DE112012005457B4 - Halbleitervorrichtung mit elektrisch isolierten Kommunikationsvorrichtungen zur Ansteuerung - Google Patents

Halbleitervorrichtung mit elektrisch isolierten Kommunikationsvorrichtungen zur Ansteuerung Download PDF

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Abstract

Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst:einen ersten und einen zweiten Kühlkörper (1,2);ein Halbleiterelement (3), das zwischen eine untere Oberfläche des ersten Kühlkörpers (1) und eine obere Oberfläche des ersten Kühlkörpers (2) eingefügt ist;eine Verbindungsschaltung (4), die auf der unteren Oberfläche des ersten Kühlkörpers (1) vorgesehen ist und ein Steuersignal in Reaktion auf ein Signal von außen erzeugt;eine Ansteuerschaltung (6), die auf der oberen Oberfläche des ersten Kühlkörpers (2) vorgesehen ist und das Halbleiterelement (3) in Reaktion auf das Steuersignal ansteuert;eine erste Kommunikationsvorrichtung (5), die auf der unteren Oberfläche des ersten Kühlkörpers (1) vorgesehen ist und das Steuersignal überträgt;eine zweite Kommunikationsvorrichtung (7), die auf der oberen Oberfläche des ersten Kühlkörpers (2) vorgesehen ist, das von der ersten Kommunikationsvorrichtung (5) übertragene Steuersignal empfängt und das Steuersignal zur Ansteuerschaltung (6) zuführt; undein Harz (21), das Abschnitte des ersten und des zweiten Kühlkörpers (1, 2), das Halbleiterelement (3), die Verbindungsschaltung (4), die Ansteuerschaltung (6) und die erste und die zweite Kommunikationsvorrichtung (5, 7) einkapselt und die Verbindungsschaltung (4) und die erste Kommunikationsvorrichtung (5) elektrisch von der zweiten Kommunikationsvorrichtung (7) und der Ansteuerschaltung (6) isoliert.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterelement und einer Ansteuerschaltung zum Ansteuern des Halbleiterelements in einem Harzgehäuse.
  • Stand der Technik
  • US 2011 / 0 057 713 A1 offenbart ein Leistungsmodul mit einer ersten Halbleitervorrichtung auf einem ersten Substrat und einer zweiten Halbleitervorrichtung auf einem zweiten Substrat. Die erste Halbleitervorrichtung und die zweite Halbleitervorrichtung sind symmetrisch in Bezug auf ein drittes Substrat angeordnet, das zwischen der ersten und zweiten Halbleitervorrichtung angeordnet ist.
  • DE 10 2008 052 029 A1 offenbart ein Halbleitermodul, das wenigstens einen Halbleiterchip, der auf einem Trägersubstrat angeordnet ist, aufweist. Ein Treiberbauelement zum Schalten des Halbleiterchips ist auf einer Platine angeordnet. Eine Abdeckung ist auf der Oberseite des Halbleitermoduls angeordnet. Das Halbleitermodul hat ein Gehäuse, in dem das Trägersubstrat und die Platine übereinander angeordnet sind, wobei die Platine eine sichere galvanische Trennung aufweist.
  • DE 10 2009 034 083 A1 offenbart ein Halbleiterbauelement mit einem ersten Chip, der eine erste Elektrode auf einer ersten Fläche des ersten Chips umfasst, und einem an der ersten Elektrode angebrachten zweiten Chip, wobei der zweite Chip einen eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung umfassenden Transformator umfasst.
  • DE 40 36 426 A1 offenbart ein Leistungsmodul, das IGBT-Schaltkreiselemente zusammen mit IC-Treiberchips und Optoisolatoren oder Isoliertransformern im gleichen Modulgehäuse enthält. Ausgangsanschlüsse sind vorgesehen, die direkt an eine Steuerlogik oder Mikroprozessoren zum Betreiben des Moduls angeschlossen werden können. Die IGBT-Schaltkreiselemente können Stromsensorelektroden zur einfachen Strommessung sowie für Steuerfunktionen haben.
  • Herkömmliche Leistungsmodule vom Gehäusetyp benötigen eine Geleinkapselung von Halbleiterelementen. Eine große Anzahl von Montageprozessschritten und hohe Teilekosten sind für solche Leistungsmodule erforderlich. Spritzgepresste Leistungsmodule mit Halbleiterelementen darin werden daher entwickelt (siehe beispielsweise JP 2001 - 250 890 A ). Eine Vorrichtung mit einem harzgeformten Halbleitergehäuse, in dem eine Leiterplatte mit einer Ansteuerschaltung zum Ansteuern eines Halbleiterelements mit Schrauben oder dergleichen befestigt ist, wurde vorgeschlagen (siehe beispielsweise JP 4 583 122 B2 ).
