DE102008035993B4 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitermodul zum Schalten einer elektrischen Last, welches die Teile aufweist:- einen keramischen Träger (9), der oberseitig mit einer strukturierten Metallisierung (50) und unterseitig mit einer Metallisierung (60) versehen ist,- ein aus Halbleitermaterial hergestelltes Leistungshalbleiterbauelement (10), welcher mindestens einen Steueranschluss (13) und zwei Lastanschlüsse (11, 12) aufweist, wobei im Leistungshalbleiterbauelement (10) die elektrische Verbindung zwischen den beiden Lastanschlüssen (11, 12) durch den Spannungszustand am Steuereingang (13) zwischen den Zuständen „elektrisch leitend verbunden“ und „elektrisch voneinander getrennt“ hin und her geschaltet werden kann,- eine sowohl aktive elektrische Bauelemente als auch passive, signalverarbeitende, elektrische Bauelemente (40) aufweisende Ansteuerungselektronik (2), deren Ausgangsspannung auf den Steuereingang (13) des Leistungshalbleiterbauelements (10) wirkt und die auf dem keramischen Träger (9) oder einem gleichartigen keramischen Träger wie das Leistungshalbleiterbauelement (10) angeordnet ist, wobei die Ansteuerungselektronik (2) selbst durch Eingangssignale steuerbar ist, wobei- die aktiven elektrischen Bauelemente und sämtliche passiven elektrischen Bauelemente (40) der Ansteuerungselektronik (2) mindestens zwei Kondensatoren (C, C) aufweisen und aus Halbleitermaterial hergestellt sind, und wobei- die zwei Kondensatoren (C, C) ein Dielektrikum mit einer Durchschlagsfestigkeit von mindestens 5 kV aufweisen und mit der Ansteuerungselektronik (2) in einem IC (77) integriert sind, wobei- die Kondensatoren (C, C) mit ihren oberen Elektroden mit einer außerhalb dieses IC (77) und auf einem anderen Bezugspotential befindlichen Elektronik in einem weiteren IC (71) zwecks Ansteuerung und/oder Energieversorgung der Ansteuerungselektronik (2) verbunden sind, wobei- die Elektronik in dem weiteren IC (71) Daten und/oder Energie in einem differentialen Signal-Mode an die beiden Kondensatoren (C, C) sendet und wobei- die unteren Elektroden der Kondensatoren (C, C) mit einer Gleichrichterschaltung (75) und/oder einer Auswerteschaltung (76) der Ansteuerungselektronik (2) verbunden sind.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft den Aufbau der auf einem Leistungshalbleitermodul angeordneten, als „Treiber“ bezeichneten E-lektronikschaltung, deren Hauptaufgabe es ist, die analogen Steuersignale für die Leistungshalbleiter zu generieren.
  • HINTERGRUND
  • Leistungshalbleiter dienen dazu, elektrische Energie zu steuern. Sie werden dazu als sehr schnelle Schalter zwischen einem idealerweise voll leitenden und einem idealerweise gänzlich sperrenden Zustand so rechtzeitig hin- und hergeschaltet, dass von einem Versorgungsnetz durch sie hindurch an einen Verbraucher fließende elektrische Energie, zumindest im zeitlichen Mittel die für den Verbraucher passende Frequenz und Spannung aufweist.
  • Ein sehr typisches Anwendungsbeispiel für eine Schaltung aus Leistungshalbleitern ist ein Frequenzumrichter, über welchen aus einem elektrischen Wechselspannungsnetz mit konstanter Spannung und konstanter Frequenz ein Asynchronmotor oder Synchronmotor so angesteuert wird, dass an diesem die für den jeweiligen Betriebszustand passende Spannung und Frequenz anliegt.
  • Eine Steuerelektronik dient in diesem Zusammenhang dazu, die einzelnen Leistungshalbleiter zu den jeweils optimalen Zeitpunkten ein- bzw. auszuschalten. Durch logische Verknüpfungen in einer digitalen Signalverarbeitung können dazu eine Fülle von Einflussparametern, welche bei den einzelnen Anwendungsfällen von Leistungselektronikschaltungen auftreten, berücksichtigt und verarbeitet werden. Die Steuerelektronik liefert logische Signale, durch welche der jeweilige Soll-Schaltzustand der einzelnen Leistungshalbleiter vorgegeben wird.
