-
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
-
Diese Anmeldung stützt sich auf die am 14. September 2018 eingereichte
japanische Patentanmeldung Nr. 2018-173119 , deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, und beansprucht deren Priorität.
-
TECHNISCHES GEBIET
-
Hierin beschriebene Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen ein Halbleitermodul.
-
TECHNISCHER HINTERGRUND
-
Ein Leistungsmodul umfasst eine Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen, die beispielsweise auf einem Substrat montiert sind.
-
In einem Leistungsmodul, welches eine Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen umfasst, kann in einem Fall, in dem ein Halbleiterschaltelement kurzgeschlossen wird und während des Betriebs ausfällt, die Leistungssteuerung mit einem Leistungsmodul nicht fortgesetzt werden. Weiterhin wird an einer Stelle, an der ein Kurzschlussausfall verursacht worden ist, durch eine Konzentration von Strömen oder ein Auftreten eines permanenten Lichtbogens eine große Menge an Wärme erzeugt. Aus diesen Gründen kann es vorkommen, dass eine ernsthafte Folgekomplikation, wie etwa ein Feuer, auftritt.
-
Um das Auftreten einer ernsthaften Folgekomplikation zu verhindern, ist eine Leistungseinrichtung, wie etwa eine Wechselrichterschaltung mit einem Leistungsmodul, in einigen Fällen mit einer Überstromschutzfunktion ausgestattet. Mit einer Überstromschutzfunktion wird bei Erfassen eines unnormalen Stroms, der durch einen Kurzschlussausfall verursacht wird, ein Betrieb einer Leistungseinrichtung nach einer zuvor eingestellten Zeitspanne gestoppt. Durch Stoppen eines Betriebs einer Leistungseinrichtung ist es möglich, das Risiko einer Folgekomplikation zu reduzieren. Nachdem jedoch ein Betrieb einer Leistungseinrichtung gestoppt wurde, ist es notwendig, ein Leistungsmodul auszutauschen und die Leistungseinrichtung neu zu starten.
-
Figurenliste
-
- 1 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung eines Halbleitermoduls gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 ist eine schematische Draufsicht auf das Halbleitermodul gemäß der ersten Ausführungsform;
- 3 ist eine schematische Schnittansicht des Halbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform;
- 4A, 4B und 4C sind schematische Ansichten einer Sicherung gemäß der ersten Ausführungsform;
- 5 ist eine schematische Darstellung der Sicherung gemäß der ersten Ausführungsform;
- 6 ist eine erläuternde Ansicht für eine Funktion und eine Wirkung des Halbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform;
- 7 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung einer Testschaltung in einem Beispiel eines Experiments in der ersten Ausführungsform;
- 8A, 8B, 8C und 8D sind Ansichten, die die Ergebnisse eines Tests in dem Beispiel eines Experiments in der ersten Ausführungsform zeigen;
- 9 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung eines Halbleitermoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 10 ist eine schematische Draufsicht auf das Halbleitermodul gemäß der zweiten Ausführungsform;
- 11 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung einer Testschaltung in einem ersten Beispiel eines Experiments in der zweiten Ausführungsform;
- 12 ist eine Ansicht, die die Messergebnisse in dem ersten Beispiel eines Experiments in der zweiten Ausführungsform zeigt;
- 13 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung einer Testschaltung in einem zweiten Beispiel eines Experiments in der zweiten Ausführungsform;
- 14 ist eine Ansicht, die die Messergebnisse in dem zweiten Beispiel eines Experiments in der zweiten Ausführungsform zeigt;
- 15 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung des Halbleitermoduls gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform;
- 16 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung einer Testschaltung in einem Beispiel eines Experiments in der Modifikation der zweiten Ausführungsform;
- 17 ist eine Ansicht, die die Messergebnisse am Beispiel eines Experiments in der Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt;
- 18 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung eines Halbleitermoduls gemäß einer dritten Ausführungsform; und
- 19 ist eine schematische Draufsicht auf das Halbleitermodul gemäß der dritten Ausführungsform.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Ein Halbleitermodul gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst einen ersten externen Anschluss, einen zweiten externen Anschluss, einen ersten Halbleiterschalter, der elektrisch zwischen dem ersten externen Anschluss und dem zweiten externen Anschluss verbunden ist, und umfasst eine erste Gate-Elektrode, einen zweiten Halbleiterschalter, der elektrisch parallel zu dem ersten Halbleiterschalter zwischen dem ersten externen Anschluss und dem zweiten externen Anschluss verbunden ist, und umfasst eine zweite Gate-Elektrode, eine erste Sicherung, die elektrisch zwischen dem ersten externen Anschluss und dem ersten Halbleiterschalter verbunden ist, und eine zweite Sicherung, die elektrisch zwischen dem zweiten externen Anschluss und dem ersten Halbleiterschalter verbunden ist.
-
In der vorliegenden Beschreibung sind Komponenten, die gleich oder einander ähnlich sind, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei doppelte Beschreibungen in einigen Abschnitten weggelassen sind.
-
In der vorliegenden Beschreibung sind zur Darstellung einer Positionsbeziehung zwischen Komponenten oder dergleichen in der Zeichnung in einigen Abschnitten eine Aufwärts- und eine Abwärtsrichtung jeweils als „obere“ und „untere“ bezeichnet. In der vorliegenden Beschreibung sind die Begriffe „oben“ und „unten“ nicht unbedingt Begriffe, die eine Beziehung zu einer Schwerkraftrichtung beschreiben.
-
In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet ein „Halbleitermodul“ ein Halbleiterprodukt, bei dem eine Mehrzahl von Halbleiterelementen in einem Package montiert ist. Ein „Halbleitermodul“ ist ein konzeptioneller Begriff, der auch ein intelligentes Leistungsmodul (IPM) umfasst, in dem beispielsweise ein Leistungshalbleiterelement, eine Treiberschaltung und eine Steuerschaltung in einem Package montiert sind.
-
(Erste Ausführungsform)
-
Ein Halbleitermodul gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst einen ersten externen Anschluss, einen zweiten externen Anschluss, einen ersten Halbleiterschalter, der elektrisch zwischen dem ersten externen Anschluss und dem zweiten externen Anschluss verbunden ist, und umfasst eine erste Gate-Elektrode, einen zweiten Halbleiterschalter, der elektrisch parallel zum ersten Halbleiterschalter zwischen dem ersten externen Anschluss und dem zweiten externen Anschluss verbunden ist, und umfasst eine zweite Gate-Elektrode, eine erste Sicherung, die elektrisch zwischen dem ersten externen Anschluss und dem ersten Halbleiterschalter verbunden ist, und eine zweite Sicherung, die elektrisch zwischen dem zweiten externen Anschluss und dem ersten Halbleiterschalter verbunden ist.
-
1 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung des Halbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform.
-
Das Halbleitermodul gemäß der ersten Ausführungsform ist ein Leistungsmodul 100, in dem eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterelementen in einem Package montiert ist. Das Leistungsmodul 100 wird für einen Wechselrichter verwendet, der beispielsweise zum Steuern von hoher Leistung oder dergleichen ausgelegt ist. Eine Nennspannung des Leistungsmoduls 100 ist beispielsweise gleich oder höher als 250 V und gleich oder niedriger als 10 kV.
-
Im Leistungsmodul 100 sind, wie in 1 dargestellt ist, ein Transistor T1 (erstes Halbleiterschaltelement, d. h. ein erster Halbleiterschalter), ein Transistor T2 (zweites Halbleiterschaltelement, d. h. ein zweiter Halbleiterschalter), ein Transistor T3 (drittes Halbleiterschaltelement, d. h. ein dritter Halbleiterschalter) und ein Transistor T4 (viertes Halbleiterschaltelement, d. h. ein vierter Halbleiterschalter) parallel zwischen einem Negativpol-Anschluss N (erster externer Anschluss) und einem Positivpol-Anschluss P (zweiter externer Anschluss) verbunden. Der Transistor T1, der Transistor T2, der Transistor T3 und der Transistor T4 sind jeweils beispielsweise ein Metalloxid-Feldeffekttransistor (MOSFET). Ein Halbleiterschaltelement (Halbleiterschalter) kann ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein MOSFET sein.
