DE10113967A1 - Leistungsmodul - Google Patents

Leistungsmodul

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Abstract

Ein Leistungsmodul ist mit einem isolierenden Substrat (4) versehen, mit dessen einer Oberfläche eine Wärmesenke (2) verbunden ist und auf dessen anderer Oberfläche eine Schaltkreisstruktur ausgebildet ist. Die Schaltkreisstruktur ist durch eine Elektrodenschicht (6) gebildet. Ein Halbleiterschaltelement (8) und eine Freilaufdiode (10), die mit dem Halbleiterschaltelement antiparallel geschaltet ist, sind auf der Schaltkreisstruktur angeordnet. Eine integrierte Steuerschaltung (12) zur Steuerung des Halbleiterschaltelements (8) ist auf der Freilaufdiode (10) angeordnet. Dadurch kann das gesamte Leistungsmodul kompakt gebaut werden, und es kann ein kostengünstiges Leistungsmodul bereitgestellt werden, das eine Fehlfunktion der Steuerungs-IC, die durch die von dem Halbleiterschaltelement erzeugte Wärme bedingt ist, verhindern kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterschaltelement und einer integrierten Steuerschaltung zur Steuerung des Halbleiterschaltelements, und sie betrifft insbesondere ein Leistungsmodul.
Herkömmlicherweise hat ein intelligentes Leistungsmodul (IPM), das einen Leistungsstromkreis, der von einem Halbleiterschalt­ element gebildet ist, und eine Steuerschaltung zur Steuerung des Leistungsstromkreises enthält, einen Aufbau, bei dem der Leistungsstromkreis und die Steuerschaltung, die aus einer als steuernde integrierte Schaltung ausgebildeten integrierten Schaltung (IC) besteht, getrennt als zwei Stufen (Fig. 7) aus­ gebildet sind, oder die Steuerschaltung und der Leistungs­ stromkreis integral auf einem Substrat ausgebildet sind (Fig. 6 und 8).
Ferner hat ein in Fig. 6 gezeigtes Leistungsmodul einen Auf­ bau, bei dem ein MOSFET (MOS-Feldeffekttransistor) 100 mit einer Elektrodenschicht 6 auf einer Wärmesenke 2 verbunden ist und eine integrierte Steuerschaltung 12 durch eine Kleber­ schicht 16 über eine Isolierschicht 14 auf dem MOSFET 100 da­ mit verbunden ist.
Dabei hat ein in Fig. 8 gezeigtes Leistungsmodul den folgenden Aufbau: ein Halbleiterschaltelement 8, eine Freilaufdiode (FWDi) 10, ein gedrucktes Substrat 110 und ein Gehäuse 102 auf einem isolierenden Substrat 4 auf einer Wärmesenke 2. Eine in­ tegrierte Steuerschaltung 12 ist auf dem gedruckten Substrat 110 montiert.
Die Freilaufdiode 10 ist mit dem Halbleiterschaltelement 8 und dem gedruckten Substrat 110 durch Bonddrähte 20 verbunden. Das Halbleiterschaltelement 8 und das gedruckte Substrat 110 sind mit nicht gezeigten Anschlüssen an dem Gehäuse 102 durch je­ weilige Bonddrähte 20 verbunden.
Ein in Fig. 7 gezeigtes Leistungsmodul hat eine Anordnung, bei der ein Halbleiterschaltelement 8 und ein Gehäuse 102 auf einem isolierenden Substrat 4 angeordnet sind, das mit einer Wärmesenke 2 verbunden ist, und ein Steuersubstrat 104, das von einem Relaisanschluß 106 an dem Gehäuse 102 abgestützt ist, ist installiert. Dabei ist das Halbleiterschaltelement 8 mit einem Relaisanschluß 106 durch einen Bonddraht 20 verbun­ den.
Das Steuersubstrat 104 enthält eine integrierte Steuerschal­ tung zur Steuerung des Halbleiterschaltelements 8 usw. Der Re­ laisanschluß 106 dient dazu, Eingangstreibersignale, Ausgangs­ treibersignale, Detektiersignale für Strom, Spannung und Tem­ peratur usw. des Halbleiterschaltelements 8 zwischen diesem und der integrierten Steuerschaltung auf dem Steuersubstrat 104 zu übertragen.
In bezug auf ein Halbleiterbauelement, bei dem eine aus Halb­ leiterelementen gebildete Steuerschaltung und ein Leistungs­ stromkreis usw. integral ausgebildet sind, zeigen ferner die JP-Offenlegungsschriften 6-181286, 63-87758, 3-226291, 11-163256 und 8-167838 einen solchen Aufbau.
Die JP-OS 6-181286 zeigt ein Halbleiterbauelement, bei dem ein IC-Steuerchip über Bondhügel mit einem IC-Leistungschip ver­ bunden ist, der durch ein Dünnschichtsubstrat an einer Wärme­ senke befestigt ist.
Die JP-OS 63-87758 zeigt ein Halbleiterbauelement, bei dem eine integrierte Steuerschaltung mit einem Leistungs-MOSFET verbunden ist, der an einer Wärmesenke befestigt ist.
Die JP-OS 3-226291 zeigt ein Halbleiterbauelement, bei dem ein Isolierschicht-Bipolartransistor (IGBT), eine Freilaufdiode und eine integrierte Steuerschaltung zu einem Chip ausgebildet sind.
