DE102006038479A1 - Mehrfach-Leistungshalbleiterbauelement - Google Patents
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Abstract
Mehrfach-Leistungshalbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (1, 2, 3, 4), in dem wenigstens zwei vertikale Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20, 30, 40, 50, 60, 10', 20', 30', 40', 50', 60') angeordnet sind, wobei jedes der vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20, 30, 40, 50, 60, 10', 20', 30', 40', 50', 60') einen an einer Vorderseite (1a) des Halbleiterkörpers (1, 2, 3, 4) angeordneten ersten Lastanschluss (11, 21, 31, 41, 51, 61, 11', 21', 31', 41', 51', 61') aufweist und jedes der vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente (10, 20, 30, 40, 50, 60, 10', 20', 30', 40', 50', 60') einen an einer der Vorderseite (1a) gegenüberliegenden Rückseite (1b) des Halbleiterkörpers (1, 2, 3, 4) angeordneten zweiten Lastanschluss (12, 22, 32, 42, 52, 62, 12', 22', 32', 42', 52', 62') aufweist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Mehrfach-Leistungshalbleiterbauelement.
- In elektrischen Installationen werden zum Schalten hoher Ströme und Spannungen typischerweise Leistungshalbleiterbauelemente eingesetzt. Die technische Realisierung erfolgt dabei regelmäßig in Form von Leistungshalbleitermodulen, bei denen eine Anzahl vertikaler Leistungshalbleiterbauelemente auf einem gemeinsamen Substrat, z.B. einem flächigen DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonding), in einem Gehäuse angeordnet sind.
- Hierbei ist jedes der vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente mit einer Anschlussfläche einer Metallisierungsfläche des Substrats, beispielsweise durch Auflöten, verbunden. Dabei können mehrere Leistungshalbleiterbauelemente sowohl auf voneinander getrennten Metallisierungsflächen als auch auf einer gemeinsamen Metallisierungsfläche angeordnet sein.
- Der Nachteil einer derartigen Anordnung besteht darin, dass die einzelnen Leistungshalbleiterbauelemente separat montiert werden müssen, was einen entsprechend hohen Fertigungsaufwand mit entsprechend langen Prozesszeiten erfordert.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Leistungshalbleiterbauelemente mit der Möglichkeit einer einfachen und schnellen Montage sowie ein Leistungshalbleitermodul mit solchen Leistungshalbleiterbauelementen bereitzustellen.
- Diese Aufgabe wird durch ein Mehrfach-Leistungshalbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
- Bei dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelement sind wenigstens zwei vertikale Leistungshalbleiterbauelemente in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordnet und können so gemeinsam auf einem Substrat platziert und darauf befestigt werden.
- Jedes der wenigstens zwei vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente weist einen an einer Vorderseite des Halbleiterkörpers angeordneten ersten Lastanschluss sowie einen an einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite des Halbleiterkörpers angeordneten zweiten Lastanschluss auf.
- Die Lastanschlüsse dienen zur äußeren Kontaktierung der in dem Halbleiterkörper realisierten vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente. Sie sind vorzugsweise als Oberflächenmetallisierungen des Halbleiterkörpers ausgebildet, die lokal auf entsprechende Anschlussbereiche der vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente aufgebracht sind.
- Prinzipiell eignen sich alle steuerbaren, nicht steuerbaren, oder zündbaren Leistungshalbleiterbauelemente, insbesondere Dioden, MOSFETs, IGBTs, JFETs und Bipolartransistoren, sofern sie einen vertikalen Aufbau mit zwei auf einander gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers angeordneten Lastanschlüssen aufweisen.
- Je nach Art eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements kann es sich bei den Anschlussbereichen insbesondere um Drain-, Source-, Emitter-, Kollektor-, Anoden- oder Kathodenzonen des Halbleiterkörpers handeln.
- Abhängig von der jeweiligen Anwendung kann es erforderlich sein, benachbarte der in dem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordneten vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente elektrisch voneinander zu entkoppeln bzw. zu isolieren. Die betreffenden Leistungshalbleiterbauelemente können dabei vollständig oder nur teilweise elektrisch voneinander entkoppelt bzw. isoliert sein.
- Bevorzugt weisen die in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integrierten Leistungshalbleiterbauelemente eine gemeinsame Halbleiterzone mit einem gemeinsamen Substratpotenzial auf. Die Potenzialtrennung erfolgt dann vorzugsweise durch elektrisch sperrende Strukturen an der Halbleiteroberfläche, beispielsweise mittels einer jedes der Leistungshalbeiterbauelemente umgebenden Randstruktur, so dass unterhalb der Randstruktur auch im Halbleitervolumen ein Potenzialabbau in horizontaler Richtung erfolgt.
- Zur Entkopplung der in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente eignen sich jedoch auch zwei oder mehr abwechselnd aufeinander folgend angeordnete p- und n-Halbleiterzonen, die als Diode bzw. als Diodenkaskade wirken. Ebenso besteht die Möglichkeit, zwischen den zu entkoppelnden Leistungshalbleiterbauelementen einen nicht oder nur gering dotierten Halbleiterabschnitt mit vorgegebener Breite vorzusehen.