  • Kernaufgabe von als „Treiber“ bezeichneten Schaltungen ist es, die von der Steuerelektronik ausgegebenen logischen (digitalen) Signale in analoge Steuersignale umzusetzen, welche direkt auf die einzelnen Leistungshalbleiter wirken. Es bedarf dazu im Treiber einer Potentialtrennung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite, da die einzelnen Leistungshalbleiter ein anderes Bezugspotential aufweisen als die Steuerelektronik. Häufig werden durch die Treiber auch weitere Funktionen wahrgenommen. So können sie auch Temperatur-, Strom- und Spannung an den Leistungshalbleitern detektieren und zur Bewertung an die Steuereinheit zurück melden und/oder bei Gefahr Leistungshalbleiter sofort abschalten. Im Folgenden wird in dieser Beschreibung im Zusammenhang mit Treibern der Zusatz „primär“ für jenen Teil der Elektronik von Treibern verwendet, welcher auf dem Bezugspotential der Steuerelektronik arbeitet. Der Zusatz „sekundär“ betrifft jenen Teil der Elektronik von Treibern, welcher auf dem Bezugspotential der Leistungshalbleiter arbeitet.
  • Es ist üblich, Teilkomponenten des Treibers zusammen mit den Leistungshalbleitern in Modulen zu integrieren. Derartige Module - als „IPM“ für „Intelligent Power Module“ bezeichnet, enthalten in der Regel auf Leiterplatten Optokoppler zwecks Potenzialtrennung sowie in integrierter Elektronik Endstufen der Sekundärelektronik und Schaltungen für Schutzfunktionen für die Leistungshalbleiter. Die Spannungsversorgung muss extern bereitgestellt werden.
  • Aus Gründen der Kompaktheit und aus Fertigungsgründen ist es wünschenswert, die Treiber mit den Leistungshalbleitern in einem Modul unterzubringen. Bei den meisten der derzeit zur Bildung von Treibern vorgeschlagenen Einzelteile liegt die zulässige maximale Betriebstemperatur jedoch deutlich unter der zulässigen maximalen Betriebstemperatur der angesteuerten Leistungshalbleiterbauteile. Bisher handhabt man das Problem so, dass nur die am besten temperaturbeständigen Bauteile des Treibers mit den Leistungshalbleitern auf einem Modul vereinigt werden, dass die weniger temperaturbeständigen Bauteile (passive Bauteile, Spannungsversorgung) extern dazu angeschlossen werden und dass im übrigen die zulässige Betriebstemperatur des Moduls auf einen niedrigeren Wert begrenzt wird, als dies von den Leistungshalbleitern her bedingt wäre.
  • Es besteht daher der Bedarf nach dahingehend verbesserten Treibern für Leistungshalbleitern, dass diese bei deutlich höheren Temperaturen betreibbar sind als die derzeit verfügbaren Treiber.
  • Aus DE 10 2004 047 358 B3 ist eine Schaltungsanordnung mit Leistungsbauelementen und einer Ansteuerelektronik bekannt, die in einem ersten und einem zweiten Halbleiterchip integriert sind. In dem zweiten Halbleiterchip sind die Leistungsbauelemente sowie einige Bauelemente der Ansteuerschaltung integriert. Aus DE 10 2004 019 447 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt, bei dem über transformatorische Kopplung basierend auf Halbleitermaterialien aus der Silizium-Technologie Steuersignale weitergeleitet werden. DE 10 2005 036 116 A1 zeigt einen Modul zum Schalten einer elektrischen Last, bei dem die Ansteuerelektronik als „Silizium auf Isolator“-Chip („SOI“) hergestellt ist. Aus DE 42 19 031 C1 ist ein Kondensatormodul bekannt, wobei die das Dielektrikum bildende Schicht die Form von in einem Abstand nebeneinander liegenden Profilen mit U-förmigen Querschnitt aufweist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Erfindungsgemäß wird die Elektronik der Treiber ausschließlich - inklusive der passiven Bauelemente Kondensatoren, Widerstande und Induktivitäten - aus Halbleitermaterialien hergestellt und auf einem keramischen Träger mit dem Leistungshalbleiter oder auf einem keramischen Träger in der Nähe eines Leistungshalbleitersubstrats mit ähnlichen Temperaturen wie die auf den Leistungshalbleitersubstraten in dem Leistungshalbleitermodul angeordnet.
  • Figurenliste
  • Die folgenden Figuren und die weitere Beschreibung soll helfen, die Erfindung besser zu verstehen. Die Elemente in den Figuren sind nicht unbedingt als Einschränkung zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das Prinzip der Erfindung darzustellen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen korrespondierende Teile.
