DE102020216551A1 - Verbindungsanordnung einer dämpferschaltung in einer halbleitervorrichtung und leistungsmodulanordnung unter verwendung derselben - Google Patents

Verbindungsanordnung einer dämpferschaltung in einer halbleitervorrichtung und leistungsmodulanordnung unter verwendung derselben Download PDF

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Hyundai Motor Co
Kia Motors Corp
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Abstract

Eine Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung umfasst: ein erstes Substrat mit einer ersten Elektrodenverdrahtungsleitung, ein zweites Substrat, das dem ersten Substrat zugewandt ist, wobei das zweite Substrat eine zweite Elektrodenverdrahtungsleitung aufweist, die auf zumindest einer Oberfläche des zweiten Substrats vorgesehen ist, die der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung zugewandt; und einen Stapel-Keramikkondensator mit Verbindungsanschlüssen, die an gegenüberliegenden Enden des Stapel-Keramikkondensators vorgesehen sind, der in einer aufrechten Position derart angebracht ist, dass gesamte Oberflächen der Verbindungsanschlüsse mit der ersten bzw. der zweiten Elektrodenverdrahtungsleitung verbunden sind, wobei der Stapel-Keramikkondensator neben einem auf dem ersten Substrat angebrachten Schaltelement angebracht ist, und wobei der Verbindunganschluss und ein Elektrodenanschluss auf dem Schaltelement mit der dort dazwischen angeordneten ersten Elektrodenverdrahtungsleitung verbunden sind.

Description

  • HINTERGRUND
  • (a) Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung und eine Leistungsmodulanordnung unter Verwendung der Verbindungsanordnung, insbesondere die Dämpferschaltung, in der ein die Dämpferschaltung bildender Stapel-Keramikkondensator in einer aufrechten Position für eine Verbindung zwischen zwei einander gegenüberliegenden Substraten angeordnet ist.
  • (b) Beschreibung des Standes der Technik
  • Leistungsmodule, von denen jedes mit einem Leistungshalbleiter ausgestattet ist, der die elektrische Leistung steuert bzw. regelt, die an verschiedene elektrische Vorrichtungen zugeführt wird, sind weit verbreitet. Die Leistungsmodule variieren je nach Art der Verwendung gemäß unterschiedlichen Anwendungen. Die in Fahrzeugen vorgesehenen Leistungsmodule können zum Schalten von vergleichsweise hohem Strom bei hoher Geschwindigkeit verwendet werden.
  • In den meisten Fällen sind im Stand der Technik Leistungshalbleiter auf Silizium (Si) -Basis verwendet worden. Leistungshalbleiter der nächsten Generation, für die ein SiC-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) typisch ist, finden jetzt Anwendung in Leistungsmodulen. Der SiC-MOSFET weist einen geringeren elektrischen Leistungsverlust als ein Si-Bipolartransistor mit isoliertem Gate (Insulated-Gate Bipolar Transistor - IGBT) auf. Der SiC-MOSFET weist zwar eine geringere Chipgröße, jedoch die gleiche Leistung wie der SI-IGBT auf. Es wird erwartet, dass der SiC-MOSFET dazu beiträgt, die Leistung von Leistungsumwandlungsvorrichtungen, wie z.B. Leistungssteuer- bzw. Leistungsregeleinheiten (Power Control Unit - PCU), die an Fahrzeugen montiert werden sollen, erheblich zu verbessern und ein Schalten mit hoher Geschwindigkeit zu realisieren.
  • Das Schalten mit hoher Geschwindigkeit übt jedoch einen Einfluss auf eine Verdrahtungsleitung, die eine Schaltung bildet, einen Induktionskoeffizienten einer elektronischen Komponente oder dergleichen oder eine parasitäre Kapazität zwischen Verdrahtungsleitungen aus. Somit tritt eine Stoßspannung auf oder es tritt ein Rauschen wie Kopplung bzw. Linking auf. Wenn das Schalten mit einer höheren Geschwindigkeit durchgeführt wird, wird dieses Rauschen weiter erhöht. Dieses Problem muss gelöst werden, um eine Leistungsverbesserung durch eine Erhöhung der Geschwindigkeit zu erreichen.
  • Eines der Verfahren zum Verringern von Rauschen beim Durchführen eines Schaltens mit hoher Geschwindigkeit ist der Einsatz einer Dämpferschaltung. Die Dämpferschaltung ist eine Schaltung mit einer Anordnung bzw. Struktur, in der ein Kondensator (oder ein Kondensator und ein Widerstand, die in Reihe angeordnet sind) parallel zu einem Leistungshalbleiter vorgesehen ist.
  • Damit die Dämpferschaltung effektiv arbeitet, ist es erforderlich, die Dämpferschaltung unmittelbar neben dem Leistungshalbleiter zu verbinden bzw. anzuschließen, und es ist wünschenswert, dass die Dämpferschaltung innerhalb eines Leistungsmoduls vorgesehen ist. Für den in der Dämpfungsschaltung verwendeten Kondensator sind eine hohe Wärmebeständigkeit und hohe Zuverlässigkeit erforderlich. Es sind Stapel-Keramikkondensatoren vorgeschlagen worden, die relativ kostengünstig sind und typischerweise einen hohen Widerstand und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen. Da jedoch normale Stapel-Keramikkondensatoren flach auf der Oberfläche montiert sind, wird eine planare Montagefläche in einer normalen Anordnung vorgegeben, wodurch die Miniaturisierung des Leistungsmoduls eingeschränkt wird. Darüber hinaus verringert die Verwendung der normalen Stapel-Keramikkondensatoren in einer Situation, in der ein Montagesubstrat leicht verzogen bzw. verformt wird, die Zuverlässigkeit eines Verbindungsabschnitts.
  • Die Offenlegung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2019 - 186983 offenbart ein Halbleiterleistungsmodul, bei dem ein dünnschichtiger Dämpfungskondensator, der parallel zu einem Halbleiterschaltelement geschaltet werden soll, in der Nähe eines Halbleiterschaltelements vorgesehen ist und der das Rauschen aufgrund Linking selbst beim Durchführen eines Schaltvorgangs mit hoher Geschwindigkeit verringern kann.
  • Gemäß der Offenlegung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-186983 ist es möglich, das Rauschen aufgrund Linking ausreichend zu reduzieren, da der dünnfilmige Dämpfungskondensator in einem Abstand von 10 pm von dem Halbleiterschaltelement vorgesehen sein kann. Um jedoch die erforderliche Kapazität zu erhalten, besteht die Notwendigkeit, einen Bereich bzw. eine Fläche und eine Dicke eines Dünnfilms genau zu steuern. Ein Hauptnachteil bei diesem Verfahren besteht daher darin, dass die Betriebskosten für die Durchführung eines Dünnschichtprozesses sehr hoch sind. Darüber hinaus erhöht eine Erhöhung der Kapazität einen erforderlichen exklusiven Bereich, wodurch eine Größe des Moduls erhöht wird.
  • Aus diesem Grund besteht die Notwendigkeit, eine Verbindungsanordnung einer Dämpfungsschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung, die eine geringe Größe aufweist und in der Lage ist, einen Schaltvorgang mit hoher Geschwindigkeit auszuführen, und eine Leistungsmodulanordnung unter Verwendung dieser Verbindungsanordnung bereitzustellen.
