DE102016103714A1 - Leistungshalbleiterpackage und Anwendungen davon - Google Patents

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Abstract

Ein Leistungshalbleiterpackage enthält einen Referenzspannungsanschluss, einen Versorgungsspannungsanschluss, einen Phasenanschluss, einen ersten Leistungstransistor und einen zweiten Leistungstransistor. Der erste Leistungstransistor und der zweite Leistungstransistor sind in Reihe geschaltet und bilden einen Low-Side-Schalter und einen High-Side-Schalter einer Halbbrückenschaltung.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Offenbarung betrifft allgemein Halbleiterbauelemente. Die Offenbarung betrifft insbesondere Leistungshalbleiterpackages und Anwendungen davon.
  • HINTERGRUND
  • Leistungshalbleiterpackages können auf verschiedenen technischen Gebieten und Anwendungen angewendet werden, wie etwa zum Beispiel Kraftfahrzeugelektronik. Während eines Betriebs von Kraftfahrzeugelektronikkomponenten können Verluste auftreten, die zu einer unerwünschten Zunahme des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen des Fahrzeugs führen können. Leistungshalbleiter und ihre Packages müssen ständig verbessert werden. Insbesondere kann es wünschenswert sein, die Effizienz von Kraftfahrzeugelektronikkomponenten zu verbessern, um den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu reduzieren.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beiliegenden Zeichnungen sind aufgenommen, um ein eingehenderes Verständnis von Aspekten zu vermitteln, und sind in diese Beschreibung aufgenommen und stellen einen Teil dieser dar. Die Zeichnungen veranschaulichen Aspekte und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung von Prinzipien von Aspekten. Andere Aspekte und viele der beabsichtigten Vorteile von Aspekten ergeben sich ohne weiteres, wenn sie unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen können entsprechende ähnliche Teile bezeichnen.
  • 1 veranschaulicht schematisch ein Leistungshalbleiterpackage 100 gemäß der Offenbarung.
  • 2 veranschaulicht schematisch eine Schaltung 200 gemäß der Offenbarung.
  • 3 veranschaulicht schematisch eine Schaltung 300 gemäß der Offenbarung.
  • 4 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer Vorrichtung 400 gemäß der Offenbarung.
  • 5 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer Vorrichtung 500 gemäß der Offenbarung.
  • 6 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer Vorrichtung 600 gemäß der Offenbarung in Form eines Press-Fit-Package.
  • 7 veranschaulicht ein schematisches Diagramm einer Schaltung 700 mit einem Multiphasengleichrichter.
  • 8 veranschaulicht ein schematisches Diagramm einer Schaltung 800 mit einem Multiphasengleichrichter. Der Multiphasengleichrichter enthält Leistungshalbleiterpackages gemäß der Offenbarung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen als Veranschaulichung spezifische Aspekte gezeigt sind, in denen die Offenbarung praktiziert werden kann. In dieser Hinsicht wird unter Bezugnahme auf die Orientierung der Figuren, die beschrieben werden, Richtungsterminologie verwendet wie etwa „Oberseite“, „Unterseite“, „Vorderseite“, „Rückseite“ usw. Da Komponenten von beschriebenen Vorrichtungen in einer Reihe unterschiedlicher Orientierungen positioniert sein können, kann die Richtungsterminologie zu Zwecken der Darstellung verwendet werden und ist auf keinerlei Weise beschränkend. Andere Aspekte können genutzt und strukturelle oder logische Änderungen können vorgenommen werden, ohne von dem Konzept der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Somit ist die folgende ausführliche Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen, und das Konzept der vorliegenden Offenbarung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
  • Wie in dieser Beschreibung verwendet, können die Terme „verbunden“, „gekoppelt“, „elektrisch verbunden“ und/oder „elektrisch gekoppelt“ nicht notwendigerweise bedeuten, dass Elemente direkt verbunden oder miteinander gekoppelt sein müssen. Dazwischenliegende Elemente können zwischen den „verbundenen“, „gekoppelten“, „elektrisch verbundenen“ oder „elektrisch gekoppelten“ Elementen vorgesehen sein.
  • Zudem kann das Wort „über“, das bezüglich zum Beispiel einer Materialschicht verwendet wird, die „über“ einer Oberfläche eines Objekts ausgebildet ist oder sich darüber befindet, so verwendet werden, dass es bedeutet, dass sich die Materialschicht „direkt auf“, zum Beispiel in direktem Kontakt mit, der implizierten Oberfläche befinden kann (zum Beispiel ausgebildet, abgeschieden usw.). Das Wort „über“, das zum Beispiel bezüglich einer Materialschicht verwendet wird, die „über“ einer Oberfläche ausgebildet ist oder sich darüber befindet, kann hier auch so verwendet werden, dass es bedeutet, dass sich die Materialschicht „indirekt auf“ der implizierten Oberfläche befinden kann (zum Beispiel ausgebildet, abgeschieden usw.), wobei z.B. eine oder mehrere zusätzliche Schichten zwischen der implizierten Oberfläche und der Materialschicht angeordnet sein können.
  • Es werden hierin Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellen von Vorrichtungen beschrieben. In Verbindung mit einer beschriebenen Vorrichtung gemachte Kommentare können auch für ein entsprechendes Verfahren gelten und umgekehrt. Falls beispielsweise eine spezifische Komponente einer Vorrichtung beschrieben wird, kann ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung eine Handlung des Bereitstellens der Komponente auf geeignete Weise beinhalten, selbst falls eine derartige Handlung nicht explizit beschrieben oder in den Figuren dargestellt ist. Außerdem können die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Aspekte miteinander kombiniert werden, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben wird.
  • Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können einen oder mehrere Halbleiterchips beinhalten. Im Allgemeinen können die Halbleiterchips integrierte Schaltungen, passive Elektronikkomponenten, aktive Elektronikkomponenten usw. enthalten. Die integrierten Schaltungen können als integrierte Logikschaltungen, integrierte Analogschaltungen, integrierte Mischsignalschaltungen, integrierte Leistungsschaltungen usw. ausgelegt sein. Die Halbleiterchips brauchen nicht aus einem spezifischen Halbleitermaterial hergestellt zu sein und können anorganische und/oder organische Materialien enthalten, die keine Halbleiter sind, wie etwa beispielsweise Isolatoren, Kunststoffe, Metalle usw. Bei einem Beispiel können die Halbleiterchips aus einem elementaren Halbleitermaterial hergestellt werden, beispielsweise Si usw. Bei einem weiteren Beispiel können die Halbleiterchips aus einem Verbundhalbleitermaterial hergestellt sein, beispielsweise GaN, SiC, SiGe, GaAs usw.
  • Bei einem Beispiel können die Halbleiterchips einen Leistungshalbleiter enthalten. Im Allgemeinen können die Leistungshalbleiterchips als Dioden, Leistungs-MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Gate Field Effect Transistors), HEMTs (High Electron Mobility Transistors), Super-Junction-Vorrichtungen, Leistungsbipolartransistoren usw. konfiguriert sein. In einem ersten Fall können die Leistungshalbleiterchips eine vertikale Struktur besitzen, das heißt, die Halbleiterchips können derart hergestellt sein, dass elektrische Ströme im Wesentlichen in einer Richtung senkrecht zu den Hauptoberflächen der Halbleiterchips fließen. Beispielsweise können die Gate-Elektrode und die Source-Elektrode eines Leistungs-MOSFET über einer Hauptoberfläche angeordnet sein, während die Drain-Elektrode des Leistungs-MOSFET über der anderen Hauptoberfläche angeordnet sein kann. In einem zweiten Fall können die Leistungshalbleiterchips eine laterale Struktur besitzen, das heißt, die Halbleiterchips können derart hergestellt sein, dass elektrische Ströme im Wesentlichen in einer Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche der Halbleiterchips fließen. Beispielsweise können die Gate-Elektrode, die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode eines Leistungs-MOSFET über einer Hauptoberfläche des Leistungs-MOSFET angeordnet sein.
  • In einem weiteren Beispiel können die Halbleiterchips konfiguriert sein zum Steuern (oder Treiben) von Elektronikkomponenten einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung. Beispielsweise kann eine derartige Steuerung (oder Treiben) von Halbleiterchips konfiguriert sein zum Steuern der integrierten Schaltungen eines oder mehrerer Leistungshalbleiterchips. Eine Steuerschaltung kann konfiguriert sein zum Treiben eines oder mehrerer Elektronikkomponenten der Vorrichtung, wie etwa zum Beispiel eines Hochleistungstransistors. Hier können die Steuerschaltung und der Hochleistungstransistor monolithisch in einem Halbleiterchip integriert sein. Die getriebenen Komponenten können über Spannung oder Strom getrieben werden. In einem Fall kann das Treiben einer Komponente einschließlich einer Gate-Elektrode durch eine Gate-Treiberschaltung durchgeführt werden. Der Treibprozess kann das Anlegen verschiedener Spannungen an die Gate-Elektrode beinhalten, beispielsweise in Form von Einschalt- und Ausschalt-Schaltwellenformen.
  • Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können einen oder mehrere elektrische Anschlüsse enthalten, wie etwa zum Beispiel einen Versorgungsspannungsanschluss, einen Referenzspannungsanschluss, einen Phasenanschluss. Ein elektrischer Anschluss eines Halbleiterpackage kann insbesondere das Herstellen eines elektrischen Kontakts mit internen Elektronikstrukturen und Elektronikkomponenten (z.B. Halbleiterchips), die in dem Halbleiterpackage enthalten und angeordnet sind, von außerhalb des Halbleiterpackage gestatten. Solche Anschlüsse können sich insbesondere an einer Peripherie des Halbleiterpackage befinden und somit externe Anschlüsse des Halbleiterpackage darstellen. Die Anschlüsse können somit freiliegende Teile besitzen und können somit von außerhalb des Halbleiterpackage zugänglich sein. In dieser Hinsicht können die Kontaktanschlüsse von elektrischen Anschlüssen unterschieden werden, die Teil einer internen Struktur des Halbleiterpackage sein können. Bei einem Beispiel kann ein Anschluss (z.B. ein Leistungsversorgungsanschluss oder ein Phasenanschluss) einen Pin oder eine Zuleitung (engl. lead) enthalten oder diesen entsprechen. Bei einem weiteren Beispiel kann ein Anschluss (z.B. ein Referenzanschluss) eine Basisplatte enthalten (z.B. eine Basisplatte eines Press-Fit-Package) oder dieser entsprechen. Die Anschlüsse können aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung bestehen, insbesondere Kupfer und/oder Kupferlegierung. Ein Halbleiterpackage kann auf der Basis der Anzahl seiner (externen) Anschlüsse klassifiziert werden. Beispielsweise kann ein 3-Anschluss-Halbleiterpackage einem Halbleiterpackage mit einer Anzahl von genau drei Anschlüssen entsprechen, die von außerhalb des Halbleiterpackage zugänglich sein können.