    • 1 ist ein Prinzipschaltbild einer ersten Treiberschaltung;
    • 2 ist eine Querschnittsansicht eines Ausschnittes eines erfindungsgemäßen IPM;
    • 3 ist eine Querschnittsansicht eines Ausschnittes eines weiteren erfindungsgemäßen IPM;
    • 4 ist eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäß gestalteten ohmschen Widerstandes;
    • 5 ist eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäß gestalteten Kondensators;
    • 6 ist ein Ausschnitt der Schnittansicht mit vertikaler Schnittfläche des Kondensators von 5 in stärker vergrößerter Darstellung;
    • 7 ist eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäß gestalteten Induktivität;
    • 8 illustriert einen prinzipiellen Chipaufbau zwecks kapazitiver Signal- und/oder Energieübertragung.
    • 9 ist ein Prinzipschaltbild für eine kapazitive Energieübertragung;
    • 10 ist ein Prinzipschaltbild für eine kapazitive Datenübertragung; und
    • 11 ist ein Prinzipschaltbild einer zweiten Treiberschaltung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In 1 ist eine zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiters 1 dienende Treiberschaltung 2 mit galvanischer Trennung zwischen primärer Logik 2.1 und Sekundärelektronik 2.2 dargestellt. Die Signalübertragung zwischen den beiden Teilen erfolgt über eine induktive Kopplung 2.3. Die Energieübertragung erfolgt von der Primärseite zur Sekundärelektronik hin über eine induktive Kopplung 2.4. Die Sekundärelektronik 2.2 wirkt über eine Verstärkerendstufe 2.5 auf den Leistungshalbleiter 1. In der Sekundärstufe werden auch Zustände im Lastkreis gemessen und die Ergebnisse verarbeitet. Gemessen werden die Spannung am Leistungshalbleiter, über den Sensor 4.1 die Temperatur, über den Spannungsabfall des Laststromes an der Induktivität 4.2 die Geschwindigkeit der Laststromänderung, über den Spannungsabfall des Laststromes an dem ohmschen Widerstand 4.3 der Laststrom.
  • Erfindungsgemäß sind nicht nur die aktiven (schaltenden) Elektronikbauteile in der Sekundärelektronik 2.2, sondern auch passive Bauteile, nämlich zumindest die für die potentialgetrennte Signalübertragung 2.3 erforderlichen Spulen sowie die Shunts 4.2 und 4.3 aus Halbleitermaterialien hergestellt, auf einem keramischen Träger mit dem Leistungshalbleitermodul angeordnet und mit Montage- und Kontaktmitteln wie bei den Leistungshalbleitern versehen. Damit ergibt sich nicht nur eine kompakte Bauweise, sonder auch der Vorteil, dass die besagten Bauteile in gleichartiger Technologie wie der Leistungshalbleiter gefertigt und somit auch im gleichen großen Temperaturbereich eingesetzt werden können.
  • Optional wird auch die Spannungsversorgungsschaltung in dieser Weise integriert aufgebaut.
  • Optional zur dargestellten Methode mit einer als separater Teil ausgeführten potentialfreien, als Transformator 2.4 ausgebildeten Energieversorgung für die Sekundärseite, kann diese Energieversorgung auch mittels einer Bootstrap-Schaltung aus dem Zwischenkreis des Frequenzumrichters, für den das Modul gegebenenfalls verwendet wird, oder aus dem Lastkreis erfolgen. Dabei wird ausgangsseitig vom Mittelkontakt eines aus Diode und ohmschen Widerstand einerseits und Kondensator andererseits aufgebauten Spannungsteilers abgegriffen.
  • 2 zeigt in Querschnittsansicht einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen IPM. Der keramische Träger ist oberseitig mit einer strukturierten, also in voneinander getrennte Flächenbereiche eingeteilten Metallisierung 50 und unterseitig mit einer Metallisierung 60 versehen. Der Träger 9 und die Metallisierungen 50, 60 bilden zusammen einen DCB-Träger (DCB = Direct Copper Bonding) oder einen AMB-Träger (AMB = Active Metal Brazing). Auf dem Träger sind drei Halbleiterchips 10, 20, 30 angeordnet, die dem Stand der Technik entsprechen. Der ebenfalls auf dem DCB-Träger angeordnete Kondensator 40 ist erfindungsgemäß gegenüber vorbekannten Bauweisen dahingehend verändert, dass seine zwischen den Metallisierungsschichten 41, 42 befindliche dielektrische Schicht aus einem zu dem Material der Chips 10, 20, 30 gleichartigen Halbleitermaterial besteht und auch in gleicher Weise wie die Chips verbindbar ist.