  • In dem Fall, in dem Schrauben oder dergleichen verwendet werden, besteht jedoch ein Problem darin, dass die Anzahl von Komponententeilen erhöht wird, was zu einem erhöhten Gesamtgewicht führt. Es besteht auch ein Problem, dass die Größe der Vorrichtung um ein Ausmaß vergrößert wird, das der Leiterplatte entspricht. Im Fall einer Halbleitervorrichtung zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug ist ferner die Umgebungstemperatur hoch und ein Halbleiterelement wie z. B. ein SiC heizt sich auf eine hohe Temperatur auf. Daher besteht ein Bedarf, hochtemperaturbeständige Teile zu verwenden, was zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führt.
  • Aus diesem Grund wurde eine Halbleitervorrichtung vorgeschlagen, in der ein Leistungshalbleiterelement und ein Steuerhalbleiterelement zum Steuern des Leistungshalbleiterelements an einem Kühlkörper montiert sind und in Harz eingekapselt sind (siehe beispielsweise JP 2008 - 27 993 A ). Mit dieser Anordnung kann eine Verringerung der Anzahl von Komponententeilen und eine Verringerung des Gewichts erzielt werden, der Bedarf für eine Leiterplatte wie z. B. eine gedruckte Leiterplatte kann beseitigt werden und das Steuerhalbleiterelement kann gekühlt werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Das Steuerhalbleiterelement weist eine Ansteuerschaltung zum Ansteuern des Leistungshalbleiterelements und eine Verbindungsschaltung zum Zuführen eines Steuersignals zur Ansteuerschaltung in Reaktion auf ein Signal von einer externen ECU auf. Üblicherweise sind die Ansteuerschaltung auf der Seite mit hoher Spannung und die Verbindungsschaltung auf der Seite mit niedriger Spannung elektrisch miteinander verbunden. Daher besteht eine Möglichkeit, dass die Verbindungsschaltung durch Anlegen einer hohen Spannung von der Ansteuerschaltung an die Verbindungsschaltung zerstört wird.
  • Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, und eine Aufgabe davon besteht darin, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, die einen Durchbruch der Verbindungsschaltung verhindern kann.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Halbleitervorrichtung gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung macht es möglich, einen Durchbruch der Verbindungsschaltung zu verhindern.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Schnittansicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 2 ist ein Schaltplan der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • 1 ist eine Schnittansicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Halbleitervorrichtung weist eine doppelseitige Kühlstruktur auf, in der ein Halbleiterelement 3 zwischen eine untere Oberfläche eines Kühlkörpers 1 und eine obere Oberfläche eines Kühlkörpers 2 eingefügt ist. Eine Verbindungsschaltung 4 und eine Kommunikationsvorrichtung 5 sind auf der unteren Oberfläche des Kühlkörpers 1 vorgesehen, eine Ansteuerschaltung 6 und eine Kommunikationsvorrichtung 7 sind auf der oberen Oberfläche des Kühlkörpers 2 vorgesehen. Die Kommunikationsvorrichtungen 5 und 7 sind in solchen Positionen angeordnet, dass sie entlang der Richtung von oben nach unten einander gegenüber liegen.
  • Ein Kollektor 8 des Halbleiterelements 3 ist mit einer Elektrode 10 mit hoher Spannung über ein Schaltungsmuster 9 verbunden. Ein Emitter 11 des Halbleiterelements 3 ist mit einer Elektrode 13 mit hoher Spannung über ein Schaltungsmuster 12 verbunden. Ein Gate 14 des Halbleiterelements 3 ist mit der Ansteuerschaltung 6 über einen Draht 15 und ein Schaltungsmuster 16 verbunden.
  • Die Ansteuerschaltung 6 ist mit der Kommunikationsvorrichtung 7 über das Schaltungsmuster 16 verbunden. Die Kommunikationsvorrichtung 5 ist mit der Verbindungsschaltung 4 und mit einer Signalelektrode 18 über ein Schaltungsmuster 17 verbunden. Jede der Kommunikationsvorrichtungen 5 und 7 kann beispielsweise eine optische Kommunikationsschaltung zum Durchführen einer optischen Kommunikation mittels einer Leuchtdiode, einer Lichtleitfaser und eines Phototransistors oder eine Magnetfeldschaltung zum Durchführen einer magnetischen Kommunikation mittels einer Spule und eines Transformators sein.
