DE10113967A1 - Leistungsmodul - Google Patents
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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