  • Mit den einzelnen Flächenbereichen der Metallisierungsschicht 50 sind die betreffenden Halbleiterchips 10, 20, 30 sowie auch der Kondensator 40 elektrisch und/oder mechanisch verbunden. Die Verbindungen können beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Lotes (auch „transient liquid phase soldering“) oder mit einer Niedertemperaturverbindung (NTV, englisch: Low Temperature Joining technique oder low Temperature Silver sintering) hergestellt sein.
  • Der erste Halbleiterchip 10 ist als steuerbares Leistungshalbleiterbauelement, beispielsweise als IGBT oder als MOSFET ausgebildet und weist zwei Lastanschlüsse 11, 12 sowie einen Steueranschluss 13 auf.
  • Der zweite Halbleiterchip 20 umfasst eine Elektronik zur Ansteuerung des im ersten Halbleiterchips 10 realisierten, steuerbaren Leistungshalbleiterbauelements. Mit einem Anschluss 21 ist der Halbleiterchip 20 mit einem Abschnitt der strukturierten Metallisierung 50 elektrisch und mechanisch verbunden, Auf seiner dem Träger 9 abgewandten Seite weist der zweite Halbleiterchip 20 weitere, sehr fein strukturierte Anschlüsse 22 auf. Diese Anschlusse dienen zur Ansteuerung des steuerbaren Leistungshalbleiterbauelements 10 sowie gegebenenfalls weiterer nicht dargestellter Leistungshalbleiterbauelemente.
  • Der dritte Halbleiterchip 30 ist als Freilaufdiode mit zwei Lastanschlüssen 31, 32 ausgebildet und zur Laststrecke des ersten Halbleiterchips 10 parallel geschaltet. Die Verbindung zu den Lastanschlüssen des Halbleiterchips 10 erfolgt einerseits über die Metallisierungsschicht 50, andererseits über einen Bonddraht (Al, Al-Legierung, Cu, Cu-Legierung).
  • 3 zeigt in Querschnittsansicht einen Ausschnitt eines in planarer Mehrlagentechnik erfindungsgemäß aufgebauten IPM. Gegenüber der Ausführung von 2 unterscheidet sich die Ausführung von 3 dadurch, dass die oberseitigen Verbindungen der Bauelemente nicht durch Bonddrähte gebildet sind, sondern durch eine weitere, strukturierte Metallisierungsschicht 80. Außerhalb der Kontaktbereiche ruht die Metallisierungsschicht 80 auf einer Schicht Dielektrikum 70. Die Funktion dieser Schicht 70 ist es im Wesentlichen, zu isolieren und Gräben auszufüllen. Sie ist durch Keramik oder Kunststoff gebildet und ist bis mindestens 200 °C temperaturbeständig. In Abwandlung von der gezeigten Ausführungsform ist es in dieser Bauweise auch möglich Bauteile übereinander, nämlich beiseits der Metallisierungsschicht 80 anzuordnen. Die passiven Bauelemente und IC's können damit also auch in einer oberen Lage direkt über den Leistungshalbleitern angeordnet sein.
  • 4 zeigt einen aus Silizium hergestellten ohmschen Widerstand. Die Kontakte des Widerstandes sind durch die untere Metallisierung 51 und die obere Metallisierung 52 gebildet. Die untere Metallisierung dient auch zur Montage des Bauteils am nicht dargestellten Träger des IPM oder an einem gegebenenfalls damit verbundenen, weiteren Bauteil durch Löten, NTV oder Anlegieren (transient liquid phase soldering - TLP). Bezüglich der Ebene des Trägers ist der Widerstand in vertikaler Richtung durch Strom durchflossen. Der bestimmungsgemäße ohmsche Widerstand wird durch die Schicht 55 aus hochdotiertem Silizium gebildet. Um im Fall von hohen Spannungen die Gefahr von Überschlägen an den Stellen höchster Feldstärke zu unterbinden kann man die frei liegenden Randbereiche der oberen Metallisierung 52 passivieren, also mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht 53 versehen.