  • Eine elektrisch leitfähige Abschirmplatte 19 ist zwischen dem Halbleiterelement 3 und der Verbindungsschaltung 4 und zwischen dem Halbleiterelement 3 und der Ansteuerschaltung 6 angeordnet.
  • Die Abschirmplatte 19 ist mit der Erdung des Schaltungsmusters 17 auf der Seite mit niedriger Spannung verbunden, um einen Abschirmeffekt zu erhalten. Ein Isolationsabstand zwischen dem Schaltungsmuster 9 auf der Seite mit hoher Spannung und der Verbindungsschaltung 4 auf der Seite mit niedriger Spannung ist durch eine Nut 20 sichergestellt, die in der unteren Oberfläche des Kühlkörpers 1 vorgesehen ist.
  • Abschnitte der Kühlkörper 1 und 2 und Komponenten, einschließlich des Halbleiterelements 3, der Verbindungsschaltung 4, der Ansteuerschaltung 6 und der Kommunikationsvorrichtungen 5 und 7, sind in einem Harz 21 eingekapselt. Das Harz 21 isoliert elektrisch die Verbindungsschaltung 4 und die Kommunikationsvorrichtung 5 von der Kommunikationsvorrichtung 7 und der Ansteuerschaltung 6. Das Harz 21 isoliert auch elektrisch das vorstehende Ende der Abschirmplatte 19 und der Ansteuerschaltung 6 voneinander. Die Elektroden 10 und 13 mit hoher Spannung und die Signalelektrode 18 sind aus dem Harz 21 in entgegengesetzten Richtungen herausgeführt. Die Elektroden 10 und 13 mit hoher Spannung sind parallel zueinander angeordnet.
  • 2 ist ein Schaltplan der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Steuersignal-Erzeugungsschaltung 23 erzeugt ein Steuersignal in Reaktion auf ein Signal von einer externen ECU 22. Dieses Steuersignal wird zu einem Treiber 25 oder zu einem Treiber 26 über eine Pegelumsetzungsschaltung 24 zugeführt. Die Treiber 25 und 26 steuern IGBTs 27 bzw. 28 an. Dioden 29 und 30 sind mit den IGBTs 27 bzw. 28 parallel geschaltet. Die Steuersignal-Erzeugungsschaltung 23 entspricht der in 1 gezeigten Verbindungsschaltung 4. Die Treiber 25 und 26 entsprechen der Ansteuerschaltung 6. Die IGBTs 27 und 28 und die Dioden 29 und 30 entsprechen dem Halbleiterelement 3.
  • Die Operation der vorstehend beschriebenen Halbleitervorrichtung wird nun beschrieben. Die Verbindungsschaltung 4 wird mit einem Signal von der externen ECU über die Signalelektrode 18 und das Schaltungsmuster 17 versehen und erzeugt ein Steuersignal in Reaktion auf das zugeführte Signal. Die Kommunikationsvorrichtung 5 überträgt dieses Steuersignal. Die Kommunikationsvorrichtung 7 empfängt das Steuersignal und führt das Steuersignal zur Ansteuerschaltung 6 zu. Die Ansteuerschaltung 6 steuert das Halbleiterelement 3 in Reaktion auf das Steuersignal an. Durch die Elektroden 10 und 13 mit hoher Spannung wird das Halbleiterelement 3 mit einer hohen Spannung versorgt und gibt eine hohe Spannung aus.
  • Die Vorteile der vorliegenden Ausführungsform werden nun beschrieben. Das Harz 21 isoliert elektrisch die Verbindungsschaltung 4 und die Kommunikationsvorrichtung 5 auf der Seite mit niedriger Spannung von der Kommunikationsvorrichtung 7 und der Ansteuerschaltung 6 auf der Seite mit hoher Spannung, was folglich das Verhindern eines Durchbruchs der Verbindungsschaltung 4 ermöglicht, der durch das Anlegen einer hohen Spannung von der Ansteuerschaltung 6 an die Verbindungsschaltung 4 verursacht wird. Das Halbleiterelement 3, die Verbindungsschaltung 4, die Kommunikationsvorrichtungen 5 und 7 und die Ansteuerschaltung 6 können auch durch die Kühlkörper 1 und 2 gekühlt werden.