- Außerdem können zur Isolation zwischen den Halbleiterbauelementen isolierende Schichten, insbesondere aus Siliziumdioxid oder einem anderen Halbleiteroxid, vorzugsweise Oxide oder Nitride vom Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers, eingesetzt werden.
- Bei einer nur teilweisen Entkopplung bzw. Isolation können bestimmte Halbleiterzonen benachbarter in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordneter Leistungshalbleiterbauelemente auch durch eine gemeinsam genutzte Halbleiterzone des Halbleiterkörpers miteinander verbunden sein.
- Bei bestimmten Anwendungen kann es wünschenswert sein, dass die oberen, d.h. vom Träger abgewandten Oberseiten zweier Leistungshalbleiterbauelemente, deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind, ein gemeinsames Potenzial aufweisen sollen. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Leistungshalbleiterbauelemente komplementär zueinander, z. B. ein pnp-Bauelement und ein npn-Bauelement oder ein n-Kanal Bauelement und ein p-Kanal Bauelement, gewählt werden.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren zeigen:
-
1 ein Leistungshalbleitermodul mit einer Umrichter-Brückenschaltung mit drei Halbbrücken, deren obere und untere Halbbrückenzweige von jeweils einem steuerbaren vertikalen Leistungshalbleiterbauelement gebildet sind, wobei die drei steuerbaren vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente der oberen Halbbrückenzweige gemeinsam in einem ersten Halbleiterkörper und die drei steuerbaren vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente der unteren Halbbrückenzweige gemeinsam in einem zweiten Halbleiterkörper angeordnet sind, -
2 ein Schaltbild der Umrichter-Brückenschaltung des Leistungshalbleitermoduls gemäß1 , -
3 einen Vertikalschnitt durch die Umrichter-Brückenschaltung des Leistungshalbleitermoduls gemäß1 in einer Ebene A-A', -
4 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt des ersten Halbleiterkörpers des Leistungshalbleitermoduls gemäß1 in einer Ebene B-B', bei der benachbart in dem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordnete Leistungshalbleiterbauelemente mittels einer Feldring-Feldplattenstruktur elektrisch voneinander entkoppelt sind, -
5 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt des ersten Halbleiterkörpers eines Leistungshalbleitermoduls entsprechend1 in der Ebene B-B', bei der benachbart in dem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordnete Leistungshalbleiterbauelemente mittels zweier Diodenübergänge elektrisch voneinander entkoppelt sind, -
6 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt des ersten Halbleiterkörpers eines Leistungshalbleitermoduls entsprechend1 in der Ebene B-B', bei der benachbart in dem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordnete Leistungshalbleiterbauelemente mittels zweier dielektrischer Schichten elektrisch voneinander entkoppelt sind, -
7 einen Vertikalschnitt durch das Leistungshalbleitermodul gemäß1 in einer Ebene C-C'. -
8 ein Leistungshalbleitermodul mit einer Umrichter-Brückenschaltung gemäß1 , die zusätzlich einen dritten und einen vierten Halbleiterkörper mit jeweils drei vertikalen Leistungsdioden aufweist, und -
9 ein Schaltbild der Anordnung gemäß8 . - In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
-
1 zeigt eine Umrichter-Brückenschaltung eines Leistungshalbleitermoduls mit einem ersten Halbleiterkörper1 und einem zweiten Halbeiterkörper2 . Die Halbleiterkörper1 ,2 werden auch als "Chips" bezeichnet. Sie können aus einem beliebigen Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium, gebildet sein. - Die Anordnung umfasst weiterhin ein Substrat
90 mit einem dielektrischen Keramikträger99 , der zumindest auf seiner Oberseite eine Oberseitenmetallisierung mit einem ersten Me tallisierungsabschnitt91 und einem zweiten Metallisierungsabschnitt92 aufweist. - Der erste Halbleiterkörper