  • Indem der Widerstand aus dem gleichem Halbleitermaterial wie die aktiven Bauteile hergestellt wird - er ist lediglich anders dotiert - und indem er wie die aktiven Bauteile von oben und unten kontaktiert wird, kann er in gleicher Weise angeordnet und verbunden werden wie die aktiven Bauteile und er kann im Betrieb bis zu den gleichen hohen Temperaturen betrieben werden. Der Widerstand ist als zur Trägerfläche parallel liegende Fläche angeordnet, welche bestimmungsgemäß in der zur Ebene diese Fläche normal liegenden Richtung durch Strom durchflossen wird. Damit ist es einfach möglich, den Widerstand so zu bemessen, dass er ausreichend großvolumig ist und ausreichend große, zur Wärmeabfuhr zur Verfügung stehende Oberfläche aufweist, damit die im Betrieb in ihm entstehende Wärme nicht zu Überhitzung führt.
  • 5 zeigt einen vorwiegend aus Silizium hergestellten Kondensator. Die Kontaktflächen des Kondensators sind durch die untere Metallisierung 41 und die obere Metallisierung 42 gebildet. Die untere Metallisierung dient auch zur Montage des Bauteils am nicht dargestellten Träger des IPM oder an einem gegebenenfalls damit verbundenen, weiteren Bauteil durch Löten, NTV oder Anlegieren (TLP). Die Ebene der Kontaktflächen des Kondensators erstreckt sich parallel zur Ebene des Trägers. Die für die Kapazität wirksame, wesentliche Elektrodenfläche, sowie das zwischen den Elektrodenflächen liegende, wirksame Dielektrikum ist jedoch in die Schicht 40, welche aus verschieden behandelten Zonen aus Silizium besteht, gefaltet.
  • Die frei liegenden Randbereiche der oberen Metallisierung 42 können mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht 43 versehen werden.
  • Indem der Kondensator aus dem gleichem Halbleitermaterial wie die aktiven Bauteile hergestellt wird, kann er in gleicher Weise angeordnet und verbunden werden wie die aktiven Bauteile und kann er auch im Betrieb bis zu den gleichen hohen Temperaturen betrieben werden.
  • Die unterschiedlich wirksamen Zonen der Halbleiterschicht 40 sind in 6 dargestellt und werden im Folgenden beschrieben: 6 zeigt dabei in einer seitlichen Schnittansicht einen Ausschnitt des wesentlichen Teils der im Wesentlichen aus Silizium bestehenden Schicht 40 des Kondensators von 5. Die Schnittfläche liegt dabei normal auf die Trägerfläche. Die wirksame Elektrodenfläche der Kapazität ist nicht die äußere Fläche der Schicht 40, sondern sie wird durch die beiderseits einer isolierenden Schicht 46 anliegenden Grenzflächen von leitenden Bereichen 45, 47 gebildet. Die das Dielektrikum bildende, aus Halbleiteroxid (z.B. Siliziumoxid) bestehende, isolierende Schicht durchzieht in Form von mehreren, in einem Abstand nebeneinander liegenden Profilen 46 mit U-förmiger Querschnittsform („Trenches“ genannt) die Schicht 40. Ihre Oberfläche ist vielfach größer als die Oberfläche der gesamten Halbleiterschicht 40 und ihre Stärke ist sehr viel geringer als die Dicke der gesamten Halbleiterschicht 40. Die innerhalb dieser Profile 46 befindlichen Zonen 47 sind gut leitend dotiert. Über ebenfalls leitende, miteinander verbundene Anschlussbereiche 48 sind sie miteinander verbunden und bilden eine Elektrode des Kondensators. Die außerhalb der Profile 46 an diesen anliegende, gut leitend dotierte Zone 45 bildet die zweite Elektrode des Kondensators. Der Anschluss an diese zweite Elektrode kann über örtlich damit verbundene gut leitend dotierte Bereiche 49 erfolgen, oder über einen großflächig damit in Kontakt liegenden, aber weniger hoch dotierten Basisbereich 44. Dieser Basisbereich kann als ohmscher Widerstand verwendet werden, welcher bedingt durch den Aufbau der Schicht 40 schon mit einem seiner beiden Kontakte mit einem der beiden Kontakte des Kondensator verbunden ist. Über die Breiten der einzelnen Schichten, die Tiefen, Breiten und Abstände der einzelnen Profile 46 und über die Dotierungen der einzelnen leitenden Bereiche können durch übliche fachmännische Überlegungen und Rechnungen Kapazität, Stromflussquerschnitte, und ohmsche Widerstände eingestellt werden. Wenn die innerhalb der Profile 46 befindlichen, gut leitenden Zonen 47 nicht miteinander verbunden sind, stellt die dargestellte Anordnung nicht einen einzigen großen Kondensator dar, sondern mehrere Kondensatoren, die alle einseitig über einen gemeinsamen Anschluss, der durch die Schicht 45 gebildet wird, miteinander verbunden sind. Ein kapazitiver Spannungsteiler lässt sich daraus bilden, indem die leitenden Zonen 47 zu zwei Gruppen verbunden werden, indem die zu teilende Spannung an den beiden Anschlüssen angelegt wird und indem die geteilte Spannung zwischen einem dieser beiden Anschlüsse und dem mittleren Anschluss, also an der Schicht 45 abgenommen wird.