-
Der Transistor T1 umfasst eine Source-Elektrode S1, eine Drain-Elektrode D1 und eine Gate-Elektrode G1 (erste Gate-Elektrode). Der Transistor T2 umfasst eine Source-Elektrode S2, eine Drain-Elektrode D2 und eine Gate-Elektrode G2 (zweite Gate-Elektrode). Der Transistor T3 umfasst eine Source-Elektrode S3, eine Drain-Elektrode D3 und eine Gate-Elektrode G3 (dritte Gate-Elektrode). Der Transistor T4 umfasst eine Source-Elektrode S4, eine Drain-Elektrode D4 und eine Gate-Elektrode G4.
-
Zwischen dem Negativpol-Anschluss N und dem Transistor T1 ist eine Sicherung FU1 (erste Sicherung) elektrisch verbunden. Das eine Ende der Sicherung FU1 ist elektrisch mit dem Negativpol-Anschluss N verbunden, wobei das andere Ende elektrisch mit der Source-Elektrode S1 des Transistors T1 verbunden ist. Zwischen dem Positivpol-Anschluss P und dem Transistor T1 ist eine Sicherung FU2 (zweite Sicherung) elektrisch verbunden. Das eine Ende der Sicherung FU2 ist elektrisch mit dem Positivpol-Anschluss P verbunden, wobei das andere Ende elektrisch mit der Drain-Elektrode D1 des Transistors T1 verbunden ist.
-
Zwischen dem Negativpol-Anschluss N und dem Transistor T2 ist eine Sicherung FU3 (dritte Sicherung) elektrisch verbunden. Das eine Ende der Sicherung FU3 ist elektrisch mit dem Negativpol-Anschluss N verbunden, wobei das andere Ende elektrisch mit der Source-Elektrode S2 des Transistors T2 verbunden ist. Zwischen dem Positivpol-Anschluss P und dem Transistor T2 ist eine Sicherung FU4 (vierte Sicherung) elektrisch verbunden. Das eine Ende der Sicherung FU4 ist elektrisch mit dem Positivpol-Anschluss P verbunden, wobei das andere Ende elektrisch mit der Drain-Elektrode D2 des Transistors T2 verbunden ist.
-
Zwischen dem Negativpol-Anschluss N und dem Transistor T3 ist eine Sicherung FU5 elektrisch verbunden. Das eine Ende der Sicherung FU5 ist elektrisch mit dem Negativpol-Anschluss N verbunden, wobei das andere Ende elektrisch mit der Source-Elektrode S3 des Transistors T3 verbunden ist. Zwischen dem Positivpol-Anschluss P und dem Transistor T3 ist eine Sicherung FU6 elektrisch verbunden. Das eine Ende der Sicherung FU6 ist elektrisch mit dem Positivpol-Anschluss P verbunden, wobei das andere Ende elektrisch mit der Drain-Elektrode D3 des Transistors T3 verbunden ist.
-
Zwischen dem Negativpol-Anschluss N und dem Transistor T4 ist eine Sicherung FU7 elektrisch verbunden. Das eine Ende der Sicherung FU7 ist elektrisch mit dem Negativpol-Anschluss N verbunden, wobei das andere Ende elektrisch mit der Source-Elektrode S4 des Transistors T4 verbunden ist. Zwischen dem Positivpol-Anschluss P und dem Transistor T4 ist eine Sicherung FU8 elektrisch verbunden. Das eine Ende der Sicherung FU8 ist elektrisch mit dem Positivpol-Anschluss P verbunden, wobei das andere Ende elektrisch mit der Drain-Elektrode D4 des Transistors T4 verbunden ist.
-
2 ist eine schematische Draufsicht auf das Halbleitermodul gemäß der ersten Ausführungsform. 3 ist eine schematische Schnittansicht des Halbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform. 3 zeigt einen Schnitt entlang einer Linie A-A' in 2.
-
Das Leistungsmodul 100 umfasst ein Harzgehäuse 10, einen Deckel 12, einen Gate-Anschluss 20, ein Metallsubstrat 22, eine Harzisolierschicht 24, eine Source-Verdrahtungs-Metallschicht 26, eine Drain-Verdrahtungs-Metallschicht 28,
Gate-Verdrahtungs-Metallschichten 30a bis 30d,
Drain-Verbindungs-Metallschichten 32a bis 32d,
Source-Verbindungs-Metallschichten 34a bis 34d, einen Bonddraht 40 und ein Silikongel 42 (Dichtungsmaterial).
-
2 ist eine Draufsicht auf das Leistungsmodul 100 in einem Zustand, in dem der Deckel 12 und das Silikongel 42 entfernt sind.
-
Die Transistoren T1 bis T4 sind beispielsweise vertikale MOSFETs. Die Transistoren T1 bis T4 sind Halbleiterchips, die beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) oder Silizium (Si) verwenden.
-
In jeweiligen oberen Abschnitten der Transistoren T1 bis T4 sind die Source-Elektroden S1 bis S4 und die Gate-Elektroden G1 bis G4 bereitgestellt. In jeweiligen unteren Abschnitten der Transistoren T1 bis T4 sind die Drain-Elektroden D1 bis D4 bereitgestellt. So sind beispielsweise beim Transistor T1 die Source-Elektrode S1 und die Gate-Elektrode G1 in einem oberen Abschnitt bereitgestellt, und die Drain-Elektrode D1 ist in einem unteren Abschnitt bereitgestellt.
-
Das Metallsubstrat 22 ist zum Beispiel Kupfer. Wenn das Leistungsmodul 100 in einer Leistungseinrichtung montiert ist, ist beispielsweise eine nicht in der Zeichnung dargestellte Wärmeableitplatte mit einer Rückseite des Metallsubstrats 22 verbunden.
-
Das Harzgehäuse 10 ist um das Metallsubstrat 22 herum bereitgestellt. Der Deckel 12 befindet sich auf dem Harzgehäuse 10. Außerdem ist die Innenseite des Leistungsmoduls 100 mit dem Silikongel 42 als Dichtungsmaterial gefüllt. Das Harzgehäuse 10, das Metallsubstrat 22, der Deckel 12 und das Silikongel 42 haben die Funktion, Komponenten im Leistungsmodul 100 zu schützen oder zu isolieren.
-
In einem oberen Abschnitt des Harzgehäuses 10 sind der Negativpol-Anschluss N, der Positivpol-Anschluss P und der Gate-Anschluss 20 bereitgestellt. So ist beispielsweise eine negative Spannung extern an dem Negativpol-Anschluss N angelegt. Ein Erdpotential ist beispielsweise an dem Negativpol-Anschluss N angelegt. Eine positive Spannung ist beispielsweise extern an dem Positivpol-Anschluss P angelegt.
-
Die Harzisolierschicht 24 ist auf dem Metallsubstrat 22 aufgebracht. Die Harzisolierschicht 24 hat die Funktion, das Metallsubstrat 22, die Source-Verdrahtungs-Metallschicht 26, die Drain-Verdrahtungs-Metallschicht 28, die Gate-Verdrahtungs-Metallschichten 30a bis 30d, die Drain-Verbindungs-Metallschichten 32a bis 32d und die Source-Verbindungs-Metallschichten 34a bis 34d zu isolieren. Ein Harz in der Harzisolierschicht 24 enthält einen Füllstoff, der beispielsweise aus Bornitrid gebildet ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
-
Die Source-Verdrahtungs-Metallschicht 26, die Drain-Verdrahtungs-Metallschicht 28, die Gate-Verdrahtungs-Metallschichten 30a bis 30d, die Drain-Verbindungs-Metallschichten 32a bis 32d und die Source-Verbindungs-Metallschichten 34a bis 34d sind auf der Harzisolierschicht 24 bereitgestellt. Die Source-Verdrahtungs-Metallschicht 26, die Drain-Verdrahtungs-Metallschicht 28, die Gate-Verdrahtungs-Metallschichten 30a bis 30d, die Drain-Verbindungs-Metallschichten 32a bis 32d und die Source-Verbindungs-Metallschichten 34a bis 34d sind in nahezu der gleichen Oberfläche angeordnet. Die Source-Verdrahtungs-Metallschicht 26, die Drain-Verdrahtungs-Metallschicht 28, die Gate-Verdrahtungs-Metallschichten 30a bis 30d, die Drain-Verbindungs-Metallschichten 32a bis 32d und die Source-Verbindungs-Metallschichten 34a bis 34d sind zum Beispiel Kupfer.
