DE10005754C2 - Leistungshalbleiterschaltungsanordnung mit schwingungsgedämpfter Parallelschaltung - Google Patents

Leistungshalbleiterschaltungsanordnung mit schwingungsgedämpfter Parallelschaltung

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Description

Die Erfindung beschreibt eine Leistungshalbleiterschaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 der DE 199 38 302 C2. Schaltungsanordnungen mit Leistungsschaltern insbesondere IGBT (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) sind mehrfach aus der Literatur bekannt. Die zwischenzeitlich erlangte Komplexität des Aufbaus und die Vielfältigkeit der Wirkprinzipien von derartigen Schaltungsanordnungen ermöglichen es, nur Teilgebiete dieses umfangreichen Wissensfeldes zum Gegenstand von Verbesserungen zu machen.
So können die aktiven Leistungsbauelemente, wie Leistungsschalter und/oder Freilaufdioden, die passiven Bauelemente, wie Widerstände und/oder Kondensatoren, deren Aufbauten auf Isolierkeramiken mit den dazugehörenden Verbindungstechniken zu den äußeren Anschlüssen oder die Ansteuerung der Schaltungsanordnung Gegenstand von neuen. In jedem Falle wird durch jede neue Veröffentlichung der weiteren Entwicklung von Schaltungsanordnungen durch Optimieren eines Teilfachgebietes Rechnung getragen.
Der Stand der Technik zu dieser Zusatzanmeldung wird bereits im Hauptpatent dargestellt. Neben dem beabsichtigten und konstruktiv geplanten Verhalten von Schaltungsanordnungen, insbesondere solcher mit hoher Packungsdichte und hohen Leistungsaufnahmen, ergeben sich Wechselwirkungen und Nebeneffekte, die meist im Nachgang bei der Erprobung oder im Einsatzfall sichtbar werden und einer Nachbesserung bedürfen. Beispielhaft kann eine hohe Packungsdichte ungewollte Nebeneffekte in Form von hochfrequenten Schwingungen mit unterschiedlichen Ursachen und Folgen bewirken.
Parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten sind in jeder Schaltungsanordnung durch die geometrische Anordnung der Einzelbauelemente und deren Zusammenschalten gegeben und es ist eine Frage des Wissens auf diesem Gebiet, um eine berechenbare Kalkulation mit entsprechenden Gegensteuerungen in die Schaltungen einzubauen. In jedem Fall sollte ein induktivitätsarmer Aufbau angestrebt und parasitäre Induktivitäten müssen weitgehend reduziert werden.
Bei Parallelschaltungen von mindestens zwei Leistungsschaltern, insbesondere bei Einsatz von IGBT, treten in solchem Maße größere Probleme auf, wie der Integrationsgrad wächst. Bereits bei zwei parallel geschalteten eng benachbarten IGBT können sich hochfrequente Schwingungen bemerkbar machen.
Das Auftreten von hochfrequenten Schwingungen wird bereits in DE 195 49 011 C2 beschrieben. Durch mindestens eine weitere Verbindungsleitung, die die Emitterkontakte zweier benachbarter IGBT-Chips elektrisch direkt miteinander verbindet, werden dort diese Schwingungen verhindert.
Im Hauptpatent wird die Vermeidung von hochfrequenten Schwingung durch Einbringen definierter unkaschierter Bereiche in das Kupfergebiet des DCB-Substrats (direct copper bonded) z. B des Kollektorbereiches beschrieben.
Bei der typische Ansteuerung eines IGBT-Leistungsschalter wird der Emitter auf das Gate rückgekoppelt. Dabei sind zwei mögliche Varianten zu unterscheiden. Für langsames Schalten des IGBT-Leistungsschalters wird die induktive Emittergegenkopplung eingesetzt. Dabei führt die Induktivität zwischen dem Emitterkontakt und dem Rückkoppelanschluss für das Gate zu einem Gegegenstrom in der Ansteuerung des IGBT-Leistungsschalters. Dieser führt dann zu einem langsamen Schaltverhalten des IGBT-Leistungschalters. Für Anforderungen, in denen ein sehr schnelles Schalten gewünscht ist wird daher der Rückkoppelanschluss nicht nach der Induktivität sondern direkt am Emitterkontakt angeschlossen. Für diese Schaltvariante ist ein zusätzlicher Hilfsemitteranschluss notwendig.
Dem Zusatzpatent liegt die Aufgabe zugrunde, die schwingungsvermeidenden Mechanismen gemäß Hauptpatent weiter zu optimieren.
Diese Aufgebe wird vom Prinzip her mit dem Bereitstellen eines Hilfsemitteranschlusses gelöst.
Das Prinzip wird nun anhand der Figuren erläutert.
Fig. 1 skizziert dabei den Schaltungsausschnitt bei zwei parallel geschalteten und in Reihe aufgebauten Chips von Leistungsschaltern.
Fig. 2 stellt ein Ausschnittsvergrößerung gemäß Fig. 1 nach einer Variante dar,
Fig. 3 stellt ein Ausschnittsvergrößerung gemäß Figur nach einer anderen Variante dar,
Fig. 1. Das die Kaschierung (6) unterbrechende unkaschierte Feld (12) zwischen den IGBT- Schaltern besitzt eine eigene kaschierte Insel derart, dass diese gegenüber der umgebenden Kaschierung elektrisch isoliert ist. Diese elektrisch isolierte Kaschierungsinsel (18) dient als Anschluß für den Hilfsemitter. Der Hilfsemitter verbindet die Emitterkontakte (15) der IGBT-Leistungsschalter (7) mit der entsprechenden Hilfsemittermetallisierung (14) auf der DCB. Zur Herstellung dieser Verbindung werden die nächstliegenden Emitterkontakte (15) der beiden benachbarten IGBT-Leisungsschalter (7) mit dieser Kaschierungsinsel (18) durch mindesten eine Bondverbindung (16) je IGBT kontaktiert. Die weitere Kontaktierung des Hilfsemitters wird durch mindestens eine Bondverbindung (13) ausgehend von der elektrisch isolierten Kaschierungsinsel (18) zum entsprechenden Hilfsemitteranschluß (14) des DCB- Substrats hergestellt. Spezielle Ausgestaltungen der Bondverbindungen (16) finden sich in den Fig. 2 und 3.
Der Vorteil dieses Ausgestaltung des Hilfsemitteranschlusses für schnelles Schalten liegt in der direkt benachbarten Anordnung der Anschlüsse des Gates (9) und des Hilfsemitters (14) auf der DCB. Der minimale Abstand von Gate- und Hlilfsemitteranschluss führt zu einer geringen umschlossenen Fläche und damit zu einer minimierten Induktivität. Dadurch wird vermieden, das größere Spannungen in der Schleife Gate-Hilfsemitter induziert werden. Somit ist eine weitere Voraussetzung für störungsfreies Schalten, d. h. frei von hochfrequenten Schwingungen, gewährleistet.
Fig. 2 stellt als eine Möglichkeit die Ausführung der Verbindungen zwischen den Emitterkontakten der IGBT- Leistungsschalter zur elektrisch isolierten Kaschierungsinsel dar. Ausgehend von dem jeweils nächst benachbarten Emitterkontakt (15) jedes IGBT-Leistungsschalters (7) wird mindestens eine Bondverbindung (16) zur Kaschierungsinsel (18) hergestellt.
Fig. 3 stellt als eine Möglichkeit die Ausführung der Verbindungen zwischen den Emitterkontakten des IGBT- Leistungsschalter zur elektrisch isolierten Kaschierungsinsel dar. Ausgehend von einem der nächst benachbarten Emitterkontakte (15) eines IGBT-Leistungsschalters (7) wird eine Bondverbindung (17) zur elektrisch isolierten Kaschierungsinsel (18) und von dort weiter zum nächst benachbarten Emitterkontakt des weiteren IGBT-Leistungsschalters geführt.