  • An der Unterseite des Basisbereiches 44 kann die Kontaktdotierung und Metallisierung zur Montage und für den Anschluss des Kondensators - mittels Löten, NTV oder Anlegieren (TLP) - angebracht sein. Wenn an diesem Anschluss eine positive Spannung anliegt, sollte der Basisbereich 44 mit n- - dotiert sein und die Schicht 45 sollte p - dotiert sein. Wenn am Anschluss an den Basisbereich 44 eine negative Spannung angelegt wird, sollten die Dotierungen demgegenüber vertauscht sein.
  • In dieser Weise sind Kondensatoren mit Kapazitäten größer 1 µF, wie sie im Einsatzbereich an Leistungselektronik erforderlich sind, durchaus realisierbar.
  • 7 zeigt etwas stilisiert den Aufbau einer erfindungsgemäß anwendbaren Induktivität bzw. mehrere miteinander gekoppelter, also einen kernlosen Transformator bildenden Induktivitäten. Über einer unterseitigen Metallisierung befindet sich eine Siliziumschicht 62 als Trägermaterial für mehrere aus Metalllagen gebildeten Wicklungen 63 die von oben kontaktierbar und im Übrigen in eine isolierende Siliziumschichten 64 eingebettet sind. Die nicht mit einer isolierenden, schützenden Schicht 65 versehenen Windungen 66 an der oberen Seite sind zur elektrischen Kontaktierung zu bonden, zu löten, mittels NTV zu verbinden oder anzulegieren (TLP). Je nachdem, ob die einzelnen Windungen untereinander verkettet sind, werden eine oder mehrere Spulen gebildet, welche dann kernlos induktiv miteinander verkoppelt sind. Wie schon zuvor für ohmschen Widerstand und Kondensator erwähnt ist auch hier wieder von Bedeutung, dass Material bzw. Aufbau gleich bzw. analog zu dem der Leistungshalbleiter ist bzw. erfolgt und damit auch Betrieb bis zu den gleichen hohen Temperaturen möglich ist.
  • Die Bauelemente R, C und L gemäß 4 bis 7 sind auch in Schichten übereinander positionierbar. 8 zeigt eine prinzipielle Anordnung eines Systems für kapazitive Signal- und/oder Energie Übertragung von einem ersten IC 71 zu einem zweiten IC 77. In einer Baueinheit 72 am ersten IC wird eine Quellspannung mit einem bestimmten Takt generiert, zu zwei Ausgängen hin über je einen Verstärker einmal nicht-invertierend, einmal invertierend verstärkt, über Drähte 73 zu zwei Kapazitäten Ck1 und Ck2 am zweiten IC 77 übertragen und dort in einer in 9 bzw. 10 als Schaltbild gezeigten Schaltung, in welcher ein kapazitiver Spannungsteiler mit einer Diodenbrücke bzw. mit Widerständen kombiniert ist, weiter genutzt. Die Potentialtrennung erfolgt in der isolierenden dielektrischen Schicht 74 der beiden Kapazitäten Ck1 und Ck2.
  • 9 zeigt ein Schaltbild dem gemäß die Anordnung von 8 zur Energieübertragung verwendet wird. Das vom dem Taktgeber 72.1 erzeugtes Taktsignal wird durch die Treiberstufen 72.2 und 72.3 bezogen auf das Bezugspotential des Taktgebers nicht-invertierend bzw. invertierend verstärkt. Nur die Spannungsdifferenz am Ausgang der Treiberstufen 72.2 und 72.3 kommt durch die Diodenbrückenschaltung gleichgerichtet und in einem zusätzlichen Kondensator geglättet am Ausgang der empfangenden Schaltung 75 als nutzbare Gleichspannung an.
