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Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleitermodul mit Last- und Hilfskontaktanschlusselementen, mit einem Substrat, das eine Mehrzahl von Substratleiterbahnen aufweist, wobei auf einer ersten Substratleiterbahn eine Gruppe von Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet ist und wobei jeweilige erste Lastkontaktflächen der Leistungshalbleiterbauelemente dieser Gruppe mittels erster Verbindungseinrichtungen mit einer zweiten Substratleiterbahn elektrisch leitend verbunden sind. Das Leistungshalbleitermodul weist weiterhin eine Mehrzahl von Hilfspotentialflächen auf, deren Potential extern zugänglich ist. Die Erfindung beschreibt weiterhin ein Verfahren zur Konfiguration eines derartigen Leistungshalbleitermoduls.
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Die
DE 10 2014 102 018 B3 offenbart ein Leistungshalbleitermodul mit internen Last- und Hilfsverbindungseinrichtungen. Ein Substrat weist eine Mehrzahl von Last- und Hilfspotentialflächen auf, wobei auf einer ersten Lastpotentialfläche ein Leistungsschalter angeordnet ist, der ausgebildet ist als eine Mehrzahl von in Reihe angeordneten steuerbaren Leistungsteilschaltern. Die Leistungsteilschalter weisen eine Lastbondverbindung mit einer zweiten Lastpotentialfläche auf, wobei auf der zweiten Lastpotentialfläche ein erster Bondfuß und auf einer Kontaktfläche des Leistungsteilschalters ein benachbarter zweiter Bondfuß des jeweiligen Lastbonddrahts angeordnet ist. Die gleichmäßige, niederinduktive Ausgestaltung ergibt sich indem a) ein Steuerbonddraht zwei zugeordnete Hilfspotentialflächen miteinander elektrisch verbindet und parallel zu diesem Steuerbonddraht ein Parallelbonddraht angeordnet ist, der elektrisch nur mit einer der Lastpotentialflächen verbunden ist; b) die jeweiligen ersten Bondfüße einer Mehrzahl der zugeordneten Lastbonddrähte, vorzugsweise aller, der nicht mittig in der Reihe angeordneten Leistungsteilschalter von einem zum Rand des jeweiligen Leistungsteilschalters lotrechten und geraden Verlauf des zugeordneten Bonddrahts hin zur Mitte der Reihe der Leistungsteilschalter versetzt angeordnet sind; c) die zweite Lastpotentialfläche eine Stromflussrichtung aufweist und die Länge derjenigen Bonddrahtabschnitte der Lastbonddrähte vom ersten zum nächsten, zweiten Bondfuß von einem Leistungsteilschalter zum in Stromflussrichtung benachbarten Leistungsteilschalter zunimmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul derart mechanisch auszubilden, dass es bezüglich verschiedener seiner Betriebsparameter mit jeweils einer identischen Ansteuereinrichtung flexibel ansteuerbar ist. Die Aufgabe umfasst weiterhin ein Verfahren zur mechanischen Konfiguration eines Leistungshalbleitermoduls.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit Last- und Hilfskontaktanschlusselementen, mit einem Substrat, das eine Mehrzahl von Substratleiterbahnen aufweist, wobei auf einer ersten Substratleiterbahn eine Gruppe von Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet ist, wobei jeweilige erste Lastkontaktflächen der Leistungshalbleiterbauelemente dieser Gruppe mittels erster Verbindungseinrichtungen mit einer zweiten Substratleiterbahn elektrisch leitend verbunden sind, mit einer Mehrzahl von, vorzugsweise mindesten drei, Hilfspotentialflächen, wobei die jeweilige Hilfspotentialfläche entweder als Teilfläche einer Lastkontaktfläche oder der zweiten Substratleiterbahn ausgebildet ist, wobei jeder der Hilfspotentialflächen mittels zweiter Verbindungseinrichtungen entweder mit einem eigenen ersten Hilfskontaktanschlusselement oder mit einem zweiten Hilfskontaktanschlusselement elektrisch leitend verbunden ist, wobei das zweite Hilfskontaktanschlusselement zudem mit einer anderen Hilfspotentialfläche elektrisch leitend verbunden ist.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn die jeweilige Hilfspotentialfläche mittelbar oder unmittelbar mittels einer zweiten Verbindungseinrichtung mit dem zugeordneten Hilfskontaktanschlusselement elektrisch leitend verbunden ist. Im Falle der mittelbaren Verbindung kann die Hilfspotentialfläche mit einer Hilfskontaktfläche, die vorzugsweise als dritte Substratleiterbahn ausgebildet ist, mittels einer ersten Teilverbindungseinrichtung elektrisch leitend verbunden ist und diese Hilfskontaktfläche mittels einer zweiten Teilverbindungseinrichtung mit dem zugeordneten Hilfskontaktanschlusselement elektrisch leitend verbunden sein.