Claims (3)

1. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung nach Hauptpatent DE 199 38 302 C2, aufgebaut mit mindestens zwei Halbleiterbauelementen (7) in Form von IGBT-Leistungsschaltern in Parallelschaltung auf aufbauseiteig mit Kupfer kaschierter und strukturierter Isolierkeramik (6) mit jeweils mindestens einem die Kaschierung unterbrechenden Bereich (12) zwischen benachbarten IGBT-Leistungsschaltern, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der die Kaschierung unterbrechenden Bereiche (12) eine eigene, gegenüber der umgebenenden Kaschierung isolierte Kaschierung (Kaschierungsinsel) (18) zur Verwendung als Hilfsemitteranschluss aufweist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung aller elektrisch isolierten Kaschierungsinseln (15) durch mindestens jeweils einen Verbindungsdraht der beiden direkt benachbarten Emitterkontaktfenster der jeweils benachbarten IGBT-Leistungsschalter vorgenommen wird. (Fig. 2)
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung einer jeden elektrisch isolierten Kaschierungsinsel (18) durch mindestens einen Verbindungsdraht, der eine Kontaktierung des Emitterkontaktfensters des einen direkt benachbarten IGBT-Leistungsschalter zur Kaschierungsinsel und weiter zum direkt benachbarten Emitterkontaktfenster des weiteren IGBT-Leistungsschalter herstellt, vorgenommen wird. (Fig. 3)
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