  • 10 zeigt ein Schaltbild dem gemäß die Anordnung von 8 zur Signalübertragung verwendet wird. Nur die Spannungsdifferenz am Ausgang der Treiberstufen 72.2 und 72.3 wird durch den Differenzverstärker der empfangenden Schaltung 76 verstärkt und kommt als Signal am Datenausgang der empfangenden Schaltung 75 als nutzbare Gleichspannung an.
  • Die dielektrische Schicht in den Kapazitäten Ck1 und Ck2 bildet bei den Schaltungen gemäß 9 und 10 die isolierende Barriere für die potentialfreie Energie- bzw. Signalübertragung zwischen den beiden IC's gemäß 8. Erfindungsgemäß werden die gezeigten Kapazitäten wie oben beschrieben in Halbleiterbauweise hergestellt. Die Isolierwirkung der als Dielektrikum wirkenden Siliziumoxidschicht 46 gemäß 6 beträgt etwa 1 kV/µm; bei einer Stärke von typischerweise 13 µm ist damit eine Spannungsfestigkeit von 10 kV sicher erreichbar.
  • Gemäß 11 steuert die Sekundärelektronik 2.2 über eine Endstufe, deren Versorgungsspannung aus dem Lastkreis mittels der Kondensatoren 140, 240 gestützt wird den Leistungshalbleiter 1. Der Strom durch den Leistungshalbleiter wird über eine parasitäre Induktivität L1, welche z.B. durch die Bonddrähte gebildet sein kann und einen dazu in Serie geschalteten niederohmigen Shunt R1 geführt. Zu diesen Bauteilen wird eine Serienschaltung aus L2 und R2 parallel geschaltet, wobei das Verhältnisse der beiden Induktivitäten L2 und L1 zueinander gleich dem Verhältnis der ohmschen Widerstände R2 und R1 zueinander ist. Mit der Induktivität L2 gekoppelt ist die Induktivität L3, sodass also eine Wechselspannung an der Induktivität L2 transformatorisch eine Wechselspannung an der Induktivität L3 hervorruft, deren Größe zur hervorrufenden Spannung in einem fixen Übersetzungsverhältnis beispielsweise 5 zu 1 proportional ist. Die transformatorisch hervorgerufene Spannung wird an die Sekundärelektronik 2.2 geleitet und dort als Messwert für die Stromänderungsgeschwindigkeit am Leistungshalbleiter verwendet. Die Bauteilgruppe L2, R2, L3 kann als Kombination der Bauteile gemäß 4 und 7 in einem einzigen Stück integriert hergestellt werden. Die Kondensatoren 140, 240 können gemäß den in 5 und 6 gezeigten Bauweisen gebildet werden. Damit können all diese Teile analog zu den Leistungshalbleitern gebildet, angeordnet und im gleichen hohen Temperaturbereich betrieben werden.

Claims (10)

  1. Leistungshalbleitermodul zum Schalten einer elektrischen Last, welches die Teile aufweist: - einen keramischen Träger (9), der oberseitig mit einer strukturierten Metallisierung (50) und unterseitig mit einer Metallisierung (60) versehen ist, - ein aus Halbleitermaterial hergestelltes Leistungshalbleiterbauelement (10), welcher mindestens einen Steueranschluss (13) und zwei Lastanschlüsse (11, 12) aufweist, wobei im Leistungshalbleiterbauelement (10) die elektrische Verbindung zwischen den beiden Lastanschlüssen (11, 12) durch den Spannungszustand am Steuereingang (13) zwischen den Zuständen „elektrisch leitend verbunden“ und „elektrisch voneinander getrennt“ hin und her geschaltet werden kann, - eine sowohl aktive elektrische Bauelemente als auch passive, signalverarbeitende, elektrische Bauelemente (40) aufweisende Ansteuerungselektronik (2), deren Ausgangsspannung auf den Steuereingang (13) des Leistungshalbleiterbauelements (10) wirkt und die auf dem keramischen Träger (9) oder einem gleichartigen keramischen Träger wie das Leistungshalbleiterbauelement (10) angeordnet ist, wobei die Ansteuerungselektronik (2) selbst durch Eingangssignale steuerbar ist, wobei - die aktiven elektrischen Bauelemente und sämtliche passiven elektrischen Bauelemente (40) der Ansteuerungselektronik (2) mindestens zwei Kondensatoren (Ck1, Ck2) aufweisen und aus Halbleitermaterial hergestellt sind, und wobei - die zwei Kondensatoren (Ck1, Ck2) ein Dielektrikum mit einer Durchschlagsfestigkeit von mindestens 5 kV aufweisen und mit der Ansteuerungselektronik (2) in einem IC (77) integriert sind, wobei - die Kondensatoren (Ck1, Ck2) mit ihren oberen Elektroden mit einer außerhalb dieses IC (77) und auf einem anderen Bezugspotential befindlichen Elektronik in einem weiteren IC (71) zwecks Ansteuerung und/oder Energieversorgung der Ansteuerungselektronik (2) verbunden sind, wobei - die Elektronik in dem weiteren IC (71) Daten und/oder Energie in einem differentialen Signal-Mode an die beiden Kondensatoren (Ck1, Ck2) sendet und wobei - die unteren Elektroden der Kondensatoren (Ck1, Ck2) mit einer Gleichrichterschaltung (75) und/oder einer Auswerteschaltung (76) der Ansteuerungselektronik (2) verbunden sind.