Die JP-OS 11-163256 zeigt ein Halbleiterbauelement, bei dem ein Halbleiterchip auf einer Wärmeabstrahlungsplatte über einem weiteren Halbleiterchip angeordnet ist, was als Chip- auf-Chip-Konstruktion bezeichnet wird, und die JP-OS 8-167838 zeigt ein Halbleiterbauelement, bei dem eine Vielzahl von Lei­ stungs-MOSFET und eine Steuerschaltung in Form eines einzigen Chips integriert sind.
Wenn beispielsweise bei einem Aufbau eines Halbleiterbauele­ ments gemäß Fig. 6 eine integrierte Steuerschaltung 12 an einem MOSFET 100 (entweder IGBT oder Leistungs-MOSFET) mittels eines Höckers, einer Isolierschicht 14, einer Kleberschicht 16 oder einer Preßverbindung usw. angebracht ist, tritt das Pro­ blem von Fehlfunktionen der integrierte Steuerschaltung in­ folge von Wärme auf, die durch das Halbleiterschaltelement 8 erzeugt wird. Dabei dient der MOSFET 100 als das Halbleiter­ schaltelement, das von einem Leistungsstromkreis gebildet ist.
Wenn ferner die integrierte Steuerschaltung 12 ebenfalls im Inneren des Halbleiterschaltelements 8 untergebracht ist, tritt das gleiche Problem auf, wobei Fehlfunktionen des IC in­ folge von Wärme auftreten, die von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugt wird. Daher besteht das Problem bei den Halbleiter­ bauelementen, die die Konstruktionen haben, die in den JP-Of­ fenlegungsschriften 6-181286 und 63-87758 angegeben sind, darin, daß die integrierte Steuerschaltung zu Fehlfunktionen infolge von Wärme tendiert.
Ferner besteht auch bei dem Halbleiterbauelement gemäß der JP-OS 3-226291 ein Problem, da die integrierte Steuerschaltung aufgrund der von dem IGBT erzeugten Wärme Fehlfunktionen zei­ gen kann, und zwar in Abhängigkeit von der Lagebeziehung zwi­ schen dem IGBT und der integrierten Steuerschaltung.
Wenn ferner, wie in Fig. 7 gezeigt ist, in einem Leistungsmo­ dul der MOSFET oder der IGBT, der als Halbleiterschaltelement 8 dient, die Freilaufdiode 10 und die integrierte Steuerschal­ tung 12 usw. voneinander getrennt ausgebildet sind, nimmt die Zahl der die Konstruktion bildenden Teile zu, und die Kon­ struktion wird komplex, was zu hohen Stückkosten des Moduls führt. Ein weiteres Problem ist, daß das Leistungsmodul insge­ samt vergleichsweise groß wird.
Im Fall des in Fig. 8 gezeigten Leistungsmoduls stellt sich ebenfalls das Problem, daß das Leistungsmodul insgesamt rela­ tiv groß wird.
Die vorliegende Erfindung dient dazu, die oben angegebenen Probleme zu lösen, und es ist Aufgabe der Erfindung, das Lei­ stungsmodul insgesamt kompakt auszubilden und ein kostengün­ stiges Leistungsmodul anzugeben, bei dem Fehlfunktionen der integrierten Steuerschaltung infolge der von dem Halbleiter­ schaltelement erzeugten Wärme vermieden werden, während gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit gegenüber Rauschen von dem Halbleiterschaltelement aufrechterhalten wird.
Zur Lösung der oben angegebenen Probleme ist das Leistungsmo­ dul nach dem ersten Aspekt der Erfindung mit einem isolieren­ den Substrat versehen, das eine mit einer seiner Flächen ver­ bundene Grundplatte und eine Schaltkreisstruktur hat, die auf der anderen Fläche als Elektrodenschicht ausgebildet ist, wo­ bei die Schaltkreisstruktur folgendes aufweist: ein Halblei­ terschaltelement, eine mit dem Halbleiterschaltelement anti­ parallel geschaltete Freilaufdiode und eine integrierte Steu­ erschaltung zur Steuerung des Halbleiterschaltelements; bei dieser Anordnung ist die integrierte Steuerschaltung auf der Freilaufdiode ausgebildet.
Da bei dem Leistungsmodul nach dem ersten Aspekt der Erfindung das Halbleiterschaltelement auf der Freilaufdiode angeordnet ist, die im Gebrauch die geringste Wärme erzeugt, ist es mög­ lich, eine Fehlfunktion der integrierten Steuerschaltung in­ folge der von dem Halbleiterschaltelement erzeugten Wärme zu verhindern. Es wird somit möglich, die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls zu verbessern.
Das Leistungsmodul nach dem zweiten Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement und die Freilaufdiode als eine monolithische integrierte Schaltung ausgebildet sind.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung sind bei dem Leistungs­ modul das Halbleiterschaltelement und die Freilaufdiode als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet; daher ist es möglich, das Leistungsmodul kompakt zu bauen und seinen Aufbau zu vereinfachen. Es wird somit möglich, die Produktivität im Waferfertigungsverfahren und im Montageablauf des Halbleiters zu steigern und infolgedessen den Stückpreis des Leistungsmo­ duls zu senken.
