DE102015224431A1

DE102015224431A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102015224431A1
Application number: DE102015224431.8A
Authority: DE
Inventors: Hideyo Nakamura; Ryuji Yamada; Hiromu Takubo
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2016-06-30
Anticipated expiration: 2035-12-08
Also published as: US20160192495A1; US10123443B2; CN105742278B; CN105742278A; DE102015224431B4

Abstract

Ein Halbleiterbauelement (100), das Folgendes beinhaltet: mehrere Halbleitereinheiten (130a, 130b), die jeweils eine Dreipunkt-Wechselrichter-Schaltung bilden; und eine Verbindungseinheit (120), die die mehreren Halbleitereinheiten (130a, 130b) elektrisch parallel schaltet, wobei jede der Halbleitereinheiten (130a, 130b) Folgendes beinhaltet: ein mehrschichtiges Substrat (131), das eine Isolierplatte (139) und Schaltungsplatten (132), die auf einer primären Fläche der Isolierplatte (139) angeordnet sind, beinhaltet; mehrere Halbleiterelemente (133), die jeweils eine Rückfläche davon, die an einer der Schaltungsplatten (132) befestigt ist, und eine Vorderfläche davon mit Primärelektroden (135) aufweisen; und Verdrahtungselemente, die elektrisch mit den Primärelektroden (135) der Halbleiterelemente (133) verbunden sind, und wobei in jeder der Halbleitereinheiten (130a, 130b) das mehrschichtige Substrat (131), die mehreren Halbleiterelemente (133) und die Verdrahtungselemente derart konfiguriert sind, dass sie die Dreipunkt-Wechselrichter-Schaltung bilden.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement.
Stand der Technik
Ein Halbleiterbauelement, das ein Leistungshalbleitermodul genannt wird, beinhaltet einen Halbleiterchip, auf dem Halbleiterelemente, wie IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors, Isolierschicht-Bipolartransistoren) oder FWD (Free-Wheeling Diodes, Freilaufdioden), ausgebildet sind, und wird weithin als ein Leistungswandler verwendet.
In den letzten Jahren wurde ein Leistungshalbleitermodul, das mit einer Dreipunkt-Wechselrichter-Schaltung ausgestattet ist, in Gebieten verwendet, die danach streben, Technologien wie die Windenergieerzeugung und die Sonnenenergieerzeugung zu verbessern (siehe beispielsweise Patentdokument 1).
Dokument des Standes der Technik
Patentdokument

Patentdokument 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2012-110095

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In dem Leistungshalbleitermodul, das im Patentdokument 1 beschrieben wird, fließt ein Strom, wenn eine Spannung an einen Anschluss angelegt wird, durch Elemente in dem Modul und eine leitfähige Schicht für die Verdrahtung und tritt aus einem anderen Anschluss aus. Obwohl die Menge an Strom, der auf diese Weise herausfließt, groß ist, da der Stromweg zwischen den Stellen, an denen der Strom herein- und herausfließt, lang ist, ist ein Einschränken der Induktivität der Verdrahtung schwierig.
Ein mehrschichtiges Substrat erfordert zudem neben der leitfähigen Schicht, die für das Montieren von Elementen verwendet wird, eine leitfähige Schicht für die Verdrahtung. Um eine größere Strommenge zu berücksichtigen, wird aus diesem Grund ein Erhöhen des Oberflächenbereichs des mehrschichtigen Substrats erforderlich. Somit ist ein Erhöhen der Größe des Leistungshalbleitermoduls unvermeidlich. Da der Stromweg in einem größeren Modul länger wäre, wird darüber hinaus ein Einschränken der Induktivität der Verdrahtung noch schwieriger.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht derartiger Probleme ersonnen und zielt darauf ab, ein Halbleiterbauelement mit einer größeren Strombelastbarkeit bereitzustellen, während die Induktivität der Verdrahtung verringert wird. Dementsprechend befasst sich die vorliegende Erfindung mit einem Halbleiterbauelement, das ein oder mehrere der Probleme aufgrund der Einschränkungen und Nachteile des Standes der Technik im Wesentlichen vermeidet.
Zusätzliche oder separate Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in den folgenden Beschreibungen dargestellt und werden zum Teil aus der Beschreibung offensichtlich sein oder können durch Ausübung der Erfindung erlernt werden. Die Ziele und andere Vorteile der Erfindung werden durch die Struktur umgesetzt und erreicht, die insbesondere in der geschriebenen Beschreibung und den Ansprüchen davon sowie den angefügten Zeichnungen hervorgehoben ist.
Um diese und andere Vorteile zu erzielen, stellt die vorliegende Offenbarung, gemäß der Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, wie in einem Aspekt verkörpert und allgemein beschrieben, Folgendes bereit: ein Halbleiterbauelement, das Folgendes beinhaltet: mehrere Halbleitereinheiten, die jeweils eine Dreipunkt-Wechselrichter-Schaltung bilden; und eine Verbindungseinheit, die die mehreren Halbleitereinheiten elektrisch parallel schaltet, wobei jede der Halbleitereinheiten Folgendes beinhaltet: ein mehrschichtiges Substrat, das eine Isolierplatte und Schaltungsplatten, die auf einer primären Fläche der Isolierplatte angeordnet sind, beinhaltet; mehrere Halbleiterelemente, die jeweils eine Rückfläche davon, die an einer der Schaltungsplatten befestigt ist, und eine Vorderfläche davon mit Primärelektroden aufweisen; und Verdrahtungselemente, die elektrisch mit den Primärelektroden der Halbleiterelemente verbunden sind, und wobei in jeder der Halbleitereinheiten das mehrschichtige Substrat, die mehreren Halbleiterelemente und die Verdrahtungselemente derart konfiguriert sind, dass sie die Dreipunkt-Wechselrichter-Schaltung bilden.
Unter Verwendung der hier offenbarten Technologie kann die Induktivität der Verdrahtung verringert werden, während die Strombelastbarkeit erhöht wird. Es versteht sich, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung beispielhaft und erläuternd sind und dazu vorgesehen sind, eine weitere Erläuterung der wie beanspruchten Erfindung bereitzustellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1A und 1B sind Ansichten, die zum Beschreiben eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsform 1 verwendet werden.
Die 2A und 2B sind Ansichten, die ein Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 zeigen.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die Halbleitereinheiten und eine Verbindungseinheit zeigt, die in einem Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 vorgesehen sind.
4 ist eine perspektivische Ansicht, die die Außenseite einer Halbleitereinheit zeigt, die in einem Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 vorgesehen ist.
Die 5A und 5B sind Ansichten, die eine Halbleitereinheit zeigen, die in einem Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 vorgesehen ist.
Die 6A und 6B sind Ansichten, die ein mehrschichtiges Substrat, Halbleiterelemente und Dioden einer Halbleitereinheit zeigen, die in einem Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 vorgesehen sind.
7 ist eine Ansicht, die zeigt, wo leitfähige Pfosten sich mit einem mehrschichtigen Substrat einer Halbleitereinheit verbinden, die in einem Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 vorgesehen ist.
8 ist ein Schaltplan, der eine Schaltungskonfiguration zeigt, die in einer Halbleitereinheit ausgebildet ist, die in einem Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 vorgesehen ist.
9 ist eine Ansicht, die ein mehrschichtiges Substrat einer Halbleitereinheit zeigt, die in einem Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 3 enthalten ist.
Die 10A bis 10C sind Schaltpläne, die jeweils eine Schaltungskonfiguration zeigen, die ein Leistungswandlungssystem bildet.
Die 11A bis 11C sind Tabellen, die jeweils die Verluste zeigen, die in jedem Halbleiterchip in einem Leistungswandlungssystem auftreten.
12 ist eine Ansicht, die einen PDM-Wechselrichter gemäß Ausführungsform 4 zeigt.
13 ist eine Ansicht, die einen PDM-Wechselrichter gemäß Ausführungsform 5 zeigt.
14 ist eine Ansicht, die einen PDM-Wandler gemäß Ausführungsform 6 zeigt.
15 ist eine Ansicht, die einen PDM-Wandler gemäß Ausführungsform 7 zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden sind die Ausführungsformen in Bezug auf die Figuren beschrieben.
<Ausführungsform 1>
Die 1A und 1B sind Ansichten, die zum Beschreiben eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsform 1 verwendet werden. 1A ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements. 1B ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Halbleiterbauelements. In 1B ist kein Gehäuse gezeigt. Wie in 1A und 1B gezeigt, beinhaltet ein Halbleiterbauelement 100, das mit einer Dreipunkt-Wechselrichter-Schaltung ausgestattet ist, mehrere (zwei) Halbleitereinheiten 130a und 130b und eine Verbindungseinheit 120, die die Halbleitereinheiten 130a und 130b elektrisch parallel schaltet. Das Halbleiterbauelement 100 beinhaltet weiterhin ein Gehäuse 110.
Ausführungsform 1 beschreibt ein Beispiel, in dem eine Leiterplatte für die Verbindungseinheit 120 verwendet wird. Die Verbindungseinheit 120 wird durch Stapeln mehrerer Schaltungsschichten (nicht gezeigt) im Inneren gebildet. Auf der Verbindungseinheit 120 bestehen externe Anschlüsse 121a bis 121d, die mit jeweiligen Schaltungsschichten verbunden sind. Die externen Anschlüsse 121a bis 121d entsprechen einem P-Anschluss, einem M-Anschluss, einem N-Anschluss bzw. einem U-Anschluss eines Dreipunkt-Wechselrichters.
Die Halbleitereinheiten 130a und 130b sind nebeneinander auf derselben Ebene angeordnet und die Verbindungseinheit 120 ist so angeordnet, dass sie die Halbleitereinheiten abdeckt. Primäranschlüsse (Primäranschlusspfosten) 135 und Steueranschlüsse 136 von jeder der Halbleitereinheiten 130a und 130b sind in Verbindungslöcher 122 in der Verbindungseinheit 120 eingesetzt. Infolgedessen werden die Primäranschlüsse 135, die Steueranschlüsse 136 und die Verbindungseinheit 120 elektrisch verbunden. Jeder der Primäranschlüsse 135 ist mit den jeweiligen externen Anschlüssen 121a bis 121d mittels der jeweiligen Schaltungsschichten der Verbindungseinheit 120 elektrisch verbunden. Infolgedessen werden die Halbleitereinheiten 130a und 130b elektrisch parallel geschaltet.
Jede der Halbleitereinheiten 130a und 130b beinhaltet ein mehrschichtiges Substrat 131, mehrere Halbleiterelemente 133 und Verdrahtungselemente, die eine Leiterplatte 137 und mehrere leitfähige Pfosten 134 beinhalten. Jede der Halbleitereinheiten 130a und 130b beinhaltet weiterhin die Primäranschlüsse 135 und die Steueranschlüsse 136.