  • 1 veranschaulicht schematisch ein Leistungshalbleiterpackage 100 gemäß der Offenbarung. Das Leistungshalbleiterpackage 100 ist auf allgemeine Weise dargestellt, um einen Aspekt der Offenbarung qualitativ zu spezifizieren. Das Leistungshalbleiterpackage 100 kann weitere Komponenten enthalten, die der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Beispielsweise kann das Leistungshalbleiterpackage 100 weiterhin eine oder mehrere Komponenten von anderen Vorrichtungen gemäß der Offenbarung enthalten.
  • Das Leistungshalbleiterpackage 100 kann einen Referenzspannungsanschluss 2 (siehe VREF), einen Versorgungsspannungsanschluss 4 (siehe VSUP) und einen Phasenanschluss 6 (siehe PHASE) enthalten. Insbesondere kann jeder der Anschlüsse 2, 4, 6 einem externen Anschluss des Leistungshalbleiterpackage 100 entsprechen, der von außerhalb des Leistungshalbleiterpackage 100 zugänglich ist. In 1 ist eine Peripherie des Leistungshalbleiterpackage 100 durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Als solches kann das Leistungshalbleiterpackage 100 insbesondere einem 3-Anschluss-Package entsprechen. Das Leistungshalbleiterpackage 100 kann weiterhin einen ersten Leistungstransistor 8 und einen zweiten Leistungstransistor 10 enthalten. Der erste Leistungstransistor 8 und der zweite Leistungstransistor 10 können in Reihe geschaltet sein und können einen Low-Side-Schalter und einen High-Side-Schalter einer Halbbrückenschaltung bilden.
  • Wie später beschrieben werden wird, kann das Leistungshalbleiterpackage 100 konfiguriert sein, in einem Beispiel als ein Zweig eines Multiphasengleichrichters zu arbeiten. Während eines Betriebs eines derartigen Gleichrichters kann ein Spannungsabfall an einem Zweig des Gleichrichters auftreten. Für den Fall, dass der Gleichrichterzweig unter Verwendung von Dioden implementiert ist, kann der Wert eines derartigen Spannungsabfalls etwa 1 V betragen. Im Gegensatz dazu kann der Spannungsabfall an einem Zweig auf einen Wert von etwa 0,2 V reduziert werden, wenn der Zweig auf der Basis einer Leistungshalbleiterkomponente gemäß der Offenbarung implementiert ist. Ein spezifisches Beispiel für einen Gleichrichter mit Leistungshalbleiterkomponenten gemäß der Offenbarung ist in Verbindung mit 8 erörtert.
  • 2 veranschaulicht schematisch eine Schaltung 200 gemäß der Offenbarung. Die Schaltung 200 ist auf allgemeine Weise dargestellt, um einen Aspekt der Offenbarung qualitativ zu spezifizieren. Die Schaltung 200 kann weitere Komponenten enthalten, die der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Beispielsweise kann die Schaltung 200 ferner eine oder mehrere Komponenten von anderen Vorrichtungen gemäß der Offenbarung enthalten.
  • Die Schaltung 200 kann einen Referenzspannungsanschluss 2 (siehe VREF) und einen Versorgungsspannungsanschluss 4 (siehe VSUP) enthalten. Die Schaltung 200 kann weiterhin einen ersten Leistungstransistor 8 und einen zweiten Leistungstransistor 10 enthalten. Der erste Leistungstransistor 8 und der zweite Leistungstransistor 10 können in Reihe geschaltet sein und können einen Low-Side-Schalter und einen High-Side-Schalter einer Halbbrückenschaltung bilden. Die Schaltung 200 kann weiterhin einen ersten Controller 12 enthalten, der konfiguriert ist zum Steuern des ersten Leistungstransistors 8, wobei der erste Controller 12 zwischen den ersten Leistungstransistor 8 und den Referenzspannungsanschluss 2 geschaltet sein kann. Außerdem kann die Schaltung 200 einen zweiten Controller 14 enthalten, der konfiguriert ist zum Steuern des zweiten Leistungstransistors 10, wobei der zweite Controller 14 zwischen den zweiten Leistungstransistor 10 und den Versorgungsspannungsanschluss 4 geschaltet sein kann.
  • In dem Beispiel von 2 ist jeder des ersten Controllers 12 und des zweiten Controllers 14 derart in die Schaltung 200 geschaltet, dass jeder der Controller 12 und 14 konfiguriert sein kann, auf der Basis einer Potenzialdifferenz zwischen einer an den Referenzspannungsanschluss 2 angelegten Referenzspannung und einer an den Versorgungsspannungsanschluss 4 angelegten Versorgungsspannung mit Leistung versorgt zu werden. Das heißt, die Potenzialdifferenz kann ausgenutzt werden, um die Controller 12 und 14 zu versorgen. Eine Stromversorgung des ersten Controllers 12 und des zweiten Controllers 14 kann somit von einer Stromquelle innerhalb des Package unabhängig sein. Ein die Schaltung 200 enthaltendes Leistungshalbleiterpackage muss deshalb möglicherweise keine zusätzliche Stromquelle enthalten, um den ersten Controller 12 und den zweiten Controller 14 zu versorgen.
  • 3 veranschaulicht schematisch eine Schaltung 300 gemäß der Offenbarung. Die Schaltung 300 kann als eine detailliertere Implementierung der Schaltung 200 gesehen werden, so dass Details der unten beschriebenen Schaltung 300 gleichermaßen auf die Schaltung 200 angewendet werden können. Die Schaltung 300 kann in einem Leistungshalbleiterpackage gemäß der Offenbarung enthalten sein. Ein derartiges Leistungshalbleiterpackage kann zum Beispiel konfiguriert sein, als ein Zweig eines Multiphasengleichrichters zu arbeiten.