  • Das Vorstehende soll lediglich das Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung erleichtern und soll nicht bedeuten, dass die vorliegende Offenbarung in den Bereich des Standes der Technik fällt, der dem Fachmann bereits bekannt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Offenbarung stellt bereit eine Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung, in der ein die Dämpferschaltung bildender Stapel-Keramikkondensator in einer aufrechten Position für eine Verbindung zwischen zwei einander zugewandten bzw. gegenüberliegenden Substraten angeordnet ist, und eine Leistungsmodulanordnung unter Verwendung der Verbindungsanordnung der Dämpferschaltung innerhalb der Halbleitervorrichtung. Die Verbindungsanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann zu geringen Betriebskosten hergestellt werden. Darüber hinaus weist die Verbindunganordnung eine geringe Größe und eine hohe Zuverlässigkeit auf, während gleichzeitig eine effektive Rauschunterdrückung bereitgestellt wird.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung wird bereitgestellt eine Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung für eine Verwendung in einem Leistungsmodul, die Verbindungsanordnung umfassend: ein erstes Substrat mit einer ersten Elektrodenverdrahtungsleitung, die an/auf zumindest einer Oberfläche des ersten Substrats vorgesehen ist; ein zweites Substrat, das dem ersten Substrat zugewandt ist bzw. gegenüberliegt, wobei das zweite Substrat eine zweite Elektrodenverdrahtungsleitung aufweist, die an/auf zumindest einer Oberfläche des zweiten Substrats vorgesehen ist, die der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung zugewandt ist bzw. gegenüberliegt; und einen Stapel-Keramikkondensator mit einem ersten und einem zweiten Verbindungsanschluss, die an gegenüberliegenden Enden in einer Längsrichtung des Stapel-Keramikkondensators vorgesehen sind, der in einer aufrechten Position derart angebracht ist, dass eine gesamte Oberfläche des ersten Verbindungsanschlusses an einem ersten Ende davon mit der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung verbunden ist und eine gesamte Oberfläche des zweiten Verbindunganschlusses an einem zweiten Ende davon mit der zweiten Elektrodenverdrahtungsleitung verbunden ist, wobei der Stapel-Keramikkondensator neben einem Schaltelement eines Leistungsmoduls angebracht ist, wobei das Schaltelement auf dem ersten Substrat montiert ist, und wobei der erste Verbindunganschluss und ein Elektrodenanschluss an dem Schaltelement miteinander verbunden sind und die erste Elektrodenverdrahtungsleitung dort dazwischen angeordnet ist.
  • In der Verbindungsanordnung kann der Stapel-Keramikkondensator eine Vielzahl von Stapel-Keramikkondensatoren in der aufrechten Position umfassen, die zwischen der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung und der zweiten Elektrodenleitung parallel zueinander geschaltet sein können.
  • In der Verbindungsanordnung kann der Stapel-Keramikkondensator eine Vielzahl von Stapel-Keramikkondensatoren in der aufrechten Position zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat derart umfassen, dass eine Vielzahl von Anordnungen bzw. Strukturen, in denen die Stapel-Keramikkondensatoren parallel zueinander geschaltet sind, in Reihe zueinander geschaltet bzw. verbunden sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung wird eine Leistungsmodulanordnung bereitgestellt, umfassend: ein erstes Substrat mit einer ersten Elektrodenverdrahtungsleitung, die an/auf zumindest einer Oberfläche des ersten Substrats vorgesehen ist; ein zweites Substrat, das dem ersten Substrat zugewandt ist bzw. gegenüberliegt, wobei das zweite Substrat zumindest eine zweite Elektrodenverdrahtungsleitung aufweist, die an/auf zumindest einer Oberfläche des zweiten Substrats vorgesehen ist, das der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung zugewandt ist; zumindest ein Schaltelement, das an/auf dem ersten Substrat montiert ist; ein Abstandselement, das zwischen einem Elektrodenanschluss an/auf einer oberen Oberfläche bzw. Oberseite des zumindest einen Schaltelements und dem zweiten Substrat eingefügt und eingerichtet ist, den Elektrodenanschluss an/auf der oberen Oberfläche davon und die zweite Elektrodenverdrahtungsleitung an/auf dem zweiten Substrat oder eine andere Elektrodenverdrahtungsleitung an/auf dem zweiten Substrat miteinander elektrisch zu verbinden; und einen Stapel-Keramikkondensator mit einem ersten und einem zweiten Verbindunganschluss, die an gegenüberliegenden Enden in einer Längsrichtung des Stapel-Keramikkondensators vorgesehen sind, der in einer aufrechten Position derart angebracht ist, dass eine gesamte Oberfläche des Verbindunganschlusses an/auf einem ersten Ende davon mit der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung verbunden ist und eine gesamte Oberfläche des Verbindunganschlusses an/auf einem zweiten Ende davon mit der zweiten Elektrodenverdrahtungsleitung verbunden ist, wobei der Stapel-Keramikkondensators neben dem zumindest einen Schaltelement angebracht und als eine Dämpferschaltung ausgeführt ist, in der der erste Verbindunganschlusses an/auf zumindest dem ersten Ende davon und ein Elektronanschluss an/auf einer unteren Oberfläche des Schaltelements miteinander verbunden sind, wobei die erste Elektrodenverdrahtungsleitung dort dazwischen angeordnet ist.
  • In der Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, den Stapel-Keramikkondensator, der relativ kostengünstig ist und einfach eine hohe Wärmeableitung und hohe Zuverlässigkeit sicherstellt, in der aufrechten Position in der Nähe des Schaltelements anzubringen. Demzufolge kann die Dämpferschaltung zu geringen Kosten realisiert werden, ein Montagebereich des Kondensators kann minimiert werden und der Effekt einer ausreichenden Reduzierung des Rauschens bei einem Schaltvorgang mit hoher Geschwindigkeit kann ebenfalls erwartet werden.
  • Darüber hinaus wird in einer Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung der Stapel-Keramikkondensators in der aufrechten Position in Bezug auf das Montagesubstrat montiert und gesamte Oberflächen des Verbindunganschlusses des Stapel-Keramikkondensators werden für eine Verbindung verwendet. Dadurch ist eine stabile und hoch zuverlässige Verbindung möglich. Bei zusätzlicher Verbindung des Stapel-Keramikkondensators in der aufrechten Position besteht die auf den Stapel-Keramikkondensatoren ausgeübte strukturelle Belastung hauptsächlich aus Druck- und Zugspannungen. Demzufolge ist es schwierig, dass an einem Verbindungsabschnitt die gleiche Verformungs- bzw. Verzugsspannung wie bei der normalen Montage auf einer flachen Oberfläche auftritt, und es ist möglich, zu verhindern, dass aufgrund der Verformungsspannung ein Riss in einem Verbindungsabschnitt des Stapel-Keramikkondensators auftritt. Aus diesem Grund muss ein Metallanschluss, der eine Belastung aufgrund der Montage verringert, nicht separat auf dem Stapel-Keramikkondensator vorgesehen werden. Dies bietet den Vorteil einer Senkung der Herstellungskosten.
  • In der Leistungsmodulanordnung unter Verwendung der Verbindungsanordnung einer Dämpfungsschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein Abstand zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat gemäß einer Abmessung des Stapelkeramikkondensators in Längsrichtung bestimmt. Demzufolge besteht zusätzlich zu dem Abstandselement an/auf dem Schaltelement, das in einer Weise eingesetzt wird, die der Abmessung des Stapel-Keramikkondensators entspricht, nicht die Notwendigkeit, ein separates Abstandselement für den Kondensator vorzusehen. Zusätzlich können nach außen freiliegende Oberflächen des ersten Substrats und des zweiten Substrats zum Kühlen verwendet werden. Demzufolge ist es möglich, die Leistungsmodulanordnung in geeigneter Weise als ein doppelseitiges Kühlmodul zu verwenden.