Das mehrschichtige Substrat 131 beinhaltet eine Isolierplatte 139 und Schaltungsplatten 132. Die Schaltungsplatten 132 sind auf der primären Fläche (der oberen Fläche in der Figur) der Isolierplatte 139 angeordnet. Das mehrschichtige Substrat 131 beinhaltet außerdem eine Metallplatte 140 auf der Fläche der Isolierplatte 139 entgegengesetzt zu der primären Fläche davon. Die Schaltungsplatten 132 werden durch Ausbilden einer leitfähigen Schicht zu einer vorgeschriebenen Form hergestellt. Ein Ende jedes der Primäranschlüsse 135 ist an der Schaltungsplatte 132 befestigt. Für das mehrschichtige Substrat 131 kann beispielsweise ein DCB-Substrat (DCB = direct copper bonding) oder ein AMB-Substrat (AMB = active metal brazed) verwendet werden.
Die Halbleiterelemente 133 sind Schaltelemente, wie beispielsweise IGBT oder Leistungs-MOSFET (MOSFET = metal oxide semiconductor field effect transistors, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren). Die Rückfläche jedes der Halbleiterelemente 133 ist an den Schaltungsplatten 132 durch ein Bonding-Material, wie Lötzinn, befestigt, und die Vorderfläche beinhaltet Primärelektroden, wie Emitterelektroden. Wenn die Halbleiterelemente 133 vertikale IGBT sind, beinhaltet jede Vorderfläche weiterhin eine Gate-Elektrode, und jede Rückfläche beinhaltet weiterhin eine Sammelelektrode. Die Sammelelektrode auf der Rückfläche ist zudem mit den Schaltungsplatten 132 elektrisch verbunden. Neben den Halbleiterelementen 133, die Schaltelemente sind, beinhaltet das Halbleiterbauelement 100 Dioden, wie SBD (Schottky barrier diodes, Schottky-Dioden) und FWD (in den Figuren nicht gezeigt).
Die Leiterplatte 137 ist so angeordnet, dass sie der primären Fläche der Isolierplatte 139 des mehrschichtigen Substrats 131 zugewandt ist. Die Schaltungsschichten (in der Figur nicht gezeigt), auf denen vorgeschriebene Verdrahtungsstrukturen ausgebildet sind, sind auf der Fläche oder im Inneren der Leiterplatte 137 vorgesehen.
Jeder der leitfähigen Pfosten 134 setzt sich aus einem zylindrischen Leiter zusammen und verbindet die Primärelektroden auf der Vorderfläche jedes der Halbleiterelemente 133 elektrisch mit den Schaltungsschichten der Leiterplatte 137. Einige der leitfähigen Pfosten 134 sind in die Leiterplatte 137 eingesetzt und an dieser befestigt. Andere leitfähige Pfosten 134 verbinden die Schaltungsplatten 132 des mehrschichtigen Substrats 131 elektrisch mit den Schaltungsschichten der Leiterplatte 137. Derart werden Verdrahtungselemente, die die Leiterplatte 137 und die mehreren leitfähigen Pfosten 134 beinhalten, dazu verwendet, jede der Primärelektroden der Halbleiterelemente 133 elektrisch mit den Schaltungsplatten 132 und dergleichen zu verbinden.
Ein Ende des Primäranschlusses 135, der sich aus einem zylindrischen Leiter zusammensetzt, ist an den Schaltungsplatten 132 mit einem leitfähigen Bonding-Material, wie Lötzinn, befestigt. Das andere Ende des Primäranschlusses 135 steht in einer Richtung (der Aufwärtsrichtung in der Figur) durch eine Durchgangsbohrung 138 in der Leiterplatte 137 hervor. Der Primäranschluss 135 ist zudem mit den Primärelektroden jedes Halbleiterelements 133 mittels der Schaltungsschichten der Leiterplatte 137, den leitfähigen Pfosten 134 und den Schaltungsplatten 132 elektrisch verbunden. Ein anderer Primäranschluss 135 ist zudem mit einer Sammelelektrode auf der Rückfläche jedes Halbleiterelements 133 elektrisch verbunden. Die Primäranschlüsse 135 geben Leistung von der Verbindungseinheit 120 in eines der Halbleiterelemente 133 ein und geben Leistung von einem der Halbleiterelemente 133 in die Verbindungseinheit 120 aus.
Die Steueranschlüsse 136, die sich aus einem zylindrischen Leiter zusammensetzen, sind in die Leiterplatte 137 eingesetzt und an dieser befestigt und ragen in derselben Richtung wie die Primäranschlüsse 135 (Aufwärtsrichtung in der Figur) hervor. Darüber hinaus sind die Steueranschlüsse 136 mit Gate-Elektroden der Halbleiterelemente 133 mittels der Schaltungsschichten der Leiterplatte 137 und den leitfähigen Pfosten 134 elektrisch verbunden. Gemäß einem externen Steuersignal legen die Steueranschlüsse 136 Gate-Spannungen an die Gate-Elektroden der Halbleiterelemente 133 mittels der Schaltungsschichten der Leiterplatte 137 und den leitfähigen Pfosten 134 an.
Im Inneren jeder der Halbleitereinheiten 130a und 130b ist eine Dreipunkt-Wechselrichter-Schaltung durch das mehrschichtige Substrat 131, das die Schaltungsplatten 132, die mehreren Halbleiterelemente 133, die Leiterplatte 137 mit den Schaltungsschichten und die mehreren leitfähigen Pfosten 134 beinhaltet, ausgebildet.
In dem Halbleiterbauelement 100, wenn eine Spannung durch Verbinden einer externen Leistungsversorgung mit den externen Anschlüssen 121a bis 121c angelegt wird, wird eine Eingangsspannung mittels der Verbindungseinheit 120 an den Primäranschluss 135 jeder der Halbleitereinheiten 130a und 130b, die parallel geschaltet sind, angelegt. Gate-Spannungen werden auch auf die Steueranschlüsse 136 jeder der Halbleitereinheiten 130a und 130b angelegt. In jeder der Halbleitereinheiten 130a und 130b wird eine Eingangsspannung an eine Sammelelektrode auf der Rückfläche jedes der Halbleiterelemente 133 von einem der Primäranschlüsse 135 mittels der Schaltungsplatten 132 angelegt. Gate-Spannungen werden auch auf die Gate-Elektroden auf der Vorderfläche jedes der Halbleiterelemente 133 von den Steueranschlüssen 136 mittels der Leiterplatte 137 und dem leitfähigen Pfosten 134 angelegt. Wie zuvor beschrieben, da jede der Halbleitereinheiten 130a und 130b eine Dreipunkt-Wechselrichter-Schaltung aufweist, fungiert das Halbleiterbauelement 100 als ein Dreipunkt-Wechselrichter-Modul mit einem Nennstrom, der das Doppelte dessen von jeder der Halbleitereinheiten 130a und 130b beträgt.
Im Vergleich zu der herkömmlichen Technologie kann diese Konfiguration die Induktivität der Verdrahtung in dem Halbleiterbauelement 100 beträchtlich senken. Dies liegt darin begründet, dass das parallele Schalten der Halbleitereinheit 130a und der Halbleitereinheit 130b die Gesamtinduktivität der Halbleitereinheiten 130a und 130b auf die Hälfte der für eine einzige Halbleitereinheit senkt. Selbst wenn die Induktivität der Verbindungseinheit 120, die die Halbleitereinheiten parallel schaltet, einbezogen wird, kann die Induktivität im Inneren des Bauelements somit im Vergleich zu der herkömmlichen Technologie beträchtlich gesenkt werden. Da jede der Halbleitereinheiten 130a und 130b gemäß Ausführungsform 1 die Leiterplatte 137 und die mehreren leitfähigen Pfosten 134 verwendet, wird die Induktivität jeder der Halbleitereinheiten 130a und 130b darüber hinaus kleiner als bei dem herkömmlichen Drahtbondverfahren, da die Verdrahtung dicker und kürzer wird.
Aufgrund der gewissenhaften Forschung durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung wurde es des Weiteren offensichtlich, dass das Senken der Induktivität der Verdrahtung zwischen dem P-Anschluss und dem M-Anschluss und zwischen dem M-Anschluss und dem N-Anschluss einer Dreipunkt-Wechselrichter-Schaltung zum Verbessern der Effizienz eines Dreipunkt-Wechselrichter-Moduls wirksam ist.
In der Ausführungsform 1 werden in jeder der Halbleitereinheiten 130a und 130b die Leiterplatte 137 und die mehreren leitfähigen Pfosten 134 als elektrische Verdrahtung verwendet. Aus diesem Grund war es möglich, die Induktivität unter den vier Halbleiterelementen 133 in jeder der Halbleitereinheiten 130a und 130b zu senken und die Effizienz der Dreipunkt-Wechselrichter-Schaltung zu verbessern.
Durch Verwenden der Leiterplatte 137 und der mehreren leitfähigen Pfosten 134 als elektrische Verdrahtung wird des Weiteren eine leitfähige Schicht für die Verdrahtung auf dem mehrschichtigen Substrat 131, die in der herkömmlichen Technologie verwendet wird, unnötig. Dies macht es möglich, jede der Halbleitereinheiten 130a und 130b kleiner zu machen. Infolgedessen kann das Halbleiterbauelement 100 sowohl kleiner gemacht werden als auch einem größeren Stromvolumen Rechnung tragen.
Darüber hinaus kann die Induktivität zwischen jeder Halbleitereinheit und jedem externen Anschluss durch direktes Platzieren der externen Anschlüsse 121a bis 121d des Halbleiterbauelements 100 auf der Verbindungseinheit 120 gesenkt werden. Diese Anordnung macht es möglich, ein effizienteres Dreipunkt-Wechselrichter-Modul bereitzustellen. In der Ausführungsform 1 ist die Verbindungseinheit 120 nicht auf eine Leiterplatte beschränkt, selbst wenn ein Beispiel unter Verwendung einer Leiterplatte als die Verbindungseinheit 120 bereitgestellt wurde. Eine Sammelschiene, eine Leiterplatine oder dergleichen kann beispielsweise ebenfalls für eine Verbindungseinheit verwendet werden. In einer Situation, in der die Anzahl von Anschlüssen auf Halbleitereinheiten, die verbunden werden müssen, hoch ist, kann das Verwenden einer Leiterplatte als eine Verbindungseinheit es nicht nur möglich machen, eine komplexe Verdrahtung zu handhaben, sondern auch Änderungen des Schaltungsdesigns und der Schaltungsform zu bewältigen, die sich ergeben, wenn viele verschiedene Arten von Bauelementen in kleinen Mengen hergestellt werden. Wenn eine Sammelschiene oder eine Leiterplatine für die Verbindungseinheit 120 verwendet wird, können des Weiteren die Kosten von Teilen bei einer Massenproduktion gesenkt werden.
<Ausführungsform 2>
Ein Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 wird unter Verwendung der 2A bis 8 beschrieben. Die 2A und 2B sind Ansichten, die ein Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 zeigen. 2A ist eine Draufsicht eines Halbleiterbauelements und 2B ist eine Schnittansicht von 2A entlang einer Strichpunktlinie X-X.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die Halbleitereinheiten und eine Verbindungseinheit zeigt, die in einem Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 vorgesehen sind. In 3 ist kein Gehäuse gezeigt. Ein Halbleiterbauelement 1000 beinhaltet vier Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d und eine Verbindungseinheit 1200, die jede der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d elektrisch parallel schaltet. Darüber hinaus beinhaltet das Halbleiterbauelement 1000 ein Gehäuse 1100, das die Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d unterbringt.