Das Leistungsmodul nach dem dritten Aspekt der Erfindung ist mit einem isolierenden Substrat versehen, mit dessen einer Fläche eine Grundplatte verbunden ist und auf dessen anderer Fläche eine Schaltkreisstruktur als Elektrodenschicht ausge­ bildet ist, wobei die Schaltkreisstruktur folgendes aufweist: ein Halbleiterschaltelement, eine mit dem Halbleiterschalt­ element antiparallel geschaltete Freilaufdiode und eine inte­ grierte Steuerschaltung zur Steuerung des Halbleiterschalt­ elements.
Bei dieser Anordnung sind die Freilaufdiode, das Halbleiter­ schaltelement und die integrierte Steuerschaltung als mono­ lithische integrierte Schaltung aufgebaut, wobei mindestens ein Bereich der Freilaufdiode zwischen dem Halbleiterschalt­ element und der integrierte Steuerschaltung sandwichartig an­ geordnet ist.
Bei dem Leistungsmodul nach dem dritten Aspekt der Erfindung sind das Halbleiterschaltelement, die Freilaufdiode und die integrierte Steuerschaltung als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet; daher ist es möglich, das gesamte Lei­ stungsmodul kompakt zu bauen und außerdem seinen Aufbau zu vereinfachen. Es wird damit möglich, die Produktivität beim Waferherstellungsverfahren und beim Montageablauf des Halblei­ ters zu steigern und damit den Stückpreis des Leistungsmoduls zu senken.
Diese Art von Leistungsmodul ermöglicht es ferner, wirkungs­ voll zu verhindern, daß die von dem Halbleiterschaltelement erzeugte Wärme durch Wärmeleitung zu der integrierten Steuer­ schaltung gelangt, so daß Fehlfunktionen der integrierten Steuerschaltung vermieden werden können. Es wird damit mög­ lich, die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls zu verbessern.
Das Leistungsmodul nach dem vierten Aspekt der Erfindung ist mit einem isolierenden Substrat versehen, mit dessen einer Fläche eine Grundplatte verbunden ist und auf dessen anderer Fläche eine Schaltkreisstruktur als Elektrodenschicht ausge­ bildet ist, wobei die Schaltkreisstruktur folgendes aufweist: ein Halbleiterschaltelement, eine mit dem Halbleiterschaltele­ ment antiparallel geschaltete Freilaufdiode und eine inte­ grierte Steuerschaltung zur Steuerung des Halbleiterschalt­ elements.
Bei dieser Anordnung sind das Halbleiterschaltelement und die Freilaufdiode voneinander getrennt ausgebildet, und die Frei­ laufdiode und die integrierte Steuerschaltung sind als mono­ lithische integrierte Schaltung aufgebaut.
Bei dem Leistungsmodul nach dem vierten Aspekt der Erfindung sind die Freilaufdiode und die integrierte Steuerschaltung als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet; somit ist es möglich, das gesamte Leistungsmodul kompakt zu bauen und seine Konstruktion außerdem zu vereinfachen. Es wird dadurch mög­ lich, die Produktivität des Waferfertigungsverfahrens und des Montageablaufs des Halbleiters zu steigern und somit den Stückpreis des Leistungsmoduls zu senken.
Außerdem ermöglicht es diese Art von Leistungsmodul, das Lei­ ten der von dem Halbleiterschaltelement erzeugten Wärme zu der integrierten Steuerschaltung wirksam zu verhindern und damit eine Fehlfunktion der integrierten Steuerschaltung zu verhin­ dern. Es wird dadurch möglich, die Zuverlässigkeit des Lei­ stungsmoduls zu verbessern.
Das Leistungsmodul nach dem fünften Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement ein Element vom Isolierschicht-Typ ist (beispielsweise ein IGBT, ein Leistungs-MOSFET usw.).
Bei dem Leistungsmodul nach dem fünften Aspekt der Erfindung wird als Halbleiterschaltelement ein Element vom Isolier­ schicht-Typ (z. B. ein IGBT, ein Leistungs-MOSFET usw.) ver­ wendet. Das ermöglicht den Gebrauch des Leistungsmoduls bei vergleichsweise großen Betriebsfrequenzen.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Leistungsmoduls gemäß Ausführungsform 1 erklärt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Leistungsmoduls gemäß Ausführungsform 2 erklärt;
Fig. 3 eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Leistungsmoduls gemäß Ausführungsform 3 erklärt;
Fig. 4 eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Leistungsmoduls gemäß Ausführungsform 4 erklärt;
Fig. 5 ein Schaltbild, das einen Bereich des Leistungsmoduls zeigt;
Fig. 6 eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines herkömmlichen Leistungsmoduls erklärt;
Fig. 7 eine weitere schematische Darstellung, die den Aufbau des herkömmlichen Leistungsmoduls erklärt; und
Fig. 8 noch eine weitere schematische Darstellung, die den Aufbau des herkömmlichen Leistungsmoduls erklärt.
AUSFÜHRUNGSFORM 1
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird nachstehend eine erste Aus­ führungsform des Leistungsmoduls nach der Erfindung beschrie­ ben.
Fig. 1 zeigt den Aufbau des Leistungsmoduls der Ausführungs­ form 1. Dabei besteht das Leistungsmodul aus einer Wärmesenke 2, die eine Grundplatte ist, einem isolierenden Substrat 4, einer eine Schaltkreisstruktur bildenden Elektrodenschicht 6, einem Halbleiterschaltelement 8, einer Freilaufdiode 10, einer Isolierschicht 14, einer Kleberschicht 16, einer integrierten Steuerschaltung 12 zur Steuerung des Halbleiterschaltelements 8, einem Bonddraht 20 und einem äußeren Eingangs-Ausgangsan­ schluß 30, der an dem isolierenden Substrat 4 befestigt ist, einem Emitteranschluß 31 und einem Kollektoranschluß 32.