  • Figurenliste
  • Die obigen und andere Ziele, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer verstanden. In den Figuren zeigen:
    • 1 eine Ansicht, die schematisch eine Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
    • 2 eine Ansicht, die schematisch die Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt, in der Stapel-Keramikkondensatoren für eine Parallelschaltung vorgesehen sind;
    • 3 eine Ansicht, die schematisch die Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt, in der die Stapel-Keramikkondensatoren für eine Reinschaltung vorgesehen sind;
    • 4A bis 4D Ansichten, die jeweils schematisch eine Leistungsmodulanordnung unter Verwendung der Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen; und
    • 5 eine Ansicht, die schematisch eine der Leistungsmodulanordnung in 4A bis 4D entsprechende elektrische Schaltung darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es versteht sich, dass der Ausdruck „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-“ oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z.B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffgetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin erwähnt, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Energiequellen aufweist, beispielsweise sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
  • Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Offenbarung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen „ein/eine/einer“ und „der/die/das“ dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke „aufweisen“ und/oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck „und/oder“ jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck „und/oder“ jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente. In der Beschreibung, wenn nicht ausdrücklich das Gegenteil beschrieben ist, werden das Wort „aufweisen/umfassen“ und Variationen wie „aufweist/umfasst“ oder „aufweisend/umfassend“ derart verstanden, dass dies die Einbeziehung der genannten Elemente aber nicht der Ausschluss von irgendwelchen anderen Elementen bedeutet. Darüber hinaus bedeuten die Begriffe „...Einheit", „...-er", „...-or" und „...Modul", die in der Beschreibung beschrieben werden, Einheiten zum Verarbeiten von zumindest einer Funktion und Operation, und können durch Hardware-Komponenten oder Software-Komponenten und Kombinationen derselben realisiert/implementiert werden.
  • Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung/Steuereinheit oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc (CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z.B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
  • Eine Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung und eine Leistungsmodulanordnung unter Verwendung der Verbindungsanordnung der Dämpferschaltung innerhalb der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
  • 1 zeigt eine Ansicht, die schematisch eine Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. Die Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eine kleinformatige Schaltungsanordnung, die für ein Leistungsmodul verwendet wird und zum Verringern von Rauschen wirksam ist.
  • Das Leistungsmodul, wie beispielsweise eine Wechselrichterschaltung, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, wird zur Leistungsregelung verwendet. Für die Leistungsregelung führt ein in das Leistungsmodul eingebautes Schaltelement ein Schalten durch. Wenn das Schalten durchgeführt wird, variiert der Ausgangsstrom stark. Demzufolge ändert sich eine Leistungs- bzw. Versorgungsspannung leicht aufgrund eines Einflusses eines Induktivitätskoeffizienten, einer parasitären Kapazität oder dergleichen einer Schaltung. Um diese Änderung der elektrischen Leistung zu unterdrücken, werden daher im Allgemeinen Kondensatoren mit großer Kapazität in Reihe zu einer Gleichstromquelle geschaltet.
  • Wenn jedoch ein Abstand von dem Kondensator mit hoher Kapazität zum Schaltelement groß ist, kann der Effekt der Unterdrückung der Änderung der elektrischen Leistung nicht ausreichend erreicht werden, ohne einen Einfluss des Induktivitätskoeffizienten oder dergleichen einer Verdrahtungsleitung zu unterdrücken, die den Kondensator mit hoher Kapazität und das Schaltelement miteinander verbindet. Eine Dämpferschaltung ist eine Schaltung, die in der Lage ist, den Effekt zum Verringern des gesamten Rauschens zu erzielen, das in den parallel angebrachten Kondensatoren mit hoher Kapazität, die an die Gleichstromquelle angeschlossen werden sollen, nicht entfernt werden kann. Arten der Dämpferschaltungen umfassen eine C-Dämpferschaltung, eine RC-Dämpferschaltung, eine RCD-Dämpferschaltung und dergleichen. In der C-Dämpferschaltung ist ein Kondensator parallel zu einer Schaltung angebracht, die seriell mit dem Schaltelement geschaltet bzw. verbunden ist. In der RC-Dämpferschaltung ist eine Schaltung, die seriell mit einem Kondensator oder einem Widerstand verbunden ist, parallel zu dem Schaltelement angebracht. In der RCD-Dämpferschaltung ist eine Schaltung, die parallel zu einer Diode und einem Widerstand geschaltet und dann in Reihe mit einem Kondensator geschaltet ist, parallel in Bezug auf das Schaltelement oder eine Schaltung, die in Reihe mit dem Schaltelement geschaltet ist, angebracht. Ein Kondensator ist ein integraler Bestandteil jeder Dämpfungsschaltung. Anders als bei einem Verfahren, bei dem ein Kondensator durch normale Oberflächenmontage in einer planaren Art verwendet wird, ist der Kondensator in der Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung in der aufrechten Position in Bezug auf ein Substrat angebracht. Ein Merkmal der Verbindungsanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, dass der Kondensator in einem kleinen Installationsbereich in der Nähe (z.B. neben) dem Schaltelement angebracht ist.
  • Unter Bezugnahme auf 1 umfasst eine Verbindungsanordnung 10 einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ein erstes Substrat 13, ein zweites Substrat 14 und einen Stapel-Keramikkondensator 11. Eine erste Elektrodenverdrahtungsleitung 15 ist auf einer Oberfläche des ersten Substrats 13 vorgesehen. Eine zweite Elektrodenverdrahtungsleitung 16 ist auf einer Oberfläche, die der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung 15 zugewandt ist, des zweiten Substrats 14 vorgesehen. Der Stapel-Keramikkondensator 11 ist in einer aufrechten Position in Bezug auf das erste Substrat 13 und das zweite Substrat 14 derart angebracht, dass er elektrisch mit der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung 15 und der zweiten Elektrodenverdrahtungsleitung 16, die einander zugewandt sind, verbunden ist.
  • Verbindungsanschlüsse 12 sind an gegenüberliegenden Enden in einer Längsrichtung des Stapel-Keramikkondensators 11 vorgesehen. Der Stapel-Keramikkondensators 11 ist in der aufrechten Position angebracht. Somit werden eine gesamte Oberfläche eines Verbindunganschlusses (z.B. eines ersten Verbindunganschlusses) 12 und eine gesamte Oberfläche des anderen (z.B. eines zweiten) Verbindunganschlusses 12 für eine Verbindung verwendet. Das heißt, die gesamte Oberfläche des Verbindunganschlusses 12 auf einem ersten Ende des mehrschichtigen Keramikkondensators 11 ist mit der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung 15 verbunden, die gesamte Oberfläche des Verbindunganschlusses auf dem zweiten Ende davon ist mit der zweiten Elektrodenverdrahtungsleitung 16 verbunden. Die Verbindunganschlüsse sind mit den Elektrodenverdrahtungsleitungen 15 bzw. 16 verbunden, wobei ein leitfähiges Verbindungsmaterial 50 dort dazwischen angeordnet ist.
  • Im Allgemeinen wird ein Lötmaterial oder dergleichen als das leitfähige Verbindungsmaterial 50 verwendet. Es kann jedoch jedes Verbindungsmaterial als das leitende Verbindungsmaterial 50 verwendet werden. Darüber hinaus kann das gleiche leitfähige Verbindungsmaterial 50 verwendet werden, den Verbindunganschluss 12 mit den Elektrodenverdrahtungsleitungen 15 bzw. 16 zu verbinden. Das leitfähige Verbindungsmaterial 50 kann eine Vielzahl von Arten des leitfähigen Verbindungsmaterials 50 umfassen, wobei die Arten des leitfähigen Verbindungsmaterials 50 in Abhängigkeit von Arten der Elektrodenverdrahtungsleitungen 15 bzw. 16 geändert werden können, mit denen die leitfähigen Verbindungsmaterialen 50 jeweils verbunden werden. Beispielsweise kann eine Schaltung wie die RC-Dämpferschaltung das leitfähige Verbindungsmaterial 50 einschließlich eines Widerstandes verwenden.
