，光线)或不存在(“0”，没有光线，黑暗)。

此外，也由如下原因限制了接收器的抗干扰性，即，显示光线的不存在，亦即“黑暗”状态的精确的电平随温度和制造公差而波动。因此，用于判断光线(携载信号的光线)是否耦入接收器的切换阈值必须尽量容忍误差地设计。

为了在入射光线朝着接收面取向时允许一定的机械公差，主要目标如下，即，有针对性地将接收面实施得比所期望的光束以直径照射出的面更大。但如果现在可供使用的传感器面，也就是说接收面例如仅被照亮一半，那么这意味着在同样的面中在接收器上仅有一半的信号强度。这导致抗干扰性减半。

在本发明的优选的实施方式中，接收器因此包含多个光传感器。每个这种光传感器分别独立地工作。也就是说，每个光传感器从入射的光线(或黑暗)中产生一个明确的电输出信号。接收面由多个分面组成。为每个光传感器配属至少一个分面。在上文中的多个指的是至少两个，但通常更多，例如四个、九个或十二个或其它数量的光传感器或分面。这种配属例如可以成对地存在，从而实际上为每个光传感器配属恰好一个分面。但这里也可考虑其它的分组，例如，为一个光传感器配属多个分面。

通过将传感器面划分成多个单独的光传感器，又可以如下地来调整每个光传感器，即，当光传感器完全被照亮时，它才对入射光线作出反应。对单个的光传感器而言，又产生了足够的抗干扰性。换句话说，实现了将传感器划分成多个单个传感器以及实现了它们的逻辑布线。

在这个实施方式的优选的变型方案中，光传感器分别产生自身的电接收信号。半导体组件额外具有一个逻辑电路，该逻辑电路将接收信号逻辑地结合成输出信号。换句话说，电子或逻辑电路联接在各单个的光传感器之后，当光传感器的一半发出了接收到有效的光线的信息也就是说逻辑“1”时，该电子或逻辑电路例如才作出反应。逻辑布线对抗干扰性起积极影响。原有的接收器由带有完全抗干扰性的相应的部分光传感器组成。

在本发明的另一优选的实施方式中，在两个分面之间布置有使分面相互间隔的分隔区域。分隔区域尤其处在所有的也就是说成对地处于所有的分面之间，从而每个分面都与各自的其它分面分隔。

在这种实施方式的变型方案中，在分隔区域上布置有分隔板，该分隔板从接收面朝着半导体组件的外部空间突出。尤其是在所有的分隔区域上设立这种分隔板。每个传感器被相应的分隔板在所有侧上围绕。换句话说，这些如此产生的突出的结构或者说分隔板也可以完全占据分隔区域。

在这种实施方式的优选变型方案中，在分隔区域上，尤其是在分隔板上或在其内部布置有导电元件。尤其是由所有传感器之间所有导电元件的连接而产生能导电的屏蔽栅，该屏蔽栅穿过整个接收面或与之间隔且突起地处于该接收面之上。导电元件尤其又是半导体组件上上述最上层的金属层形式的金属面。换句话说，在接收面上方制造能导电的栅，该栅形成了法拉第笼。能导电的栅或者说导电元件尤其与实施成遮盖元件的最上层的金属层电连接。

出于上述原因，芯片的上述最上层的金属层也适合于耐受EMV的屏蔽栅。在理想情况下，栅中的孔为此小于到芯片的间距并且在金属上的遮蔽处在如此多的部位上尽量与基底连接，以便形成理想的法拉第笼。

在本发明的另一优选的实施方式中，其中一个电路模块是与接收器相似的基准接收器。基准接收器的接收面完全防携载信号的光线地遮蔽。基准接收器尤其处于接收器的接收面外部的芯片的上述遮蔽的区中。用基准接收器能实现相对接收器的比较测量，以便在每个时间点都能获知通常结构相同或具有相同特性的接收器的暗阈值。换句话说，在半导体组件的遮蔽区域中创造一种比较传感器。温度、老化和制造公差以及运行电压通常在整个半导体组件或者说芯片上是恒定的。每个被遮蔽的基准接收器因此可以用于确定如下，即，当恰好不发生携载信号的光线的光入射时，实际的接收器提供哪个输出信号，尤其是例如哪个电压。在这种情况中，基准接收器可以在其机械规格上实施得明显比接收器小，因为基准接收器不必能够大面积地捕捉光线。