1 ist auf den ersten Metallisierungsabschnitt91 , der zweite Halbleiterkörper2 auf den zweiten Metallisierungsabschnitt92 aufgelötet. - Der erste Halbleiterkörper
1 weist drei vertikale, in einer Reihe nebeneinander angeordnete Halbleiterbauelemente10 ,20 und30 , der zweite Halbleiterkörper2 drei vertikale, in einer Reihe nebeneinander angeordnete Halbleiterbauelemente40 ,50 und60 auf. Jedes der Halbleiterbauelemente10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 ist auf ihrer dem DCB-Substrat90 abgewandten Seite von einer Isolationsrandstruktur15 ,25 ,35 ,45 ,55 ,65 umgeben. - Bei den Halbleiterbauelementen
10 ,20 ,30 des ersten Halbleiterkörpers1 handelt es sich jeweils um identische n-Kanal IGBTs, die jeweils einen ersten Lastanschluss11 ,21 bzw.31 sowie jeweils einen Steueranschluss13 ,23 bzw.23 aufweisen. - Entsprechend sind die Halbleiterauelemente
40 ,50 60 des zweiten Halbleiterkörpers2 als identische p-Kanal IGBTs mit jeweils einem ersten Lastanschluss41 ,51 bzw.61 und jeweils einem Steueranschluss43 ,53 bzw.63 ausgebildet. - Des weiteren weisen die Halbleiterbauelemente
10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 auf ihrer dem Substrat90 zugewandten Seite noch jeweils einen zweiten, in der vorliegenden Ansicht nicht erkennbaren – zweiten Lastanschluss auf. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die ersten Lastanschlüsse11 ,21 ,31 ,41 ,51 ,61 als Drain-Anschlüsse, die zweiten Lastanschlüsse als Source-Anschlüsse und die Steueranschlüsse13 ,23 ,33 ,43 ,53 ,63 als Gate-Anschlüsse ausgebildet. - Zur Herstellung einer Dreifach-Halbbrücke sind die ersten Lastanschlüsse
11 ,21 ,31 des ersten Halbleiterkörpers1 z.B. durch Bonddrähte71 ,72 bzw.73 paarweise mit den ersten Lastanschlüssen41 ,51 bzw.61 des ersten Halbleiterkörpers1 elektrisch leitend verbunden. - Die zweiten Lastanschlüsse der Halbleiterbauelemente
10 ,20 ,30 sind auf den ersten Metallisierungsabschnitt91 aufgelötet und ebenfalls elektrisch leitend miteinander verbunden. In gleicher Weise sind auch die zweiten Lastanschlüsse der Halbleiterbauelemente40 ,50 ,60 auf den zweiten Metallisierungsabschnitt92 aufgelötet und elektrisch leitend miteinander verbunden. Durch die Integration mehrerer Halbleiterauelemente10 ,20 ,30 bzw.40 ,50 ,60 in einem Halbleiterkörper1 und2 können diese gemeinsam und in einem Schritt auf die Metallisierungsabschnitte91 bzw.92 z.B. aufgelötet, gesintert oder geklebt werden. - Durch diese Verschaltung bildet jeweils ein Halbleiterauelement
10 ,20 ,30 des ersten Halbleiterkörpers1 zusammen mit einem Halbleiterauelement40 ,50 ,60 des zweiten Halbleiterkörpers2 eine Halbbrücke (10 mit40 ,20 mit50 bzw.30 mit60 ). Die Halbleiterbauelemente10 ,20 ,30 bilden dabei die oberen, die Halbleiterbauelemente40 ,50 ,60 die unteren Zweige der jeweiligen Halbbrücke. - Zu ihrer äußeren Beschaltung weist die Anordnung einen Anschluss P zur Zuführung einer positiven Brückenspannung, einen Anschluss N zur Zuführung einer negativen Brückenspannung, sowie Anschlüsse G1, G2, G3, G4, G5 und G6 zur Zuführung einer Steuerspannung an jeweils einen der Steueranschlüsse
13 ,23 ,33 ,43 ,53 bzw.63 . Außerdem werden an Ausgängen U, V und W die Ausgangsspannungen der Dreifach-Halbbrücke bereitgestellt. - Die in
1 ebenfalls dargestellten externen Anschlüsse P, N, G1, G2, G3, G4, G5, G6, U, V und W sind in der genannten Reihenfolge mittels Bonddrähten74 ,75 ,81 ,82 ,83 ,84 ,85 ,86 ,71 ,72 bzw.73 elektrisch leitend mit den entsprechenden ersten bzw. zweiten Metallisierungsabschnitten91 bzw.92 , den oberseitigen Steueranschlüssen13 ,23 ,33 ,43 ,53 bzw.63 sowie den oberseitigen Lastanschlüssen11 ,21 ,31 ,41 ,51 bzw.61 verbunden. - Die externen Anschlüsse P, N, G1, G2, G3, G4, G5, G6, U, V und W können je nach konkreter Anwendung verschiedenartig ausgeführt sein. Insbesondere kann es sich bei ihnen um Anschlusslaschen handeln, die aus einem in 1 nicht dargestellten Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls herausgeführt sind.