Die Wärmesenke 2 ist mit einer der Oberflächen des isolieren­ den Substrats 4 verbunden. Das isolierende Substrat 4 besteht bevorzugt aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, um dadurch die Temperatur des Leistungsmoduls insgesamt zu regu­ lieren. Die Elektrodenschicht 6, die auf der anderen Oberflä­ che des isolierenden Substrats 4 angebracht ist, bildet eine Schaltkreisstruktur.
In dieser Schaltkreisstruktur sind das Halbleiterschaltelement 8 und die Freilaufdiode 10 voneinander getrennt angeordnet. Die integrierte Steuerschaltung 12 ist von der Freilaufdiode 10 durch die isolierende Schicht 14 elektrisch isoliert und mit der Freilaufdiode 10 durch die Kleberschicht 16 mechanisch verbunden.
Die Isolierschicht 14 besteht beispielsweise aus Silicium­ nitrid Si3N4, und die Kleberschicht 16 besteht aus einem iso­ lierenden Klebstoff. Da hierbei die integrierte Steuerschal­ tung 12 von dem Halbleiterschaltelement 8 getrennt ist, ten­ diert die integrierte Steuerschaltung 12 weniger zu Fehlfunk­ tionen infolge der von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugten Wärme.
Das Halbleiterschaltelement 8 ermöglicht einen Stromfluß zu der Freilaufdiode 10 aufgrund einer Gegen-EMK, die zum Zeit­ punkt eines Schaltvorgangs erzeugt wird, durch den Bonddraht 20. Die integrierte Steuerschaltung 12 sendet ein Halbleiter­ schalter-Treiberausgangssignal zu dem Halbleiterschaltelement 8 durch den Bonddraht 20 und empfängt außerdem Detektiersi­ gnale eines durch das Halbleiterschaltelement 8 fließenden Stroms und einer Temperatur desselben.
Die integrierte Steuerschaltung 12 erhält ein Halbleiterschalt­ element-Treibereingangssignal und eine Treiberspannung von dem äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30 durch den Bonddraht 20 und gibt ein Fehlersignal ab. Außerdem werden eine Spannung und ein Strom von dem Kollektoranschluß 32 durch den Bonddraht 20 an die Elektrodenschicht 6 geführt, und die Spannung und der Strom werden von der Freilaufdiode 10 an den Emitteran­ schluß 31 abgegeben.
Die vorliegende Ausführungsform zeigt beispielhaft einen Fall, in dem das Halbleiterschaltelement ein IGBT ist; und wenn das Halbleiterschaltelement 8 ein MOSFET ist, wird anstelle des Emitteranschlusses 31 ein Sourceanschluß 31 und anstelle des Kollektoranschlusses 32 ein Drainanschluß 32 verwendet.
Die folgende Beschreibung erläutert das Halbleiterschaltele­ ment, die Freilaufdiode und die integrierte Steuerschaltung des Leistungsmoduls der Erfindung. Wie Fig. 5 zeigt, wird bei dieser Ausführungsform der IGBT 40 als Halbleiterschaltelement 8 verwendet; es kann aber auch jedes andere Halbleiterschalt­ element verwendet werden, unter der Voraussetzung, daß es einen Schaltvorgang zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechsel­ strom ausführen kann. Beispielsweise kann ein Element vom Iso­ lierschicht-Typ, wie etwa ein Leistungs-MOSFET, verwendet wer­ den.
In Fig. 5 ist der Aufbau innerhalb der Strichlinien 60 und 70 weggelassen; der Aufbau innerhalb dieser beiden Strichlinien 60 und 70 ist jedoch der gleiche wie der Aufbau innerhalb der Strichlinie 50. Die Strichlinie 50 umfaßt zwei Gruppen von Konstruktionen, und jede Gruppe besteht aus einem IGBT 40, einer Freilaufdiode 10, die mit dem IGBT 40 antiparallel ge­ schaltet ist, einer integrierten Steuerschaltung 12 und einer Chiptemperatur-Detektiereinrichtung 41.
Die Strichlinien 50, 60 und 70 bilden einen Wechselrichter. Dieser Wechselrichter ist mit dem negativen Pol (N) 72 und dem positiven Pol (P) 74 einer Gleichspannung verbunden, die von einem Gleichstrom stammt, der durch Gleichrichten eines Wech­ selstromes erhalten wird, oder ist von einer Batterie usw. ab­ geleitet.
Die integrierte Steuerschaltung 12 erhält eine Niederspannung Vcc als Speisespannung zum Treiben der integrierte Steuer­ schaltung 12. Der Wechselrichter, der die Gleichspannung er­ hält, die aus einem durch Gleichrichten eines Wechselstromes erhaltenen Gleichstrom oder von einer Batterie usw. gewonnen ist, wandelt den Gleichstrom in Drehstrom (U-Phase, V-Phase und W-Phase) mit einer gewünschten Frequenz und Spannung um, und zwar unter Nutzung des Schaltelement-Treiberausgangs­ signals von der integrierten Steuerschaltung 12, und führt diesen einem Motor (nicht gezeigt) usw. zu.