  • Die Schaltung 300 kann einen Referenzspannungsanschluss 2, einen Versorgungsspannungsanschluss 4 und einen Phasenanschluss 6 enthalten. Zudem kann die Schaltung 300 einen ersten Leistungstransistor 8, einen zweiten Leistungstransistor 10, einen ersten Controller 12 und einen zweiten Controller 14 enthalten. Der erste Leistungstransistor 8 und der erste Controller 12 können einen ersten Halbleiterchip 16 bilden, während der zweite Leistungstransistor 10 und der zweite Controller 14 einen zweiten Halbleiterchip 18 bilden können. Insbesondere können der erste Leistungstransistor 8 und der erste Controller 12 monolithisch in den ersten Halbleiterchip 16 integriert sein, und der zweite Leistungstransistor 10 und der zweite Controller 14 können monolithisch in den zweiten Halbleiterchip 18 integriert sein.
  • In dem Beispiel von 3 kann der Versorgungsspannungsanschluss 4 elektrisch an eine Stromversorgung (nicht dargestellt) gekoppelt sein, insbesondere an einen Anschluss einer DC-Stromversorgung wie etwa zum Beispiel eine Batterie. In dieser Hinsicht kann der Referenzspannungsanschluss 2 elektrisch an einen weiteren Anschluss der DC-Stromversorgung gekoppelt sein. Insbesondere kann der Referenzspannungsanschluss geerdet sein. Der Phasenanschluss 6 kann elektrisch an einen Stromgenerator (nicht dargestellt) gekoppelt sein.
  • Jeder des ersten Leistungstransistors 8 und des zweiten Leistungstransistors 10 kann einem Leistungs-MOSFET entsprechen. In dieser Hinsicht kann jeder des ersten Leistungstransistors 8 und des zweiten Leistungstransistors 10 eine Gate-Elektrode (siehe G1, G2), eine Source-Elektrode (siehe S1, S2) und eine Drain-Elektrode (siehe D1, D2) enthalten. Die Drain-Elektrode D1 des ersten Leistungstransistors 8 kann elektrisch an den Versorgungsspannungsanschluss 4 gekoppelt sein, die Gate-Elektrode G1 des ersten Leistungstransistors 8 kann elektrisch an den ersten Controller 12 gekoppelt sein, und die Source-Elektrode S1 des ersten Leistungstransistors 8 kann elektrisch an die Drain-Elektrode D2 des zweiten Leistungstransistors 10 gekoppelt sein. Weiterhin kann die Gate-Elektrode G2 des zweiten Leistungstransistors 10 elektrisch an den zweiten Controller 14 gekoppelt sein, und die Source-Elektrode S2 des zweiten Leistungstransistors 10 kann elektrisch an den Referenzspannungsanschluss 2 gekoppelt sein. Dementsprechend können der erste Leistungstransistor 8 und der zweite Leistungstransistor 14 in Reihe geschaltet sein, wobei der Phasenanschluss 6 zwischen die Source-Elektrode S1 des ersten Leistungstransistors 8 und die Drain-Elektrode D2 des zweiten Leistungstransistors 10 geschaltet sein kann.
  • Der erste Controller 12 kann zwischen die Gate-Elektrode G1 des ersten Leistungstransistors 8 und den Referenzspannungsanschluss 2 geschaltet sein. Auf ähnliche Weise kann der zweite Controller 14 zwischen die Gate-Elektrode G2 des zweiten Leistungstransistors 10 und den Versorgungsspannungsanschluss 4 geschaltet sein. Aufgrund ihrer Anordnung in der Schaltung 300 kann jeder der Controller 12 und 14 konfiguriert sein, auf der Basis einer Potenzialdifferenz zwischen einer an den Versorgungsspannungsanschluss 4 angelegten Versorgungsspannung und einer an den Referenzspannungsanschluss 2 angelegten Referenzspannung mit Leistung versorgt zu werden. Deshalb kann eine zusätzliche Stromquelle zum Bereitstellen einer Stromversorgung des ersten Controllers 12 und des zweiten Controllers 14 entfallen.
  • Der erste Leistungstransistor 8 und der zweite Leistungstransistor 10 können konfiguriert sein, als ein Low-Side-Schalter und ein High-Side-Schalter einer Halbbrückenschaltung zu arbeiten, die zwischen dem Referenzspannungsanschluss 2 und dem Versorgungsspannungsanschluss 4 angeordnet ist. In dieser Hinsicht kann der erste Controller 12 konfiguriert sein, als ein Gate-Treiber zu arbeiten und die Gate-Elektrode G1 des ersten Leistungstransistors 8 zu steuern. Analog kann der zweite Controller 14 konfiguriert sein, als ein Gate-Treiber zu arbeiten und die Gate-Elektrode G2 des zweiten Leistungstransistors 10 zu steuern.
  • 4 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer Vorrichtung 400 gemäß der Offenbarung. Die Vorrichtung 400 kann konfiguriert sein zum Arbeiten gemäß der Schaltung 300 von 3. Die Vorrichtung 400 kann weitere Komponenten enthalten, die der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Beispielsweise kann die Vorrichtung 400 ferner eine oder mehrere Komponenten von anderen Vorrichtungen gemäß der Offenbarung enthalten.
  • Die Vorrichtung 400 kann einen Referenzspannungsanschluss 2, einen Versorgungsspannungsanschluss 4, einen Phasenanschluss 6, einen ersten Halbleiterchip 16 und einen zweiten Halbleiterchip 18 enthalten. Die Komponenten können in einer vertikalen Richtung (siehe y-Achse) übereinander gestapelt sein, wie in 4 dargestellt. Jeder des ersten Halbleiterchips 16 und des zweiten Halbleiterchips 18 kann einen Leistungstransistor und einen Controller derart enthalten, dass eine Schaltungsanordnung ähnlich 3 in der Vorrichtung 400 realisiert werden kann. Die Vorrichtung 400 kann weiterhin ein erstes elektrisches Koppelelement 20 und ein zweites elektrisches Koppelelement 22 enthalten.