-
2 zeigt das Schaltbild der Anordnung gemäß1 . Anstelle der im vorliegenden Ausführungsbeispiel eingesetzten IGBTs können jedoch auch MOSFETs oder andere steuerbare vertikale Leistungshalbleiterbauelemente zur Realisierung einer Brückenschaltung eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind die steuerbaren vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 als IGBTs mit integrierten parallelen Freilaufdioden ("reverse conducting IGBTs") ausgebildet. -
3 zeigt einen Vertikalschnitt durch die Anordnung gemäß1 in einer Ebene A-A'. Als Grenze zwischen den benachbarten der in dem gemeinsamen Halbleiterkörper1 integrierten Leistungshalbleiterbauelemente10 ,20 ,30 ist jeweils eine gestrichelte vertikale Linie dargestellt. In dieser Ansicht sind auch die in1 nicht erkennbaren zweiten Lastanschlüsse12 ,22 und32 der Leistungshalbleiterbauelemente10 ,20 bzw.30 dargestellt, welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einstückig als durchgehende Metallisierung ausgebildet sind. Ebenso können die zweiten Lastanschlüsse10 ,20 ,30 voneinander beabstandet und/oder elektrisch voneinander isoliert sein. - In gleicher Weise können die zweiten Lastanschlüsse der Leistungshalbleiterbauelemente
40 ,50 ,60 des zweiten Halbleiterkörpers2 ebenso einstückig als durchgehende Metallisierung oder voneinander beabstandet und/oder elektrisch voneinander isoliert aufgebaut sein. - Im Fall elektrisch voneinander isolierter Leistungshalbleiterbauelemente
10 ,20 ,30 bzw.40 ,50 ,60 eines Halbleiterkörpers1 bzw.2 wird die elektrische Verbindung durch die Metallisierungsabschnitte91 zw.92 hergestellt. - Für andere Schaltungsanordnungen kann es jedoch sinnvoll sein, einzelne oder alle der zweiten Lastanschlüsse elektrisch voneinander zu entkoppeln, so dass bestimmte der Leistungshalbleiterbauelemente ganz oder teilweise separat beschaltet werden können. Hierzu weisen die Leistungshalbleiterbauelemente
10 ,20 ,30 Isolationsrandstrukturen15 ,25 bzw.35 auf. - Grundsätzlich eines oder mehrere der Mehrfachhalbleiterbauelemente anstelle mit ihren zweiten Lastanschlüssen
12 ,22 ,32 ,42 ,52 ,62 auch mit ihren ersten Lastanschlüssen11 ,21 ,31 ,41 ,51 ,61 und mit ihren Steueranschlüssen13 ,23 ,33 ,43 ,53 ,63 auf das Substrat90 aufgebracht sein (Flip-Chip-Montage). -
4 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt des ersten Halbleiterkörpers1 der Anordnung gemäß1 in einer Ebene B-B' im Übergangsbereich zwischen dem ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauelement10 bzw.20 mit solchen Isolationsrandstrukturen15 bzw.25 . Das erste Leistungshalbleiterbauelement10 umfasst eine Driftzone19 , an die sich eine stark p-dotierte Zone18 anschließt, die der Lastanschluss11 kontaktiert. Entsprechend umfasst das zweite Leistungshalbleiterbauelement20 eine Driftzone29 , an die sich eine stark p-dotierte Zone28 anschließt, welche der Lastanschluss21 kontaktiert. Die Driftzonen19 und29 bilden zusammen eine schwach n-dotierte, dem ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauelementen10 und20 gemeinsame Halbleiterzone. - Die Isolationsrandstruktur
15 des ersten Leistungshalbleiterbauelements10 weist eine als Feldring-Feldplatten-Struktur ausgebildete Randstruktur mit Feldringen14 und Feldplatten16 auf. Entsprechend umfasst das zweite Leistungshalbleiterbauelement20 eine Feldring-Feldplatten-Struktur mit Feldringen24 und Feldplatten26 . Jede der elektrisch leitenden, vorzugsweise aus Polysilizium oder Aluminium gebildeten Feldplatten kontaktiert einen der komplementär zur schwach n-dotierten Driftzone dotierten Feldringe auf der Oberseite des Halbleiterkörpers1 . - Bei an dem jeweiligen Bauelement anliegender Sperrspannung bewirkt eine solche Feldring-Feldplatten-Struktur einen kontrollierten Abbau des Elektrischen Feldes im Randbereich des Bauelements, wodurch Spannungsspitzen und damit verbundene Spannungsdurchbrüche im seitlichen Randbereich des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelementes vermieden werden. Unterhalb einer derartigen Randstruktur erfolgt ein Potenzialabbau im Halbleitervolumen auch in horizontaler Richtung.
- In
4 sind beispielhaft einige Äquipotenziallinien6 sowie eine Feldlinie des daraus resultierenden Elektrischen Feldes E dargestellt. - Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
4 weisen die Feldring-Feldplatten-Strukturen jeweils zwei Paare mit jeweils einem Feldring und jeweils einer Feldplatte auf. Grundsätzlich kann die Anzahl der Feldring-Feldplatten-Paare eines Leistungshalbleiterbauelements10 ,20 ,30 jedoch beliebig gewählt werden. -
5 zeigt einen Abschnitt des Halbleiterkörpers1 entsprechend4 , allerdings ist hier zur elektrischen Entkopplung der benachbarten Leistungshalbleiterbauelemente10 ,20 anstelle einer Feldring-Feldplatten-Struktur eine Diodenstruktur mit pn-Übergängen17 und27 vorgesehen. Generell ist die Anzahl der zwischen zwei Lastanschlüssen11 ,21 angeordneten pn-Übergänge beliebig. - Die Herstellung der pn-Übergänge
17 ,27 erfolgt vorzugsweise durch eine komplementär zu einer Grunddotierung (im vorliegenden Ausführungsbeispiel "n-") des Halbleiterkörpers1 dotierte Trennzone8 . Die Trennzone8 erstreckt sich bevorzugt durchgehend und lückenlos zwischen der Vorderseite1a und der Rückseite1b des Halbleiterkörpers1 . - Die Herstellung einer solchen Trennzone
8 kann z.B. mittels einer maskierten Implantation und/oder mittels einer maskierten Eindiffusion geeigneter Dotierstoffe in den Halbleiterkörper1 und mittels eines nachfolgenden Eintreib-Temperschritts erfolgen. Die maskierte Implantation und/oder Eindiffusion wird bevorzugt beidseitig, d.h. ausgehend von der Vorderseite1a und von der Rückseite1b vorgenommen. - Auch
6 zeigt einen Abschnitt des Halbleiterkörpers1 entsprechend4 , jedoch sind hier zur elektrischen Entkopplung der benachbarten Leistungshalbleiterbauelemente10 ,20 anstelle einer Feldring-Feldplatten-Struktur eine Diodenstruktur mit beispielhaft zwei voneinander beabstandeten Trenndielektrika7 vorgesehen. Grundsätzlich ist die Anzahl der zwischen zwei Lastanschlüssen11 ,21 angeordneten Trenndielektrika7 jedoch beliebig. - Die Trenndielektrika
7 sind bevorzugt als zusammenhängende Dielektrikumsschichten ausgebildet, welche sich durchgehend und lückenlos zwischen der Vorderseite1a und der Rückseite1b des Halbleiterkörpers1 erstrecken. - Als Dielektrikum eignen sich insbesondere Oxide und/oder Nitride vom Grundmaterial des Halbleiterkörpers wie z.B. Siliziumdioxid oder Tetraethylorthosilikat (TEOS).