-
Die Source-Verdrahtungs-Metallschicht 26, die Drain-Verdrahtungs-Metallschicht 28, die Drain-Verbindungs-Metallschichten 32a bis 32d und die Source-Verbindungs-Metallschichten 34a bis 34d haben die Funktion, die Transistoren T1 bis T4 beispielsweise elektrisch mit dem Negativpol-Anschluss N oder dem Positivpol-Anschluss P zu verbinden. Die Gate-Verdrahtungs-Metallschichten 30a bis 30d haben die Funktion, beispielsweise die Transistoren T1 bis T4 mit dem Gate-Anschluss 20 zu verbinden.
-
Die Transistoren T1 bis T4 sind jeweils auf den Drain-Verbindungs-Metallschichten 32a bis 32d bereitgestellt. Die Drain-Elektroden D1 bis D4 der Transistoren T1 bis T4 sind mit den Drain-Verbindungs-Metallschichten 32a bis 32d beispielsweise mit Löt- oder Ag-Nanopartikeln verbunden.
-
Die Source-Elektroden S1 bis S4 sind mit den Source-Verbindungs-Metallschichten 34a bis 34d über den Bonddraht 40 verbunden. Die Gate-Elektroden G1 bis G4 sind mit den Gate-Verdrahtungs-Metallschichten 30a bis 30d über den Bonddraht 40 verbunden.
-
Die einen Enden der Sicherungen FU1, FU3, FU5 und FU7 sind mit der Source-Verdrahtungs-Metallschicht 26 verbunden, und die anderen Enden sind mit den Source-Verbindungs-Metallschichten 34a bis 34d verbunden. Die einen Enden der Sicherungen FU2, FU4, FU6 und FU8 sind mit den Drain-Verbindungs-Metallschichten 32a bis 32d verbunden, und die anderen Enden sind mit der Drain-Verdrahtungs-Metallschicht 28 verbunden.
-
Die Source-Verdrahtungs-Metallschicht 26 ist über den Bonddraht 40 mit dem Negativpol-Anschluss N verbunden. Die Drain-Verdrahtungs-Metallschicht 28 ist mit dem Positivpol-Anschluss P über den Bonddraht 40 verbunden.
-
Der Bonddraht 40 ist ein Draht, der beispielsweise Aluminium oder Kupfer als Hauptbestandteil enthält.
-
Die Transistoren T1 bis T4 und die Sicherungen FU1 bis FU8 sind mit dem Silikongel 42 abgedeckt.
-
4A, 4B und 4C sind schematische Ansichten der Sicherung gemäß der ersten Ausführungsform. 4A ist eine Draufsicht, 4B ist eine Schnittansicht entlang einer Linie B-B' in 4A, und 4C ist eine Schnittansicht entlang einer Linie C-C' in 4A.
-
Jede der Sicherungen FU1 bis FU8 umfasst eine Isolierschicht 80, einen linearen Leiter 82, ein erstes Elektrodenpad 84 und ein zweites Elektrodenpad 86. Die Isolierschicht 80 ist jeweils ein Beispiel für eine erste Isolierschicht und eine zweite Isolierschicht. Der lineare Leiter 82 ist jeweils ein Beispiel für einen ersten linearen Leiter und einen zweiten linearen Leiter.
-
Wenn in jeder der Sicherungen FU1 bis FU8 ein Strom mit einem vorgegebenen Wert oder größer fließt, wird der lineare Leiter 82 wegen Joule-Wärme durchtrennt, so dass die elektrische Durchgängigkeit an den gegenüberliegenden Enden jeder der Sicherungen FU1 bis FU8 unterbrochen ist.
-
Die Isolierschicht 80 ist aus einem Material mit einer Isoliereigenschaft gebildet. Die Isolierschicht 80 fungiert als Trägersubstrat für den linearen Leiter 82, das erste Elektrodenpad 84 und das zweite Elektrodenpad 86.
-
Die Isolierschicht 80 (erste Isolierschicht) ist z. B. Glas oder Keramik. Die Isolierschicht 80 ist beispielsweise ein Harz, wie etwa ein Epoxidharz, ein Phenolharz, Polyimid oder ein Harz auf Fluorbasis. Für die Isolierschicht 80 kann ein Harz verwendet werden, das mit einem isolierenden Füllstoffpartikel oder einer isolierenden Faser vermischt ist. Ein isolierendes Füllstoffpartikel ist beispielsweise Siliziumdioxid, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid. Außerdem ist eine isolierende Faser zum Beispiel eine Glasfaser.
-
Eine Länge L1 der Isolationsschicht 80 ist beispielsweise gleich oder größer als 1 mm und gleich oder kleiner als 20 mm. Eine Dicke t1 der Isolierschicht 80 ist beispielsweise gleich oder größer als 0,1 mm und gleich oder kleiner als 1 mm.
-
Der lineare Leiter 82 ist auf der Isolationsschicht 80 bereitgestellt. So ist beispielsweise eine Mehrzahl von linearen Leitern 82 bereitgestellt. Die linearen Leiter 82 sind parallel zueinander. 4A zeigt einen Fall, in dem beispielsweise fünf lineare Leiter 82 bereitgestellt sind. Die Anzahl der linearen Leiter 82 ist nicht auf fünf begrenzt, und es kann ein einziger linearer Leiter bereitgestellt sein. Außerdem können zwei, drei, vier oder sechs oder mehr lineare Leiter bereitgestellt sein.
-
Der lineare Leiter 82 ist aus einem Material mit Leitfähigkeit gebildet. Der lineare Leiter 82 ist zum Beispiel ein Metall. Der lineare Leiter 82 ist ein Metall, das als Hauptbestandteil Kupfer, eine Kupferlegierung, Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Zinn, Zink, Wismut oder Nickel enthält. Der lineare Leiter 82 kann als Stapelstruktur eingerichtet sein, die beispielsweise zwei Arten von Metallen umfasst.
-
Eine Länge L2 des linearen Leiters 82 ist gleich oder größer als 0,25 mm und gleich oder kleiner als beispielsweise 10 mm. Eine Dicke t2 des linearen Leiters 82 ist beispielsweise gleich oder größer als 0,1 µm und gleich oder kleiner als 2 µm.
-
Eine Breite w des linearen Leiters 82 ist beispielsweise gleich oder größer als 10 µm und gleich oder kleiner als 1000 µm. Ein Abstand s zwischen den linearen Leitern 82 ist beispielsweise gleich oder größer als 10 µm und gleich oder kleiner als 1000 µm.
-
Das erste Elektrodenpad 84 ist an dem einen Ende des linearen Leiters 82 bereitgestellt, und das zweite Elektrodenpad 86 ist an dem anderen Ende des linearen Leiters 82 bereitgestellt. Das erste Elektrodenpad 84 und das zweite Elektrodenpad 86 sind so bereitgestellt, dass der lineare Leiter 82 zwischengeschaltet ist. Das erste Elektrodenpad 84 und das zweite Elektrodenpad 86 sind mit dem linearen Leiter 82 verbunden. Das erste Elektrodenpad 84 und das zweite Elektrodenpad 86 haben die Funktion, eine Spannung an dem einen Ende und an dem anderen Ende des linearen Leiters 82 anzulegen.
-
Das erste Elektrodenpad 84 und das zweite Elektrodenpad 86 sind aus dem gleichen Material wie beispielsweise der lineare Leiter 82 gebildet.
-
Auf dem linearen Leiter 82 kann ein in der Zeichnung nicht dargestellter Schutzisolierfilm bereitgestellt sein. Der Schutzisolierfilm ist beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid oder Polyimid.