In der zentralen Region kann das Gehäuse 1100 die Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d in zwei Reihen und zwei Spalten unterbringen. Obwohl ein Beispiel, in dem die vier Halbleitereinheiten 1300a–1300d in zwei Reihen und zwei Spalten untergebracht sind, dazu verwendet wird, die Ausführungsform 2 zu beschreiben, sind die Anzahl von untergebrachten Halbleitereinheiten und die Art und Weise, wie die Halbleitereinheiten angeordnet sind, nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
Schraubenlöcher 1100a bis 1100d, die beim Platzieren des Halbleiterbauelements 1000 an einer vorgeschriebenen Stelle verwendet werden würden, sind an den vier Ecken des Gehäuses 1100 vorgesehen.
Ausführungsform 2 beschreibt ein Beispiel, in dem eine Leiterplatte für die Verbindungseinheit 1200 verwendet wird. Vier externe Anschlüsse 1210a bis 1210d, die einem P-Anschluss, einem M-Anschluss, einem N-Anschluss bzw. einem U-Anschluss eines Dreipunkt-Wechselrichters entsprechen, sind auf der Verbindungseinheit 1200 vorgesehen. Im Inneren der Verbindungseinheit 1200 sind vier Schaltungsschichten, von denen jede mit Anschlüssen, wie den externen Anschlüssen 1210a bis 1210d, elektrisch verbunden ist, gestapelt (in der Figur nicht gezeigt). Des Weiteren sind im Inneren der Verbindungseinheit 1200 zusätzliche Schaltungsschichten (in der Figur nicht gezeigt), die mit Steueranschlüssen verbinden, ebenfalls gestapelt. Darüber hinaus weist die Verbindungseinheit 1200 Verbindungslöcher (nicht gezeigt) auf, mit denen Primäranschlüsse und Steueranschlüsse (später beschrieben) von jeder der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d verbunden werden.
Wie in 3 gezeigt, sind die vier Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d nebeneinander auf derselben Ebene angeordnet, und die Verbindungseinheit 1200 ist so angeordnet, dass sie die vier Halbleitereinheiten abdeckt. Die Primäranschlüsse und die Steueranschlüsse von jeder der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d sind in die Verbindungslöcher der Verbindungseinheit 1200 eingesetzt. Die Primäranschlüsse von jeder der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d sind mit den jeweiligen externen Anschlüssen 1210a bis 1210d mittels jeweiliger Schaltungsschichten der Verbindungseinheit 1200 elektrisch verbunden. Auf diese Weise werden die Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d elektrisch parallel geschaltet.
Als Nächstes werden die Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d, die in dem Halbleiterbauelement 1000 untergebracht sind, unter Verwendung von 4 beschrieben. Im Folgenden werden die Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d zusammenfassend als eine Halbleitereinheit 1300 bezeichnet. Primäranschlüsse und Steueranschlüsse, die auf der Halbleitereinheit 1300 vorgesehen sind, werden ebenfalls zusammenfassend als Verbindungsanschlüsse bezeichnet.
4 ist eine perspektivische Ansicht, die die Außenseite einer Halbleitereinheit zeigt, die in einem Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 vorgesehen ist. Die Halbleitereinheit 1300 wird unter Verwendung eines Harzes 1310, das sich aus einem Duroplast zusammensetzt, geformt und Verbindungsanschlüsse 1320a bis 1320p ragen aus dem Harz 1310 hervor.
Die Primäranschlüsse 1320a und 1320b entsprechen dem P-Anschluss, die Primäranschlüsse 1320e und 1320f dem N-Anschluss, die Primäranschlüsse 1320m und 1320n dem M-Anschluss, der sich bei einem Zwischenpotential befindet, und die Primäranschlüsse 1320i und 1320j dem U-Anschluss, der eine Last ausgibt (nicht gezeigt).
Obwohl 4 ein Beispiel zeigt, in dem die einzige Halbleitereinheit 1300 unter Verwendung des Harzes 1310 geformt wird, ist es nicht erforderlich, die Halbleitereinheit 1300 unter Verwendung des Harzes 1310 zu formen. Ähnlich einem üblichen Leistungshalbleitermodul kann die Einheit beispielsweise mit einem Gel versiegelt werden, nachdem alle Teile elektrisch und mechanisch verbunden wurden. Im Vergleich zu einem üblichen Gelversiegelungsverfahren erhöht das Formen unter Verwendung des Harzes 1310 jedoch nicht nur die Durchschlagspannung, sondern verbessert auch andere Eigenschaften, wie Leistungszyklen- und Wärmezyklenbeständigkeit. Wenn die einzige Halbleitereinheit 1300 durch ein Harz geformt wird, wird eine Vorgehensweise, die in das Zusammenfügen mehrerer Einheiten eingebunden ist, einfacher, da Probleme wie eine Beschädigung aufgrund des Eintritts von Fremdkörpern in die Einheiten verhindert werden können.
Nun wird die interne Konfiguration, die durch das Harz 1310 der Halbleitereinheit 1300 versiegelt wird, unter Verwendung der 5A und 5B beschrieben. Die 5A und 5B sind Ansichten, die eine Halbleitereinheit zeigen, die in einem Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 vorgesehen ist.
5A ist eine perspektivische Ansicht einer Halbleitereinheit. 5B ist eine Seitenansicht von 5A aus der Richtung des Pfeils. Die Halbleitereinheit 1300 beinhaltet ein mehrschichtiges Substrat 1330, mehrere Halbleiterelemente 1340a bis 1340d und Verdrahtungselemente, die eine Leiterplatte 1360 und mehrere leitfähige Pfosten 1364a bis 1364d beinhalten.
Die Leiterplatte 1360 beinhaltet eine Harzschicht 1361, die sich aus einem eben geformten Harz zusammensetzt, und leitfähige Schaltungsschichten 1362a bis 1362g, die auf der Vorderfläche der Harzschicht 1361 in den 5A und 5B platziert sind.
Die Leiterplatte 1360 beinhaltet außerdem mehrere leitfähige Pfosten 1364a bis 1364d, die aus sowohl der Vorderseite als auch der Rückseite der Leiterplatte 1360 hervorragen. Die mehreren leitfähigen Pfosten 1364a bis 1364d und die entsprechenden Schaltungsschichten 1362a bis 1362g auf der Vorderfläche sind elektrisch verbunden.
Darüber hinaus ist der leitfähige Pfosten 1364a mit Primärelektroden oder Gate-Elektroden eines der Halbleiterelemente 1340a bis 1340d oder Dioden 1350a bis 1350l elektrisch verbunden. Der leitfähige Pfosten 1364b ist mit einer Platine 1332d des mehrschichtigen Substrats 1330 elektrisch verbunden. Der leitfähige Pfosten 1364c ist mit einer Platine 1332b des mehrschichtigen Substrats 1330 elektrisch verbunden. Der leitfähige Pfosten 1364d ist mit einer Platine 1332c des mehrschichtigen Substrats 1330 elektrisch verbunden. Die Einzelheiten der leitfähigen Pfosten 1364a bis 1364d werden später beschrieben.
Darüber hinaus sind Steueranschlüsse 1320c, 1320d, 1320g, 1320h, 1320k, 1320l, 1320o und 1320p auf der Leiterplatte 1360 angeordnet. Die Steueranschlüsse 1320d, 1320h, 1320l und 1320p sind ebenfalls mit den Schaltungsschichten 1362b, 1362d, 1362e bzw. 1362g elektrisch verbunden. Die Steueranschlüsse 1320d, 1320h, 1320l und 1320p sind mit der entsprechenden Gate-Elektrode jedes der Halbleiterelemente 1340a bis 1340d mittels der entsprechenden Schaltungsschichten und dem leitfähigen Pfosten 1364a elektrisch verbunden.
Zudem sind die Steueranschlüsse 1320c, 1320g, 1320k und 1320o mit den entsprechenden Emitterelektroden jedes der Halbleiterelemente 1340a bis 1340d elektrisch verbunden. Anders ausgedrückt, die Steueranschlüsse 1320c, 1320g, 1320k und 1320o erkennen Emitterstrom, der von den Halbleiterelementen 1340a bis 1340d ausgegeben wird. Unter Verwendung des erkannten Emitterstroms können die Steueranschlüsse als Erfassungsemitteranschlüsse fungieren, die übermäßigen Strom erkennen.
Ein Ende jedes der Primäranschlüsse 1320a und 1320b ist an einer Platine 1332a (später beschrieben) des mehrschichtigen Substrats 1330 befestigt und mit dieser elektrisch verbunden. Ein Ende jedes der Primäranschlüsse 1320e und 1320f ist an einer Platine 1332c des mehrschichtigen Substrats 1330 befestigt und mit dieser elektrisch verbunden. Ein Ende jedes der Primäranschlüsse 1320i und 1320j ist an einer Platine 1332b des mehrschichtigen Substrats 1330 befestigt und mit dieser elektrisch verbunden. Ein Ende jedes der Primäranschlüsse 1320m und 1320n ist an einer Platine 1332d des mehrschichtigen Substrats 1330 befestigt und mit dieser elektrisch verbunden. Das andere Ende jedes der Primäranschlüsse 1320a, 1320b, 1320e, 1320f, 1320i, 1320j, 1320m und 1320n verläuft außerdem durch Durchgangsbohrungen in der Leiterplatte 1360 und ragt in derselben Richtung hervor.
Als Nächstes wird das mehrschichtige Substrat 1330, das auf der Halbleitereinheit 1300 vorgesehen ist, unter Verwendung der 6A und 6B beschrieben. Die 6A und 6B sind Figuren, die ein mehrschichtiges Substrat, Halbleiterelemente und Dioden einer Halbleitereinheit zeigen, die in einem Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 vorgesehen sind.
6A ist eine perspektivische Ansicht eines mehrschichtigen Substrats einer Halbleitereinheit. 6B ist eine Seitenansicht von 6A aus der Richtung des Pfeils. Das mehrschichtige Substrat 1330 beinhaltet eine Isolierplatte 1331, die sich aus Keramik oder dergleichen zusammensetzt, und Schaltungsplatten 1332a bis 1332d. Die Schaltungsplatten 1332a bis 1332d sind auf der primären Fläche (der Vorderfläche) der Isolierplatte 1331 angeordnet. Das mehrschichtige Substrat 1330 beinhaltet außerdem eine Metallplatte 1333 auf der Fläche der Isolierplatte 1331 entgegengesetzt zu der primären Fläche (der Rückfläche) davon.
Die 0 1332a bis 1332d setzen sich aus einem leitfähigen Material zusammen, sind voneinander elektrisch isoliert und auf der primären Fläche der Isolierplatte 1331 angeordnet. Ein DCB-Substrat oder AMB-Substrat kann beispielsweise für das mehrschichtige Substrat 1330 verwendet werden.
Von diesen Schaltungsplatten beinhalten die Schaltungsplatten 1332a und 1332b die Halbleiterelemente 1340a und 1340b, die IGBT sind. Die Schaltungsplatten 1332b und 1332d beinhalten die Halbleiterelemente 1340c und 1340d, die rückwärts sperrende IGBT sind. Die Sammelelektroden auf der Rückseite der Halbleiterelemente 1340a bis 1340d sind mit den Schaltungsplatten 1332a, 1332b und 1332d mit einem leitfähigen Bonding-Material elektrisch verbunden.