  • Der Stapel-Keramikkondensator 11 ist in der Nähe eines Schaltelements 20 des Leistungsmoduls angebracht, das auf dem ersten Substrat 13 montiert ist. Der Stapel-Keramikkondensators 11 teilt die erste Elektrodenverdrahtungsleitung 15 mit dem Schaltelement 20. Das heißt, eine Elektrode 21 auf einer unteren Oberfläche des Schaltelements 20 und der Verbindunganschlusses 12 an einem unteren Ende des Stapel-Keramikkondensators 11 sind elektrisch miteinander verbunden, wobei die erste Elektrodenverdrahtungsleitung 15 dort dazwischen angeordnet ist. Die gemeinsame Nutzung der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung 15 durch den Stapel-Keramikkondensators 11 mit dem Schaltelement 20 ermöglicht es, dass der Stapel-Keramikkondensator 11 in der Nähe des Schaltelements 20 angebracht wird.
  • Das leitfähige Verbindungsmaterial 50 wird verwendet, um die Elektrode 21 auf der unteren Oberfläche des Schaltelements 20 und die erste Elektrodenverdrahtungsleitung 15 elektrisch zu verbinden, wenn das Schaltelement 20 auf dem ersten Substrat 13 angebracht ist. Das leitfähige Verbindungsmaterial 50, das einen unteren Endabschnitt des Stapel-Keramikkondensators 11 verbindet, und das leitfähige Verbindungsmaterial 50, das die Elektrode 21 auf der unteren Oberfläche des Schaltelements 20 verbindet, können jedoch miteinander in Kontakt gebracht werden oder können in einer integralen Art und Weise zum Teil miteinander kombiniert werden.
  • Eine Elektrode 22 auf einer oberen Oberfläche des Schaltelements 20 ist mit einer Elektrodenverdrahtungsleitung auf dem zweiten Substrat 14 mit einem dort dazwischen angeordneten Abstandselement 30 verbunden. Die Elektrode 22 auf der oberen Oberfläche des Schaltelements 20 und das Abstandelement 30 sind mit dem dort dazwischen angeordneten leitfähigen Verbindungsmaterial 50 miteinander verbunden. Das Abstandselement 30 und die Elektrodenverdrahtungsleitung auf dem zweiten Substrat 14 sind mit dem dort dazwischen angeordneten leitfähigen Verbindungsmaterial 50 miteinander verbunden.
  • Bei Verwendung als C-Dämpferschaltung ist der Stapel-Keramikkondensator 11 parallel zu dem Schaltelement 20 geschaltet, das in Reihe geschaltet ist. Demzufolge ist im Gegensatz zu der zweiten Elektrodenverdrahtungsleitung 16, mit der ein oberes Ende des Stapel-Keramikkondensators 11 verbunden ist, die Elektrodenverdrahtungsleitung auf dem zweiten Substrat 14, mit der Elektrode 22 auf der oberen Oberfläche des Schaltelements 20 verbunden ist, eine Elektrodenverdrahtungsleitung für eine Verbindung mit einem anderen Schaltelement 20, das in Reihe geschaltet ist. Die Leistungsmodulanordnung, die wie oben ausgeführt ist, wird unter Bezugnahme auf 4A bis 4D beschrieben.
  • Wenn beispielsweise der Stapel-Keramikkondensator 11, wie oben beschrieben, mit der zweiten Elektrodenverdrahtungsleitung 16 mit einem dort dazwischen angeordneten Widerstand verbunden ist, kann die Elektrodenverdrahtungsleitung auf dem zweiten Substrat 14, mit der die Elektrode 22 auf der oberen Oberfläche des Schaltelements 20 verbunden ist, die zweite Elektrodenverdrahtungsleitung 16 sein.
  • Das leitfähige Abstandselement 30 verbindet nicht nur die Elektrode 22 auf der oberen Oberfläche des Schaltelements 20 und die Elektrodenverdrahtungsleitung auf dem zweiten Substrat 14 elektrisch miteinander, sondern dient auch als wärmeleitender Körper, der in dem Schaltelement 20 erzeugte Wärme an das zweite Substrat 14 überträgt. Demzufolge ist es wünschenswert, dass das Abstandselement 30 aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder dergleichen besteht, das einen niedrigen spezifischen Widerstand und eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist. Eine Anordnung bzw. Struktur, wie sie in 1 dargestellt ist, wird verwendet, um die in dem Schaltelement 20 erzeugte Wärme an das erste Substrat 13 und das zweite Substrat 14 zu übertragen. Es ist möglich, dass die Leistungsmodulanordnung mit der Verbindungsanordnung 10 der Dämpferschaltung innerhalb der Halbleitervorrichtung als ein doppelseitiges Wärmeableitungs-Leistungsmodul verwendet wird, in dem eine untere Oberfläche des ersten Substrats 13 und eine obere Oberfläche des zweiten Substrats 14 als wärmeableitende Oberflächen dienen.
  • Die Verbindungsanordnung 10 einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung weist das strukturelle Merkmal auf, dass der Stapel-Keramikkondensator 11 in der aufrechten Position montiert werden muss. Somit wird ein Abstand zwischen zwei Substraten (d.h., dem ersten Substrat 13 und dem zweiten Substrat 14), die einander zugewandt sind bzw. gegenüberliegen, durch eine Länge des Stapel-Keramikkondensators 11 bestimmt. Demzufolge wird das leitfähige Abstandselement 30 derart gebildet, um eine Länge aufzuweisen, die unter Berücksichtigung eines Abstandes zwischen dem leitfähige Abstandselement 30 und der Elektrode 22 auf der oberen Oberfläche der Schaltelements 20 bestimmt wird.
  • Es ist wünschenswert, dass die Kapazität des Stapel-Keramikkondensators 11 individuell derart eingestellt wird, dass der Stapel-Keramikkondensator 11 die wirksamste Kapazität zum Verringern von Rauschen aufweist, wobei es jedoch nicht einfach ist, den Stapel-Keramikkondensator 11 derart herzustellen, dass er an eine Schaltung angebracht bzw. angeschlossen wird. In der Verbindungsanordnung 10 einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann auch leicht eine Vielzahl von Stapel-Keramikkondensatoren 11 parallel oder in der aufrechten Position sein, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben. Somit ist es möglich, dass ein Chipkondensator, der eine kostengünstige Chipkomponente ist, die üblicherweise erhältlich ist, als Stapel-Keramikkondensators verwendet wird.
  • Normalerweise werden für eine Verbindung bzw. einen Anschluss beide Anschlüsse an der Chipkomponente mit zwei Elektroden verlötet, die in einem Abstand voneinander auf einem Montagesubstrat montiert werden. Das Montagesubstrat besteht aus einem Grundmaterial und einem Verdrahtungsmaterial. Auf dem Montagesubstrat sind verschiedene elektronische Komponenten montiert. Aus diesen Gründen kann sich das Montagesubstrat aufgrund der Wärme, die erzeugt wird, wenn eine Schaltung arbeitet, leicht verziehen. Wenn sich das Montagesubstrat verzieht, besteht die Sorge, dass sich eine Biegekraft bzw. Biegebeanspruchung auf Lötstellenabschnitte beider Anschlüsse der Chipkomponente konzentriert, wodurch ein Riss oder dergleichen verursacht wird.