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Es kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn jeweils einem Leistungshalbleiterbauelement der Gruppe oder jeweils zwei Leistungshalbleiterbauelementen einer Gruppe eine Hilfspotentialfläche zugeordnet ist.
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Es kann bevorzugt sein, wenn im Falle der Verbindung mehrerer Hilfspotentialflächen mit einem Hilfskontaktanschlusselement vorzugsweise alle zweiten Verbindungseinrichtungen unterbrechbar ausgebildet sind. Hierbei kann das Leistungshalbleitermodul bevorzugt ein Gehäuse aufweisen und diese Gehäuse kann eine Öffnung aufweisen, durch die die zweiten Verbindungseinrichtungen zugänglich und unterbrechbar ist.
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Es kann auch insbesondere bevorzugt sein, wenn ein Leistungshalbleiterbauelement ausgebildet ist als ein MOS-FET oder als ein IGBT oder als eine, einem IGBT antiparallel geschaltete, Leistungsdiode.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Leistungshalbleiterbauelemente in einer Reihe angeordnet sind. Hierbei ist es weiterhin bevorzugt, wenn im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls die Stromflussrichtung der zweiten Substratleiterbahn parallel zur den Leistungshalbleiterbauelementen verläuft.
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Es ist vorteilhaft, wenn im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls die Hilfspotentialflächen, insbesondere diejenigen der zweiten Substratleiterbahn, in Stromflussrichtung temporär unterschiedliche normierte Stromdichten aufweisen.
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Es ist auch vorteilhaft, wenn im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls die Hilfspotentialflächen, insbesondere diejenigen der zweiten Substratleiterbahn, in Stromflussrichtung temporär unterschiedliches Potential gegen die erste Substratleiterbahn aufweisen.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Konfiguration eines derartigen Leistungshalbleitermoduls bei dem mehrere Hilfspotentialflächen mit einem Hilfskontaktanschlusselement elektrisch leitend verbunden sind mit den Schritten:
- a) Bereitstellen einer Anzahl von Test-Leistungshalbleitermodulen, wobei deren Anzahl vorteilhafterweise der Anzahl der Hilfspotentialflächen entspricht;
- b) Konfigurieren der Test-Leistungshalbleitermodule derart, dass jedes einen unterschiedlichen Strompfad von den Hilfspotentialflächen zum Hilfskontaktanschlusselement aufweist;
- c) Bestimmen des temporären Verlaufs mindestens eines Betriebsparameter aller Test-Leistungshalbleitermodule;
- d) Selektion desjenigen Test-Leistungshalbleitermoduls, dessen temporärer Verlauf des mindestens einen Betriebsparameters den für den vorgesehenen Betrieb des Leistungshalbleitermoduls die größte Relevanz aufweist;
- e) Konfigurieren des Leistungshalbleitermodul analog dem selektierten Test-Leistungshalbleitermoduls.
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Auf diese Weise kann mittels einer begrenzten Anzahl von Test-Leistungshalbleitermodulen die Konfiguration für eine Vielzahl gleichartiger Leistungshalbleitermodul bestimmt werden. Diese Leistungshalbleitermodul können dann, jeweils gleich konfiguriert in komplexeren Systemen verwendet werden.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn der Betriebsparameter entweder die Änderung der normierten Stromstärke während eines Schaltvorgangs oder die Änderung des Potentials gegen die erste Substratleiterbahn während eines Schaltvorgangs ist.