- Isolationsrandstrukturen
15 ,25 ,35 ,45 ,55 ,65 gemäß den1 ,3 und4 , die eine Feldring-Feldplatten-Randstruktur aufweisen, wie sie z.B. anhand von4 erläutert wurde, sind vorzugsweise ringförmig um die vorderseitigen und/oder rückseitigen Lastanschlüsse11 ,12 ,21 ,22 ,31 ,32 ,41 ,42 ,51 ,52 ,61 bzw.62 der betreffenden Leistungshalbleiterbauelemente10 ,20 ,30 ,40 ,50 bzw.60 angeordnet. - Demgegenüber ist es im Fall von Isolationsrandstrukturen
15 ,25 ,35 ,45 ,55 ,65 gemäß den1 und3 , welche eine Trennzone8 gemäß5 und/oder ein Trenndielektrikum8 gemäß6 aufweisen, ausreichend, wenn sie nur im Bereich der Grenze zwischen benachbarten Leistungshalbleiterbauelementen10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 angeordnet sind. -
7 zeigt einen Vertikalschnitt durch die Anordnung gemäß1 in einer Ebene C-C' durch die vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente10 und40 . Hierbei ist zu erkennen, dass die Laststrecken der vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente10 ,40 zu einer Halbbrücke verschaltet sind. - Bei der Anordnung gemäß
1 sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Leistungshalbleiterbauelemente10 ,20 ,30 der oberen Halbbrückenzweige einerseits und die Leistungshalbleiterbauelemente40 ,50 ,60 der unteren Halbbrückenzweige andererseits als zueinander komplementäre Leistungshalbleiterbauelemente ausgebildet. Als komplementär in diesem Sinne werden n-Kanal Bauelemente im Verhältnis zu p-Kanal Bauelementen oder npn-Transistoren im Verhältnis zu pnp-Transistoren verstanden. - Anstelle der in
1 gezeigten Dreifach-Halbbrücke können selbstverständlich auch Zweifach-Halbbrücken (H-Brücken) oder Mehrfach-Halbbrückenschaltungen mit mehr als drei Halbbrücken in entsprechender Weise miteinander verschaltet sein. - Allgemein können die in einem Halbleiterkörper integrierten vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente in beliebiger Weise auch elektrisch unabhängig voneinander verbaut und nach Bedarf miteinander verschaltet werden.
- Die dabei erforderlichen elektrisch leitenden Verbindungen können durch verschiedenste Maßnahmen, z. B. durch Bondverbindungen, durch Auflöten des Halbleiterkörpers auf eine Leiterbahnstruktur, durch ober- und/oder unterseitige Druckkontaktierungen der ersten und/oder zweiten Lastanschlüsse oder durch eine auf den Halbleiterkörper auflaminierte Folienstruktur mit flexiblen Leiterbahnen hergestellt werden.
- Generell können bei einem erfindungsgemäßen Mehrfach-Leistungshalbleiterbauelement anstelle oder zusätzlich zu steuerbaren vertikalen Leistungshalbleiterbauelementen auch nicht steuerbare vertikale Leistungshalbleiterbauelemente wie z. B. Dioden vorgesehen sein.