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die passiven elektrischen Bauelemente der Ansteuerungselektronik (2) ohmsche Widerstände und/oder Kondensatoren (40) und/oder Spulen umfassen, welche aus dem gleichen Halbleitermaterial wie das Leistungshalbleiterbauelement (10) gebildet sind und in gleicher Weise wie der Leistungshalbleiter (10) elektrisch angeschlossen und mechanisch befestigt sind.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ansteuerungselektronik (2) als Silizium auf Isolator-Chip („SOI“) hergestellt ist.
  4. Leistungshalbleitermodul nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei die passiven elektrischen Bauelemente Kondensatoren aufweisen, die zum Stützen der Spannung der Ansteuerungselektronik (2) oder von Teilen davon dienen, aus einer Schicht aus Silizium gebildet sind, wobei eine das Dielektrikum bildende, isolierende Schicht (46) die Form von in einem Abstand nebeneinander liegenden Profilen mit U-förmiger Querschnittsform aufweist.
  5. Leistungshalbleitermodul nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei die passiven elektrischen Bauelemente gekoppelte Spulen (63, 66) aufweisen, die in integrierter Bauweise aufgebaut sind und für die Signalübertragung an die Ansteuerungselektronik (2) und/oder für die Energieversorgung der Ansteuerungselektronik (2) verwendet werden.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei die passiven elektrischen Bauelemente Kombinationen aus ohmsche Widerständen und/oder Kapazitäten und/oder Induktivitäten aufweisen und in einem Siliziumstück integriert sind.
  7. Leistungshalbleitermodul nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei die passiven elektrischen Bauelemente Shunts umfassen, welche zur Strommessung verwendet werden und aus dotiertem Silizium gebildet sind, wobei die Stromflussrichtung normal zur Ebene des keramischen Trägers (9) liegt.
  8. Leistungshalbleitermodul nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei auch die Spannungsversorgung der Ansteuerungselektronik mit allen aktiven Bauelementen und den passiven Bauelementen ohmsche Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten ausschließlich auf dem keramischen Träger (9) mit dem Leistungshalbleiter angeordnet und aus Halbleitermaterialien hergestellt ist.
  9. Leistungshalbleitermodul nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei ein Teil des Laststromes über eine primäre Induktivität (L2) geführt wird und wobei die Ausgangsspannung einer damit in einem Chip angeordneten und mit der primären Induktivität (L2) gekoppelten Induktivität (L3) als Eingangsgröße für die Regelung der Änderungsgeschwindigkeit des Laststromes herangezogen wird.
  10. Leistungshalbleitermodul nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei die Ansteuerungselektronik (2) eine erste Steuerungselektronik (2.1) und eine zweite Steuerungselektronik (2.2) aufweist, wobei die erste Steuerungselektronik (2.1) der zweiten Steuerungselektronik (2.2) vorgelagert ist und auf einem von der zweiten Steuerungselektronik (2.2) unterschiedlichen Bezugspotential arbeitet und Ausgangssignale liefert, die für die zweite Steuerungselektronik (2.2) als steuernde Eingangssignale verwendet werden, wobei die erste Steuerungselektronik (2.1) mit der zweiten Steuerungselektronik (2.2) und dem Leistungshalbleiterbauelement (10) auf dem keramischen Träger (9) angeordnet ist und wobei die erste Steuerungselektronik (2.1) analog zur zweiten Steuerungselektronik (2.2) einschließlich der passiven Bauelemente aus Halbleitermaterial aufgebaut ist.
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