  • In der Verbindungsanordnung 10 einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung wird jedoch nur ein Anschluss des Stapel-Keramikkondensators 11 mit einem Montagesubstrat verbunden. Selbst wenn sich das Montagesubstrat verzieht, ist es demzufolge unwahrscheinlich, dass eine Biegespannung auftritt. Obwohl nicht in 1 dargestellt, wird zum Schutz des Schaltelements 20 Formharz in einen Raum zwischen dem ersten Substrat 13 und dem zweiten Substrat 14 eingebracht. Aufgrund eines Aushärtens und Schrumpfens des Formharzes bei Raumtemperatur wird die gleiche Druckspannung, wie sie auf das erste und das zweites Substrat 13 und 14 aufgebracht wird, auf einen Verbindungsabschnitt des Verbindunganschlusses 12 auf dem Stapel-Keramikkondensators 11 aufgebracht. Obwohl die Verbindungsanordnung 10 der Dämpferschaltung innerhalb der Halbleitervorrichtung aufgrund eines hohen Stroms, der aus einem Schaltvorgang resultiert, eine hohe Temperatur erreichen kann, kann darüber hinaus eine Zugspannung, die aus einem Unterschied in einem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Stapel-Keramikkondensator 11 und dem Formharz resultiert, an/auf dem Verbindungsabschnitt auftreten, wobei aber keine große Belastung auf den Verbindungsabschnitt ausgeübt bzw. aufgebracht wird. Demzufolge stellt die Verbindungsanordnung 10 einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Zustand einer stabilen Verbindung bereit und weist eine hohe Zuverlässigkeit der Verbindung auf.
  • Es ist eine hohe Wärmebeständigkeit des ersten und des zweiten Substrats 13 und 14 erforderlich, da das Leistungsmodul eine große Menge an Wärme erzeugt. In den meisten Fällen wird ein Harzsubstrat als normales Verdrahtungssubstrat verwendet. Es ist jedoch wünschenswert, dass das Harzsubstrat für das Leistungsmodul aus Harz mit hoher Wärmebeständigkeit besteht. Insbesondere ist eine hohe Zuverlässigkeit der Verdrahtungsleitungssubstrate erforderlich, die in Fahrzeugkomponenten verwendet werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden Keramiksubstrate als das erste und das zweite Substrat 13 und 14 verwendet. Arten von Keramiken umfassen Aluminiumoxidkeramiken, Siliziumnitrid und dergleichen. Materialien des ersten und des zweiten Substrats 13 und 14 sind nicht auf einen bestimmten Keramiktyp beschränkt.
  • Es ist wünschenswert, dass die auf dem ersten und dem zweiten Substrat 13 und 14 gebildeten Elektrodenverdrahtungsleitungen 15 bzw. 16 Kupferverdrahtungsleitungen mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit und geringem spezifischen Widerstand sind. Die Elektrodenverdrahtungsleitung in 15 und 16 können jedoch aus jedem beliebigen Material bestehen, das die erforderlichen elektrischen Eigenschaften erfüllt.
  • 2 zeigt eine Ansicht, die schematisch die Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt, in der Stapel-Keramikkondensatoren für eine Parallelschaltung vorgesehen sind.
  • Die Verbindungsanordnung der Dämpferschaltung innerhalb der Halbleitervorrichtung in 2 weist im Wesentlichen die gleiche Grundkonfiguration wie die Verbindungsanordnung 10 der Dämpferschaltung innerhalb der Halbleitervorrichtung in 1 auf. Das heißt, die Verbindungsanordnung der Dämpferschaltung innerhalb der Halbleitervorrichtung in 2 weist die gleichen Elektrodenverdrahtungsleitungen 15 und 16 zur Verbindung mit dem Schaltelement 20 bzw. dem Stapel-Keramikkondensator 11 auf, wie die Verbindungsanordnung 10 der Dämpferschaltung innerhalb der Halbleitervorrichtung in 1. Der Unterschied besteht darin, dass die Vielzahl der Stapel-Keramikkondensatoren 11 in 2 parallel geschaltet ist. Beschreibungen der Anordnungen bzw. Konfigurationen, die mit denen in 1 identisch sind, werden weggelassen und die Parallelschaltung, die sich von 1 unterscheidet, wird nachfolgend beschrieben.
  • In der Verbindungsanordnung 10 einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Chipkondensator, der eine kostengünstige Chipkomponente ist, als Stapel-Keramikkondensator 11 verwendet. Im Allgemeinen sind Außendurchmesser von üblicherweise verfügbaren Chipkomponenten standardisiert, und Chipkomponenten, die dieselbe Größe aufweisen, aber eine unterschiedliche Kapazität haben, werden serialisiert. Wenn ein Chipkondensator mit einer gewünschten Kapazität keine serealisierte Chipkomponente ist, ist es ebenfalls möglich, einen Chipkondensator mit ungefähr der gewünschten Kapazität sicherzustellen, indem allgemein verfügbare serealisierte Chipkondensatoren kombiniert werden.
  • 2 zeigt eine Anordnung, in der zwei Stapel-Keramikkondensatoren 11 parallel geschaltet sind. Die beiden Stapel-Keramikkondensatoren 11 können die gleiche Kapazität oder eine unterschiedliche Kapazität aufweisen. Es werden jedoch die beiden Stapel-Keramikkondensatoren 11 mit zumindest der gleichen Länge in der Größe des Außendurchmessers verwendet.
  • Wie oben beschrieben, wird der Abstand zwischen zwei Substraten (d.h., dem ersten Substrat 13 und dem zweiten Substrat 14) die einander zugewandt sind bzw. gegenüberliegen, gemäß der Länge des Stapel-Keramikkondensators 11 bestimmt. Aus diesem Grund, wenn die Stapel-Keramikkondensatoren 11 mit unterschiedlichen Längen parallel geschaltet sind, ist der Abstand zwischen den beiden einander zugewandten Substraten (d.h., dem ersten Substrat 13 und dem zweiten Substrat 14) auf die größere der Längen der Stapel-Keramikkondensatoren 11 begrenzt. Somit ist eine Komponente zum Einstellen bzw. Anpassen einer Länge, wie beispielsweise ein Abstandselement, separat für eine Verbindung mit dem eine kleiner Länge aufweisenden Stapel-Keramikkondensator 11 erforderlich.
  • Ein Bereich, der zum Montieren der beiden Stapel-Keramikkondensatoren 11 erforderlich ist, die parallel geschaltet werden sollen, ist so klein, dass er mindestens das Zweifache einer Fläche eines Endabschnitts des Stapel-Keramikkondensators 11 beträgt. Dies ermöglicht eine sehr kompakte Montage und verhindert, dass das Leistungsmodul auf eine größere Größe als erforderlich vergrößert wird. Das leitfähige Verbindungsmaterial 50, das zur Montage des Stapel-Keramikkondensators 11 vorbereitet ist, kann von den beiden Stapelkeramikkondensatoren 11 gemeinsam genutzt werden. Beispielsweise wird ein Umschmelz- bzw. Reflow-Prozess in einem Zustand durchgeführt, in dem die zwei Stapelkeramikkondensatoren 11 an einer Stelle auf Lötpaste oder Lötfolie in der aufrechten Position gehalten werden. Auf diese Weise werden die beiden Stapel-Keramikkondensatoren 11 gleichzeitig angebracht.