Dabei erhält die integrierte Steuerschaltung 12 das Halblei­ terschaltelement-Treibereingangssignal durch einen Halbleiter­ schaltelement-Treibereingangssignalanschluß IN und gibt ent­ sprechend diesem Treibereingangssignal ein Halbleiterschalt­ element-Treiberausgangssignal an einem Halbleiterschalt­ element-Treiberausgangssignalanschluß OUT an den IGBT 40 ab.
Dieses Treiberausgangssignal ermöglicht es dem IGBT 40, Schaltvorgänge auszuführen, so daß er einen Strom mit einer Spannung von dem positiven Pol (P) 74 zu der U-Phase (V-Phase, W-Phase) abgibt oder einen Strom mit einer Spannung von der U-Phase (V-Phase, W-Phase) an den negativen Pol (N) 72 abgibt.
Der IGBT 40 führt einen Strom, der beispielsweise einem Tau­ sendstel des durch den IGBT 40 fließenden Stroms entspricht, zu einem Stromdetektiereingang SC der integrierten Steuer­ schaltung 12, so daß der durch den IGBT 40 fließende Strom in einem Stromdetektierkreis (normalerweise einem Widerstand) (nicht gezeigt) im Inneren der integrierten Steuerschaltung 12 überwacht wird.
Bei Detektierung eines abnormalen Stroms in dem Stromdetek­ tierkreis gibt die integrierte Steuerschaltung 12 das Fehler­ signal an dem Fehlerausgang FO ab.
Auf die gleiche Weise ist eine Chiptemperatur-Detektierein­ richtung (Diode, Widerstand usw.) 41 zum Detektieren der Chip­ temperatur in dem IGBT 40 vorgesehen, um die Wärmeerzeugung des IGBT 40 zu überwachen. Wenn eine anormale Temperatur de­ tektiert wird, gibt daher die integrierte Steuerschaltung 12 das Fehlersignal an dem Fehlerausgang FO ab.
In der Chiptemperatur-Detektiereinrichtung 41 ändert sich der Wert des spezifischen Widerstands, während der IGBT 40 Wärme erzeugt und seine Temperatur sich ändert. Daher ist beispiels­ weise der durch die Chiptemperatur-Detektiereinrichtung 41 fließende Strom so eingestellt, daß er konstant ist, so daß detektiert werden kann, ob die Temperatur des IGBT 40 anormal ist, indem die Potentialdifferenz zwischen dem REG-Anschluß und dem OT-Anschluß gemessen wird.
Dabei sind in Fig. 5 der IGBT 40 und die Chiptemperatur-Detek­ tiereinrichtung 41 so dargestellt, als ob es sich um getrennte Teile handelte; tatsächlich sind jedoch der IGBT 40 und die Chiptemperatur-Detektiereinrichtung 41 zu einem Ein-Chip-Halb­ leiterelement ausgebildet.
Dabei ist der Emitter des IGBT 40 mit dem Masseanschluß GND der integrierten Steuerschaltung 20 verbunden, und die Span­ nung zwischen Gate und Emitter ist als Potentialdifferenz des Masseanschlusses GND und des Halbleiterschaltelement-Treiber­ ausgangssignalanschlusses OUT gegeben.
Der Leistungs-MOSFET kann bei einer Betriebsfrequenz von höch­ stens ungefähr 2 MHz verwendet werden, und der IGBT kann bei einer Betriebsfrequenz von höchstens ungefähr 30 kHz verwendet werden.
Um dabei einen fehlerhaften Betrieb der integrierten Steuer­ schaltung 12 aufgrund von Rauschen zu verhindern, sind die je­ weiligen Halbleiterbauelemente bevorzugt in dem Leistungsmodul angeordnet, um die Verdrahtungen zu verkürzen.
Wie vorstehend beschrieben, ist bei dem Leistungsmodul der Ausführungsform 1 das Halbleiterschaltelement 8 an der Frei­ laufdiode 10 angeordnet, die im Gebrauch kaum Wärme erzeugt; es ist somit möglich, eine Funktionsstörung in der integrier­ ten Steuerschaltung 12 infolge der von dem Halbleiterschalt­ element 8 erzeugten Wärme zu verhindern.
Dadurch wird es möglich, die Zuverlässigkeit des Leistungsmo­ duls zu steigern. Wenn das Leistungsmodul ferner so ausgebil­ det ist, daß die Verdrahtung kürzer ist, wird es auch möglich, Störsignale bzw. Rauschen zu verringern.
AUSFÜHRUNGSFORM 2
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nachstehend ein Leistungsmo­ dul gemäß einer Ausführungsform 2 der Erfindung beschrieben.
Fig. 2 ist eine erläuternde Darstellung, die den Aufbau des Leistungsmoduls der Ausführungsform 2 zeigt.
In Fig. 2 besteht das Leistungsmodul aus einer Wärmesenke 2, die eine Grundplatte ist, einem isolierenden Substrat 4, einer eine Schaltkreisstruktur bildenden Elektrodenschicht 6, einer Freilaufdiode 10, einer Isolierschicht 14, einer Klebmittel­ schicht 16, einer integrierten Steuerschaltung 12 zur Steue­ rung des Halbleiterschaltelements 8, einem Bonddraht 20 und einem äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30, der an dem isolie­ renden Substrat 4 befestigt ist, einem Emitteranschluß 31 und einem Kollektoranschluß 32.