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Es kann bevorzugt sein, wenn zur Konfiguration des Leistungshalbleitermoduls, wie auch der Test-Leistungshalbleitermodule mit Ausnahme einer, alle übrigen zweiten Verbindungseinrichtung unterbrochen werden. Hierbei kann es bevorzugt sein, wenn die zweite Verbindungseinrichtung als ein Bonddraht ausgestaltet ist und dieser zur Konfiguration unterbrochen, insbesondere durchtrennt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls und des Verfahrens hat der Anwender des Leistungshalbleitermoduls den Vorteil anwendungsspezifisch das Leistungshalbleitermodul bezüglich für ihn wesentlicher Parameter zu konfigurieren, ohne die Ansteuereinrichtung selbst modifizieren zu müssen. Die wesentlichen dieser Parameter sind: die Spannungssteilheit der Spannung über den Leistungshalbleiterbauelementen, insbesondere während des Einschaltvorgangs. Die Stromsteilheit im gleichen Kontext. Die Einschaltverluste der Leistungshalbleiterbauelemente und die Kurzschlussfestigkeit des Leistungshalbleitermodul als solchem. Die Verbesserung der ersten beiden Parameter führt in der Regel zu einer Verschlechterung der weiteren Parameter. Daher ist die Option der Selektion für eine Vielzahl von Anwendungen hilfreich.
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Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale, insbesondere das Substrat, mehrfach in dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul vorhanden sein.
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Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung, unabhängig davon, ob sie in Zusammenhang mit dem Leistungshalbleitermodul oder mit dem Verfahren genannt sind, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 10 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
- 1 bis 6 zeigen Details verschiedene Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul.
- 7 zeigt ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul.
- 8 und 9 zeigen ein Schaltbild eines erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermoduls
- 10 zeigt den Strom- und Spannungsverlauf während des Einschaltvorgangs verschiedener Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Leistungshalbleitermodule.
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1 bis 6 zeigen Details verschiedener exemplarisch ausgewählter Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1, vgl. 7. Dargestellt ist jeweils eine erste Substratleiterbahn 20 des Leistungshalbleitermoduls 1. Auf dieser ist jeweils eine Gruppe 3 von drei in Reihe angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen 30 angeordnet. Diese Leistungshalbleiterbauelemente 30 sind hier als IGBTs ausgebildet, die mit ihrem Kollektoranschluss stoffschlüssig mit der ersten Substratleiterbahn 20 verbunden sind. Auf die Darstellung von fachüblichen antiparallel geschalteten Freilaufdioden wurde hier aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Die IGBTs weisen auf ihrer, der ersten Substratleiterbahn 30 abgewandten Seite, jeweils vier Emitteranschlussflächen 32 und eine zentral angeordnete Gateanschlussfläche 34 auf.
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Die Emitteranschlussflächen 32 sind mittels erster Verbindungseinrichtungen 40, die der Übersichtlichkeit halber nur in 1 dargestellt sind und hier als Bonddrahtverbindungen ausgebildet sind, mit einer zweiten Substratleiterbahn 22 verbunden. Im Betrieb dieses Leistungshalbleitermoduls 1 fließt der Laststrom, angedeutet durch die beiden Pfeile, in der zweiten Substratleiterbahn 22 parallel zu den Leistungshalbleiterbauelementen 30. Somit ist offensichtlich, dass verschieden Teile der zweiten Substratleiterbahn 22 unterschiedliche normierte Stromstärken und auch unterschiedliche Potentiale gegenüber der ersten Substratleiterbahn 20 aufweisen. Diese Potentiale können mittels Teilflächen, den Hilfspotentialflächen 220 der Oberfläche der zweiten Substratleiterbahn 22, abgegriffen werden. Im Grunde können entsprechende Potentiale auch von Teilflächen, den Hilfspotentialflächen 320 einer Emitteranschlussfläche 32, abgegriffen werden.