- Beispielsweise ist es möglich, zur Herstellung einer B6-Dioden-Brücke ausgehend von der Anordnung gemäß den
1 ,3 und7 die steuerbaren vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 durch vertikale Leistungsdioden zu ersetzen. In diesem Fall würden die Steueranschlüsse13 ,23 ,33 ,43 ,53 ,63 sowie deren externe Anschlüsse G1, G2, G3, G4, G5, G6 sowie die Bonddrähte81 ,82 ,83 ,84 ,85 ,86 entfallen. - Wenn beispielsweise die ersten Lastanschlüsse
11 ,21 ,31 sowie die zweiten Lastanschlüsse42 ,52 ,62 die Anoden und die ersten Lastanschlüsse41 ,51 ,61 sowie die zweiten Lastanschlüsse12 ,22 ,32 die Kathoden der Dioden bilden, können die Dioden einer solchen B6-Dioden-Brücke als Freilaufdioden für die in den1 bis7 beschriebene Umrichterschaltung dienen. - Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den
8 und9 dargestellt. Die Anordnung entspricht der Dreifach-Brückenanordnung gemäß den1 bis7 . Alle Ausführungen zu den1 bis7 gelten daher entsprechend auch für die Anordnung gemäß den8 bzw.9 . - Als Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den
1 bis7 sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den8 und9 noch Freilaufdioden10' ,20' ,30' ,40' ,50' und60' vorgesehen. - Dazu ist auf die erste Metallisierungsfläche
91 zusätzlich zu dem ersten Halbleiterkörper1 ein dritter Halbleiterkörper3 aufgelötet, der die drei vertikalen Freilaufdioden10' ,20' ,30' mit ersten Anschlussflächen11' ,21' ,31' sowie zwischen dem dritten Halbleiterkörper3 und dem DCB-Substrat90 angeordnete und in der vorliegenden Ansicht nicht sichtbare zweite Anschlussflächen12' ,22' ,32' umfasst. - Weiterhin ist auf die zweite Metallisierungsfläche
92 zusätzlich zu dem zweiten Halbleiterkörper2 ein vierter Halbleiterkörper4 aufgelötet, der die drei vertikalen Freilaufdioden40' ,50' ,60' mit ersten Anschlussflächen41' ,51' ,61' sowie zwischen dem vierten Halbleiterkörper4 und dem DCB-Substrat90 angeordnete und in der vorliegenden Ansicht nicht sichtbare zweite Anschlussflächen42' ,52' ,62' umfasst. - Jede der Freilaufdioden
10' ,20' ,30' ,40' ,50' ,60' ist auf ihrer dem DCB-Substrat90 abgewandten Seite von einer Isolationsrandstruktur15' ,25' ,35' ,45' ,55' ,65' umgeben. - Die ersten Anschlussflächen
11' ,21' ,31' und die zweiten Anschlussflächen42' ,52' ,62' stellen die Anoden, die zweiten Anschlussflächen12' ,22' ,32' und die ersten Anschlussflächen41' ,51' ,61' die Kathoden der Dioden10' ,20' ,30' ,40' ,50' ,60' dar. - Ebenso wie bei dem ersten und zweiten Halbleiterkörper
1 bzw.2 sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die dem DCB-Substrat90 zugewandten zweiten Anschlussflächen12' ,22' ,32' ebenso wie die zweiten Anschlussflächen42' ,52' ,62' einstückig ausgebildet. - Oberseitig sind die ersten Anschlussflächen der steuerbaren Halbleiterbauelemente und Dioden jeweils einer der drei Halbbrücken mittels Bonddrähten
71 ,72 bzw.73 elektrisch leitend verbunden. - Bei einer Anordnung gemäß
8 müssen anstelle von zwölf Einzel-Halbleiterbauelementen einer entsprechenden bekannten Anordnung lediglich 4 Halbleiterkörper1 ,2 ,3 und4 auf das DCB-Substrat90 aufgebracht werden. - Wie aus den
8 und9 weiter ersichtlich ist, ist jeweils eine der Leistungsdioden10' ,20' ,30' des dritten Halbleiterkörpers3 mit einer der Leistungsdioden40' ,50' ,60' des vierten Halbleiterkörpers4 in Reihe geschaltet (B2-Brücke). Die Anordnung weist somit drei B2-Brücken10' /40' ,20' /50' und30' /60' auf. - Bei allen voranstehend erläuterten Anordnungsmöglichkeiten können in die Halbleiterkörper
1 ,2 ,3 und4 noch weitere zusätzliche Halbleiterelemente wie z. B. Bremschopper-Schaltelemente oder Schalter zur Leistungsfaktor-Korrektur (PFC-Schalter) integriert sein. -
- 1
- erster Halbleiterkörper
- 1a
- Vorderseite des ersten Halbleiterkörpers
- 1b
- Rückseite des ersten Halbleiterkörpers
- 2
- zweiter Halbleiterkörper
- 3
- dritter Halbleiterkörper
- 4
- vierter Halbleiterkörper
- 5
- Dielektrikum
- 6
- Äquipotenziallinien
- 7
- Trenndielektrikum
- 8
- Trennzone
- 10
- erstes Halbleiterbauelement
- 11
- erster Lastanschluss des ersten Halbleiterbauelements
- 12
- zweiter Lastanschluss des ersten Halbleiterbauelements
- 13
- Steueranschluss des ersten Halbleiterbauelements
- 14
- Feldringe des ersten Halbleiterbauelements
- 15
- Isolationsrandstruktur des ersten Halbleiterbauelements
- 16
- Feldplatten des ersten Halbleiterbauelements
- 17
- Diodenübergang des ersten Halbleiterbauelements
- 18
- p-Wanne des ersten Halbleiterbauelements
- 19
- Driftzone des ersten Halbleiterbauelements
- 20
- zweites Halbleiterbauelement