Dabei wird beispielhaft der Fall beschrieben, bei dem das Halbleiterschaltelement 8 ein IGBT ist; wenn das Halbleiter­ schaltelement 8 ein MOSFET ist, wird anstelle des Emitteran­ schlusses 31 ein Sourceanschluß 31 und anstelle des Kollek­ toranschlusses 32 ein Drainanschluß 32 verwendet.
Die Ausführungsform 2 unterscheidet sich von der Ausführungs­ form 1 nur dadurch, daß das Halbleiterschaltelement 8 und die Freilaufdiode 10 als monolithische integrierte Schaltung aus­ gebildet sind. In bezug auf diejenigen Teile und Funktionen der Ausführungsform 2, die die gleichen wie bei der Ausfüh­ rungsform 1 sind, entfällt eine Beschreibung.
Da die integrierte Steuerschaltung 12 an einer Position ange­ ordnet ist, die von dem Halbleiterschaltelement 8 entfernt ist, können Fehlfunktionen in der integrierten Steuerschaltung 12, die auf die von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte Wärme zurückgehen, verringert werden.
Wie vorstehend beschrieben ist, sind bei dem Leistungsmodul der Ausführungsform 2 das Halbleiterschaltelement 8 und die Freilaufdiode 10 als monolithische integrierte Schaltung aus­ gebildet, und die integrierte Steuerschaltung 12 ist auf der Freilaufdiode 10 angeordnet; es wird dadurch möglich, das ge­ samte Leistungsmodul kompakter zu bauen und auch seinen Aufbau zu vereinfachen.
Es ist dadurch möglich, den Stückpreis des Leistungsmoduls zu senken. Außerdem kann wirkungsvoll verhindert werden, daß die von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte Wärme durch Wärme­ leitung zu der integrierten Steuerschaltung gelangt, und in­ folgedessen kann eine Fehlfunktion der integrierten Steuer­ schaltung 12 verhindert werden.
Es wird dadurch möglich, die Zuverlässigkeit des Leistungsmo­ duls zu verbessern. Wenn das Leistungsmodul ferner so aufge­ baut ist, daß die Verdrahtungen kürzer sind, kann auch das Rauschen verringert werden.
AUSFÜHRUNGSFORM 3
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 folgt nun die Beschreibung eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform 3 der Erfindung.
Fig. 3 ist eine erläuternde Darstellung, die den Aufbau der Ausführungsform 3 des Leistungsmoduls zeigt. In Fig. 3 besteht das Leistungsmodul aus einer Wärmesenke 2, die eine Grund­ platte ist, einem isolierenden Substrat 4, einer eine Schalt­ kreisstruktur bildenden Elektrodenschicht 6, einem Halbleiter­ schaltelement 8, einer Freilaufdiode 10, einer integrierten Steuerschaltung 12 zur Steuerung des Halbleiterschaltelements 8, einem Bonddraht 20 und einem äußeren Eingangs-Ausgangsan­ schluß 30, der an dem isolierenden Substrat 4 angebracht ist, einem Emitteranschluß 31 und einem Kollektoranschluß 32.
Die Wärmesenke 2 ist mit einer der Oberflächen des isolieren­ den Substrats 4 verbunden. Die Elektrodenschicht 6, die auf der anderen Oberfläche des isolierenden Substrats 4 angeordnet ist, bildet eine Schaltkreisstruktur.
In dieser Schaltkreisstruktur sind das Halbleiterschaltelement 8, die Freilaufdiode 10 und die integrierte Steuerschaltung 12 als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet, und min­ destens ein Bereich der Freilaufdiode 10 ist sandwichartig zwischen dem Halbleiterschaltelement 8 und der integrierten Steuerschaltung 12 angeordnet.
Dabei ist die integrierte Steuerschaltung 12 außer Berührung mit dem Halbleiterschaltelement 8. Da die integrierte Steuer­ schaltung 12 an einer von dem Halbleiterschaltelement 8 ent­ fernten Position angeordnet ist, können Fehlfunktionen in der integrierten Steuerschaltung 12, die auf die von dem Halblei­ terschaltelement 8 erzeugte Wärme zurückgehen, verringert wer­ den.
Um eine Fehlfunktion der integrierten Steuerschaltung 12 in­ folge von Rauschen zu verhindern, sind dabei die jeweiligen Halbleiterbauelemente bevorzugt in dem Leistungsmodul angeord­ net, um die Verdrahtungen zu verkürzen.
Das Halbleiterschaltelement 8 ist mit der Freilaufdiode 10 durch den Bonddraht 20 verbunden und ist ferner mit der inte­ grierten Steuerschaltung 12 durch einen weiteren Bonddraht 20 verbunden. Die integrierte Steuerschaltung 12 ist mit dem Halbleiterschaltelement 8 durch einen Bonddraht 20 verbunden und ist ferner durch einen weiteren Bonddraht 20 mit dem äuße­ ren Eingangs-Ausgangsanschluß 30 verbunden.
Die Freilaufdiode 10 ist mit dem Halbleiterschaltelement 8 durch einen Bonddraht 20 verbunden und ist ferner durch einen weiteren Bonddraht 20 mit dem Emitteranschluß 31 verbunden. Die Elektrodenschicht 6 ist mit dem Kollektoranschluß 32 durch einen Bonddraht 20 verbunden.