在优选的实施方式中，半导体组件是ASIC。

依据本发明的驱动器具有依据本发明的上述半导体组件以及配属给半导体组件的、提供携载信号的光线的光导体所用的机械的保持器。在这种情况中保持器如下地取向，即，使得在置入光导体时光线对准半导体组件的接收面。

光导体没有像迄今为止那样置入驱动器的对EMV敏感的光电插孔，而是置入属于驱动器的纯机械的保持器。机械保持器可以尤其由EMV中性的材料和以EMV中性的方式形成，例如作为合成材料夹，其没有任何EMV缺陷。因此，依据本发明的驱动器通过有创新的机械的驱动器构思而实现了IGBT驱动器的直接的光学式触发。插孔被驱动器中的机械保持器替代，该机械保持器能明显更为成本低廉地实施。

针对保持器的取向可考虑各种变型方案。保持器可以使光导体的端部，从其中心纵轴线观察，例如垂直于半导体组件的表面或接收面地取向。光导体也可以倾斜于接收面地取向。在这种情况中，光波导的中止面尤其被斜切。

在本发明的优选的实施方式中，保持器集成在驱动器的壳体中。换句话说，壳体的一部分本身形成了保持器。这样就取消附加的构件来作为机械保持器。

在本发明的另一优选的实施方式中，驱动器包含光线导引元件，该光线导引元件将从光导体射出的光线朝着接收面转向。在这种情况中，光线导引元件尤其如下地布置，即，使其覆盖驱动器中的接收面。光线导引元件例如是镜元件，通过反射来使光线改变方向。光线导引元件尤其是直接安放到半导体组件或接收面上，以便封闭接收面，可能中间连接有光学粘合剂或类似物。

保持器尤其如下地实施，即，使光波导朝着光线导引元件取向，并且光线首先击中光线导引元件，该光线导引元件最终将光线导引到接收面上。光线导引元件例如是较小的抛物面镜，该抛物面镜通过壳体的反射性的涂层或者通过设置在壳体中的镜来实现。

依据本发明的方法用于制造带有光线导引元件的另一设计方案的驱动器。依据本发明，在第一步骤中首先将光线导引元件作为能变形的毛坯件安装在驱动器上。借助冲压模或其它成型工艺将毛坯件冲压或改型为成品件。成品件构造成带有平坦的或至少弯曲的反射性的或衍射性的表面的棱镜。

在该方法的变型方案中，尚未被冲压的毛坯件直接安放到半导体组件或接收面上，可能又在中间连接有光学粘合剂等。备选地，毛坯件安放在驱动器壳体处或驱动器电路板处并且在那里变形。

附图说明

为了进一步说明本发明，参考了附图的实施例。以下分别以示意性原理图的方式，其中：

图1作为框图示出了驱动器；

图2在横截面图中示出了图1的半导体组件；

图3在俯视图中示出了备选的接收面；

图4在横截面图中示出了备选的半导体组件；

图5在横截面图中示出了备选的驱动器；

图6示出了冲压成光线导引元件的毛坯件。

具体实施方式

图1示出了用于由两个串联的功率半导体开关4a、4b构成的半桥的驱动器2。驱动器2包括初级侧6a和与之电位分离的次级侧6b。次级侧的TOP级和BOT级配属于半桥。驱动器除了未详细阐释的电压控制级和输出级以及功率传输器外，既在TOP级上又在BOT级上各包含一个这里为ASIC形式的半导体组件8a、8b。它们尤其切换功率半导体开关4a、4b。此外，它们也促成了开关信号处理，如针对TOP级或BOT级的故障处理。此外，在驱动器2上还存在未详细阐释的用于功率供应装置、故障信号、功率半导体开关4a、4b的集电极-发射极电压以及其触发信号的输入端和输出端。