  • 2 stellt einen Fall dar, in dem die beiden Stapel-Keramikkondensatoren 11 parallel geschaltet sind. Die Anzahl der Stapel-Keramikkondensatoren 11 ist jedoch nicht auf 2 beschränkt. Es können drei oder mehr Stapel-Keramikkondensatoren 11 parallel geschaltet werden. Darüber hinaus kann eine Vielzahl von Stapel-Keramikkondensatoren 11 derart angeordnet werden, dass sie einander zugewandt sind, wie in 2 dargestellt, und können von oben betrachtet entlang einer Umfangskante des Schaltelements 20 nebeneinander angeordnet werden. In jedem Fall sind die gesamten Oberflächen des Verbindunganschlusses 12 auf dem Stapel-Keramikkondensator 11 auf die gleiche Weise wie in 1 mit den Elektrodenverdrahtungsleitungen verbunden.
  • 3 zeigt eine Ansicht, die schematisch die Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt, in der die Stapel-Keramikkondensatoren für eine Reinschaltung vorgesehen sind.
  • Unter Bezugnahme auf 3 sind in der Verbindungsanordnung 10 der Dämpferschaltung innerhalb der Halbleitervorrichtung in 2, in der die Stapel-Keramikkondensatoren 11 für eine Parallelschaltung vorgesehen sind, die Stapel-Keramikkondensatoren 11, die parallel geschaltet sind, zusätzlich in Reihe geschaltet bzw. verbunden.
  • Der Schaltelement 20 und die parallel geschalteten Stapel-Keramikkondensatoren 11, die neben dem Schaltelement in 3 dargestellt sind, werden oben unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben, und somit wird deren Beschreibung weggelassen.
  • Die beiden Stapel-Keramikkondensatoren 11, die zusätzlich in Reihe geschaltet werden sollen, sind zueinander parallel geschaltet. Die Verbindunganschlüsse an oberen Enden der Stapel-Keramikkondensatoren 11 sind mit der zweiten Elektrodenverdrahtungsleitung 16 auf dem zweiten Substrat 14 verbunden, und die Verbindunganschlüsse 12 an unteren Enden der Stapel-Keramikkondensatoren 11 sind beide mit einer Elektrodenverdrahtungsleitung verbunden, die sich von der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung 15 auf dem ersten Substrat 13 unterscheidet. An diesem Punkt sind die Verbindungelektroden 12 auf dem oberen und dem unteren Ende jedes der beiden Stapel-Keramikkondensatoren 11, die in Reihe geschaltet werden sollen, beide mit dem ersten und dem zweiten Substrat 13 bzw. 14 verbunden, wobei das leitfähige Verbindungsmaterial 50 dort dazwischen angeordnet ist, und zwar auf die gleiche Weise wie in 1 und 2. Ferner werden die gesamten Oberflächen des Verbindunganschlusses 12 für eine Verbindung auf die gleiche Weise wie in 1 und 2 verwendet.
  • Ein anderes Schaltelement 20 (nicht dargestellt), das in Reihe mit dem Schaltelement 20 in 3 geschaltet ist, ist mit einer Elektrodenverdrahtungsleitung verbunden, die sich von der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung 15 auf dem ersten Substrat 13 unterscheidet, mit der der Verbindunganschluss 12 an dem unteren Ende des Stapel-Keramikkondensators 11 verbunden ist. Das in Reihe geschaltete Schaltelement 20 und die Dämpferschaltung, in der zwei Stapel-Keramikkondensatoren 11 parallel geschaltet sind, sind in Reihe geschaltet und eingerichtet, um parallel geschaltet zu werden.
  • 4A bis 4D zeigen Ansichten, die jeweils schematisch eine Leistungsmodulanordnung unter Verwendung der Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen.
  • 4A zeigt eine Ansicht, die eine Oberfläche des zweiten Substrats in einer Leistungsmodulanordnung 1 unter Verwendung der Verbindungsanordnung 10 einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt, bei Betrachtung von einer Richtung des Stapel-Keramikkondensators 11. 4C zeigt eine Draufsicht, die das erste Substrat 13 in der Leistungsmodulanordnung 1 darstellt, bei Betrachtung von der Richtung des Stapel-Keramikkondensators 11. 4B zeigt eine Ansicht entlang der Linie X-X' in der Leistungsmodulanordnung 1 in 4C, bei Betrachtung von vorne. 4D zeigt eine perspektivische Ansicht, die das äußere Erscheinungsbild der Leistungsmodulanordnung 1 darstellt.
  • Unter Bezugnahme auf 4A bis 4C umfasst die Leistungsmodulanordnung 1 unter Verwendung der Verbindungsanordnung 10 einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung das erste Substrat 13, das zweite Substrat 14, zumindest ein Schaltelement 20A, das Abstandselement 30 und den Stapel-Keramikkondensator 11. Die erste Elektrodenverdrahtungsleitung 15 ist auf einer Oberfläche des ersten Substrat 13 vorgesehen. Die zweite Elektrodenverdrahtungsleitung 16 ist auf einer Oberfläche des zweiten Substrats 14 vorgesehen, die der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung 15 zugewandt ist. Zumindest ein Schaltelement ist auf dem ersten Substrat 13 montiert. Dass Abstandselement 30 ist zwischen einem Elektrodenanschluss 22 auf einer oberen Oberfläche zumindest eines Schaltelements 20A und dem zweiten Substrat 14 eingefügt und verbindet den Elektrodenanschluss 22 auf der oberen Oberfläche davon und eine andere Elektrodenverdrahtungsleitung 18 auf dem zweiten Substrat 14 miteinander. Die Verbindungsanschlüsse 12 sind an gegenüberliegenden Enden in der Längsrichtung des Stapel-Keramikkondensators 11 vorgesehen. Der Stapel-Keramikkondensator 11 ist in der aufrechten Position derart angebracht, das gesamte Oberflächen des Verbindunganschlusses 12 mit der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung 15 bzw. der zweiten Elektrodenverdrahtungsleitung 16 verbunden sind.
  • Die in 4A bis 4D dargestellte Leistungsmodulanordnung 1 ist die für Wechselrichterschaltung verwendete Leistungsmodulanordnung 1. Zusätzlich zu dem Schaltelement 20A, das mit der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung 15 auf dem ersten Substrat 13 verbunden ist, umfasst die Leistungsmodulanordnung 1 ein Schaltelement 20B und zwei leitfähige Zwischenabstandselemente (Via-Abstandselemente bzw. Via-Spacer) 31. Das Schaltelement 20B ist mit dem Schaltelement 20A in Reihe geschaltet. Die beiden leitfähigen Zwischenabstandselemente sind mit der Elektrodenverdrahtungsleitung auf dem ersten Substrat 13 und der Elektrodenverdrahtungsleitung auf dem zweiten Substrat 14 elektrisch verbunden. Das leitfähige Zwischenabstandselement 31 ist ein säulenförmiger Leiter. Beispielsweise ist das leitfähige Zwischenabstandselement ein kreisförmiges Metallmaterial. Es ist wünschenswert, dass das leitfähige Zwischenabstandselement 31 ein Leiter ist, der ungefähr einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Längsrichtung des parallel geschalteten Stapel-Keramikkondensators 11 aufweist.
  • Ein gestricheltes rechteckiges Muster auf einem Elektrodenverdrahtungslinienmuster in 4A und 4C gibt eine Position an, in der die Schaltelemente 20A und 20B angebracht sind, oder eine Position, in der der Stapel-Keramikkondensator 11 angebracht ist. Ein gestricheltes kreisförmiges Muster gibt eine Position an, in der das Zwischenabstandselement 31 angebracht ist.