  • Die Montagefläche kann durch Anordnen der Kommunikationsvorrichtungen 5 und 7 in solchen Positionen, dass die Kommunikationsvorrichtungen 5 und 7 einander entlang der Richtung von oben nach unten gegenüber liegen, verkleinert werden.
  • Mit der Abschirmplatte 19 können die Verbindungsschaltung 4 und die Ansteuerschaltung 6 vor elektromagnetischen Wellen geschützt werden, die vom Halbleiterelement 3 emittiert werden.
  • Eine Interferenz zwischen der Seite mit hoher Spannung und der Seite mit niedriger Spannung kann durch Herausführen der Elektroden 10 und 13 mit hoher Spannung und der Signalelektrode 18 in entgegengesetzten Richtungen verhindert werden. Eine Induktivität kann durch Anordnen der Elektroden 10 und 13 mit hoher Spannung parallel zueinander verringert werden.
  • Beschreibung der Bezugszeichen
    • 1
    Kühlkörper (erster Kühlkörper)
    2
    Kühlkörper (zweiter Kühlkörper)
    3
    Halbleiterelement
    4
    Verbindungsschaltung
    5
    Kommunikationsvorrichtung (erste Kommunikationsvorrichtung)
    6
    Ansteuerschaltung
    7
    Kommunikationsvorrichtung (zweite Kommunikationsvorrichtung)
    10
    Elektrode mit hoher Spannung (erste Elektrode mit hoher Spannung)
    13
    Elektrode mit hoher Spannung (zweite Elektrode mit hoher Spannung)
    18
    Signalelektrode
    19
    Abschirmplatte
    21
    Harz

Claims (5)

  1. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst: einen ersten und einen zweiten Kühlkörper (1,2); ein Halbleiterelement (3), das zwischen eine untere Oberfläche des ersten Kühlkörpers (1) und eine obere Oberfläche des ersten Kühlkörpers (2) eingefügt ist; eine Verbindungsschaltung (4), die auf der unteren Oberfläche des ersten Kühlkörpers (1) vorgesehen ist und ein Steuersignal in Reaktion auf ein Signal von außen erzeugt; eine Ansteuerschaltung (6), die auf der oberen Oberfläche des ersten Kühlkörpers (2) vorgesehen ist und das Halbleiterelement (3) in Reaktion auf das Steuersignal ansteuert; eine erste Kommunikationsvorrichtung (5), die auf der unteren Oberfläche des ersten Kühlkörpers (1) vorgesehen ist und das Steuersignal überträgt; eine zweite Kommunikationsvorrichtung (7), die auf der oberen Oberfläche des ersten Kühlkörpers (2) vorgesehen ist, das von der ersten Kommunikationsvorrichtung (5) übertragene Steuersignal empfängt und das Steuersignal zur Ansteuerschaltung (6) zuführt; und ein Harz (21), das Abschnitte des ersten und des zweiten Kühlkörpers (1, 2), das Halbleiterelement (3), die Verbindungsschaltung (4), die Ansteuerschaltung (6) und die erste und die zweite Kommunikationsvorrichtung (5, 7) einkapselt und die Verbindungsschaltung (4) und die erste Kommunikationsvorrichtung (5) elektrisch von der zweiten Kommunikationsvorrichtung (7) und der Ansteuerschaltung (6) isoliert.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Kommunikationsvorrichtung (5, 7) eine optische Kommunikation oder magnetische Kommunikation durchführen.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste und die zweite Kommunikationsvorrichtung (5, 7) in solchen Positionen angeordnet sind, dass sie entlang einer Richtung von dem oberen ersten Kühlkörper zum unteren zweiten Kühlkörper einander gegenüber liegen.
  4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner eine elektrisch leitfähige Abschirmplatte (19) umfasst, die zwischen dem Halbleiterelement (3) und der Verbindungsschaltung (4) und zwischen dem Halbleiterelement (3) und der Ansteuerschaltung (6) angeordnet ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner Folgendes umfasst: eine erste Elektrode (10) mit hoher Spannung, die mit einem Kollektor des Halbleiterelements (3) verbunden ist; eine zweite Elektrode (13) mit hoher Spannung, die mit einem Emitter des Halbleiterelements (3) verbunden ist; und eine Signalelektrode (18), die mit der Verbindungsschaltung (4) verbunden ist, wobei die erste und die zweite Elektrode (10, 13) mit hoher Spannung und die Signalelektrode (18) aus dem Harz (21) in entgegengesetzten Richtungen herausgeführt sind, und die erste und die zweite Elektrode (10, 13) mit hoher Spannung parallel zueinander angeordnet sind.
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