- 21
- erster Lastanschluss des zweiten Halbleiterbauelements
- 22
- zweiter Lastanschluss des zweiten Halbleiterbauelements
- 23
- Steueranschluss des zweiten Halbleiterbauelements
- 24
- Feldringe des zweiten Halbleiterbauelements
- 25
- Isolationsrandstruktur des zweiten Halbleiterbauelements
- 26
- Feldplatten des zweiten Halbleiterbauelements
- 27
- Diodenübergang des zweiten Halbleiterbauelements
- 28
- p-Wanne des zweiten Halbleiterbauelements
- 29
- Driftzone des zweiten Halbleiterbauelements
- 30
- drittes Halbleiterbauelement
- 31
- erster Lastanschluss des dritten Halbleiterbauelements
- 32
- zweiter Lastanschluss des dritten Halbleiterbauelements
- 33
- Steueranschluss des dritten Halbleiterbauelements
- 35
- Isolationsrandstruktur des dritten Halbleiterbauelements
- 40
- viertes Halbleiterbauelement
- 41
- erster Lastanschluss des vierten Halbleiterbauelements
- 42
- zweiter Lastanschluss des vierten Halbleiterbauelements
- 43
- Steueranschluss des vierten Halbleiterbauelements
- 45
- Isolationsrandstruktur des vierten Halbleiterbauelements
- 50
- fünftes Halbleiterbauelement
- 51
- erster Lastanschluss des fünften Halbleiterbauelements
- 52
- zweiter Lastanschluss des fünften Halbleiterbauelements
- 53
- Steueranschluss des fünften Halbleiterbauelements
- 55
- Isolationsrandstruktur des fünften Halbleiterbauelements
- 60
- sechstes Halbleiterbauelement
- 61
- erster Lastanschluss des sechsten Halbleiterbauelements
- 62
- zweiter Lastanschluss des sechsten Halbleiterbauelements
- 63
- Steueranschluss des sechsten Halbleiterbauelements
- 65
- Isolationsrandstruktur des sechsten Halbleiter bauelements
- 10'
- erste Diode
- 11'
- erster Lastanschluss der ersten Diode
- 12'
- zweiter Lastanschluss der ersten Diode
- 15'
- Isolationsrandstruktur der ersten Diode
- 20'
- erste Diode
- 21'
- erster Lastanschluss der ersten Diode
- 22'
- zweiter Lastanschluss der ersten Diode
- 25'
- Isolationsrandstruktur der ersten Diode
- 20'
- zweite Diode
- 21'
- erster Lastanschluss der zweiten Diode
- 22'
- zweiter Lastanschluss der zweiten Diode
- 25'
- Isolationsrandstruktur der zweiten Diode
- 30'
- dritte Diode
- 31'
- erster Lastanschluss der dritten Diode
- 32'
- zweiter Lastanschluss der dritten Diode
- 35'
- Isolationsrandstruktur der dritten Diode
- 40'
- vierte Diode
- 41'
- erster Lastanschluss der vierten Diode
- 42'
- zweiter Lastanschluss der vierten Diode
- 45'
- Isolationsrandstruktur der vierten Diode
- 50'
- fünfte Diode
- 51'
- erster Lastanschluss der fünften Diode
- 52'
- zweiter Lastanschluss der fünften Diode
- 55'
- Isolationsrandstruktur der fünften Diode
- 60'
- sechste Diode
- 61'
- erster Lastanschluss der sechsten Diode
- 62'
- zweiter Lastanschluss der sechsten Diode
- 65'
- Isolationsrandstruktur der sechsten Diode
- 71
- Bonddraht
- 72
- Bonddraht
- 73
- Bonddraht
- 74
- Bonddraht
- 75
- Bonddraht
- 81
- Bonddraht
- 82
- Bonddraht
- 83
- Bonddraht
- 84
- Bonddraht
- 85
- Bonddraht
- 86
- Bonddraht
- 90
- DCB-Substrat
- 91
- erster Abschnitt der Oberseitenmetallisierung des DCB-Substrats
- 92
- zweiter Abschnitt der Oberseitenmetallisierung des DCB-Substrats
- 93
- Unterseitenmetallisierung des DCB-Substrats
- 99
- Keramikträger
- A-A'
- Schnittebene
- B-B'
- Schnittebene
- C-C'
- Schnittebene
- E
- elektrisches Feld
- P
- externer Anschluss
- N
- externer Anschluss
- G1
- externer Anschluss
- G2
- externer Anschluss
- G3
- externer Anschluss
- G4
- externer Anschluss
- G5
- externer Anschluss
- G6
- externer Anschluss
- U
- externer Anschluss
- V
- externer Anschluss
- W
- externer Anschluss
Claims (18)
- Mehrfach-Leistungshalbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (
1 ,2 ,3 ,4 ), in dem wenigstens zwei vertikale Leistungshalbleiterbauelemente (10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 ,10' ,20' ,30' ,40' ,50' ,60' ) angeordnet sind, wobei – jedes der vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente (10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 ,10' ,20 ,30' ,40' ,50' ,60' ) einen an einer Vorderseite (1a ) des Halbleiterkörpers (1 ,2 ,3 ,4 ) angeordneten ersten Lastanschluss (11 ,21 ,31 ,41 ,51 ,61 ,11' ,21' ,31' ,41' ,51' ,61' ) aufweist, und – jedes der vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente (10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 ,10' ,20' ,30' ,40' ,50' ,60' ) einen an einer der Vorderseite (1a ) gegenüberliegenden Rückseite (1b ) des Halbleiterkörpers (1 ,2 ,3 ,4 ) angeordneten zweiten Lastanschluss (12 ,22 ,32 ,42 ,52 ,62 ,12' ,22' ,32' ,42' ,52' ,62' ) aufweist. - Mehrfach-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die zweiten Lastanschlüsse (