Des Weiteren sind die Dioden 1350a bis 1350l, die SBD sind, auf den Schaltungsplatten 1332a und 1332b angeordnet. Die Kathodenelektroden auf der Rückseite der Dioden 1350a bis 1350l sind mit den Schaltungsplatten 1332a und 1332b mit einem leitfähigen Bonding-Material elektrisch verbunden.
Wie in den 5A und 5B gezeigt, wird die Halbleitereinheit 1300 durch Setzen der Leiterplatte 1360 auf das mehrschichtige Substrat 1330 wie beschrieben ausgebildet. Wo die leitfähigen Pfosten 1364a bis 1364d sich in diesem Fall mit dem mehrschichtigen Substrat 1330 verbinden, wird unter Verwendung der 5A bis 8 beschrieben.
7 ist eine Ansicht, die zeigt, wo leitfähige Pfosten mit einem mehrschichtigen Substrat einer Halbleitereinheit verbunden sind, die in einem Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 vorgesehen ist. 7 ist eine Draufsicht der Halbleitereinheit 1300, die in den 5A und 5B gezeigt ist, und eine Konfiguration des mehrschichtigen Substrats 1330 ist unter Verwendung von Strichlinien gezeigt.
8 ist ein Schaltplan, der eine Schaltungskonfiguration zeigt, die in einer Halbleitereinheit ausgebildet ist, die in einem Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsform 2 vorgesehen ist. Die mehreren leitfähigen Pfosten 1364a sind mit den Elektroden auf den Vorderflächen der Halbleiterelemente 1340a bis 1340d und den Dioden 1350a bis 1350l elektrisch verbunden. Insbesondere sind die leitfähigen Pfosten 1364a mit den Primärelektroden (Emitterelektroden) und der Gate-Elektrode jedes der Halbleiterelemente 1340a bis 1340d elektrisch verbunden. Die leitfähigen Pfosten 1364a sind außerdem mit der Anodenelektrode jeder der Dioden 1350a bis 1350l elektrisch verbunden.
Der Steueranschluss 1320d ist außerdem mit der Gate-Elektrode des Halbleiterelements 1340a mittels der Schaltungsschicht 1362b der Leiterplatte 1360 und den leitfähigen Pfosten 1364a elektrisch verbunden. Wenn die Gate-Spannung an den Steueranschluss 1320d gemäß einem externen Steuersignal angelegt wird, wird die Gate-Spannung an die Gate-Elektrode des Halbleiterelements 1340a angelegt, wodurch der Zustand des Halbleiterelements 1340a von einem AUS-Zustand (nicht-leitfähiger Zustand) in einen EIN-Zustand (leitfähiger Zustand) geschaltet wird.
Der Steueranschluss 1320h ist mit der Gate-Elektrode des Halbleiterelements 1340b mittels der Schaltungsschicht 1362d der Leiterplatte 1360 und den leitfähigen Pfosten 1364a verbunden. Wenn die Gate-Spannung an den Steueranschluss 1320h gemäß einem externen Steuersignal angelegt wird, wird die Gate-Spannung an die Gate-Elektrode des Halbleiterelements 1340b angelegt, wodurch der Zustand des Halbleiterelements 1340b von einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand geschaltet wird.
Der Steueranschluss 1320l ist mit der Gate-Elektrode des Halbleiterelements 1340c mittels der Schaltungsschicht 1362e der Leiterplatte 1360 und den leitfähigen Pfosten 1364a elektrisch verbunden. Wenn die Gate-Spannung an den Steueranschluss 1320l gemäß einem externen Steuersignal angelegt wird, wird die Gate-Spannung an die Gate-Elektrode des Halbleiterelements 1340c angelegt, wodurch der Zustand des Halbleiterelements 1340c von einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand geschaltet wird.
Der Steueranschluss 1320p ist mit der Gate-Elektrode des Halbleiterelements 1340d mittels der Schaltungsschicht 1362g der Leiterplatte 1360 und den leitfähigen Pfosten 1364a elektrisch verbunden. Wenn die Gate-Spannung an den Steueranschluss 1320p gemäß einem externen Steuersignal angelegt wird, wird die Gate-Spannung an die Gate-Elektrode des Halbleiterelements 1340d angelegt, wodurch der Zustand des Halbleiterelements 1340d von einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand geschaltet wird.
Die mehreren leitfähigen Pfosten 1364b sind mit der Platine 1332d des mehrschichtigen Substrats 1330 elektrisch verbunden. Anders ausgedrückt, die leitfähigen Pfosten 1364b verbinden die Schaltungsschicht 1362f der Leiterplatte 1360 elektrisch mit der Platine 1332d des mehrschichtigen Substrats 1330.
Die mehreren leitfähigen Pfosten 1364c sind mit der Platine 1332b des mehrschichtigen Substrats 1330 elektrisch verbunden. Anders ausgedrückt, die leitfähigen Pfosten 1364c verbinden die Schaltungsschicht 1362a der Leiterplatte 1360 elektrisch mit der Platine 1332b des mehrschichtigen Substrats 1330.
Die leitfähigen Pfosten 1364d sind mit der Platine 1332c des mehrschichtigen Substrats 1330 elektrisch verbunden. Anders ausgedrückt, die leitfähigen Pfosten 1364d verbinden die Schaltungsschicht 1362c der Leiterplatte 1360 elektrisch mit der Platine 1332c des mehrschichtigen Substrats 1330.
Auf diese Weise wird im Inneren der Halbleitereinheit 1300 eine Dreipunkt-Wechselrichter-Schaltung, die in 8 gezeigt ist, von dem mehrschichtigen Substrat 1330, den Halbleiterelementen 1340a bis 1340d, der Leiterplatte 1360 und den leitfähigen Pfosten 1364a bis 1364d gebildet.
Die Primäranschlüsse 1320a und 1320b, die jeweils der P-Anschluss sind, sind mit einem Anschluss mit hohem Potential einer externen Leistungsquelle verbunden und die Primäranschlüsse 1320e und 1320f, die jeweils der N-Anschluss sind, sind mit einem Anschluss mit niedrigem Potential einer externen Leistungsquelle verbunden. Die Primäranschlüsse 1320m und 1320n, die jeweils der M-Anschluss sind, sind mit einem Anschluss mit mittlerem Potential einer externen Leistungsquelle verbunden. Die Primäranschlüsse 1320i und 1320j, die jeweils ein Ausgangsanschluss (der U-Anschluss) der Halbleitereinheit 1300 sind, sind mit einer Last (in der Figur nicht gezeigt) verbunden. In dieser Konfiguration fungiert die Halbleitereinheit 1300 als ein Dreipunkt-Wechselrichter.
In der Regel werden in einem Dreipunkt-Wechselrichter, wenn die Polarität einer Wechselrichter-Ausgangsspannung positiv ist, T1 und T3 abwechselnd zwischen EIN und AUS geschaltet, T4 ist immer auf EIN geschaltet und T2 ist immer auf AUS geschaltet. Wenn im Gegensatz dazu die Polarität einer Wechselrichter-Ausgangsspannung negativ ist, werden T2 und T4 abwechselnd zwischen EIN und AUS geschaltet, T3 ist immer auf EIN geschaltet und T1 ist immer auf AUS geschaltet.
Nun wird eine Eingangsspannung von einer externen Leistungsquelle an die Sammelelektrode des Halbleiterelements 1340a mittels der Primäranschlüsse 1320a und 1320b, die jeweils der P-Anschluss sind, mittels der Platine 1332a des mehrschichtigen Substrats 1330 angelegt. Wenn die Spannungspolarität eines gewünschten Ausgangs positiv ist, wird beispielsweise ein EIN-Signal an T1 gesendet. Dann erzeugen die Emitterelektroden auf der Vorderfläche des Halbleiterelements 1340a einen Ausgangsstrom.
Der von den Emitterelektroden des Halbleiterelements 1340a (T1) ausgegebene Strom fließt in die Schaltungsschicht 1362a der Leiterplatte 1360 mittels der leitfähigen Pfosten 1364a, die mit den Emitterelektroden verbunden sind. Der ausgegebene Strom fließt weiter in die Platine 1332b des mehrschichtigen Substrats 1330 von den leitfähigen Pfosten 1364c und fließt aus den Primäranschlüssen 1320i und 1320j, die jeweils der U-Anschluss sind.
Ein Mittelpotential von einer externen Leistungsquelle wird an die Sammelelektrode des Halbleiterelements 1340d mittels der Primäranschlüsse 1320m und 1320n, die jeweils der M-Anschluss sind, mittels der Platine 1332d des mehrschichtigen Substrats 1330 angelegt. Wenn das Halbleiterelement 1340a (T1) auf AUS geschaltet wird, fließt der Ausgangsstrom in das Halbleiterelement 1430d (T4) in einem EIN-Zustand und fließt aus den Emitterelektroden auf der Vorderfläche des Halbleiterelements 1340d.
Der von den Emitterelektroden des Halbleiterelements 1340d (T1) ausgegebene Strom fließt in die Schaltungsschicht 1362a der Leiterplatte 1360 mittels der leitfähigen Pfosten 1364a, die mit den Emitterelektroden verbunden sind. Der ausgegebene Strom fließt weiter in die Platine 1332b des mehrschichtigen Substrats 1330 von den leitfähigen Pfosten 1364c und fließt aus den Primäranschlüssen 1320i und 1320j, die jeweils der U-Anschluss sind.
Die Sammelelektrode des Halbleiterelements 1340b ist mit einer Last mittels der Primäranschlüsse 1320i und 1320j, die jeweils ein U-Anschluss sind, und der Platine 1332b des mehrschichtigen Substrats 1330 verbunden. Wenn die von dem Wechselrichter ausgegebene Spannungspolarität negativ ist, erzeugen die Emitterelektroden auf der Vorderfläche des Halbleiterelements 1340b durch Schalten des Halbleiterelements 1340b (T2) auf EIN Strom.
Der von den Emitterelektroden des Halbleiterelements 1340b (T2) ausgegebene Strom fließt in die Schaltungsschicht 1362c der Leiterplatte 1360 mittels der leitfähigen Pfosten 1364a, die mit den Emitterelektroden verbunden sind. Der ausgegebene Strom fließt weiter in die Platine 1332c des mehrschichtigen Substrats 1330 von dem leitfähigen Pfosten 1364d und fließt aus den Primäranschlüssen 1320e und 1320f, die jeweils der N-Anschluss sind.
Die Sammelelektrode des Halbleiterelements 1340c (T3) ist mit einer Last mittels der Primäranschlüsse 1320i und 1320j, die jeweils ein U-Anschluss sind, und der Platine 1332b des mehrschichtigen Substrats 1330 verbunden. Wenn das Halbleiterelement 1340b (T2) auf AUS geschaltet wird, fließt der Ausgangsstrom in das Halbleiterelement 1340c in einem EIN-Zustand.