  • Beispielsweise kann der Referenzspannungsanschluss 2 eine Basismetallplatte sein, die aus Kupfer und/oder einer Kupferlegierung bestehen kann. Der Referenzspannungsanschluss 2 kann geerdet und konfiguriert sein zum Ableiten von durch die Halbleiterchips 16 und 18 erzeugte Arbeitswärme. Der zweite Halbleiterchip 18 kann einen (zweiten) Leistungs-MOSFET mit einer vertikalen Struktur enthalten. Eine Gate-Elektrode und eine Source-Elektrode des zweiten Leistungs-MOSFET können auf der unteren Oberfläche des zweiten Halbleiterchips 18 angeordnet sein, während eine Drain-Elektrode des zweiten Leistungs-MOSFET auf der oberen Oberfläche des zweiten Halbleiterchips 18 angeordnet sein kann. Die Source-Elektrode des zweiten Leistungs-MOSFET (oder der Anodenanschluss des zweiten Halbleiterchips 18) kann elektrisch an den Referenzspannungsanschluss 2 gekoppelt sein.
  • Die untere Oberfläche des Phasenanschlusses 6 kann elektrisch an die Drain-Elektrode des zweiten Leistungs-MOSFET (oder an den Kathodenanschluss des zweiten Halbleiterchips 18) gekoppelt sein. Der Phasenanschluss 6 kann hochleitend sein und kann zum Beispiel aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung hergestellt sein, insbesondere Kupfer und/oder eine Kupferlegierung. Der Phasenanschluss 6 kann somit konfiguriert sein, den ersten Halbleiterchip 16 und den zweiten Halbleiterchip 18 elektrisch und thermisch zu koppeln. Mindestens ein Teil der oberen Oberfläche des zweiten Halbleiterchips 18 kann derart durch den Phasenanschluss 6 unbedeckt bleiben, dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 4 und dem zweiten Halbleiterchip 18 über das zweite elektrische Koppelelement 22 hergestellt werden kann.
  • Der erste Halbleiterchip 16 kann einen (ersten) Leistungs-MOSFET mit einer vertikalen Struktur enthalten. Eine Gate-Elektrode und eine Source-Elektrode des ersten Leistungs-MOSFET können auf der unteren Oberfläche des ersten Halbleiterchips 16 angeordnet sein, während eine Drain-Elektrode des ersten Leistungs-MOSFET auf der oberen Oberfläche des ersten Halbleiterchips 16 angeordnet sein kann. Die obere Oberfläche des Phasenanschlusses 6 kann elektrisch an die Source-Elektrode des ersten Leistungs-MOSFET (oder an den Anodenanschluss des ersten Halbleiterchips 16) gekoppelt sein. Mindestens ein Teil der unteren Oberfläche des ersten Halbleiterchips 16 kann derart durch den Phasenanschluss 6 unbedeckt bleiben, dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Referenzspannungsanschluss 2 und dem ersten Halbleiterchip 16 über das erste elektrische Koppelelement 20 hergestellt werden kann. Die untere Oberfläche des Versorgungsspannungsanschlusses 4 kann elektrisch an die Drain-Elektrode des ersten Leistungs-MOSFET (oder an den Kathodenanschluss des ersten Halbleiterchips 16) gekoppelt sein.
  • Jedes des ersten elektrischen Koppelelements 20 und des zweiten elektrischen Koppelelements 22 kann ein Pin (oder eine Zuleitung) sein, der aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung hergestellt ist, insbesondere Kupfer und/oder einer Kupferlegierung. Das erste elektrische Koppelelement 20 kann eine elektrische Kopplung zwischen dem in den ersten Halbleiterchip 16 integrierten (ersten) Controller und dem Referenzspannungsanschluss 2 bereitstellen. Weiterhin kann das zweite elektrische Koppelelement 22 eine elektrische Kopplung zwischen dem in den zweiten Halbleiterchip 18 integrierten (zweiten) Controller und dem Versorgungsspannungsanschluss 4 bereitstellen. Bei einem Beispiel kann das zweite elektrische Koppelelement 22 seitlich zum zweiten Halbleiterchip 18 in einer Richtung versetzt sein, die sich aus der Zeichenebene von 4 heraus oder in diese hinein erstreckt (siehe z-Achse), so dass das zweite elektrische Koppelelement 22 den zweiten Halbleiterchip 18 umgehen kann und nicht kontaktieren, um den Referenzspannungsanschluss 2 zu erreichen und zu kontaktieren. Bei einem weiteren Beispiel kann das zweite elektrische Koppelelement 22 die untere Oberfläche des zweiten Halbleiterchips 18 über eine Durchverbindung kontaktieren, die sich von der oberen Oberfläche des zweiten Halbleiterchips 18 zur unteren Oberfläche des zweiten Halbleiterchips 18 erstreckt.
  • Der erste Halbleiterchip 16 und der zweite Halbleiterchip 18 können ähnliche Komponenten enthalten und können somit ähnliche geometrische Abmessungen besitzen. Bei dem Beispiel von 4 können die Halbleiterchips 16 und 18 in einer seitlichen Richtung (siehe x-Achse) derart versetzt angeordnet sein, dass sich die elektrischen Koppelelemente 20 und 22 im Wesentlichen in der vertikalen Richtung erstrecken können (siehe y-Achse), wodurch eine elektrische Verbindung zwischen den Controllern in den Halbleiterchips 16 und 18 und den Anschlüssen 2 und 4 hergestellt wird.