-
Die Sicherungen FU1 bis FU8 können z. B. in einem Halbleiterherstellungsprozess hergestellt worden sein. Beispielsweise wird ein Glassubstrat, als ein Beispiel für die Isolierschicht 80, vorbereitet. Anschließend wird durch einen Sputterprozess ein Metallfilm auf dem Glassubstrat gebildet. Der Metallfilm wird mit einem Lithographieverfahren oder einem reaktiven Ionenätzverfahren strukturiert, so dass eine Mehrzahl von linearen Leitern 82, das erste Elektrodenpad 84 und das zweite Elektrodenpad 86 gebildet werden.
-
5 ist eine schematische Darstellung der Sicherung gemäß der ersten Ausführungsform. 5 zeigt einen Zustand, in dem die Sicherung FU1 im Leistungsmodul 100 eingebaut ist. Das erste Elektrodenpad 84 der Sicherung FU1 ist über eine erste Haftschicht 88a mit der Source-Verdrahtungs-Metallschicht 26 verbunden. Das zweite Elektrodenpad 86 der Sicherung FU1 ist über eine zweite Haftschicht 88b mit der Source-Verbindungs-Metallschicht 34a verbunden. Die erste Haftschicht 88a und die zweite Haftschicht 88b sind beispielsweise Löt- oder Ag-Nanopartikel.
-
Im Folgenden wird eine Funktion und eine Wirkung des Leistungsmoduls 100 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
-
In einem Leistungsmodul mit einer Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen (Halbleiterschalter) kann in einem Fall, in dem ein Halbleiterschaltelement (Halbleiterschalter) kurzgeschlossen wird und während des Betriebs ausfällt, die Leistungssteuerung nicht fortgesetzt werden. Weiterhin wird an einer Stelle, an der ein Kurzschlussausfall verursacht ist, durch die Konzentration der Ströme oder das Auftreten eines permanenten Lichtbogens eine große Wärmemenge erzeugt. Aus diesen Gründen kann es vorkommen, dass eine ernsthafte Folgekomplikation, wie etwa ein Feuer, eintritt.
-
Um das Auftreten einer ernsthaften Folgekomplikation zu verhindern, ist eine Leistungseinrichtung, wie etwa eine Wechselrichterschaltung mit einem Leistungsmodul, in einigen Fällen mit einer Überstromschutzfunktion ausgestattet. Mit einer Überstromschutzfunktion wird bei Erkennung eines unnormalen Stroms, der durch einen Kurzschlussausfall verursacht wird, ein Betrieb einer Leistungseinrichtung nach einer zuvor eingestellten Zeitspanne gestoppt. Durch ein Stoppen des Betriebs einer Leistungseinrichtung ist es möglich, ein Risiko einer Folgekomplikation zu reduzieren. Nachdem jedoch ein Betrieb einer Leistungseinrichtung gestoppt wurde, ist es notwendig, ein Leistungsmodul auszutauschen und eine Leistungseinrichtung neu zu starten.
-
6 ist eine erläuternde Ansicht für eine Funktion und eine Wirkung des Halbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform.
-
Im Leistungsmodul 100 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst der Transistor T1 beispielsweise die Sicherungen FU1 und FU2 in einer solchen Weise, dass der Transistor T1 zwischen den Sicherungen angeordnet ist. Es soll ein Fall betrachtet werden, wo der Transistor T1 kurzgeschlossen ist und während des Betriebs der Leistungseinrichtung einschließlich des Leistungsmoduls 100 ausfällt. In diesem Fall fließt ein großer Strom über den Positivpol-Anschluss P und den Negativpol-Anschluss N durch den Transistor T1, der kurzgeschlossen ist und ausfällt.
-
In diesem Fall fließt auch in der Sicherung FU1 und der Sicherung FU2 ein großer Strom, wobei der lineare Leiter 82 der Sicherung FU1 und der Sicherung FU2 aufgrund der erzeugten Joule-Wärme unterbrochen wird. Als eine Folge des Durchtrennens des linearen Leiters 82 jeweils von der Sicherung FU1 und der Sicherung FU2 wird ein Stromfluss durch den Transistor T1 unterbrochen.
-
Ein Stromfluss durch den Transistor T1 wird unterbrochen, bevor beispielsweise eine Überstromschutzfunktion der Leistungseinrichtung ausgeführt wird. Eine Überstromschutzfunktion der Leistungseinrichtung wird nach einer zuvor eingestellten Zeitspanne aktiviert, um einen Betrieb der Leistungseinrichtung zu stoppen. Es ist allgemein üblich, dass eine zuvor eingestellte Zeitspanne z. B. ca. 10 Mikrosekunden beträgt.
-
Der Transistor T1 ist durch die Sicherung FU1 und die Sicherung FU2 von einer Schaltung des Leistungsmoduls 100 getrennt. Somit ist es dem Leistungsmodul 100 möglich, mit den verbleibenden Transistoren T2, T3 und T4 zu arbeiten. Dementsprechend ist es möglich, eine Leistungssteuerung mit dem Leistungsmodul 100 fortzusetzen. Dies macht es möglich, die Leistungseinrichtung einschließlich des Leistungsmoduls 100 weiter zu betreiben. Daher ist eine Zuverlässigkeit der Leistungseinrichtung einschließlich des Leistungsmoduls 100 verbessert.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass in einem Fall, in dem der Transistor T1 kurzgeschlossen wird und ausfällt, die Sicherung FU1 und die Sicherung FU2 gleichzeitig auslösen. Wenn eine der Sicherungen nicht auslöst, verbleibt ein Stromfluss zwischen der Gate-Elektrode G1 und entweder der Source-Elektrode S1 oder der Drain-Elektrode D1 im Transistor T1 bestehen.
-
Die Gate-Elektrode G1 ist beispielsweise mit den Gate-Elektroden G2 bis G4 der anderen Transistoren, einer Treiberschaltung außerhalb des Leistungsmoduls 100 und dergleichen elektrisch verbunden. Wenn demnach ein Stromfluss zwischen der Gate-Elektrode G1 und entweder der Source-Elektrode S1 oder der Drain-Elektrode D1 im Transistor T1 verbleibt, wird es schwierig, einen Betrieb der Leistungssteuerung mit dem Leistungsmodul 100 fortzusetzen.
-
Es wird bevorzugt, dass jede der in dem Leistungsmodul 100 enthaltenen Sicherungen FU1 bis FU8 die folgenden Eigenschaften aufweist.
-
(Erste Eigenschaft) Eine Fähigkeit aufzuweisen, eine Unterbrechung schnell in 10 Millisekunden oder kürzer zu erzielen. Einen Strom zu unterbrechen, bevor eine Überstromschutzfunktion aktiviert wird, und es zu ermöglichen, die Leistungseinrichtung einschließlich des Leistungsmoduls 100 weiterhin zu betreiben.
-
(Zweite Eigenschaft) Ein Auftreten eines permanenten Lichtbogens zum Zeitpunkt des Auslösens zu verhindern. Zu verhindern, dass das Leistungsmodul 100 durch das Auftreten eines permanenten Lichtbogens beschädigt wird.
-
(Dritte Eigenschaft) Eine Größe gleich oder kleiner als eine Chip größe eines Halbleiterschaltelements aufzuweisen. Zu verhindern, dass sich die Größe des Leistungsmoduls 100 durch Montage einer Sicherung erhöht.
-
(Vierte Eigenschaft) Zur gleichen Zeit auszulösen, bei zwei in Reihe geschalteten Sicherungen. Einen Stromfluss zu einer Gate-Elektrode zu unterbrechen.
-
7 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung einer Testschaltung in einem Beispiel eines Experiments in der ersten Ausführungsform. Die Sicherung FU1 und die Sicherung FU2 mit jeweils einer in den 4A bis 4C dargestellten Konfiguration wurden in Reihe geschaltet, wobei ein Stromlastversuch durchgeführt wurde, bei dem ein Kurzschluss durch Laden und Entladen eines Kondensators simuliert wurde.
-
Um einen Strom durch jeden linearen Leiter fließen zu lassen, wenn eine Versorgungsspannung dazu gebracht wird, zwischen 1 und 3 kV zu variieren, was 1 bis 80A pro linearem Leiter entspricht, wurde die Anzahl der linearen Leiter 82 auf eins bis zehn, die Dicke t2 des linearen Leiters 82 auf 0,35 µm, die Breite w des linearen Leiters 82 auf 3 µm bis 850 µm, und der Abstand s zwischen den linearen Leitern 82 auf 3 µm bis 140 µm eingestellt. Die Länge L2 des linearen Leiters 82 variierte von 1 mm bis 2 mm, 3 mm und 5 mm. Der lineare Leiter 82 wurde als Stapelstruktur mit einer Titanschicht und einer Aluminiumschicht eingerichtet.