每个半导体组件8a、8b具有多个集成的电路模块10a-10d，所述电路模块例如实现了上述的信号处理和故障处理。半导体组件8a、8b此外还各具有通信接口12，该通信接口包含一个光电接收器14。这个接收器能被携载信号的光线16照射。接收器14从入射光线或由入射光线携带的切换信号S产生一个电输出信号A。

图2在横截面图中详细示出了半导体组件8a的一部分。可以看到电路模块10a-10c。此外，电路模块10a实施或转换为通信接口12的接收器14。光线16在此从光导体18射出。在光线16中对控制信号S数字编码，其中，逻辑1对应光线16的存在，逻辑0对应光线的不存在。接收器14具有光敏的接收面20。在这种情况中，接收面20从半导体组件8a的外部空间22起能被照射光线16光学地到达。

这由此实现如下，即，首先在半导体组件8a的基底24上涂敷这里由二氧化硅(SiO₂)制成的绝缘层26。在该绝缘层上又涂敷有遮盖元件28，例如最上层的金属化平面。除了接收面20，这遮蔽了半导体组件8a的剩余表面30。

图3以俯视图示出了备选的接收器14或者说其接收面20。特定的元件在这个图中仅少量地示出。在此，接收面20划分成多个，这里为二十五个相同的分面32。这些分面通过这里同样相同的分隔区域34彼此分开或者说彼此间隔。此外，接收器14包含独立工作的、这里同样为二十五个的相同的光传感器36。在示例中，为每个光传感器36配属恰好一个分面32。每个光传感器36从入射光线16或控制信号S产生一个自有的电接收信号E。半导体组件8a在这个实施方式中还额外包含逻辑电路38，该逻辑电路将所有的接收信号E逻辑地结合成输出信号A。控制信号S、输出信号A和接收信号E尤其是二进制信号且逻辑电路38是二进制逻辑。

图4在侧剖面图中示出了与图3对应地划分成多个，这里为九个光传感器36的备选的接收器14。在此，在分隔区域34上安放有分隔板40，分隔板从接收面20朝着外部空间22突出。

此外，导电元件42布置在分隔区域34上，所述导电元件既相互电连接又与能导电的遮盖元件28电连接。它们因此形成了屏蔽栅44，该屏蔽栅防止了到基底24或者说在其中存在的电路模块10a-10d的EMV入射。在图3中针对其中的实施方式再次虚线地示出了相应的屏蔽栅44的原则上的分布。

此外，图4还示出了另一个集成的电路模块10d如何构造成基准接收器46。基准接收器同样具有接收面20并且产生输出信号A。基准接收器46特别是在其用于将光转化成输出信号A的特性方面与接收器14是相同的。也就是说，基准接收器46和接收器14至少在缺乏入射光线时产生原则上相同的输出信号A。尤其是例如两个信号的电平在所期望的程度上是相同的。基准接收器46处在遮蔽的遮盖元件28之下并且因此保护不受任何光线尤其是光线16的影响。因此，它始终提供了一个用于暗值的输出信号A，也就是说逻辑的“0”。然后，这个信号用作接收器14中光线16的评估的基准信号或者说基准电平。

图5示出了驱动器2，其中，在电路板48上除了变压器50外还布置有带有接收器14和其接收面20的半导体组件8a。整个驱动器2在这里由壳体52覆盖。在壳体52中设置有用于光导体18的机械保持器54。在置入光导体18时，从其射出的光线16必要时借助合适的偏转元件对准接收面20。在这种情况中，保持器54集成在壳体52中。

此外，在驱动器2中，作为偏转元件的示例而在这里设置具有平坦的反射性表面的棱镜形式的光线导引元件56，该光线导引元件将从光导体18射出的光线16朝着接收面20转向。