  • 5 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer Vorrichtung 500 gemäß der Offenbarung. Die Vorrichtung 500 kann zumindest teilweise ähnlich der Vorrichtung 400 sein und kann ähnliche Komponenten enthalten, so dass in Verbindung mit 4 gemachte Kommentare auch für 5 gelten können. Die Vorrichtung 500 kann konfiguriert sein, gemäß der Schaltung 300 von 3 zu arbeiten. Die Vorrichtung 500 kann weitere Komponenten enthalten, die der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Beispielsweise kann die Vorrichtung 500 weiterhin eine oder mehrere Komponenten von anderen Vorrichtungen gemäß der Offenbarung enthalten.
  • Die elektrischen Koppelelemente 20 und 22 der Vorrichtung 500 können sich von ähnlichen Komponenten der Vorrichtung 400 in 4 unterscheiden. Das erste elektrische Koppelelement 20 in 5 kann eine elektrische Kopplung zwischen dem ersten Controller in dem ersten Halbleiterchip 16 und dem Referenzpotenzialanschluss 2 herstellen, wie in Verbindung mit 4 erörtert, kann aber hinsichtlich Form und Abmessung verschieden sein. Das zweite elektrische Koppelelement 22 in 5 kann L-förmig sein einschließlich eines ersten Teils, der sich in der x-Richtung erstreckt, und eines zweiten Teils, der sich in der y-Richtung erstreckt. Der vertikale erste Teil kann elektrisch an den Versorgungsspannungsanschluss 4 gekoppelt sein, und der seitliche zweite Teil kann elektrisch an eine Elektrode gekoppelt sein, die auf der unteren Oberfläche des zweiten Halbleiterchips 18 angeordnet ist, wobei die Elektrode elektrisch an den zweiten Controller des zweiten Halbleiterchips 18 gekoppelt ist. Beispielsweise kann die Anordnung von 5 verwendet werden, wenn die Halbleiterchips 16 und 18 sich hinsichtlich ihrer seitlichen Abmessungen in der x-Richtung unterscheiden können.
  • 6 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer Vorrichtung 600 gemäß der Offenbarung. Die Vorrichtung 600 kann konfiguriert sein, gemäß der Schaltung 300 von 3 zu arbeiten, und kann einem Press-Fit-Package entsprechen.
  • Die Vorrichtung 600 kann zumindest teilweise der Vorrichtung 400 von 4 ähnlich sein und kann ähnliche Komponenten enthalten. Außerdem kann die Vorrichtung 600 einen einen Hohlraum bildenden Metallbecher 24, einen Versorgungsspannungsanschlusspin (oder eine -zuleitung) 26, einen Phasenanschlusspin (oder eine -zuleitung) 28 und ein Kapselungsmaterial 30 enthalten. Der Bodenteil des Metallbechers 24 kann eine Basisplatte enthalten, die den oben erörterten Referenzspannungsanschlüssen 2 entsprechen kann. Der Metallbecher 24 kann elektrisch an ein Referenzpotenzial, insbesondere an Masse, gekoppelt sein. Der Versorgungsspannungspin 26 und der Versorgungsspannungsanschluss 4 können als ein Stück ausgebildet sein. Der Versorgungsspannungspin 26 kann elektrisch an eine Versorgungsspannung wie etwa zum Beispiel eine Batterie gekoppelt sein. Der Phasenanschlusspin 28 und der Phasenanschluss 6 können als ein Stück ausgebildet sein. In der Querschnittsseitenansicht von 6 kann sich die Verbindung zwischen dem Phasenanschlusspin 28 und dem Phasenanschluss 6 hinter dem zweiten Halbleiterchip 16 und dem Versorgungsspannungsanschluss 4 erstrecken und kann somit verborgen sein. Der Hohlraum des Metallbechers 24 kann mit einem elektrisch isolierenden Kapselungsmaterial 30 gefüllt sein, das eine oder mehrere, in dem Hohlraum angeordnete Komponenten bedecken kann. Bei dem Beispiel von 6 erstrecken sich möglicherweise nur die Pins 26 und 28 aus dem Kapselungsmaterial 30.
  • Wie oben beschrieben, kann in dem Beispiel von 6 die Basisplatte des Metallbechers 24 elektrisch an ein Referenzpotenzial gekoppelt sein, während der Pin 26 elektrisch an eine Versorgungsspannung gekoppelt sein kann. Es wird angemerkt, dass in weiteren Beispielen die an die Basisplatte des Metallbechers 24 und den Pin 26 angelegten Potenziale vertauscht sein können. Das heißt, die Basisplatte des Metallbechers 24 kann elektrisch an eine Versorgungsspannung gekoppelt sein, während der Pin 26 elektrisch an ein Referenzpotenzial, insbesondere Masse, gekoppelt sein kann. In einem derartigen Fall kann die Reihenfolge der Komponenten der Vorrichtung 600 in der y-Richtung vertauscht sein, um eine ähnliche Schaltung zu realisieren.
  • 7 veranschaulicht ein schematisches Diagramm einer Schaltung 700, die in einem Fahrzeug verwendet werden kann. Die Schaltung 700 kann eine Lichtmaschine 32, einen Multiphasengleichrichter 34, eine Last 36 und eine Batterie 38 enthalten. Der Multiphasengleichrichter 34 kann drei Zweige 40 enthalten, wobei jeder der Zweige 40 zwei Dioden 42.1, 42.2 enthalten kann.