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2 zeigt drei Hilfspotentialflächen 220 an unterschiedlichen Stellen der zweiten Substratleiterbahn 22. Sinnvoll und bevorzugt ist es, diese Hilfspotentialflächen 220 jeweils möglichst nahe an einem der Leistungshalbleiterbauelemente 30 anzuordnen. Es ist auch sinnvoll und bevorzugt, die Zahl der Hilfspotentialfläche 220 gleich der Anzahl der Leistungshalbleiterbauelemente 30 zu wählen. Alternativ kann man auch jeweils zwischen zwei Leistungshalbleiterbauelementen 30 eine Hilfspotentialfläche 220 anordnen. Bei dieser Ausgestaltung kann eine Hilfspotentialfläche 220 weniger als die Anzahl an Leistungshalbleiterbauelementen 30 vorgesehen werden.
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Jeder Hilfspotentialfläche 220 ist ein eigenes Hilfskontaktanschlusselement 52 zugeordnet, das dem externen Anschluss bzw. Abgriff des Potentials der Hilfspotentialfläche dient. Die jeweilige Hilfspotentialfläche 220 ist hier mittels eines Bonddrahts, der die zweite Verbindungseinrichtung 42 ausbildet, mit dem zugeordneten Hilfskontaktanschlusselement 52 verbunden, vgl. auch 7. Somit steht am Leistungshalbleitermodul 1 ein Anschluss zu jeder der Hilfspotentialflächen 220 zur Verfügung. Somit kann jede der Hilfspotentialflächen 220 über die Auswahl des Hilfskontaktanschlusselements 52 zur Verbindung mit einer Ansteuereinrichtung selektiert werden.
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3 zeigt zwei Hilfspotentialflächen 220 an unterschiedlichen Stellen der zweiten Substratleiterbahn 22 und eine Hilfspotentialfläche 320 auf einem Leistungshalbleiterbauelement 30. Wiederum ist jeder Hilfspotentialfläche 220,320 ein eigenes Hilfskontaktanschlusselement 52 zugeordnet. Die jeweilige Hilfspotentialfläche 220,320 ist mittels eines Bonddrahts, der die zweite Verbindungseinrichtung 42 ausbildet, mit dem zugeordneten Hilfskontaktanschlusselement 52 verbunden.
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4 zeigt drei Hilfspotentialflächen 220 an unterschiedlichen Stellen der zweiten Substratleiterbahn 22. Einer dieser Hilfspotentialflächen 220 ist ein eigenes Hilfskontaktanschlusselement 52 zugeordnet, während den beiden anderen ein gemeinsames Hilfskontaktanschlusselement 54 zugeordnet ist. Diese beiden Hilfspotentialflächen 220 sind mit dem gemeinsamen Hilfskontaktanschlusselement 54 ebenfalls über Bonddrähte, die die zweiten Verbindungseinrichtungen 42 ausbilden, verbunden. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann einer dieser Bonddrähte durchtrennt werden, sodass das Hilfskontaktanschlusselement 54 nur mit einem der beiden zugeordneten Hilfspotentialflächen 220 verbunden ist.
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5 zeigt wiederum drei Hilfspotentialflächen 220 an unterschiedlichen Stellen der zweiten Substratleiterbahn, allerdings sind hier alle Hilfspotentialflächen mittels einer ersten Teilverbindungseinrichtung 422 der zweiten Verbindungseinrichtung mit einer dritten Substratleiterbahn verbunden. Diese dritte Substratleiterbahn ist mittels einer zweiten Teilverbindungseinrichtung 424 der zweiten Verbindungseinrichtung mit nur einem Hilfskontaktanschlusselement 54 verbunden. Im Rahmen dieser Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden alle Bonddrähte der ersten Teilverbindungseinrichtung 422, bis auf einen durchtrennt, sodass das Hilfskontaktanschlusselement 54 nur mit einer der drei Hilfspotentialfläche verbunden ist.
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6 zeigt im Grunde die gleiche Ausgestaltung wie 5, mit dem Unterschied, dass alle Hilfspotentialflächen 320 auf jeweils einem Leistungshalbleiterbauelement 30 angeordnet sind.