In diesem Fall ist das Halbleiterschaltelement 8 ein IGBT; wenn das Halbleiterschaltelement 8 ein MOSFET ist, wird an­ stelle des Emitteranschlusses 31 ein Sourceanschluß 31 und an­ stelle des Kollektoranschlusses 32 ein Drainanschluß 32 ver­ wendet.
Als nächstes folgt die Erläuterung der Funktionsweise des Lei­ stungsmoduls.
Die integrierte Steuerschaltung 12 erhält eine Niederspannung als Speisespannung durch den äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30. Die integrierte Steuerschaltung 12 erhält ein Halbleiter­ schaltelement-Treibereingangssignal durch den äußeren Ein­ gangs-Ausgangsanschluß 30 und sendet entsprechend diesem Ein­ gangssignal ein Halbleiterschaltelement-Treiberausgangssignal an das Halbleiterschaltelement 8.
Dieses Treiberausgangssignal ermöglicht es dem Halbleiter­ schaltelement 8, Schaltvorgänge auszuführen, so daß es einen von dem Kollektoranschluß 32 zugeführten Strom mit einer Span­ nung über die Elektrodenschicht 6 zu dem Emitteranschluß 31 durch die Freilaufdiode 10 abgibt. Dabei kann ein Strom durch die Freilaufdiode 10 aufgrund einer Gegen-EMK fließen, die zum Zeitpunkt eines Schaltvorgangs erzeugt wird.
Das Halbleiterschaltelement 8 führt der integrierten Steuer­ schaltung 1-2 einen Strom zu, der beispielsweise einem Tausend­ stel des durch das Halbleiterschaltelement 8 fließenden Stroms entspricht, so daß der durch das Halbleiterschaltelement flie­ ßende Strom in einem Stromdetektierkreis (normalerweise einem Widerstand) (nicht gezeigt) in der integrierten Steuerschal­ tung 12 überwacht wird.
Wenn ein anormaler Strom in dem Stromdetektierkreis detektiert wird, gibt die integrierte Steuerschaltung 12 ein Fehlersignal an den äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30 ab. Auf die glei­ che Weise ist in dem IGBT 40 eine Chiptemperatur-Detektierein­ richtung (Diode, Widerstand usw.) 41 zum Detektieren der Chip­ temperatur installiert, um die Wärmeerzeugung des IGBT zu überwachen.
Wenn eine anormale Temperatur detektiert wird, gibt daher die integrierte Steuerschaltung 12 das Fehlersignal an dem Fehler­ ausgang FO ab. Die genauen Operationen des Leistungsmoduls sind bei der Ausführungsform 1 erörtert und werden nicht er­ neut beschrieben.
Wie vorstehend beschrieben, hat das Leistungsmodul gemäß der Ausführungsform 3 eine solche Anordnung, daß das Halbleiter­ schaltelement 8, die Freilaufdiode 10 und die integrierte Steuerschaltung 12 als monolithische integrierte Schaltung derart ausgeführt sind, daß mindestens ein Bereich der Frei­ laufdiode 10 sandwichartig zwischen dem Halbleiterschaltele­ ment 8 und der integrierten Steuerschaltung 12 angeordnet ist; es wird dadurch möglich, das gesamte Leistungsmodul kompakt zu bauen und seinen Aufbau zu vereinfachen.
Dadurch wird es möglich, den Stückpreis des Leistungsmoduls zu senken. Außerdem kann wirkungsvoll verhindert werden, daß von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte Wärme durch Wärmelei­ tung zu der integrierten Steuerschaltung gelangt, und dadurch kann eine Fehlfunktion der integrierte Steuerschaltung 12 ver­ hindert werden. Die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls kann dadurch verbessert werden. Wenn ferner das Leistungsmodul so aufgebaut ist, daß die Verdrahtungen verkürzt sind, kann auch Rauschen verringert werden.
AUSFÜHRUNGSFORM 4
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird eine Ausführungsform 4 des Leistungsmoduls der Erfindung beschrieben.
Fig. 4 ist eine erläuternde Darstellung, die den Aufbau des Leistungsmoduls der Ausführungsform 4 zeigt. In Fig. 4 besteht das Leistungsmodul aus einer Wärmesenke 2, die eine Grund­ platte ist, einem isolierenden Substrat 4, einer eine Schalt­ kreisstruktur bildenden Elektrodenschicht 6, einem Halbleiter­ schaltelement 8, einer Freilaufdiode 10, einer integrierten Steuerschaltung 12 zur Steuerung des Halbleiterschaltelements 8, einem Bonddraht 20 und einem äußeren Eingangs-Ausgangsan­ schluß 30, der an dem isolierenden Substrat befestigt ist, einem Emitteranschluß 31 und einem Kollektoranschluß 32.
Die Ausführungsform 4 gleicht in vieler Hinsicht der Ausfüh­ rungsform 3. Bei der Ausführungsform 3 sind jedoch das Halb­ leiterschaltelement 8, die Freilaufdiode 10 und die inte­ grierte Steuerschaltung 12 als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet, während bei der Ausführungsform 4 das Halbleiterschaltelement 8 und die Freilaufdiode 10 getrennt ausgebildet und die Freilaufdiode und die integrierte Steuer­ schaltung als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet sind.