Der von den Emitterelektroden des Halbleiterelements 1340c (T3) ausgegebene Strom fließt in die Schaltungsschicht 1362f der Leiterplatte 1360 mittels der leitfähigen Pfosten 1364a, die mit den Emitterelektroden verbunden sind. Der ausgegebene Strom fließt weiter in die Platine 1332d des mehrschichtigen Substrats 1330 von dem leitfähigen Pfosten 1364b und fließt aus den Primäranschlüssen 1320m und 1320n, die jeweils der M-Anschluss sind.
Die Halbleitereinheit 1300 kann Gleichstromleistung von einer externen Leistungsquelle durch korrektes Steuern der oben beschriebenen Arbeitsvorgänge effizient in Wechselstromleistung umwandeln. Wie in den 2A bis 3 gezeigt, wird die Verbindungseinheit 1200 dazu verwendet, das Halbleiterbauelement 1000 mit den mehreren Halbleitereinheiten 1300 elektrisch parallel zu schalten. Hier ist der externe Anschluss 1210a der Verbindungseinheit 1200 mit einem Anschluss mit hohem Potential einer externen Leistungsquelle, der externe Anschluss 1210c mit einem Anschluss mit niedrigem Potential und der externe Anschluss 1210b mit einem Anschluss mit mittlerem Potential einer externen Leistungsquelle verbunden. In dieser Konfiguration beziehen die Primäranschlüsse 1320a und 1320b, die jeweils der P-Anschluss der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d sind, und der externe Anschluss 1210a das gleiche Potential. Die Primäranschlüsse 1320e und 1320f, die jeweils der N-Anschluss der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d sind, und der externe Anschluss 1210c beziehen das gleiche Potential. Des Weiteren beziehen die Primäranschlüsse 1320n und 1320m, die jeweils der M-Anschluss der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d sind, und der externe Anschluss 1210b das gleiche Potential. Darüber hinaus kombiniert sich der ausgegebene Strom von den Primäranschlüssen 1320i und 1320j, die jeweils der U-Anschluss der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d sind, und fließt aus dem externen Anschluss 1210d der Verbindungseinheit 1200. Die Steueranschlüsse 1320c, 1320d, 1320g, 1320h, 1320k, 1320l, 1320o, 1320p von jeder der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d werden durch die Schaltungsschichten, die auf der Verbindungseinheit 1200 auf eine zu oben ähnliche Weise ausgebildet sind, parallel geschaltet. Jeder der parallel geschalteten Steueranschlüsse 1320c, 1320d, 1320g, 1320h, 1320k, 1320l, 1320o, 1320p ist mit mehreren externen Steueranschlüssen 1220, die auf dem Halbleiterbauelement 1000 vorgesehen sind, elektrisch verbunden.
Im Vergleich zu der herkömmlichen Technologie kann diese Konfiguration die Induktivität der Verdrahtung in dem Halbleiterbauelement 1000 senken. Als ein spezifisches Beispiel wird eine Konfiguration beschrieben, die dem im Patentdokument 1 beschriebenen Dreipunkt-Wechselrichter-Modul ähnlich ist (die Gesamtinduktivität in dem Bauelement ausschließlich der externen Anschlüsse und dergleichen beträgt etwa 30 nH). Wenn das Halbleiterbauelement 1000 gemäß Ausführungsform 2 in derselben Größe wie dieses herkömmliche Modul konstruiert wird, kann die interne Induktivität einer einzigen Halbleitereinheit 1300 zunächst etwa 20 nH sein. Da vier Halbleitereinheiten parallel geschaltet sind, ist als Nächstes die Gesamtinduktivität der vier Halbleitereinheiten 1300 etwa 5 NH (= 20 nH/4). Andererseits beträgt die Induktivität der Verbindungseinheit 1200 etwa 10 nH. Anders ausgedrückt, da die interne Induktivität des Halbleiterbauelements 1000 etwa 15 nH (= 5 nH + 10 nH) betragen kann, kann die Induktivität in dem Bauelement im Vergleich zu der herkömmlichen Technologie beträchtlich gesenkt werden.
Des Weiteren kann diese Konfiguration in der Halbleitereinheit 1300 die Induktivität zwischen den Halbleiterelementen 1340a bis 1340d senken, insbesondere zwischen dem P-Anschluss und dem M-Anschluss und zwischen dem M-Anschluss und dem N-Anschluss.
Das Senken der Induktivität half dabei, die Effizienz des Dreipunkt-Wechselrichter-Moduls zu verbessern. Da die leitfähige Schicht für die Verdrahtung auf dem mehrschichtigen Substrat 1330 unnötig wird, kann die Halbleitereinheit 1300 des Weiteren kompakt gemacht werden. Infolgedessen wurde es in dem Halbleiterbauelement 1000 möglich, gleichzeitig ein höheres Stromvolumen zu ermöglichen und die Effizienz des Wechselrichters zu verbessern.
Des Weiteren ist es in dem Halbleiterbauelement 1000 einfach durch Bereitstellen der Anzahl der Halbleitereinheiten 1300, die für die Nennkapazität erforderlich ist, und der Verbindungseinheit 1200 für jede Nennkapazität möglich, ein höheres Stromvolumen zu ermöglichen. Es ist somit auch möglich, die Herstellungskosten von Dreipunkt-Wechselrichter-Modulen zu senken.
Darüber hinaus ragen die mehreren Verbindungsanschlüsse 1320a bis 1320p in der vorliegenden Ausführungsform von jeder der Halbleitereinheiten 1300 in derselben Richtung hervor. In dieser Anordnung beinhaltet der Vorgang des elektrischen parallelen Schaltens jeder Halbleitereinheit 1300 nur das Einsetzen jedes der Verbindungsanschlüsse in die Verbindungslöcher in der Verbindungseinheit 1200 aus einer Richtung. Die Herstellungskosten von Dreipunkt-Wechselrichter-Modulen können somit noch weiter gesenkt werden.
Obwohl in Ausführungsform 2 ein Fall, in dem IGBT als Halbleiterelemente verwendet werden, beschrieben wird, sind die Halbleiterelemente nicht auf IGBT beschränkt und es können beispielsweise auch Leistungs-MOSFET verwendet werden. Wenn ein Leistungs-MOSFET als ein Halbleiterelement verwendet wird, werden die oben beschriebenen Primärelektroden der Vorderfläche zu den Source-Elektroden und die Sammelelektroden auf der Rückfläche werden zu den Drain-Elektroden.
Anders ausgedrückt, die Elektroden auf der positiven Seite von Halbleiterelementen, die Schaltelemente sind, werden innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Beschreibung zusammenfassend als „Sammelelektroden” bezeichnet und die Elektroden auf der negativen Seite von Halbleiterelementen, die Schaltelemente sind, werden zusammenfassend als „Emitterelektroden” bezeichnet.
In Ausführungsform 2 kann ein Halbleiterelement nicht nur ein Silicium-Halbleiterelement (Si-Halbleiterelement), sondern auch ein Halbleiterelement mit weitem Bandabstand, wie ein Siliciumcarbid-Halbleiterelement (SiC-Halbleiterelement) oder ein Galliumnitrid-Halbleiterelement (GaN-Halbleiterelement), sein. Verglichen mit einem Si-Halbleiterelement ist ein Halbleiterelement mit weitem Bandabstand zur Hochgeschwindigkeitsumschaltung sein, was den Verlust verringern kann. Da Hochgeschwindigkeitsumschaltung die Trägerfrequenz erhöhen kann, können des Weiteren Komponenten wie Spulen und Kondensatoren, die in einem Wechselrichtermodul vorgesehen sind, kompakter gemacht werden. Infolgedessen kann ein Wechselrichtermodul kompakter gemacht werden und die Kosten zur Herstellung eines Wechselrichtermoduls können gesenkt werden. Wenn eine Hochgeschwindigkeitsumschaltung durchgeführt wird, bringt die Induktivität der Verdrahtung andererseits nachteilige Effekte, wie einen abrupten Anstieg der Spannung, ein. Da die Induktivität der Verdrahtung in Ausführungsform 2 jedoch gesenkt wird, wird eine effiziente Hochgeschwindigkeitsumschaltung möglich.
<Ausführungsform 3>
Die Ausführungsformen 1 und 2 beschrieben ein Beispiel, in dem Verdrahtungselemente für Halbleiterelemente und Dioden in einer Halbleitereinheit (diese Komponenten können hierin im Folgenden zusammenfassend als ein „Halbleiterchip” bezeichnet werden) mehrere leitfähige Pfosten und eine Leiterplatte beinhalteten. Ausführungsform 3 beschreibt unter Verwendung von 9 einen Fall, in dem Verdrahtungselemente für einen Halbleiterchip in einer Halbleitereinheit, die auf einem mehrschichtigen Substrat platziert wird, mehrere Drähte beinhalten.
9 ist eine Ansicht, die ein mehrschichtiges Substrat zeigt, wenn Verdrahtungselemente gemäß Ausführungsform 3 mehrere Drähte beinhalten. Ein mehrschichtiges Substrat 2330 weist dieselbe Konfiguration wie ein mehrschichtiges Substrat 1330 gemäß Ausführungsform 2 auf. Insbesondere beinhaltet das mehrschichtige Substrat 2330 eine Isolierplatte 1331, die sich aus einem Material wie Keramik zusammensetzt, Schaltungsplatten 1332a bis 1332d und Schaltungsplatten 1332e bis 1332l. Die Schaltungsplatten 1332a bis 1332l sind auf der primären Fläche (der Vorderfläche) der Isolierplatte 1331 angeordnet. Das mehrschichtige Substrat 2330 beinhaltet außerdem eine Metallplatte (nicht gezeigt) auf der Fläche entgegengesetzt zu der primären Fläche (der Rückfläche) der Isolierplatte 1331.
Die Schaltungsplatten 1332a bis 1332l setzen sich aus einem leitfähigen Material zusammen, sind voneinander elektrisch isoliert und auf der primären Fläche der Isolierplatte 1331 angeordnet. Ein DCB-Substrat oder AMB-Substrat kann beispielsweise für das mehrschichtige Substrat 2330 verwendet werden.
Von diesen Schaltungsplatten beinhalten die Schaltungsplatten 1332a und 1332b die Halbleiterelemente 1340a und 1340b, die IGBT sind. Die Schaltungsplatten 1332b und 1332d beinhalten die Halbleiterelemente 1340c und 1340d, die rückwärts sperrende IGBT sind. Die Sammelelektroden auf der Rückseite jedes der Halbleiterelemente 1340a bis 1340d sind mit den Schaltungsplatten 1332a, 1332b und 1332d mit einem leitfähigen Bonding-Material elektrisch verbunden. Darüber hinaus sind Primäranschlüsse 1320a, 1320b, 1320i, 1320j, 1320n und 1320m auf Schaltungsplatten 1332a, 1332b und 1332d angeordnet. Die Primäranschlüsse 1320a, 1320b, 1320i, 1320j, 1320n und 1320m sind außerdem mit den Schaltungsplatten 1332a, 1332b und 1332d mit einem leitfähigen Bonding-Material elektrisch verbunden.