-
8A, 8B, 8C und 8D sind Ansichten, die die Ergebnisse eines Tests am Beispiel eines Experiments in der ersten Ausführungsform zeigen. 8A zeigt einen Fall, in dem L2 gleich 1 mm ist, 8B zeigt einen Fall, in dem L2 gleich 2 mm ist, 8C zeigt einen Fall, in dem L2 gleich 3 mm ist, und 8D zeigt einen Fall, in dem L2 gleich 5 mm ist.
-
Gezeigt werden eine an die Sicherung FU1 und die Sicherung FU2 angelegte Spannung V01, ein Strom (Isolationsstrom) pro linearem Leiter 82 und das Auftreten oder Nichtauftreten eines permanenten Lichtbogens. Ein Fall, in dem ein permanenter Lichtbogen nicht auftritt, ist durch ein Zeichen eines weißen Kreises gekennzeichnet, und ein Fall, in dem ein permanenter Lichtbogen auftritt, ist durch ein Zeichen eines kleinen Kreuzes gekennzeichnet. Ein schraffierter Bereich ist ein Bereich, in dem ein permanenter Lichtbogen zum Zeitpunkt des Auslösens nicht auftritt.
-
Das Einstellen eines Stroms pro linearem Leiter 82 auf 40 A oder weniger unterdrückt das Auftreten eines permanenten Lichtbogens. Auch das Erhöhen der Länge L2 des linearen Leiters 82 führt zu einer Erhöhung der angelegten Spannung V01, bei der eine Unterbrechung ohne Auftreten eines permanenten Lichtbogens durchgeführt werden kann. Durch Einstellen der Länge L2 des linearen Leiters 82 auf 3 mm oder größer ist es möglich, eine Auslösung bei der angelegten Spannung V01 von bis zu 3 kV zu erzielen.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass unter jeder der vorhergehenden Bedingungen eine Unterbrechung schnell in 10 µs oder kürzer erzielt werden kann. Außerdem werden unter den oben genannten Bedingungen die Sicherung FU1 und die Sicherung FU2 gleichzeitig durchtrennt. Weiterhin ist die Länge L2 des linearen Leiters 82 gleich oder kleiner als 5 mm, so dass eine Größe gleich oder kleiner als eine Chipgröße eines Halbleiterschaltelements möglich ist.
-
Das oben beschriebene Beispiel eines Experiments ergab, dass das oben beschriebene (erste Merkmal), (zweite Merkmal), (dritte Merkmal), und (vierte Merkmal) mit der Sicherung gemäß der ersten Ausführungsform erreicht werden können.
-
Es wird bevorzugt, dass die Länge L2 des linearen Leiters 82 gleich oder größer als 1 mm und gleich oder kleiner als 10 mm ist, wobei noch mehr bevorzugt wird, dass die Länge L2 gleich oder größer als 3 mm und gleich oder kleiner als 5 mm ist. Innerhalb des oben beschriebenen Bereichs kann eine Reduzierung einer angelegten Spannung, bei der eine Auslösung erzielt werden kann, kleiner gemacht werden. Außerdem kann innerhalb des oben beschriebenen Bereichs eine Abmessung einer Sicherung weiter reduziert werden.
-
Es wird bevorzugt, dass die Dicke t2 des linearen Leiters 82 gleich oder größer als 0,1 µm und gleich oder kleiner als 2 µm ist, wobei noch mehr bevorzugt wird, dass die Dicke t2 gleich oder größer als 0,3 µm und gleich oder kleiner als 1,0 µm ist. Innerhalb des oben beschriebenen Bereichs kann ein größerer Strom dazu gebracht werden, im Normalbetrieb fließen. Außerdem kann innerhalb des oben beschriebenen Bereichs eine Reduzierung einer angelegten Spannung, bei der eine Auslösung erzielt werden kann, kleiner gemacht werden.
-
Es wird bevorzugt, dass die Breite w des linearen Leiters 82 gleich oder größer als 10 µm und gleich oder kleiner als 1000 µm ist, wobei noch mehr bevorzugt wird, dass die Breite w gleich oder größer als 20 µm und gleich oder kleiner als 200 µm ist. Innerhalb des oben beschriebenen Bereichs kann im Normalbetrieb ein größerer Strom fließen. Außerdem kann innerhalb des oben beschriebenen Bereichs eine Reduzierung einer angelegten Spannung, bei der eine Auslösung erzielt werden kann, kleiner gemacht werden.
-
Außerdem wird bevorzugt, dass jede der Dicken t2 des linearen Leiters 82 (erster linearer Leiter) der Sicherung FU1 und die Dicke t2 des linearen Leiters 82 (zweiter linearer Leiter) der Sicherung FU2 gleich oder größer als 0,1 µm und gleich oder kleiner als 1,3 µm ist und dass eine Differenz zwischen der Dicke t2 des linearen Leiters 82 (erster linearer Leiter) der Sicherung FU1 und der Dicke t2 des linearen Leiters 82 (zweiter linearer Leiter) der Sicherung FU2 gleich oder kleiner als 0,3 µm ist. Das Einstellen der Dicken, so dass sie in die oben beschriebenen Bereiche fallen, erleichtert das gleichzeitige Auslösen der Sicherung FU1 und der Sicherung FU2.
-
Es wird bevorzugt, dass ein Nennstrom des Leistungsmoduls 100 gleich oder kleiner als ein Wert ist, der durch Multiplikation der Anzahl der linearen Leiter 82 mit 40 A erhalten wird. Das Erfüllen der oben beschriebenen Bedingung unterdrückt das Auftreten eines permanenten Lichtbogens zum Zeitpunkt des Auslösens einer Sicherung.
-
Es wird bevorzugt, dass ein Material, das den linearen Leiter 82 bildet, ein Metall ist, das geeignet ist, durch thermische Energie, die beim Auslösen einer Sicherung entsteht, in ein Metalloxid umgewandelt zu werden. Durch Umwandlung in ein Metalloxid nach dem Auslösen einer Sicherung wird die dielektrische Durchbruchspannung verbessert. Vom vorgenannten Standpunkt aus wird bevorzugt, dass ein den linearen Leiter 82 bildendes Material Aluminium umfasst.
-
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist es mit dem Halbleitermodul gemäß der ersten Ausführungsform möglich, ein Halbleitermodul bereitzustellen, das auch dann weiter betrieben werden kann, wenn ein Halbleiterschaltelement kurzgeschlossen ist und während des Betriebs ausfällt. Dementsprechend ist es möglich, die Leistungseinrichtung einschließlich des Halbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform weiter zu betreiben. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Leistungseinrichtung einschließlich des Halbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform verbessert.
-
(Zweite Ausführungsform)
-
Ein Halbleitermodul gemäß einer zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Halbleitermodul gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass ein Überspannungsschutzelement, das elektrisch entweder zwischen einem ersten externen Anschluss oder einem zweiten externen Anschluss und einer ersten Gate-Elektrode verbunden ist, zusätzlich enthalten ist. Im Folgenden wird die Beschreibung von Details, die eine Wiederholung der ersten Ausführungsform wären, teilweise weggelassen.
-
9 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung des Halbleitermoduls gemäß der zweiten Ausführungsform.
-
Das Halbleitermodul gemäß der zweiten Ausführungsform ist ein Leistungsmodul 200, in dem eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterelementen in einem Package montiert ist.
-
Im Leistungsmodul 200 sind Überspannungsschutzelemente 90 jeweils zwischen einem Negativpol-Anschluss N und einer Gate-Elektrode G1, zwischen dem Negativpol-Anschluss N und einer Gate-Elektrode G2, zwischen dem Negativpol-Anschluss N und einer Gate-Elektrode G3 sowie zwischen dem Negativpol-Anschluss N und einer Gate-Elektrode G4 bereitgestellt.