  • Die Reihenfolge, in der die Schaltelemente 20A und 20B verbunden sind, ist wie folgt. Ein Elektrodenanschluss 21 auf der unteren Oberfläche des Schaltelements 20A ist mit der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung 15 auf dem ersten Substrat 13 verbunden. Der Elektrodenanschluss 22 auf der oberen Oberfläche des Schaltelements 20A ist mit einer vierten Elektrodenverdrahtungsleitung 18 auf dem zweiten Substrat 14 verbunden, wobei das Abstandselement 30 dazwischen angeordnet ist. Die vierte Elektrodenverdrahtungsleitung 18 ist mit einer dritten Elektrodenverdrahtungsleitung 17 auf dem ersten Substrat 13 verbunden, wobei ein erstes Zwischenabstandselement 31 dazwischen angeordnet ist. Der Elektrodenanschluss 21 auf einer unteren Oberfläche des Schaltelements 20B ist zur Verbindung an der dritten Elektrodenverdrahtungsleitung 17 montiert. Der Elektrodenanschluss 22 auf der oberen Oberfläche des Schaltelements 20B ist mit der zweiten Elektrodenverdrahtungsleitung 16 auf dem zweiten Substrat 14 verbunden, wobei das Abstandselement 30 dazwischen angeordnet ist, und ist ferner mit einer fünften Elektrodenverdrahtungsleitung 19 auf dem ersten Substrat 13 verbunden, wobei ein zweites Zwischenabstandselement 31 dazwischen angeordnet ist.
  • Äußere Anschlüsse P, N und AC, die Leiterrahmen (Lead Frames) zum Verbinden mit einer externen Schaltung sind, sind an der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung 15, der fünften Elektrodenverdrahtungsleitung 19 bzw. der dritten Elektrodenverdrahtungsleitung 17 angebracht.
  • Auf diese Weise sind zwei Schaltelemente, das heißt, die Schaltelemente 20A und 20B zwischen den externen Anschlüssen P und N in Reihe geschaltet, und der externe Anschluss AC ist ein Anschluss, der mit der Elektrodenverdrahtungsleitung 17 zwischen den beiden Schaltelementen 20A und 20B verbunden ist. Eine Gleichspannung (DC-Spannung) von außen wird zwischen den externen Anschlüssen P und N angelegt, und zwei Schaltelemente, das heißt, die Schaltelemente 20A und 20B, führen ein Schalten gemäß einem Steuersignal durch, das von außen eingegeben wird. Das Steuersignal wird von einem auf dem ersten Substrat 13 montierten Steuersignalanschluss 41 eingegeben.
  • Typen der Schaltelemente 20A und 20B umfassend IGBT, MOSFET und dergleichen. In dem Falle eines IGBT sind für einen einzelnen Eingang Steuersignalanschlüsse 41 an einem Gate bzw. einem Emitter jedes der Schaltelemente 20A und 20B montiert. Ferner sind der Steuersignalanschluss 41 und jedes der Schaltelemente 20A und 20B miteinander verbunden. Gemäß einer Ausführungsform sind zusätzlich zu dem Elektrodenanschluss 22 auf der oberen Oberfläche jedes der Schaltelemente 20A und 20B Verbindungsanschlüsse an dem Gate und Emitter, die einzeln an der oberen Oberfläche jedes der Schaltelemente 20A und 20B angebracht sind, bzw. die den Verbindungsanschlüssen entsprechenden Steuersignalanschlüsse 41 mit Drähten, die dargestellt sind, durch Drahtbonden verbunden.
  • Der Stapel-Keramikkondensator 11 ist in der Nähe zumindest eines Schaltelements 20A angebracht, und der Verbindungsanschluss 12 an einem ersten Ende des Stapel-Keramikkondensators 11 und der Elektrodenanschluss 21 auf einer unteren Oberfläche des Schaltelements 20A sind mit der dort dazwischen angeordneten ersten Elektrodenverdrahtungsleitung 15 miteinander verbunden. Der Verbindungsanschluss 12 an dem zweiten Ende des Stapel-Keramikkondensators 11 ist mit der zweiten Elektrodenverdrahtungsleitung 16 auf dem zweiten Substrat 14 verbunden. Die zweite Elektrodenverdrahtungsleitung 16 ist, wie oben beschrieben, mit der fünften Elektrodenverdrahtungsleitung 19 auf dem ersten Substrat 13 verbunden, wobei das zweite Zwischenabstandselement 31 dazwischen angeordnet ist, und ist mit dem externen Anschluss N verbunden. Auf diese Weise wird der Stapel-Keramikkondensator 11 derart angebracht, dass er parallel in Bezug auf die beiden Schaltelemente 20A und 20B eingefügt ist, zwischen den externen Anschlüssen P und N in Reihe geschaltet sind, wodurch die Dämpferschaltung gebildet wird.
  • 4A bis 4D stellen die Leistungsmodulanordnung 1 unter Verwendung der Verbindungsanordnung 10 der Dämpferschaltung innerhalb der Halbleitervorrichtung dar, die den einzelnen Stapel-Keramikkondensator 11 umfasst, wie in 1 dargestellt. Die Leistungsmodulanordnung 1 kann jedoch die Verbindungsanordnung 10 der Dämpferschaltung innerhalb der Halbleitervorrichtung verwenden, in der die Vielzahl der Keramikkondensatoren 11 eingerichtet ist, um parallel oder seriell angebracht zu werden, wie in 2 oder 3 dargestellt.
  • Darüber hinaus können, wie oben beschrieben, in einem Fall, in dem eine Konfiguration bzw. Anordnung verwendet wird, in der der Stapel-Keramikkondensator 11 in Reihe mit einem Widerstand geschaltet ist, der in einem Verbindungsmaterial umfasst ist, der Stapel-Keramikkondensators 11 und der Widerstand als RC-Dämpferschaltung verbunden werden. Zwei Stapel-Keramikkondensatoren 11 und zwei Widerstände können als RC-Dämpferschaltungen in Bezug auf zwei Schaltelemente, das heißt, die Schaltelemente 20A bzw. 20B verbunden werden. Das heißt, der Stapel-Keramikkondensator 11 kann zusätzlich in der Nähe des Schaltelements 20B in 3 geschaltet sein, wobei der Widerstand in einem Verbindungsmaterial umfasst ist. In diesem Fall teilen die Schaltelemente 20A und 20B die Elektrodenverdrahtungsleitung auf dem zweiten Substrat 14 sowie die Elektrodenverdrahtungsleitung auf dem ersten Substrat 13. Die einzelnen RC-Dämpferschaltungen sind zu den Schaltelementen 20A bzw. 20B parallel geschaltet.
  • Die in 4C bis 4C dargestellte Leistungsmodulanordnung ist, wie in 4D dargestellt, schließlich als ein beidseitiges Kühlleistungsmodul 1 gebildet, in dem das erste Substrat 13 und das zweite Substrat 14 und Nachbarn davon zum Schutz mit Formharz 60 bedeckt sind und in dem Steuersignalanschlüsse 41 von dem Leiterrahmen 40 hervorstehen. Wärmeableitungs-Metallmuster 70 sind an der unteren Oberfläche des ersten Substrats 13 bzw. an einer oberen Oberfläche des zweiten Substrats 14 gebildet und mit einem Kühlkörper oder einer Wärmeableitungsvorrichtung, wie beispielsweise einem externen Wärmeableitungsstift, zur Wärmeableitung in Kontakt gebracht. Die Wärmeableitungs-Metallmuster 70 werden durch eine obere Oberfläche bzw. eine untere Oberfläche der Leistungsmodulanordnung 1 freigelegt.
  • 5 zeigt eine Ansicht, die schematisch eine der Leistungsmodulanordnung in 4A bis 4D entsprechende elektrische Schaltung darstellt.