12 ,22 ,32 ,42 ,52 ,62 ,12' ,22' ,32' ,42' ,52' ,62' ) elektrisch leitend miteinander verbunden sind. - Mehrfach-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweiten Lastanschlüsse (
12 ,22 ,32 ,42 ,52 ,62 ,12' ,22' ,32' ,42' ,52' ,62' ) einen gemeinsamen Lastanschluss bilden. - Mehrfach-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Leistungshalbleiterbauelemente (
10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 ,10' ,20' ,30' ,40' ,50' ,60' ) eine gemeinsame Halbleiterzone (19 mit29 ) aufweisen. - Mehrfach-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem benachbarte der in einem gemeinsamen Halb leiterkörper (
1 ) angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente (10 ,20 ) elektrisch voneinander entkoppelt sind. - Mehrfach-Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, bei dem zumindest eines der benachbarten Leistungshalbleiterbauelemente (
10 ,20 ) zur Entkopplung eine Feldring-Feldplatten-Struktur aufweist. - Mehrfach-Halbleiterbauelement nach Anspruch 5 oder 6, bei dem zumindest eines der benachbarten Leistungshalbleiterbauelemente (
10 ,20 ) zur Entkopplung einen Diodenübergang (17 ,27 ) aufweist, der sich durchgehend zwischen der Vorderseite (1a ) und der Rückseite (1b ) erstreckt. - Mehrfach-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem zumindest eines der benachbarten Leistungshalbleiterbauelemente (
10 ,20 ) zur Entkopplung ein Trenndielektrikum (7 ) aufweist, das sich durchgehend zwischen der Vorderseite (1a ) und der Rückseite (1b ) erstreckt. - Mehrfach-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest eines der Leistungshalbleiterbauelemente (
10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 ) als IGBT, MOSFET, JFET, Thyristor, Bipolartransistor oder Darlingtontransistor ausgebildet ist. - Mehrfach-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest eines der Leistungshalbleiterbauelemente (
10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 ) als IGBT mit integrierter paralleler Freilaufdiode (reverse conducting IGBT) ausgebildet ist. - Mehrfach-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in den Halbleiterkörper (
1 ,2 ) zusätzlich ein weiterer Halbleiterschalter integriert ist. - Mehrfach-Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, bei dem der weitere Halbleiterschalter als Bremschopper-Schaltelement oder als Schalter zur Leistungsfaktor-Korrektur (PFC-Schalter) ausgebildet ist.
- Mehrfach-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest eines der Leistungshalbleiterbauelemente als vertikale Leistungsdiode (
10' ,20' ,30' ,40' ,50' ,60' ) ausgebildet ist. - Leistungshalbleitermodul mit mindestens einem Mehrfach-Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.
- Leistungshalbleitermodul mit zwei Mehrfach-Halbleiterbauelementen, von denen jedes gemäß einem Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist und bei dem der Halbleiterkörper (
1 ) des einen Mehrfach-Halbleiterbauelements drei steuerbare Halbleiterbauelemente (10 ,20 ,30 ) eines ersten Typs und der Halbleiterkörper (2 ) des anderen Mehrfach-Halbleiterbauelements drei steuerbare Halbleiterbauelemente (40 ,50 ,60 ) eines zweiten Typs aufweist, wobei jede der Laststrecken der steuerbaren Halbleiterelemente (10 ,20 ,30 ) des ersten Typs mit einer der Laststrecken eines steuerbaren Halbleiterelements (40 ,50 ,60 ) des zweiten Typs zu insgesamt drei Halbbrücken in Reihe geschaltet sind. - Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 15, bei dem die steuerbaren Halbleiterschalter des ersten Typs als vertikale p-Kanal MOSFETs und die steuerbaren Halbleiterschalter des zweiten Typs als vertikale n-Kanal MOSFETs ausgebildet sind.
- Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 15, bei dem die steuerbaren Halbleiterschalter des ersten Typs als vertikale p-Kanal IGBTs (
10 ,20 ,30 ) und die steuerbaren Halbleiterschalter des zweiten Typs als vertikale n-Kanal IGBTs (40 ,50 ,60 ) ausgebildet sind. - Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 13, das zwei Mehrfachhalbleiterbauelemente gemäß Anspruch 9 aufweist, in deren Halbleiterkörpern
3 ,4 ) jeweils wenigstens eine vertikale Leistungsdiode (10' ,20' ,30' ) angeordnet ist, wobei jede der vertikalen Leistungsdioden (10' ,20' ,30' ,40' ,50' ,60' ) des einen Halbleiterkörpers (1 ) mit einer vertikalen Leistungsdiode (40' ,50' ,60' ) des anderen Halbleiterkörpers (2 ) in Reihe geschaltet ist.
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