Des Weiteren sind die Dioden 1350a bis 1350d und 1350g bis 1350j, die SBD sind, auf den Schaltungsplatten 1332a und 1332b angeordnet. Die Kathodenelektroden auf der Rückseite jeder der Dioden 1350a bis 1350d und 1350g bis 1350j sind mit den Schaltungsplatten 1332a und 1332b mit einem leitfähigen Bonding-Material elektrisch verbunden.
Des Weiteren sind die Primäranschlüsse 1320e und 1320f und die Steueranschlüsse 1320h, 1320g, 1320k, 1320l, 1320p, 1320o, 1320c und 1320d auf den Schaltungsplatten 1332c und 1332e bis 1332l angeordnet. Die Primäranschlüsse 1320e und 1320f und die Steueranschlüsse 1320h, 1320g, 1320k, 1320l, 1320p, 1320o, 1320c und 1320d sind außerdem mit den Schaltungsplatten 1332c und 1332e bis 1332l mit einem leitfähigen Bonding-Material elektrisch verbunden.
Die Halbleiterelemente 1340a bis 1340d und die Dioden 1350a bis 1350d und 1350g bis 1350j sind durch Drähte 1365 elektrisch verbunden. Insbesondere sind die Gate-Elektrode des Halbleiterelements 1340a und die Platine 1322l durch einen der Drähte 1365 verbunden und die Emitterelektroden des Halbleiterelements 1340a und die Platinen 1332b und 1332k sind durch die Drähte 1365 verbunden. Die Gate-Elektrode des Halbleiterelements 1340b und die Platine 1322e sind durch einen der Drähte 1365 verbunden und die Emitterelektroden des Halbleiterelements 1340b und die Platinen 1332c und 1332f sind durch die Drähte 1365 verbunden. Die Gate-Elektrode des Halbleiterelements 1340c und die Platine 1322h sind durch einen der Drähte 1365 verbunden und die Emitterelektroden des Halbleiterelements 1340c und die Platinen 1332d und 1332g sind durch die Drähte 1365 verbunden. Die Gate-Elektrode des Halbleiterelements 1340d und die Platine 1322i sind durch einen der Drähte 1365 verbunden und die Emitterelektroden des Halbleiterelements 1340d und die Platinen 1332b und 1332j sind durch die Drähte 1365 verbunden. Des Weiteren sind die Anodenelektroden der Dioden 1350a bis 1350d mit der Platine 1332b durch die Drähte 1365 verbunden. Die Anodenelektroden der Dioden 1350g bis 1350j sind mit der Platine 1332c durch die Drähte 1365 verbunden.
Auf ähnliche Weise zu Ausführungsform 2 wird das wie beschrieben konfigurierte mehrschichtige Substrat 2330 durch ein Harz, das sich aus einem Duroplast zusammensetzt, geformt und die Verbindungsanschlüsse 1320a bis 1320p ragen aus dem Harz 1310 hervor, wodurch eine Halbleitereinheit gebildet wird.
In einer derartigen Halbleitereinheit sind die Primäranschlüsse 1320a und 1320b, die jeweils ein P-Anschluss sind, mit einem Anschluss mit hohem Potential einer externen Leistungsquelle verbunden und die Primäranschlüsse 1320e und 1320f, die jeweils ein N-Anschluss sind, sind mit einem Anschluss mit niedrigem Potential einer externen Leistungsquelle verbunden. Die Primäranschlüsse 1320m und 1320n, die jeweils ein M-Anschluss sind, sind mit einem Anschluss mit mittlerem Potential einer externen Leistungsquelle verbunden. Die Primäranschlüsse 1320i und 1320j, die jeweils ein Ausgangsanschluss (U-Anschluss) der Halbleitereinheit sind, sind mit einer Last (nicht gezeigt) verbunden. Infolgedessen fungiert die Halbleitereinheit auf ähnliche Weise zu der Halbleitereinheit 1300 gemäß Ausführungsform 2 als ein Dreipunkt-Wechselrichter.
<Ausführungsform 4>
Zunächst werden verschiedene Leistungswandlungssysteme, die von dem Halbleiterbauelement gebildet werden, unter Verwendung der 10A bis 10C beschrieben.
Ausführungsform 4 und folgende Ausführungsformen werden unter Verwendung eines Falls beschrieben, in dem eine Halbleitereinheit 1300 gemäß Ausführungsform 2 verwendet wird. Die vorliegende Ausführungsform ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Wie bei Ausführungsform 3 kann ein Beispiel verwendet werden, in dem Drähte als Verdrahtungselemente verwendet werden.
Die 10A bis 10C sind Schaltpläne, die jeweils eine Schaltungskonfiguration zeigen, die ein Leistungswandlungssystem bildet. 10A zeigt eine unterbrechungsfreie Stromversorgung 1400 und 10B und 10C zeigen Wechselrichter-Bauelemente für Sonnenenergie 2400 bzw. 3400.
Wie in 10A gezeigt, beinhaltet die unterbrechungsfreie Stromversorgung 1400 einen PDM-Wandler (PDM = Pulsdauermodulation) 1410, eine Gleichstromversorgung 1420 und einen PDM-Wechselrichter 1430.
Für den PDM-Wandler 1410 wird ein Halbleiterbauelement 1000 verwendet, das die Halbleitereinheit 1300 beinhaltet, die verdrahtet ist, um eine Wandler-Schaltung zu bilden. Der PDM-Wandler 1410 setzt sich aus drei Armen zusammen. Der PDM-Wandler 1410 beinhaltet einen Arm (oberen Arm), in dem ein Halbleiterelement T1 (1340a) und eine Diode D1 (1350a bis 1350f) parallel geschaltet sind, und einen anderen Arm (unteren Arm), in dem ein Halbleiterelement T2 (1340b) und eine Diode D2 (1350g bis 1350l) parallel geschaltet sind. Des Weiteren beinhaltet der PDM-Wandler 1410 einen Arm (mittleren Arm), in dem Halbleiterelemente T3 und T4 (1340c und 1340d) antiparallel geschaltet sind.
In der Gleichstromversorgung 1420 sind Kondensatoren C1 und C2 seriell geschaltet. Für den PDM-Wechselrichter 1430 wird ein Halbleiterbauelement 1000 verwendet, das die Halbleitereinheit 1300 beinhaltet, die verdrahtet ist, um eine Wechselrichter-Schaltung zu bilden. Auf ähnliche Weise zu dem PDM-Wandler 1410 setzt sich auch der PDM-Wechselrichter 1430 aus drei Armen zusammen. Der PDM-Wechselrichter 1430 beinhaltet einen Arm (oberen Arm), in dem ein Halbleiterelement T1 (1340a) und eine Diode D1 (1350a bis 1350f) parallel geschaltet sind, und einen anderen Arm (unteren Arm), in dem ein Halbleiterelement T2 (1340b) und eine Diode D2 (1350g bis 1350l) parallel geschaltet sind. Des Weiteren beinhaltet der PDM-Wandler 1430 einen Arm (mittleren Arm), in dem Halbleiterelemente T3 und T4 (1340c und 1340d) antiparallel geschaltet sind.
In der unterbrechungsfreien Stromversorgung 1400 wird, wenn eine handelsübliche Stromversorgung an den PDM-Wandler 1410 angeschlossen wird, der Gleichstrom, sobald der von dem PDM-Wandler 1410 gesteuert wird, gleichgerichtet und der Strom fließt in die Gleichstromversorgung 1420. Dann wird der Gleichstrom von der Gleichstromversorgung 1420 wiederum durch den PDM-Wechselrichter zurück in einen Wechselstrom umgewandelt, wobei der PDM-Wechselrichter 1430 eine Last mit Energie versorgt.
Wie in 10B gezeigt, beinhaltet das Wechselrichter-Bauelement für Sonnenenergie 2400 einen Boost-Chopper 2410, eine Gleichstromversorgung 2420 und einen PDM-Wechselrichter 2430. Nach Aufnehmen von Sonnenlicht erzeugt ein Solarpanel 2500 Energie und gibt einen Strom (Gleichstrom) aus.
Der Boost-Chopper 2410 erhöht und stabilisiert die Ausgangsspannung von dem Solarpanel 2500. Der Boost-Chopper 2410 beinhaltet einen Induktor L1, eine Diode D5, ein Halbleiterelement T5, wie einen Leistungs-MOSFET, und eine Diode D6, die mit dem Halbleiterelement T5 parallel geschaltet ist.
In dem Wechselrichter-Bauelement für Sonnenenergie 2400 wird die Spannung, die von dem Solarpanel 2500 erzeugt wird, das Sonnenlicht aufnimmt, von dem Boost-Chopper 2410 stabilisiert, gleichgerichtet und in die Gleichstromversorgung 2420 eingespeist. Dann wird der Gleichstrom von der Gleichstromversorgung 2420 wiederum durch den PDM-Wechselrichter 2430 zurück in einen Wechselstrom wechselgerichtet, wobei der PDM-Wechselrichter eine Last mit Energie versorgt.
Das Wechselrichter-Bauelement für Sonnenenergie 2400 wird oft in einem Niederspannungssystem für den Hausgebrauch und dergleichen verwendet. Ein Wechselrichter-Bauelement für Sonnenenergie 3400 ist in einem großen System, wie einer Sonnenfarm, zu verwenden. Da die Spannung der zusammenarbeitenden Systeme hoch ist, ist das Wechselrichter-Bauelement für Sonnenenergie 3400 nicht mit dem Boost-Chopper 2410 ausgestattet, wie es das Wechselrichter-Bauelement 2400 ist. Wie in 10C gezeigt, beinhaltet das Wechselrichter-Bauelement für Sonnenenergie 3400, ähnlich dem Wechselrichter-Bauelement 2400, eine Gleichstromversorgung 3420, einen PDM-Wechselrichter 3430 und einen Aufwärtstransformator TR1.
In dem Wechselrichter-Bauelement für Sonnenenergie 3400 wird der Gleichstrom, der von dem Solarpanel 3500, das Sonnenlicht aufnimmt, erzeugt und ausgegeben wird, gleichgerichtet und in die Gleichstromversorgung 3420 eingespeist. Dann wechselrichtet der PDM-Wechselrichter 3430 den Gleichstrom von der Gleichstromversorgung 3420 in einen Wechselstrom. Dann wandelt der Aufwärtstransformator TR1 die Spannung in einen gewünschten Pegel um und stellt einer Last Energie bereit.
Als Nächstes werden Verluste, die in jedem Halbleiterchip in jedem Halbleiterbauelement, das ein Leistungswandlungssystem bildet, auftreten, unter Verwendung der 11A bis 11C beschrieben. 11A zeigt die Verluste, die in dem PDM-Wechselrichter 1430 der unterbrechungsfreien Stromversorgung 1400 und jedem Halbleiterchip in dem PDM-Wechselrichter 2430 des Wechselrichter-Bauelements 2400 auftreten. 11B zeigt die Verluste, die in jedem Halbleiterchip in dem PDM-Wandler 1410 der unterbrechungsfreien Stromversorgung 1400 auftreten. 11C zeigt die Verluste, die in jedem Halbleiterchip in dem PDM-Wechselrichter 3430 des Wechselrichter-Bauelements 3400 auftreten. Die Verluste, die in jedem Halbleiterchip auftreten, beinhalten Leitungsverluste, die auftreten, wenn ein Strom fließt, und Schaltverluste, die während eines EIN-AUS-Betriebs und einer Sperrverzögerung auftreten. In den 11A bis 11C werden der gleiche Ausgangsstrom und die gleiche Schaltfrequenz verwendet und die Verluste in jedem Halbleiterbauelement werden durch Einstellen der Gesamtsumme aller Verluste auf 100% normalisiert.