  • Unter Bezugnahme auf 5 sind ein erstes Ende des Schaltelements 20A und ein erstes Ende des Schaltelements 20B in der Leistungsmodulanordnung 1 in 4A bis 4D in 3 geschaltet, und ein zweites Ende des Schaltelements 20A ist mit dem externen Anschluss P verbunden und das zweite Ende des Schaltelements 20A ist mit dem externen Anschluss N verbunden. Darüber hinaus ist ein Kontaktpunkt zwischen dem Schaltelement 20A und dem Schaltelement 20B mit dem externen Anschluss AC verbunden.
  • Der externe Anschluss P ist mit einem Leistungsanschluss HV einer Gleichstromquelle, wie beispielsweise einer externen Batterie verbunden, und der externe Anschluss N ist mit einem Masseanschluss GND der Gleichstromquelle verbunden. Darüber hinaus ist ein Glättungskondensator CDC, der den Leistungsanschluss HV und den Masseanschluss GND der Gleichstromwelle verbindet, parallel zu der Leistungsmodulanordnung 1 geschaltet.
  • Ein Steuersignal von außen wird zwischen dem Gate und dem Emitter jedes der beiden Schaltelemente, das heißt, der Schaltelemente 20A und 20B angelegt. Somit führen die beiden Schaltelemente, das heißt, die Schaltelemente 20A und 20B einen Schaltvorgang zum Steuern bzw. Regeln eines Ausgangs von dem externen Anschluss AC durch. Wenn ein Ausgangsstrom als Ergebnis des Schaltvorgangs abrupt geändert wird, tritt aufgrund eines Einflusses eines Induktionskoeffizienten eine Änderung der Netz- bzw. Leistungsspannung auf. Der Glättungskondensator CDC ist angebracht, um diese Änderung zu unterdrücken. Wie in 5 dargestellt, ist der Glättungskondensator jedoch außerhalb der Leistungsmodulanordnung 1 angebracht. Dies übt einen Einfluss auf einen Induktionskoeffizienten eines Verdrahtungsleitungswegs von dem Glättungskondensator CDC zu den Schaltelementen 20A und 20B in der Leistungsmodulanordnung 1 aus. Somit kann die Wirkung des Glättungskondensators CDC nicht ausreichend erreicht werden.
  • Im Gegensatz dazu ist in der Verbindungsanordnung 10 einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung der Stapel-Keramikkondensator 11 in der Nähe der Schaltelemente 20A und 20B angebracht. Demzufolge kann ein Induktionskoeffizient des Verdrahtungsleitungswegs von dem Stapel-Keramikkondensators 11 zu den Schaltelementen 20A und 20B ausreichend verringert werden. Somit ist es möglich, einfach einen Vorteil des Stapel-Keramikkondensators 11 zu erreichen und Rauschen, das eine Änderung der elektrischen Leistung verursacht, ausreichend zu reduzieren.
  • Auf diese Weise wird in der Verbindungsanordnung 10 einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung der Stapel-Keramikkondensator 11 in der aufrechten Position direkt in der Nähe des Schaltelements 20 angebracht. Mit der Verbindungsanordnung 10 ist es möglich, die doppelseitige Kühlleistungsmodulanordnung 1 bereitzustellen, die in der Lage ist, Rauschen in hohem Maße zu reduzieren, eine hohe Verbindungszuverlässigkeit bei geringen Kosten sicherzustellen und miniaturisiert zu werden.
  • Obwohl die bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung für veranschauliche Zwecke beschrieben worden ist, wird ein Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Umfang und der Lehre der Offenbarung, wie in den beigefügten Ansprüchen offenbart, abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2019 [0007]
    • JP 186983 [0007]
    • JP 2019186983 [0008]

Claims (4)

  1. Verbindungsanordnung einer Dämpferschaltung innerhalb einer Halbleitervorrichtung zur Verwendung in einem Leistungsmodul, die Verbindungsanordnung aufweisend: ein erstes Substrat mit einer ersten Elektrodenverdrahtungsleitung, die auf zumindest einer Oberfläche des ersten Substrats vorgesehen ist; ein zweites Substrat, das dem ersten Substrat zugewandt ist, wobei das zweite Substrat eine zweite Elektrodenverdrahtungsleitung aufweist, die auf zumindest einer Oberfläche des zweiten Substrats vorgesehen ist, die der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung zugewandt; und einen Stapel-Keramikkondensator mit einem ersten und einem zweiten Verbindungsanschluss, die an gegenüberliegenden Enden in einer Längsrichtung des Stapel-Keramikkondensators vorgesehen sind, der in einer aufrechten Position derart angebracht ist, dass eine gesamte Oberfläche des ersten Verbindungsanschlusses an einem ersten Ende davon mit der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung verbunden ist und eine gesamte Oberfläche des zweiten Verbindunganschlusses an einem zweiten Ende davon mit der zweiten Elektrodenverdrahtungsleitung verbunden ist, wobei der Stapel-Keramikkondensator neben einem Schaltelement eines Leistungsmoduls angebracht ist, wobei das Schaltelement auf dem ersten Substrat angebracht ist, und wobei der erste Verbindunganschluss und ein Elektrodenanschluss auf dem Schaltelement miteinander verbunden sind und die erste Elektrodenverdrahtungsleitung dort dazwischen angeordnet ist.
  2. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Stapel-Keramikkondensator eine Vielzahl von Stapel-Keramikkondensatoren aufweist, die in der aufrechten Position angebracht und zwischen der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung und der zweiten Elektrodenleitung parallel zueinander geschaltet sind.
  3. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Stapel-Keramikkondensator eine Vielzahl von Stapel-Keramikkondensatoren aufweist, die in der aufrechten Position zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat derart angebracht sind, dass eine Vielzahl von Anordnungen, in denen die Stapel-Keramikkondensatoren parallel zueinander geschaltet sind, in Reihe zueinander geschaltet sind.
  4. Leistungsmodulanordnung, aufweisend: ein erstes Substrat mit einer ersten Elektrodenverdrahtungsleitung, die auf zumindest einer Oberfläche des ersten Substrats vorgesehen ist; ein zweites Substrat, das dem ersten Substrat zugewandt ist, wobei das zweite Substrat zumindest eine zweite Elektrodenverdrahtungsleitung aufweist, die auf zumindest einer Oberfläche des zweiten Substrats vorgesehen ist, das der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung zugewandt ist; zumindest ein Schaltelement, das auf dem ersten Substrat montiert ist; ein Abstandselement, das zwischen einem Elektrodenanschluss auf einer oberen Oberfläche des zumindest einen Schaltelements und dem zweiten Substrat eingefügt und eingerichtet ist, den Elektrodenanschluss auf der oberen Oberfläche davon und die zweite Elektrodenverdrahtungsleitung auf dem zweiten Substrat oder eine andere Elektrodenverdrahtungsleitung auf dem zweiten Substrat miteinander elektrisch zu verbinden; und einen Stapel-Keramikkondensator mit einem ersten und einem zweiten Verbindunganschluss, die an gegenüberliegenden Enden in einer Längsrichtung des Stapel-Keramikkondensators vorgesehen sind, der in einer aufrechten Position derart angebracht ist, dass eine gesamte Oberfläche des Verbindunganschlusses auf einem ersten Ende davon mit der ersten Elektrodenverdrahtungsleitung verbunden ist und eine gesamte Oberfläche des Verbindunganschlusses auf einem zweiten Ende davon mit der zweiten Elektrodenverdrahtungsleitung verbunden ist, wobei der Stapel-Keramikkondensators neben dem zumindest einem Schaltelement angebracht und als eine Dämpferschaltung ausgeführt ist, in der der erste Verbindunganschluss und ein Elektronanschluss auf einer unteren Oberfläche des Schaltelements miteinander verbunden sind und die erste Elektrodenverdrahtungsleitung dort dazwischen angeordnet ist.
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