Mit anderen Worten, es unterscheiden sich Ausführungsform 3 und Ausführungsform 4 dadurch voneinander, daß das Halbleiter­ schaltelement und die Freilaufdiode 10 voneinander getrennt sind oder nicht. Auch hier entfällt unter Bezugnahme auf glei­ che Aspekte wie bei der Ausführungsform 2 deren Beschreibung.
Da die integrierte Steuerschaltung 12 in einer von dem Halb­ leiterschaltelement 8 entfernten Position angeordnet ist, kön­ nen Fehlfunktionen der integrierten Steuerschaltung 12, die auf die von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte Wärme zu­ rückgehen, verringert werden.
Da, wie vorstehend beschrieben, das Halbleiterschaltelement 8 und die Freilaufdiode 10 voneinander getrennt aufgebaut und die Freilaufdiode und die integrierte Steuerschaltung als mo­ nolithische integrierte Schaltung ausgebildet sind, ermöglicht dieser Aufbau eine Miniaturisierung des gesamten Leistungsmo­ duls und eine Vereinfachung seiner Konstruktion. Es wird da­ durch möglich, den Stückpreis des Leistungsmoduls zu senken.
Außerdem kann wirkungsvoll verhindert werden, daß von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte Wärme durch Wärmeleitung zu der integrierten Steuerschaltung gelangt, und infolgedessen kann eine Fehlfunktion der integrierten Steuerschaltung 12 verhindert werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Lei­ stungsmoduls verbessert werden. Wenn das Leistungsmodul so aufgebaut ist, daß die Verdrahtung verkürzt ist, wird es fer­ ner möglich, Rauschen zu verringern.
Jede der vorstehenden Ausführungsformen hat eine einreihige Anordnung von Anschlüssen, wobei die Eingangs-Ausgangsan­ schlüsse, der Kollektor- und der Emitteranschluß an einem Ende des Leistungsmoduls angeordnet sind; die Erfindung soll jedoch durch die Anordnung nicht eingeschränkt werden, und es kann auch eine doppelreihige Anordnung vorgesehen sein, bei der die Eingangs-Ausgangsanschlüsse an dem einen Ende des Leistungsmo­ duls und der Kollektoranschluß und der Emitteranschluß an dem anderen Ende angeordnet sind.

Claims (8)

1. Leistungsmodul, gekennzeichnet durch
ein isolierendes Substrat (4), das eine mit seiner einen Oberfläche verbundene Grundplatte (2) und eine auf der anderen Oberfläche als Elektrodenschicht (6) ausgebildete Schaltkreisstruktur hat, wobei die Schaltkreisstruktur folgendes aufweist:
ein Halbleiterschaltelement (8)
eine Freilaufdiode (10), die mit dem Halbleiterschalt­ element (8) antiparallel geschaltet ist, und
eine integrierte Steuerschaltung (12) zur Steuerung des Halbleiterschaltelements (8),
wobei die integrierte Steuerschaltung (12) auf der Frei­ laufdiode (10) ausgebildet ist.
2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement (8) ein Element vom Iso­ lierschicht-Typ (z. B. ein IGBT, ein Leistungs-MOSFET usw.) ist.
3. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement (8) und die Freilaufdiode (10) als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet sind.
4. Leistungsmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement (8) ein Element vom Iso­ lierschicht-Typ (z. B. ein IGBT, ein Leistungs-MOSFET usw.) ist.
5. Leistungsmodul, gekennzeichnet durch
ein isolierendes Substrat (4), das eine mit seiner einen Oberfläche verbundene Grundplatte (2) und eine auf der anderen Oberfläche als Elektrodenschicht (6) ausgebildete Schaltkreisstruktur hat, wobei die Schaltkreisstruktur folgendes aufweist:
ein Halbleiterschaltelement (8),
eine Freilaufdiode (10), die mit dem Halbleiterschalt­ element (8) antiparallel geschaltet ist, und
eine integrierte Steuerschaltung (12) zur Steuerung des Halbleiterschaltelements (8),
wobei die Freilaufdiode (10), das Halbleiterschaltelement (8) und die integrierte Steuerschaltung (12) als mono­ lithische integrierte Schaltung ausgebildet sind und min­ destens ein Bereich der Freilaufdiode (10) sandwichartig zwischen dem Halbleiterschaltelement (8) und der inte­ grierten Steuerschaltung (12) liegt.
6. Leistungsmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement (8) ein Element vom Iso­ lierschicht-Typ (z. B. ein IGBT, ein Leistungs-MOSFET usw.) ist.
7. Leistungsmodul, gekennzeichnet durch
ein isolierendes Substrat (4), das eine mit seiner einen Oberfläche verbundene Grundplatte (2) und eine auf seiner anderen Oberfläche als Elektrodenschicht (6) ausgebildete Schaltkreisstruktur hat, wobei die Schaltkreisstruktur folgendes aufweist:
ein Halbleiterschaltelement (8),
eine mit dem Halbleiterschaltelement (8) antiparallel ge­ schaltete Freilaufdiode (10), und
eine integrierte Steuerschaltung (12) zur Steuerung des Halbleiterschaltelements (8),
wobei das Halbleiterschaltelement (8) und die Freilauf­ diode (10) voneinander getrennt aufgebaut und die Frei­ laufdiode (10) und die integrierte Steuerschaltung (12) als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet sind.
8. Leistungsmodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement (8) ein Element vom Iso­ lierschicht-Typ (z. B. ein IGBT, ein Leistungs-MOSFET usw.) ist.
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