-
Das Überspannungsschutzelement 90 ist ein Element, bei dem eine Strom-Spannungs-Kennlinie nichtlinear ist. Das Überspannungsschutzelement 90 ist ein Zweianschlusselement, bei dem der Widerstand reduziert wird, wenn eine angelegte Spannung eine vorgegebene Schwellenwertspannung überschreitet. Das Überspannungsschutzelement 90 hat die Funktion, einen Strom fließen zu lassen, wenn an zwei Anschlüssen eine überhöhte Spannung angelegt wird, die eine vorgegebene Schwellenwertspannung überschreitet. Das Überspannungsschutzelement 90 umfasst beispielsweise eine erste Zenerdiode Z1 und eine zweite Zenerdiode Z2.
-
Die erste Zenerdiode Z1 und die zweite Zenerdiode Z2 sind in Reihe geschaltet während sie mit Bezug zueinander umgekehrt ausgerichtet sind. So ist beispielsweise eine Kathode der ersten Zenerdiode Z1 mit einer Kathode der zweiten Zenerdiode Z2 verbunden.
-
Eine Anode der ersten Zenerdiode Z1 ist mit dem Negativpol-Anschluss N verbunden. Außerdem ist eine Anode der zweiten Zenerdiode Z2 mit der Gate-Elektrode G1, der Gate-Elektrode G2, der Gate-Elektrode G3 oder der Gate-Elektrode G4 verbunden.
-
10 ist eine schematische Draufsicht auf das Halbleitermodul gemäß der zweiten Ausführungsform.
-
Das Leistungsmodul 200 umfasst den Negativpol-Anschluss N (erster externer Anschluss), einen Positivpol-Anschluss P (zweiter externer Anschluss), einen Transistor T1 (erstes Halbleiterschaltelement, d. h. ein erster Halbleiterschalter), einen Transistor T2 (zweites Halbleiterschaltelement, d. h. ein zweiter Halbleiterschalter), einen Transistor T3 (drittes Halbleiterschaltelement, d. h. ein dritter Halbleiterschalter), einen Transistor T4 (viertes Halbleiterschaltelement, d. h. ein vierter Halbleiterschalter), eine Sicherung FU1 (erste Sicherung), eine Sicherung FU2 (zweite Sicherung), eine Sicherung FU3 (dritte Sicherung), eine Sicherung FU4 (vierte Sicherung), eine Sicherung FU5, eine Sicherung FU6, eine Sicherung FU7, eine Sicherung FU8 und vier Paare mit jeweils der ersten Zenerdiode Z1 und der zweiten Zenerdiode Z2.
-
Das Leistungsmodul 200 umfasst ein Harzgehäuse 10, einen Deckel 12, einen Gate-Anschluss 20, ein Metallsubstrat 22, eine Harzisolierschicht 24, eine Source-Verdrahtungs-Metallschicht 26, eine Drain-Verdrahtungs-Metallschicht 28, Gate-Verdrahtungs-Metallschichten 30a bis 30d, Drain-Verbindungs-Metallschichten 32a bis 32d, Source-Verbindungs-Metallschichten 34a bis 34d, Dioden-Verbindungs-Metallschichten 35a bis 35d, einen Bonddraht 40 und ein Silikongel 42 (Dichtungsmaterial).
-
10 ist eine Draufsicht auf das Leistungsmodul 200 in einem Zustand, in dem der Deckel 12 und das Silikongel 42 entfernt sind.
-
Die vier Paare der ersten Zenerdiode Z1 und der zweiten Zenerdiode Z2 sind jeweils auf den Dioden-Verbindungs-Metallschichten 35a bis 35d angeordnet. Die vier Paare der ersten Zenerdiode Z1 und der zweiten Zenerdiode Z2 sind jeweils mit den Dioden-Verbindungs-Metallschichten 35a bis 35d verbunden, z. B. unter Verwendung von Löt- oder Ag-Nanopartikeln.
-
Im Folgenden werden eine Funktion und eine Wirkung des Leistungsmoduls 200 gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben.
-
11 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung einer Testschaltung in einem ersten Beispiel eines Experiments in der zweiten Ausführungsform. Die Sicherung FU1 und die Sicherung FU2 mit jeweils einer in den 4A bis 4C dargestellten Konfiguration wurden in Reihe geschaltet, und es wurde ein Stromlastversuch durchgeführt, bei dem ein Kurzschluss durch Laden und Entladen eines Kondensators simuliert wurde.
-
Es wurde eine Spannung V02 eines Drahtes zwischen der Sicherung FU1 und der Sicherung FU2 gemessen. Die Spannung V02 des Drahtes zwischen der Sicherung FU1 und der Sicherung FU2 stellt eine Spannung einer Gate-Elektrode in einem Fall dar, wo ein zwischen der Sicherung FU1 und der Sicherung FU2 eingefügter Transistor in einem Äquivalentschaltkreis des Leistungsmoduls 100 in 1 in einer simulierten Weise kurzgeschlossen wird.
-
12 ist eine Ansicht, die die Messergebnisse im ersten Beispiel des Experiments in der zweiten Ausführungsform zeigt. 12 zeigt die zeitliche Variation der Spannung V02.
-
In der Schaltung in 11, wenn eine Spannung an die Sicherung FU1 und die Sicherung FU2 angelegt wird, lösen die Sicherung FU1 und die Sicherung FU2 gleichzeitig aus. Wie in 12 dargestellt ist, steigt die Spannung V02 kurzzeitig an, wenn die Sicherung FU1 und die Sicherung FU2 auslösen. Mit anderen Worten, eine Hochspannung wird kurzzeitig an Sicherung FU1 und Sicherung FU2 angelegt. Es wird davon ausgegangen, dass ein solches Anlegen einer Hochspannung durch einen induzierten Strom verursacht wird, der durch die Induktivität einer Schaltung erzeugt wird, nachdem die Sicherung FU1 und die Sicherung FU2 ausgelöst haben.
-
Auch im Äquivalentschaltkreis des Leistungsmoduls 100 in 1 kann möglicherweise eine Hochspannung kurzzeitig an eine Gate-Elektrode in einem Fall angelegt werden, wo ein zwischen der Sicherung FU1 und der Sicherung FU2 eingefügter Transistor kurzgeschlossen ist. Wenn eine Hochspannung kurzzeitig an eine Gate-Elektrode angelegt wird, besteht die Sorge, dass eine Schaltung oder ein mit der Gate-Elektrode des Transistors verbundenes Element brechen. So können beispielsweise eine mit der Gate-Elektrode verbundene Gate-Treiberschaltung oder ein Gate-Isolierfilm, der in Kontakt mit einer Gate-Elektrode eines anderen mit der Gate-Elektrode verbundenen Transistors möglicherweise brechen.
-
13 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung einer Testschaltung in einem zweiten Beispiel eines Experiments in der zweiten Ausführungsform. In der in 13 dargestellten Schaltung ist ein Draht, der sich zwischen der Sicherung FU1 und der Sicherung FU2 erstreckt und zu einer Masse führt, in der in 11 dargestellten Schaltung bereitgestellt. Anschließend wird der Draht mit der ersten Zenerdiode Z1 und der zweiten Zenerdiode Z2 in der Weise in Reihe geschaltet, dass die Dioden mit Bezug zueinander umgekehrt ausgerichtet t sind. Die in 13 dargestellte Schaltung ist das Ergebnis einer Simulation einer Äquivalentschaltung des Leistungsmoduls 200 gemäß der zweiten Ausführungsform.
-
14 ist eine Ansicht, die die Messergebnisse im zweiten Beispiel des Experiments in der zweiten Ausführungsform zeigt. 14 zeigt die zeitliche Variation der Spannung V02.
-
Ein kurzzeitiger Anstieg der Spannung V02, wie der, der in der in 11 dargestellten Schaltung gesehen wurde, wo die erste Zenerdiode Z1 und die zweite Zenerdiode Z2 nicht enthalten sind, wird nicht beobachtet. Es wird davon ausgegangen, dass aufgrund der ersten Zenerdiode Z1 und der zweiten Zenerdiode Z2 ein Strom zu einer Masse fließt, so dass ein Anstieg einer Spannung unterdrückt wird.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass jeweils die erste Zenerdiode Z1 und die zweite Zenerdiode Z2 einen hohen Widerstand beibehält, bis eine angelegte Spannung eine vorgegebene Schwellenwertspannung erreicht, und somit ein Pegel einer Gate-Spannung, die an eine Gate-Elektrode eines Transistors während des normalen Betriebs des Leistungsmoduls 200 angelegt wird, nicht beeinflusst wird.