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7 zeigt ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul 1 mit einem rahmenartigen Gehäuseteil 12 und einem nicht dargestellten Deckel, die zusammen das Gehäuse 10 ausbilden. Von dem rahmenartigen Gehäuseteil 12 sind zwei Substrate 2 umschlossen, auf denen jeweils drei Leistungshalbleiterbauelemente 30, hier IGBTs mit antiparallel angeordneten Freilaufdioden, auf einer ersten Substratleiterbahn 20, wie oben beschrieben, angeordnet sind. Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin Lastkontaktanschlusselemente 50 a/b/c, hier zwei Gleichspannungslastanschlusselemente 50 a/b unterschiedlicher Polarität und zwei Wechselspannungslastanschlusselemente 50c auf. Somit wird ein Halbbrücken-Leistungshalbleitermodul ausgebildet, wie es auch Teil der schematischen Darstellung in 8 ist.
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Weiterhin weist das Leistungshalbleitermodul 1 ein Ansteuerkontaktanschlusselement 56 auf, das fachüblich mit der Gateanschlussfläche 34, vgl. 1, aller IGBTs einer Gruppe 3 verbunden ist.
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Erfindungsgemäß weist das Leistungshalbleitermodul 1 drei Hilfskontaktflächen 220 der zweiten Substratleiterbahn 22 auf, die jeweils analog zu 2 mittels zweiter Verbindungseinrichtungen 42 mit zugeordneten Hilfskontaktanschlusselementen 52 verbunden sind.
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8 und 9 zeigen ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1, das in 8 eines von drei Halbbrücken-Leistungshalbleitermodule ausbildet, die zusammen eine Drei-Phasen-Brückenschaltung ergeben. Weiterhin dargestellt ist eine Ansteuereinrichtung 6 zur Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente 30 einer Gruppe 3 und in 8 ein Elektromotor 7, der mittels der Drei-Phasen-Brückenschaltung angetrieben wird.
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9 zeigt eine Gruppe 3 von drei Leistungshalbleiterbauelementen 30, die zusammen einen Leistungsschalter, vgl. 8, ausbilden. Weiterhin dargestellt sind drei Reihenschaltungen 240 aus je einem Widerstand und je einer Spule, die den parasitären Widerstand und die parasitäre Induktivität der Teilstücke der ersten Verbindungseinrichtung 40 und jeweiliger Abschnitte der zweiten Substratleiterbahn 22 ausbilden. Nach je einer dieser Reihenschaltungen 240 ist eine Hilfspotentialfläche 220 dargestellt, die analog zu 1 und 7 jeweils mittels einer zweiten Verbindungseinrichtung 42 mit einem zugeordneten Hilfskontaktanschlusselement 52 verbunden ist. Die Ansteuerschaltung 6 ist nur mit einem der Hilfskontaktanschlusselemente 52 verbunden. Zwischen der jeweiligen Gateanschlussfläche 34 der Leistungshalbleiterbauelemente 30 und dem selektierten Hilfskontaktanschlusselement 52 liegt im Betrieb nun die Gateansteuerspannung 302 von typisch +15 V an, deren Bezugspotential die selektierte Hilfspotentialfläche 220 ausbildet. Über die Selektion der Hilfspotentialfläche 220 werden die Schaltparameter des Leistungshalbleitermoduls 1 signifikant beeinflusst.
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10 zeigt den Strom- 80,82,84 und Spannungsverlauf 90,92,94 während des Einschaltvorgangs verschiedener Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Leistungshalbleitermodule 1, vgl. 7. Einer ersten Kombination von Strom- 80 und Spannungsverlauf 90, liegt die Selektion einer ersten Hilfspotentialfläche zugrunde, einer zweiten Kombination von Strom- 82 und Spannungsverlauf 92, liegt die Selektion einer zweiten Hilfspotentialfläche zugrunde während einer dritten Kombination von Strom- 84 und Spannungsverlauf 94, die Selektion einer dritten Hilfspotentialfläche zugrunde liegt. Alle Strom- 80,82,84 und Spannungsverläufe 90,92,94 ergeben sich hier ausschließlich durch die Selektion der Hilfspotentialfläche, während die Ansteuereinrichtung jeweils identisch ausgebildet und angesteuert wurde. Die Unterschiede ergeben sich also nur durch die Wahl des unterschiedlichen Bezugspotentials mittels der Wahl der Hilfspotentialfläche und hier mittels der Wahl des Hilfskontaktanschlusselements.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014102018 B3 [0002]