  • In dem Beispiel von 7 kann die Lichtmaschine 32 eine Dreiphasen-Lichtmaschine sein, die konfiguriert ist zum Generieren von drei unabhängigen AC-Strömen (siehe P1, P2, P3). Die drei AC-Ströme können eine gleiche Frequenz und eine gleiche Amplitude besitzen und können zueinander um einen Wert von 120° phasenverschoben sein. Jeder der drei AC-Ströme kann in einen jeweiligen Zweig 40 des Multiphasengleichrichters 34 eingegeben werden, der dementsprechend einem Dreiphasen-Gleichrichter entsprechen kann. Die drei Zweige 40 des Gleichrichters 34 können konfiguriert sein zum Gleichrichten der AC-Ströme, so dass eine DC-Spannung an einem Ausgang des Gleichrichters 34 bereitgestellt werden kann. Die DC-Spannung (siehe VSUP, VREF) kann zum Beispiel für die Leistungsversorgung einer Last 36 verwendet werden. Außerdem kann die DC-Spannung zum Laden der Batterie 38 verwendet werden. Es wird angemerkt, dass in einem weiteren Beispiel die Schaltung 700 auf sechs Phasen basieren kann. Das heißt, die Lichtmaschine 32 und der Gleichrichter 34 können einer Sechsphasen-Lichtmaschine und einem Sechsphasen-Gleichrichter entsprechen. Bei noch einem weiteren Beispiel kann die Schaltung 700 auf fünf Phasen basieren. Das heißt, die Lichtmaschine 32 und der Gleichrichter 34 können einer Fünfphasen-Lichtmaschine und einem Fünfphasen-Gleichrichter entsprechen.
  • 8 veranschaulicht ein schematisches Diagramm einer Schaltung 800 mit Leistungshalbleiterpackages gemäß der Offenbarung. Die Schaltung 800 kann ähnlich der Schaltung 700 von 7 arbeiten.
  • Die Schaltung 800 kann zumindest teilweise ähnliche Komponenten wie die Schaltung 700 enthalten. Im Vergleich zu der Schaltung 700 kann in jedem der Zweige des Dreiphasen-Gleichrichters 34 das jeweilige Paar von Dioden 42.1, 42.2 durch ein Leistungshalbleiterpackage 50 mit Anschlüssen 2, 4 und 6 ersetzt werden, wie oben in Verbindung mit den vorausgegangenen Figuren erörtert. Das Leistungshalbleiterpackage 50 kann ähnlich einem der erörterten Leistungshalbleiterpackages oder Schaltungen gemäß der Offenbarung sein.
  • Wie in Verbindung mit 1 beschrieben, kann die Schaltung 800, die die Leistungshalbleiterpackages 50 verwendet, einen reduzierten Spannungsabfall an den Zweigen des Gleichrichters 34 im Vergleich zu der Schaltung 700 bereitstellen, die Dioden in den Zweigen des Gleichrichters 34 verwendet. Außerdem müssen, wie in Verbindung mit 2 beschrieben, die Leistungshalbleiterpackages 50 keine interne Stromversorgung zum Versorgen von Controllern enthalten, die in den Leistungshalbleiterpackages enthalten sind. Vielmehr können die Controller auf der Basis der Potenzialdifferenz zwischen der Versorgungsspannung VSUP und der Referenzspannung VREF versorgt werden.
  • Wenngleich ein bestimmtes Merkmal oder ein bestimmter Aspekt der Offenbarung möglicherweise nur bezüglich einer von mehreren Implementierungen offenbart worden ist, kann ein derartiges Merkmal oder ein derartiger Aspekt mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie dies für eine beliebige gegebene oder bestimmte Anwendung erwünscht und vorteilhaft sein kann. Zudem sollen in dem Ausmaß, dass die Terme „enthalten“, „haben“, „mit“ oder andere Varianten davon entweder in der ausführlichen Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet werden, solche Terme auf eine Weise inklusiv sein ähnlich dem Term „umfassen“. Außerdem ist der Term „beispielhaft“ lediglich als ein Beispiel anstatt das Beste oder Optimale gemeint. Es versteht sich außerdem, dass hierin dargestellte Merkmale und/oder Elemente mit bestimmten Abmessungen relativ zueinander zum Zweck der Vereinfachung und zur Erleichterung des Verständnisses dargestellt sind und dass tatsächliche Abmessungen wesentlich von den hierin erörterten abweichen können.
  • Obwohl spezifische Aspekte hier dargestellt und beschrieben worden sind, versteht der Durchschnittsfachmann, dass eine Vielzahl an alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Aspekte substituiert werden können, ohne von dem Konzept der Offenbarung abzuweichen. Diese Anmeldung soll alle Anpassungen oder Varianten der hierin erörterten spezifischen Aspekte abdecken. Deshalb soll die vorliegende Offenbarung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente davon beschränkt sein.

Claims (21)

  1. Leistungshalbleiterpackage, umfassend: einen Referenzspannungsanschluss; einen Versorgungsspannungsanschluss; einen Phasenanschluss; einen ersten Leistungstransistor; und einen zweiten Leistungstransistor, wobei der erste Leistungstransistor und der zweite Leistungstransistor in Reihe geschaltet sind und einen Low-Side-Schalter und einen High-Side-Schalter einer Halbbrückenschaltung bilden.
  2. Leistungshalbleiterpackage nach Anspruch 1, wobei der Versorgungsspannungsanschluss elektrisch an eine Drain-Elektrode des ersten Leistungstransistors gekoppelt ist, der Referenzspannungsanschluss elektrisch an eine Source-Elektrode des zweiten Leistungstransistors gekoppelt ist, und der Phasenanschluss elektrisch zwischen eine Source-Elektrode des ersten Leistungstransistors und eine Drain-Elektrode des zweiten Leistungstransistors geschaltet ist.