-
Mit dem Leistungsmodul 200 gemäß der zweiten Ausführungsform wird in einem Fall, in dem ein Transistor kurzgeschlossen wird, verhindert, dass ein Schaltkreis oder ein Element, das mit einer Gate-Elektrode des kurzgeschlossenen Transistors verbunden ist, gebrochen wird. Somit ist es möglich, die Leistungseinrichtung einschließlich des Leistungsmoduls 200 weiter zu betreiben. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Leistungseinrichtung einschließlich des Leistungsmoduls 200 weiter verbessert.
-
(Modifikation)
-
Ein Halbleitermodul gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen gemäß der zweiten Ausführungsform dadurch, dass anstelle der ersten Zenerdiode Z1 und der zweiten Zenerdiode Z2 ein Varistor eingebaut ist.
-
15 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung des Halbleitermoduls gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform.
-
Das Halbleitermodul gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform ist ein Leistungsmodul 201, in dem eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterelementen in einem Package montiert ist.
-
Das Leistungsmodul 201 umfasst einen Varistor VA als das Überspannungsschutzelement 90. Im Leistungsmodul 201 sind die Varistoren VA als Überspannungsschutzelemente 90 bereitgestellt, und zwar jeweils zwischen dem Negativpol-Anschluss N und der Gate-Elektrode G1, zwischen dem Negativpol-Anschluss N und der Gate-Elektrode G2, zwischen dem Negativpol-Anschluss N und der Gate-Elektrode G3 sowie zwischen dem Negativpol-Anschluss N und der Gate-Elektrode G4.
-
16 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung einer Testschaltung in einem Beispiel eines Experiments für die Modifikation der zweiten Ausführungsform. Der Varistor VA ist mit einem Draht verbunden, der sich zwischen der Sicherung FU1 und der Sicherung FU2 erstreckt und zu einer Masse führt. Die Schaltung in 16 ist ein Ergebnis der Simulation einer Äquivalentschaltung des Leistungsmoduls 201 gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform.
-
17 ist eine Ansicht, die die Messergebnisse in einem Beispiel eines Experiments in der Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt. 17 zeigt eine zeitliche Variation der Spannung V02.
-
Ein kurzzeitiger Anstieg der Spannung V02 wie der, der in der in 11 dargestellten Schaltung gesehen wurde, wo der Varistor VA nicht enthalten ist, wird nicht beobachtet. Es wird angenommen, dass aufgrund des Varistors VA ein Strom zu einer Masse fließt, so dass ein Anstieg einer Spannung unterdrückt wird.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass der Varistor VA einen hohen Widerstand beibehält, bis eine angelegte Spannung eine vorgegebene Schwellenwertspannung erreicht, und somit wird ein Pegel einer Gate-Spannung, die während des normalen Betriebs des Leistungsmoduls 201 an eine Gate-Elektrode eines Transistors angelegt wird, nicht beeinflusst.
-
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist es mit den Halbleitermodulen gemäß der zweiten Ausführungsform und der Modifikation, wie dem Halbleitermodul gemäß der ersten Ausführungsform, möglich, ein Halbleitermodul bereitzustellen, das auch dann weiter betrieben werden kann, wenn ein Halbleiterschaltelement kurzgeschlossen wird und während des Betriebs ausfällt. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Leistungseinrichtung einschließlich des Halbleitermoduls gemäß der zweiten Ausführungsform verbessert. Insbesondere wird verhindert, dass ein Schaltkreis oder ein mit einer Gate-Elektrode eines kurzgeschlossenen Halbleiterschaltelements verbundenes Element bricht, so dass die Zuverlässigkeit der Leistungseinrichtung einschließlich des Halbleitermoduls weiter verbessert wird.
-
(Dritte Ausführungsform)
-
Ein Halbleitermodul gemäß einer dritten Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen der ersten Ausführungsform dadurch, dass ein drittes Halbleiterschaltelement, das elektrisch parallel zu einem ersten Halbleiterschaltelement zwischen einem ersten externen Anschluss und einem zweiten externen Anschluss verbunden ist, und eine dritte Gate-Elektrode umfasst, weiterhin enthalten ist, wobei eine erste Sicherung zwischen dem ersten externen Anschluss und dem dritten Halbleiterschaltelement elektrisch verbunden ist, und wobei eine zweite Sicherung zwischen dem zweiten externen Anschluss und dem dritten Halbleiterschaltelement elektrisch verbunden ist. Im Folgenden wird die Beschreibung von Details, die eine Wiederholung der ersten Ausführungsform wären, teilweise weggelassen.
-
18 ist ein Diagramm einer Äquivalentschaltung des Halbleitermoduls gemäß der dritten Ausführungsform.
-
Das Halbleitermodul gemäß der dritten Ausführungsform ist ein Leistungsmodul 300, in dem eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterelementen in einem Package montiert ist. Das Leistungsmodul 300 wird für einen Wechselrichter verwendet, der dazu eingerichtet ist, beispielsweise eine hohe Leistung oder dergleichen zu steuern. Eine Nennspannung des Leistungsmoduls 300 ist beispielsweise gleich oder höher als 250 V und gleich oder niedriger als 10 kV.
-
Im Leistungsmodul 300 sind, wie in 18 dargestellt ist, ein Transistor T1 (erstes Halbleiterschaltelement, d. h. ein erster Halbleiterschalter), ein Transistor T2 (zweites Halbleiterschaltelement, d. h. ein zweiter Halbleiterschalter), ein Transistor T3 (drittes Halbleiterschaltelement, d. h. ein dritter Halbleiterschalter) und ein Transistor T4 (viertes Halbleiterschaltelement, d. h. ein vierter Halbleiterschalter) parallel zwischen einem Negativpol-Anschluss N (erster externer Anschluss) und einem Positivpol-Anschluss P (zweiter externer Anschluss) verbunden. Der Transistor T1, der Transistor T2, der Transistor T3 und der Transistor T4 sind jeweils beispielsweise ein MOSFET.
-
Der Transistor T1 umfasst eine Source-Elektrode S1, eine Drain-Elektrode D1 und eine Gate-Elektrode G1 (erste Gate-Elektrode). Der Transistor T2 umfasst eine Source-Elektrode S2, eine Drain-Elektrode D2 und eine Gate-Elektrode G2 (zweite Gate-Elektrode). Der Transistor T3 umfasst eine Source-Elektrode S3, eine Drain-Elektrode D3 und eine Gate-Elektrode G3 (dritte Gate-Elektrode). Der Transistor T4 umfasst eine Source-Elektrode S4, eine Drain-Elektrode D4 und eine Gate-Elektrode G4.
-
Zwischen dem Negativpol-Anschluss N und dem Transistor T1 ist eine Sicherung FU1 (erste Sicherung) elektrisch verbunden. Die Sicherung FU1 (erste Sicherung) ist zwischen dem Negativpol-Anschluss N und dem Transistor T3 elektrisch verbunden. Das eine Ende der Sicherung FU1 ist elektrisch mit dem Negativpol-Anschluss N verbunden, wobei das andere Ende elektrisch mit der Source-Elektrode S1 des Transistors T1 und der Source-Elektrode S3 des Transistors T3 verbunden ist.
-
Zwischen dem Positivpol-Anschluss P und dem Transistor T1 ist eine Sicherung FU2 (zweite Sicherung) elektrisch verbunden. Die Sicherung FU2 (zweite Sicherung) ist zwischen dem Positivpol-Anschluss P und dem Transistor T3 elektrisch verbunden. Das eine Ende der Sicherung FU2 ist elektrisch mit dem Positivpol-Anschluss P verbunden, wobei das andere Ende elektrisch mit der Drain-Elektrode D1 des Transistors T1 und der Drain-Elektrode D3 des Transistors T3 verbunden ist.