Wie in 11A gezeigt, sind von drei Arten von Halbleiterchips in dem PDM-Wechselrichter 1430 und dem PDM-Wechselrichter 2430 die Verluste in den IGBT des oberen und des unteren Arms (die Halbleiterelemente T1 und T2) am größten und der Verlust in den FWD des oberen und des unteren Arms (die Dioden D1 und D2) ist am kleinsten. Da der PDM-Wechselrichter 1430 in der Regel einen hohen Leistungsfaktor von 0,9 bis 1,0 hat, ist die Leitungsrate der FWD des oberen und des unteren Arms und die rückwärts sperrenden IGBT des mittleren Arms klein. Aus diesem Grund sind die IGBT in dem oberen und dem unteren Arm die Hauptverlustquelle.
Wie in 11B gezeigt, sind von drei Arten von Halbleiterchips in dem PDM-Wandler 1410 die Verluste in den FWD des oberen und des unteren Arms (die Dioden D1 und D2) größer als die Verluste in den rückwärts sperrenden IGBT des mittleren Arms (die Halbleiterelemente T3 und T4) und die Verluste in den IGBT des oberen und des unteren Arms (die Halbleiterelemente T1 und T2) sind nahe null. In dem PDM-Wandler 1410 wird die Spannung durch die FWD des oberen und des unteren Arms und den rückwärts sperrenden IGBT des mittleren Arms erhöht. Aus diesem Grund werden die Verluste in den FWD des oberen und des unteren Arms und den rückwärts sperrenden IGBT des mittleren Arms dominant.
Wie in 11C gezeigt, sind von drei Arten von Halbleiterchips in dem PDM-Wechselrichter 3430 des Wechselrichter-Bauelements 3400 die Verluste in den IGBT des oberen und des unteren Arms (die Halbleiterelemente T1 und T2) und den rückwärts sperrenden IGBT des mittleren Arms (die Halbleiterelemente T3 und T4) größer als die Verluste in den FWD des oberen und des unteren Arms (die Dioden D1 und D2). In dem PDM-Wechselrichter 3430 nimmt die Leitungsrate der IGBT des oberen und des unteren Arms (die Halbleiterelemente T1 und T2) ab und die Leitungsrate der rückwärts sperrenden IGBT des mittleren Arms (die Halbleiterelemente T3 und T4) nimmt zu. Aus diesem Grund wird das Verlustverhältnis des rückwärts sperrenden IGBT des mittleren Arms in dem PDM-Wechselrichter 3430 größer als das des PDM-Wechselrichters 1430.
Die 11A bis 11C demonstrieren, dass in Halbleiterbauelementen gemäß den Ausführungsformen 1 bis 3 die Verluste, die in jedem Halbleiterchip in den Halbleitereinheiten auftreten, sich in Abhängigkeit von dem Zweck und den Betriebsparametern unterscheiden. In Halbleiterbauelementen gemäß den Ausführungsformen 1 bis 3, wenn mehrere Halbleitereinheiten an einer vorgeschriebenen Stelle platziert werden, heizen sich in Abhängigkeit von der Stelle und dem Betriebszustand jedes Halbleiterchips nur einige der Halbleiterchips auf und die von den Halbleiterbauelementen erzeugte Wärme kann variieren. Wenn die von den Halbleiterbauelementen erzeugte Wärme variiert, besteht ein Risiko, dass der Teil der Halbleiterbauelemente, an dem die erzeugte Wärme konzentriert wird, heißer wird.
Um dieses Problem zu bewältigen, werden mehrere Halbleitereinheiten angeordnet, um die Variation der von den Halbleiterbauelementen erzeugten Wärme gemäß Faktoren wie dem Zweck und dem Betriebszustand der Halbleiterbauelemente zu steuern. Im Folgenden wird ein Fall, in dem ein Halbleiterbauelement als der PDM-Wechselrichter 1430 (oder der PDM-Wechselrichter 2430) verwendet wird, unter Verwendung von 12 (entspricht 11A) beschrieben.
12 ist eine Draufsicht, die die Anordnung jeder Halbleitereinheit in dem PDM-Wechselrichter 1430 gemäß Ausführungsform 4 zeigt. In dem PDM-Wechselrichter 1430 sind beispielsweise vier der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d gemäß Ausführungsform 2 angeordnet. 12 zeigt nur die Halbleiterchips (Halbleiterelemente und Dioden), die auf den Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d angeordnet sind. Bezugszeichen werden nur den Halbleiterchips der Halbleitereinheit 1300a gegeben und für die anderen Halbleitereinheiten 1300b bis 1300d weggelassen.
Wie in 11A gezeigt, sind in dem PDM-Wechselrichter 1430 die Verluste in IGBT des oberen und des unteren Arms (die Halbleiterelemente T1 und T2) am größten, gefolgt von den Verlusten in den rückwärts sperrenden IGBT des mittleren Arms (die Halbleiterelemente T3 und T4). Aus diesem Grund ist in dem PDM-Wechselrichter 1430 die in den IGBT des oberen und des unteren Arms (die Halbleiterelemente T1 und T2) erzeugte Wärme am größten, gefolgt von der in den rückwärts sperrenden IGBT des mittleren Arms (die Halbleiterelemente T3 und T4) erzeugten Wärme.
Die Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d sind derart angeordnet, dass die Halbleiterelemente T1 und T2 auf der Außenseite und die Halbleiterelemente T3 und T4 auf der Innenseite des PDM-Wechselrichters 1430 sind. Insbesondere sind in den Halbleitereinheiten 1300a und 1300b die Halbleiterelemente T1 und T2 auf der linken Seite der Figur (der Außenseite) angeordnet und die Halbleiterelemente T3 und T4 sind auf der rechten Seite der Figur (der Innenseite) angeordnet. In den Halbleitereinheiten 1300c und 1300d sind die Halbleiterelemente T1 und T2 auf der rechten Seite der Figur (der Außenseite) angeordnet und die Halbleiterelemente T3 und T4 sind auf der linken Seite der Figur (der Innenseite) angeordnet.
In dem PDM-Wechselrichter 1430 der vorliegenden Ausführungsform werden die Halbleiterelemente T1 und T2, die eine große Wärmemenge erzeugen, durch Drehen der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d auf der Außenseite des PDM-Wechselrichters 1430 angeordnet. In dieser Anordnung werden die Stellen in dem PDM-Wechselrichter 1430, an denen Wärme erzeugt wird, gestreut und der Temperaturanstieg in dem PDM-Wechselrichter 1430 wird kontrolliert. Somit kann der PDM-Wechselrichter 1430 mit höherer Zuverlässigkeit erzielt werden.
<Ausführungsform 5>
Unter Verwendung von 13 beschreibt Ausführungsform 5 ein Beispiel, in dem ein Halbleiterbauelement als ein PDM-Wechselrichter 1430 verwendet wird und Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d anders als in Ausführungsform 4 angeordnet sind.
13 ist eine Draufsicht, die die Anordnung jeder Halbleitereinheit in dem PDM-Wechselrichter 1430 gemäß Ausführungsform 5 zeigt. In dem PDM-Wechselrichter 1430 gemäß Ausführungsform 5 sind vier der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d beispielsweise auf ähnliche Weise zu Ausführungsform 4 angeordnet. In dem PDM-Wechselrichter 1430 gemäß Ausführungsform 5 sind die Halbleitereinheiten 1300b und 1300c des PDM-Wechselrichters 1430 gemäß Ausführungsform 4 in der Figur um 90 Grad entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht.
Die Anordnung in Ausführungsform 5 verhindert, dass die Halbleiterelemente T1 und T2 zwischen den Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d nebeneinander sind, da die Halbleitereinheiten 1300a bis 1330d um 90 Grad gedreht sind. In dieser Anordnung werden die Stellen in dem PDM-Wechselrichter 1430, an denen Wärme erzeugt wird, weiter gestreut und der PDM-Wechselrichter 1430 mit höherer Zuverlässigkeit wird erzielt.
<Ausführungsform 6>
Ausführungsform 6 beschreibt unter Verwendung von 14 einen Fall, in dem ein Halbleiterbauelement als ein PDM-Wandler 1410 einer unterbrechungsfreien Stromversorgung 1400 verwendet wird.
14 ist eine Draufsicht, die die Anordnung jeder Halbleitereinheit in dem PDM-Wandler 1410 gemäß Ausführungsform 6 zeigt. In dem PDM-Wandler 1410 sind beispielsweise vier der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d gemäß Ausführungsform 2 angeordnet.
Wie in 11B gezeigt, sind in dem PDM-Wandler 1410 die Verluste in den FWD des oberen und des unteren Arms (Dioden D1 und D2) und den rückwärts sperrenden IGBT des mittleren Arms (Halbleiterelemente T3 und T4) groß. Die Verluste in den IGBT des oberen und des unteren Arms (die Halbleiterelemente T1 und T2) sind nahe null. Aus diesem Grund ist in dem PDM-Wandler 1410 die in den FWD des oberen und des unteren Arms (die Dioden D1 und D2) und den rückwärts sperrenden IGBT des mittleren Arms (die Halbleiterelemente T3 und T4) erzeugte Wärme hoch und die in den IGBT des oberen und des unteren Arms (die Halbleiterelemente T1 und T2) erzeugte Wärme ist nahe null.
Hier sind die Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d derart angeordnet, dass die Dioden D1 und D2 und die Halbleiterelemente T3 und T4 auf der Außenseite und die Halbleiterelemente T1 und T2 auf der Innenseite des PDM-Wandlers 1410 der vorliegenden Ausführungsform sind.
Insbesondere sind in den Halbleitereinheiten 1300a und 1300b die Halbleiterelemente T3 und T4 und die Dioden D1 und D2 auf der linken Seite (der Außenseite) der Figur angeordnet, die Halbleiterelemente T1 und T2 sind auf der rechten Seite (der Innenseite) der Figur angeordnet. In den Halbleitereinheiten 1300c und 1300d sind die Halbleiterelemente T3 und T4 und die Dioden D1 und D2 auf der rechten Seite (der Außenseite) der Figur angeordnet und die Halbleiterelemente T1 und T2 sind auf der linken Seite (der Innenseite) der Figur angeordnet.
In dem PDM-Wandler 1410 der vorliegenden Ausführungsform werden die Dioden D1 und D2 und die Halbleiterelemente T3 und T4, die eine große Wärmemenge erzeugen, durch Drehen der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d auf der Außenseite des PDM-Wandlers 1410 angeordnet. In dieser Anordnung werden die Stellen in dem PDM-Wandler 1410, an denen Wärme erzeugt wird, gestreut und der Temperaturanstieg des PDM-Wandlers 1410 wird kontrolliert. Somit kann der PDM-Wandler 1410 mit höherer Zuverlässigkeit erzielt werden.