  3. Leistungshalbleiterpackage nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: einen ersten Controller, der konfiguriert ist zum Steuern einer Gate-Elektrode des ersten Leistungstransistors; und einen zweiten Controller, der konfiguriert ist zum Steuern einer Gate-Elektrode des zweiten Leistungstransistors.
  4. Leistungshalbleiterpackage nach Anspruch 3, wobei der erste Controller zwischen die Gate-Elektrode des ersten Leistungstransistors und den Referenzspannungsanschluss geschaltet ist, und der zweite Controller zwischen die Gate-Elektrode des zweiten Leistungstransistors und den Versorgungsspannungsanschluss geschaltet ist.
  5. Leistungshalbleiterpackage nach Anspruch 3 oder 4, wobei jeder des ersten Controllers und des zweiten Controllers konfiguriert ist, auf der Basis einer Potenzialdifferenz zwischen einer an den Versorgungsspannungsanschluss angelegten Versorgungsspannung und einer an den Referenzspannungsanschluss angelegten Referenzspannung mit Leistung versorgt zu werden.
  6. Leistungshalbleiterpackage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei eine Stromversorgung des ersten Controllers und des zweiten Controllers von einer Stromquelle innerhalb des Package unabhängig ist.
  7. Leistungshalbleiterpackage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der erste Controller und der erste Leistungstransistor monolithisch in einen ersten Halbleiterchip integriert sind, und der zweite Controller und der zweite Leistungstransistor monolithisch in einen zweiten Halbleiterchip integriert sind.
  8. Leistungshalbleiterpackage nach Anspruch 7, wobei der erste Halbleiterchip und der zweite Halbleiterchip in einer vertikalen Richtung übereinander gestapelt sind.
  9. Leistungshalbleiterpackage nach Anspruch 8, wobei der erste Halbleiterchip und der zweite Halbleiterchip in einer seitlichen Richtung versetzt sind.
  10. Leistungshalbleiterpackage nach Anspruch 9, ferner umfassend: ein erstes elektrisches Koppelelement, das den Referenzspannungsanschluss und den ersten Halbleiterchip elektrisch koppelt, wobei das erste elektrische Koppelelement seitlich versetzt zu dem zweiten Halbleiterchip angeordnet ist und sich in der vertikalen Richtung erstreckt; und ein zweites elektrisches Koppelelement, das den Versorgungsspannungsanschluss und den zweiten Halbleiterchip elektrisch koppelt, wobei das zweite elektrische Koppelelement seitlich versetzt zum ersten Halbleiterchip angeordnet ist und sich in der vertikalen Richtung erstreckt.
  11. Leistungshalbleiterpackage nach Anspruch 10, wobei mindestens eines des ersten elektrischen Koppelelements und des zweiten elektrischen Koppelelements einen Pin umfasst.
  12. Leistungshalbleiterpackage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder des Versorgungsspannungsanschlusses und des Phasenanschlusses einen Pin umfasst.
  13. Leistungshalbleiterpackage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Referenzspannungsanschluss eine Basisplatte umfasst.
  14. Leistungshalbleiterpackage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder des Referenzspannungsanschlusses, des Versorgungsspannungsanschlusses und des Phasenanschlusses von außerhalb des Leistungshalbleiterpackage aus zugänglich ist.
  15. Leistungshalbleiterpackage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungshalbleiterpackage ein 3-Anschluss-Package ist.
  16. Leistungshalbleiterpackage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungshalbleiterpackage ein Press-Fit-Package ist.
  17. Leistungshalbleiterpackage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungshalbleiterpackage konfiguriert ist, als ein Zweig eines Multiphasengleichrichters zu arbeiten.
  18. Schaltung, umfassend: einen Versorgungsspannungsanschluss; einen Referenzspannungsanschluss; einen ersten Leistungstransistor; einen zweiten Leistungstransistor, wobei der erste Leistungstransistor und der zweite Leistungstransistor in Reihe geschaltet sind und einen Low-Side-Schalter und einen High-Side-Schalter einer Halbbrückenschaltung bilden, einen ersten Controller, der konfiguriert ist zum Steuern des ersten Leistungstransistors, wobei der erste Controller zwischen den ersten Leistungstransistor und den Referenzspannungsanschluss geschaltet ist; und einen zweiten Controller, der konfiguriert ist zum Steuern des zweiten Leistungstransistors, wobei der zweite Controller zwischen den zweiten Leistungstransistor und den Versorgungsspannungsanschluss geschaltet ist.
  19. Schaltung nach Anspruch 18, wobei jeder des ersten Controllers und des zweiten Controllers konfiguriert ist, durch eine Potenzialdifferenz zwischen einer an den Versorgungsspannungsanschluss angelegten Versorgungsspannung und einer an den Referenzspannungsanschluss angelegten Referenzspannung versorgt zu werden.
  20. Multiphasengleichrichter umfassend mehrere Zweige, wobei mindestens einer der mehreren Zweige ein Halbleiterpackage umfasst, wobei das Halbleiterpackage Folgendes umfasst: einen Referenzspannungsanschluss; einen Versorgungsspannungsanschluss; einen Phasenanschluss; einen ersten Leistungstransistor; und einen zweiten Leistungstransistor, wobei der erste Leistungstransistor und der zweite Leistungstransistor in Reihe geschaltet sind und einen Low-Side-Schalter und einen High-Side-Schalter einer Halbbrückenschaltung bilden.
  21. Multiphasengleichrichter nach Anspruch 20, wobei der Multiphasengleichrichter konfiguriert ist, in einer Kraftfahrzeuglichtmaschine zu arbeiten.
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