-
Der Transistor T1 und der Transistor T3 sind parallel zwischen der Sicherung FU1 und der Sicherung FU2 verbunden.
-
Zwischen dem Negativpol-Anschluss N und dem Transistor T2 ist eine Sicherung FU3 (dritte Sicherung) elektrisch verbunden. Die Sicherung FU3 (dritte Sicherung) ist zwischen dem Negativpol-Anschluss N und dem Transistor T4 elektrisch verbunden. Das eine Ende der Sicherung FU3 ist elektrisch mit dem Negativpol-Anschluss N verbunden, wobei das andere Ende elektrisch mit der Source-Elektrode S2 des Transistors T2 und der Source-Elektrode S4 des Transistors T4 verbunden ist.
-
Zwischen dem Positivpol-Anschluss P und dem Transistor T2 ist eine Sicherung FU4 (vierte Sicherung) elektrisch verbunden. Die Sicherung FU4 (vierte Sicherung) ist zwischen dem Positivpol-Anschluss P und dem Transistor T4 elektrisch verbunden. Das eine Ende der Sicherung FU4 ist elektrisch mit dem Positivpol-Anschluss P verbunden, wobei das andere Ende elektrisch mit der Drain-Elektrode D2 des Transistors T2 und der Drain-Elektrode D4 des Transistors T4 verbunden ist.
-
Der Transistor T2 und der Transistor T4 sind parallel zwischen der Sicherung FU3 und der Sicherung FU4 verbunden.
-
19 ist eine schematische Draufsicht des Halbleitermoduls gemäß der dritten Ausführungsform.
-
Das Leistungsmodul 300 umfasst den Negativpol-Anschluss N (erster externer Anschluss), den Positivpol-Anschluss P (zweiter externer Anschluss), den Transistor T1 (erstes Halbleiterschaltelement, d. h. ein erster Halbleiterschalter), den Transistor T2 (zweites Halbleiterschaltelement, d. h. ein zweiter Halbleiterschalter), den Transistor T3 (drittes Halbleiterschaltelement, d. h. ein dritter Halbleiterschalter), den Transistor T4 (viertes Halbleiterschaltelement, d. h. ein vierter Halbleiterschalter), die Sicherung FU1 (erste Sicherung), die Sicherung FU2 (zweite Sicherung), die Sicherung FU3 (dritte Sicherung) und die Sicherung FU4 (vierte Sicherung).
-
Das Leistungsmodul 300 umfasst ein Harzgehäuse 10, einen Deckel 12, einen Gate-Anschluss 20, ein Metallsubstrat 22, eine Harzisolierschicht 24, eine Source-Verdrahtungs-Metallschicht 26, eine Drain-Verdrahtungs-Metallschicht 28, Gate-Verdrahtungs-Metallschichten 30a bis 30d, Drain-Verbindungs-Metallschichten 32a und 32b, Source-Verbindungs-Metallschichten 34a und 34b, einen Bonddraht 40 und ein Silikongel 42 (Dichtungsmaterial).
-
Die Transistoren T1 und T3 sind auf der Drain-Verbindungs-Metallschicht 32a gemeinsam bereitgestellt. Die Transistoren T2 und T4 sind auf der Drain-Verbindungs-Metallschicht 32b gemeinsam bereitgestellt.
-
Die Source-Elektroden S1 und S3 sind gemeinsam mit der Source-Verbindungs-Metallschicht 34a über den Bonddraht 40 verbunden. Die Source-Elektroden S2 und S4 sind gemeinsam mit der Source-Verbindungs-Metallschicht 34b über den Bonddraht 40 verbunden.
-
Im Leistungsmodul 300 teilen sich der Transistor T1 und der Transistor T3 die Sicherung FU1 und die Sicherung FU2. Dann teilen sich der Transistor T2 und der Transistor T4 die Sicherung FU3 und die Sicherung FU4.
-
Wenn der Transistor T1 kurzgeschlossen ist und ausfällt, lösen die Sicherung FU1 und die Sicherung FU2 aus. Außerdem, wenn der Transistor T3 kurzgeschlossen ist und ausfällt, lösen die Sicherung FU1 und die Sicherung FU2 aus.
-
Wenn der Transistor T2 kurzgeschlossen ist und ausfällt, lösen die Sicherung FU3 und die Sicherung FU4 aus. Außerdem, wenn der Transistor T4 kurzgeschlossen ist und ausfällt, lösen die Sicherung FU3 und die Sicherung FU4 aus.
-
Im Leistungsmodul 300 teilen sich zwei Transistoren eine Sicherung, so dass die Anzahl der Sicherungen im Leistungsmodul 300 reduziert werden kann. Damit kann eine Miniaturisierung des Leistungsmoduls 300 erreicht werden.
-
Wie vorstehend beschrieben worden ist, ist es mit dem Halbleitermodul gemäß der dritten Ausführungsform, wie mit dem Halbleitermodul gemäß der ersten Ausführungsform, möglich, ein Halbleitermodul bereitzustellen, das auch dann weiter betrieben werden kann, wenn ein Halbleiterschaltelement kurzgeschlossen ist und während des Betriebs ausfällt. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Leistungseinrichtung einschließlich des Halbleitermoduls gemäß der dritten Ausführungsform verbessert. Weiterhin kann durch die Reduzierung der Anzahl der Sicherungen eine Miniaturisierung eines Halbleitermoduls erreicht werden.
-
Obwohl die erste bis dritte Ausführungsform unter der Annahme eines beispielhaften Falles beschrieben wurden, wo beispielsweise vier Halbleiterschaltelemente bereitgestellt sind, ist die Anzahl der Halbleiterschaltelemente nicht auf vier beschränkt, solange eine Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen bereitgestellt ist.
-
Die erste bis dritte Ausführungsform wurde unter der Annahme eines beispielhaften Falles beschrieben, wo beispielsweise nur ein Halbleiterschaltelement als Halbleiterelement in einem Halbleitermodul enthalten ist. Die anderen Halbleiterelemente, wie etwa beispielsweise eine Diode, können jedoch in ein Halbleitermodul integriert sein.
-
Obwohl die erste bis dritte Ausführungsform unter der Annahme eines beispielhaften Falles beschrieben wurde, wo ein Halbleiterschaltelement beispielsweise ein MOSFET ist, können die anderen Halbleiterschaltelemente, wie etwa ein IGBT, als Halbleiterschaltelement eingesetzt werden.
-
Obwohl die erste bis dritte Ausführungsform unter der Annahme eines beispielhaften Falles beschrieben wurde, in dem ein Halbleitermodul eingerichtet ist, das Harzgehäuse 10 zu umfassen, kann bei der vorliegenden Offenbarung beispielsweise ein Halbleitermodul mit einer Konfiguration eingesetzt werden, in der ein Halbleiterschaltelement durch Pressformung gebildet wird.
-
Obwohl die erste bis dritte Ausführungsform unter der Annahme eines beispielhaften Falles beschrieben wurde, in dem das Silikongel 42 als ein Dichtungsmaterial verwendet wird, können die anderen Harzmaterialien, wie etwa beispielsweise ein Epoxidharz, anstelle des Silikongels 42 verwendet werden.
-
Obwohl die zweite Ausführungsform unter der Annahme eines beispielhaften Falles beschrieben wurde, in dem zwei Zenerdioden als Überspannungsschutzelemente 90 verwendet werden, können beispielsweise entweder eine Zenerdiode oder drei oder mehr Zenerdioden verwendet werden.
-
Obwohl bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurden, wurden diese Ausführungsformen lediglich beispielhaft dargestellt und sollen den Umfang der Erfindungen nicht einschränken. Tatsächlich kann das hierin beschriebene Halbleitermodul in einer Mehrzahl anderer Formen ausgeführt sein; darüber hinaus können verschiedene Auslassungen, Substitutionen und Änderungen in der Ausführung der hierin beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren vorgenommen werden, ohne von dem Grundgedanken der Erfindungen abzuweichen. Die begleitenden Ansprüche und ihre Äquivalente sollen solche Ausführungen oder Modifikationen abdecken, solange sie in den Umfang und den Grundgedanken der Erfindungen fallen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