图6示出了如何在实施方式中在第一个方法步骤中将驱动器2处的这里直接在半导体组件8a处的能变形的毛坯件58安装到接收面20上。毛坯件58因此覆盖接收面20并且同时保护其不受环境影响。在这种情况中，在第一个方法步骤中毛坯件58直接布置在半导体组件8a上。毛坯件58构造成热固性的或热塑性的合成材料，其直接涂敷在接收器分界面20上。备选地，可以在毛坯件58与接收面20，这里为接收器分界面，之间设置光学粘合剂。

在第二个方法步骤中，现在借助冲压模60或其它成型工艺将毛坯件58冲压为成品件59以及以此产生偏转元件，这里是作为光线导引元件56(虚线示出)的棱镜。入射光线16可以通过在反射性表面上的全反射再次转向到表面20上。

Claims (13)

1.触发功率半导体开关(4a、4b)的驱动器(2)的半导体组件(8a、8b)，带有：

-多个集成的电路模块(10a-10d)；

-通信接口(12)，该通信接口包含能由携载控制信号(S)的光线(16)照射的、产生电输出信号(A)的光电接收器(14)；

-其中，所述接收器(14)具有光敏的接收面(20)并且

-作为所述电路模块(10a-10d)中的一个、如下地集成在所述半导体组件(8a、8b)中，即，使得照射所述接收面(20)的光线(16)能从所述半导体组件(8a、8b)的外部空间(22)光学地到达该接收面。

2.根据权利要求1所述的半导体组件(8a、8b)，带有使所述接收面(20)裸露的并且使所述半导体组件(8a、8b)的剩余表面(30)遮蔽的遮盖元件(28)。

3.根据权利要求2所述的半导体组件(8a、8b)，其中，所述遮盖元件(28)是遮蔽可见光的遮盖元件(28)。

4.根据前述权利要求之一所述的半导体组件(8a、8b)，其中，所述接收器(14)包含多个分别独立工作的光传感器(36)，并且其中，所述接收面(20)由多个分面(32)组成，其中，为每个光传感器(36)配属至少一个分面(32)。

5.根据权利要求4所述的半导体组件(8a、8b)，带有分别产生自身的电接收信号(E)的光传感器(36)，以及带有将所述接收信号(E)逻辑地结合成输出信号(A)的逻辑电路(38)。

6.根据权利要求4至5之一所述的半导体组件(8a、8b)，带有布置在两个分面(32)之间的、使这些分面间隔的分隔区域(34)。

7.根据权利要求6所述的半导体组件(8a、8b)，带有布置在所述分隔区域(34)上的、从所述接收面(20)朝着所述外部空间(22)突出的分隔板(40)。

8.根据权利要求6至7之一所述的半导体组件(8a、8b)，带有布置在所述分隔区域(34)上的导电元件(42)。

9.根据前述权利要求之一所述的半导体组件(8a、8b)，其中，所述电路模块(10a-10d)中的一个是与所述接收器(14)相似的基准接收器(46)，其接收面(20)防所述携载控制信号(S)的光线(16)地被遮蔽。

10.带有根据权利要求1至9之一所述的半导体组件(8a、8b)的驱动器(2)，带有配属给所述半导体组件(8a、8b)的、提供携载控制信号(S)的光线(16)的光导体(18)所用的、机械的保持器(54)，该保持器如下地取向，即，使得在置入光导体(18)时光线(16)对准所述接收面(20)。

11.根据权利要求10所述的驱动器(2)，带有壳体（52），其中，所述保持器(54)集成在所述壳体(52)中。

12.根据权利要求10至11之一所述的驱动器(2)，带有将光线(16)转向到所述接收器(14)的接收面(20)上的光线导引元件(56)，该光线导引元件覆盖该接收面(20)地布置在所述驱动器(2)中。

13.用于制造依据权利要求12所述的驱动器(2)的方法，其中，

-将所述光线导引元件(56)作为能变形的毛坯件(58)安装在所述驱动器(2)上，

-借助冲压模(60)或其它成型工艺将所述毛坯件(58)冲压为成品件(59)以成为所述光线导引元件(56)。

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