Es sollte erwähnt werden, dass in dem PDM-Wandler 1410 gemäß Ausführungsform 6 die Halbleitereinheiten 1300b und 1300c um 90 Grad entgegen dem Uhrzeigersinn in der Figur auf ähnliche Weise wie der PDM-Wechselrichter 1430 gemäß Ausführungsform 5 gedreht werden.
Wie in 11C gezeigt, sind in dem PDM-Wechselrichter 3430 des Wechselrichter-Bauelements 3400 die Verluste in den rückwärts sperrenden IGBT des mittleren Arms (die Halbleiterelemente T3 und T4) und den IGBT des oberen und des unteren Arms (die Halbleiterelemente T1 und T2) größer als die Verluste in den FWD in dem oberen und dem unteren Arm (die Dioden D1 und D2). Aus diesem Grund kann durch Anordnen der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d des PDM-Wechselrichters 3430, wie in 14 gezeigt, der Temperaturanstieg kontrolliert werden.
<Ausführungsform 7>
Ausführungsform 7 beschreibt unter Verwendung von 15 ein Beispiel, in dem ein Halbleiterbauelement als ein PDM-Wandler 1410 verwendet wird und jeder Halbleiterchip der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d anders als in Ausführungsform 6 angeordnet ist.
15 ist eine Draufsicht, die die Anordnung jeder Halbleitereinheit in dem PDM-Wandler 1410 gemäß Ausführungsform 7 zeigt. In dem PDM-Wandler 1410 gemäß Ausführungsform 7 sind beispielsweise vier der Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d gemäß Ausführungsform 2 angeordnet. 15 zeigt nur die Halbleiterchips (Halbleiterelemente und Dioden), die auf den Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d angeordnet sind. Bezugszeichen werden nur den Halbleiterchips der Halbleitereinheit 1300a gegeben und für die anderen Halbleitereinheiten 1300b bis 1300d weggelassen.
Wie oben beschrieben, kann aus 11B in dem PDM-Wandler 1410 einer unterbrechungsfreien Stromversorgung 1440 abgeleitet werden, dass die in den FWD des oberen und des unteren Arms (Dioden D1 und D2) erzeugte Wärme höher als die in den rückwärts sperrenden IGBT des mittleren Arms (Halbleiterelemente T3 und T4) erzeugte Wärme ist und dass die in den IGBT des oberen und des unteren Arms (Halbleiterelemente T1 und T2) erzeugte Wärme nahe null ist.
Hier ist in dem PDM-Wandler 1410 gemäß Ausführungsform 7 die Anordnung der Dioden D1 und D2 und der Halbleiterelemente T1 und T2 in den Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d jeweils vertauscht. Des Weiteren sind die Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d derart angeordnet, dass die Dioden D1 und D2 auf der Außenseite sind und die Halbleiterelemente T3 und T4 auf der Innenseite sind.
Insbesondere sind in den Halbleitereinheiten 1300a und 1300b, in denen die Anordnung der Dioden D1 und D2 und der Halbleiterelemente T1 und T2 jeweils vertauscht ist, die Dioden D1 und D2 auf der linken Seite (Außenseite) der Figur und die Halbleiterelemente T3 und T4 auf der rechten Seite (Innenseite) der Figur angeordnet. In den Halbleitereinheiten 1300c und 1300d, in denen die Anordnung der Dioden D1 und D2 und der Halbleiterelemente T1 und T2 jeweils vertauscht ist, die Dioden D1 und D2 auf der rechten Seite (Außenseite) der Figur und die Halbleiterelemente T3 und T4 auf der linken Seite (Innenseite) der Figur angeordnet.
In dem PDM-Wandler 1410 der vorliegenden Ausführungsform sind die Halbleitereinheiten 1300a bis 1300d auf ähnliche Weise zu Ausführungsform 6 so gedreht, dass die Dioden D1 und D2 mehr Wärme erzeugen als die Halbleiterelemente T3 und T4, die auf der Außenseite des PDM-Wandlers 1410 angeordnet sind. In dieser Anordnung werden die Stellen in dem PDM-Wandler 1410, an denen Wärme erzeugt wird, gestreut und der Temperaturanstieg des PDM-Wandlers 1410 wird kontrolliert. Auf diese Weise kann der PDM-Wandler mit höherer Zuverlässigkeit erzielt werden.
Jede Ausführungsform 1 bis 7 ist ein Beispiel und die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Obwohl zwei Halbleitereinheiten zum Beschreiben von Ausführungsform 1 verwendet wurden und vier Halbleitereinheiten zum Beschreiben der Ausführungsformen 2 bis 7 verwendet wurden, kann die Anzahl von Halbleitereinheiten beispielsweise drei oder fünf oder mehr sein.
Des Weiteren müssen nicht alle Halbleitereinheiten dieselbe interne Struktur aufweisen, und die interne Struktur kann eine Struktur mit Axial- oder Punktsymmetrie haben. Darüber hinaus ist ein Halbleiterelement, das auf einer Halbleitereinheit montiert ist, nicht auf einen Chip pro Arm beschränkt und kann mehrere Chips parallel schalten, um die Kapazität zu erhöhen.
Zudem kann eine Komponente wie eine Leiterplatine beispielsweise für die Verdrahtungselemente einer Halbleitereinheit verwendet werden. Eine Halbleitereinheit kann mehrere mehrschichtige Substrate beinhalten.
Es sollte angemerkt werden, dass in den Ausführungsformen 1 bis 7 ein Fall, in dem rückwärts sperrende IGBT mit einer Durchschlagspannung in Rückwärtsrichtung als der mittlere Arm verwendet werden, beschrieben wird, jedoch auch ein bidirektionaler Schalter, der durch antiparalleles Schalten von normalen IGBT und FWD und weiteres antiserielles Schalten dieser hergestellt wird, für einen mittleren Arm verwendet werden kann.
Obwohl das Halbleiterbauelement eine einphasige Brückenschaltungsstruktur bildet, kann es auch eine dreiphasige Struktur oder eine Struktur mit mehr als drei Phasen einschließen. Es wird Fachmännern offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen in der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Sinn oder dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Somit ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung Modifikationen und Variationen abdeckt, die in den Schutzumfang der angefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen. Insbesondere wird ausdrücklich in Betracht gezogen, dass ein beliebiger Teil oder die Gesamtheit von beliebigen zwei oder mehr der Ausführungsformen und deren oben beschriebenen Modifikationen kombiniert und als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung angesehen werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012-110095 [0004]

Claims

Halbleiterbauelement (100), das Folgendes umfasst: mehrere Halbleitereinheiten (130a, 130b), die jeweils eine Dreipunkt-Wechselrichter-Schaltung bilden; und eine Verbindungseinheit (120), die die mehreren Halbleitereinheiten (130a, 130b) elektrisch parallel schaltet, wobei jede der Halbleitereinheiten (130a, 130b) Folgendes beinhaltet: ein mehrschichtiges Substrat (131), das eine Isolierplatte (139) und Schaltungsplatten (132), die auf einer primären Fläche der Isolierplatte (139) angeordnet sind, beinhaltet; mehrere Halbleiterelemente (133), die jeweils eine Rückfläche davon, die an einer der Schaltungsplatten (132) befestigt ist, und eine Vorderfläche davon mit Primärelektroden (135) aufweisen; und Verdrahtungselemente, die mit den Primärelektroden (135) der Halbleiterelemente (133) elektrisch verbunden sind, und wobei in jeder der Halbleitereinheiten (130a, 130b) das mehrschichtige Substrat (131), die mehreren Halbleiterelemente (133) und die Verdrahtungselemente derart konfiguriert sind, dass sie die Dreipunkt-Wechselrichter-Schaltung bilden.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 1, wobei die Verdrahtungselemente eine Leiterplatte (137), die angeordnet ist, dass sie der primären Fläche der Isolierplatte (139) des mehrschichtigen Substrats (131) zugewandt ist, und mehrere leitfähige Pfosten (134) beinhalten, die die Leiterplatte (137) mit mindestens einigen der Primärelektroden (135) von jedem der Halbleiterelemente (133) elektrisch verbinden.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 1, wobei die Verbindungseinheit (120) mehrere externe Anschlüsse (121a–121d) beinhaltet.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Halbleitereinheiten (130a, 130b) nebeneinander ungefähr auf einer gleichen Ebene angeordnet sind und wobei die Verbindungseinheit die mehreren Halbleitereinheiten (130a, 130b), die nebeneinander angeordnet sind, abdeckt.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 2, wobei jede der Halbleitereinheiten (130a, 130b) weiterhin mehrere Primäranschlusspfosten umfasst, die jeweils ein unteres Ende davon, das an einer der Schaltungsplatten (132) des mehrschichtigen Substrats (131) befestigt ist, und ein anderes Ende davon aufweisen, das in derselben Richtung durch eine Durchgangsbohrung in der Leiterplatte (137) hervorragt, und wobei das andere Ende jedes der mehreren Primäranschlusspfosten in die Verbindungseinheit eingesetzt ist, wodurch die mehreren Halbleitereinheiten (130a, 130b) mittels der Verbindungseinheit (120) elektrisch parallel geschaltet werden.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 2, wobei die Verbindungseinheit (120) eine Sammelschiene oder eine Leiterplatte ist, die sich von der Leiterplatte (137) der Verdrahtungselemente unterscheidet.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 2, wobei die Halbleiterelemente (133), die Leiterplatte (137) und die leitfähigen Pfosten (134) in jeder der Halbleitereinheiten (130a, 130b) mit einem Duroplast versiegelt werden.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 1, das weiterhin ein Gehäuse (110) umfasst, das die mehreren Halbleitereinheiten (130a, 130b) unterbringt.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 1, wobei jedes der Halbleiterelemente (133) auf einer Rückfläche eine Sammelelektrode aufweist, die mit der Schaltungsplatte (132) elektrisch verbunden ist.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 1, wobei die Verdrahtungselemente mehrere Drähte beinhalten, die mit den Primärelektroden (135) der Halbleiterelemente (133) elektrisch verbunden sind.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 1, wobei die Halbleitereinheiten (130a, 130b) gemäß Verlusten während eines Betriebs des Halbleiterbauelements (100) in den jeweiligen Halbleitereinheiten (130a, 130b) angeordnet werden, so dass die Halbleiterelemente (133), die Wärme erzeugen, räumlich verteilt sind.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 11, wobei die Halbleitereinheiten (130a, 130b) derart angeordnet werden, dass die Halbleiterelemente (133), bei denen die Verluste am größten sind, auf einer Außenseite des Halbleiterbauelements (100) sind.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 11, wobei in jeder der Halbleitereinheiten (130a, 130b) die Halbleiterelemente (133) derart angeordnet werden, dass die Halbleiterelemente (133) in den mehreren Halbleitereinheiten (130a, 130b), die Wärme erzeugen, auf einer Außenseite des Halbleiterbauelements (100) angeordnet sind.
Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 1, wobei alle der Halbleitereinheiten (130a, 130b) nebeneinander angeordnet sind und die Verbindungseinheit (120) allgemein über den mehreren Halbleitereinheiten (130a, 130b) angeordnet ist.