DE112013007361T5 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Ein Transistor (2) ist auf einem Halbleitersubstrat (8) vorgesehen. Eine Temperaturerfassungsdiode (4) zum Überwachen einer Temperatur einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats (8) ist auf dem Halbleitersubstrat (8) vorgesehen. Eine externe Elektrode (7) ist zugleich mit einem Emitter-Anschluss (E) des Transistors (2) und einem Kathoden-Anschluss (K) der Temperaturerfassungsdiode (4) verbunden. Deshalb kann eine externe Elektrode für den Kathoden-Anschluss (K) der Temperaturerfassungsdiode (4) entfernt werden, und somit kann die Vorrichtung in einer Größe reduziert und hinsichtlich einer einfachen Herstellung verbessert werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, die eine auf einem Chip ausgeführte Temperaturerfassungsdiode aufweist, und insbesondere auf eine Halbleitervorrichtung, die in ihrer Größe reduziert und hinsichtlich einer einfachen Herstellung verbessert ist.
  • Hintergrund Stand der Technik
  • Eine Halbleitervorrichtung, die einen Halbleiter-Chip wie einen IGBT oder MOSFET aufweist, wird verwendet, um ein Umschalten zum Auswählen zwischen Einschalten und Ausschalten mit hoher Geschwindigkeit auszuführen. Während eines kontinuierlichen Schaltbetriebs erzeugt der Chip Wärme aufgrund eines Leistungsverlusts als eine Folge von Integration des durch den Chip fließenden Stroms und der an den Chip angelegten Spannung. Es besteht eine Möglichkeit, dass der Chip zerstört wird, wenn die Temperatur des Chips einen Bereich der Betriebssicherheit überschreitet.
  • Eine Halbleitervorrichtung, die eine auf einem Chip ausgeführte Temperaturerfassungsdiode einschließt, um zu verhindern, dass die Temperatur des Chips den Bereich der Betriebssicherheit überschreitet, wird deshalb verwendet (siehe zum Beispiel Patentliteratur 1). Da VF der Diode direkt proportional zu der Temperatur abnimmt, kann die Temperatur des Chips durch Überwachen des Werts von VF erfasst werden. Zum Beispiel kann ein Modul basierend darauf, dass die Chip-Temperatur auf die vorstehend beschriebene Weise erfasst wird, vor Überhitzung geschützt werden, oder die Chip-Temperatur kann zu einer Betriebsbedingung für ein Fahrzeugkühlsystem zurückgeführt werden, um somit eine Optimierung eines Leistungsverlusts zu ermöglichen.
  • Literaturliste
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: Offengelegtes, japanisches Patent Nr. 2009-159662
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Mit einer Steuerschaltung werden Treiber- und Überhitzungsschutz oder dergleichen zum Beispiel des Gate-Anschlusses oder des Basis-Anschlusses der Halbleitervorrichtung ausgeführt. Der Kathoden-Anschluss der Temperaturerfassungsdiode ist mit einem Referenzpotential (Masse) dieser Steuerschaltung verbunden. In gewöhnlichen Fällen ist auch der Emitter-Anschluss des IGBT oder der Source-Anschluss des MOSFETs mit dem Referenzpotential verbunden. In der konventionellen Halbleitervorrichtung sind der Kathoden-Anschluss der Temperaturerfassungsdiode und der Emitter-Anschluss des IGBT jedoch in der Vorrichtung voneinander isoliert. Es besteht deshalb eine Notwendigkeit, eine externe Elektrode individuell sowohl mit dem Kathoden-Anschluss als auch mit dem Emitter-Anschluss zu verbinden. Dies ist ein Hinderungsgrund gewesen, die Produktgröße zu reduzieren. Außerdem besteht ein anderes Problem, dass es eine erhöhte Anzahl von externen Elektroden erschwert, die Vorrichtung auf einem Steuersubstrat herzustellen, auf welchem die Steuerschaltung vorgesehen ist, und die Herstellungskosten werden erhöht.
  • Die vorliegende Erfindung ist ausgeführt worden, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung zu erhalten, die in einer Größe reduziert und hinsichtlich einer einfachen Herstellung verbessert ist.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf: ein Halbleitersubstrat; einen Transistor auf dem Halbleitersubstrat; eine Temperaturerfassungsdiode auf dem Halbleitersubstrat und eine Temperatur einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats überwachend; und eine externe Elektrode, die zugleich mit einem Emitter-Anschluss oder einem Source-Anschluss des Transistors und einem Kathoden-Anschluss der Temperaturerfassungsdiode verbunden ist.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung macht es möglich, die Größe der Vorrichtung zu reduzieren und hinsichtlich einer einfachen Herstellung zu verbessern.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Schaltbild, das eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist ein Schaltbild, das eine Halbleitervorrichtung gemäß dem vergleichenden Beispiel zeigt.
  • 4 ist eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
  • 5 ist eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.
  • 6 ist eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung.
  • 7 ist eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung.
  • 8 ist eine Schnittansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die gleichen Komponenten werden durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und die wiederholte Beschreibung derselben kann weggelassen sein.
  • Ausführungsform 1
  • 1 ist ein Schaltbild, das eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein Transistor 2, eine Freilaufdiode 3 und eine Temperaturerfassungsdiode 4 sind in einem Gehäuse 1 vorgesehen. Der Transistor 2 ist ein IGBT, aber ist nicht darauf beschränkt. Er kann alternativ ein MOSFET sein. Eine externe Elektrode 5 ist mit einem Gate-Anschluss G des Transistors 2 verbunden, und eine externe Elektrode 6 ist mit einem Anoden-Anschluss A der Temperaturerfassungsdiode 4 verbunden. Eine externe Elektrode 7 ist zugleich mit einem Emitter-Anschluss E (oder einem Source-Anschluss eines MOSFETs) und einem Kathoden-Anschluss K der Temperaturerfassungsdiode 4 verbunden.
  • 2 ist eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Der Transistor 2 ist auf einem Halbleitersubstrat 8 vorgesehen. Die Temperaturerfassungsdiode 4 zum Überwachen der Temperatur einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 8 ist auf dem Halbleitersubstrat 8 vorgesehen. Eine Mehrzahl von Drähten 9 zum Beispiel aus Al oder Cu ist mit dem Emitter-Anschluss E des Transistors 2 verbunden. Ein Draht 10 verbindet den Emitter-Anschluss E des Transistors 2 und den Kathoden-Anschluss K der Temperaturerfassungsdiode 4 auf dem Halbleitersubstrat 8.
  • Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anschließend im Vergleich mit einem vergleichenden Beispiel beschrieben. 3 ist ein Schaltbild, das eine Halbleitervorrichtung gemäß dem vergleichenden Beispiel zeigt. In dem vergleichenden Beispiel sind der Emitter-Anschluss E des Transistors 2 und der Kathoden-Anschluss K der Temperaturerfassungsdiode 4 in der Vorrichtung voneinander isoliert, und es besteht deshalb eine Notwendigkeit, jede der externen Elektroden 7 und 11 individuell mit einem von dem Kathoden-Anschluss und den Emitter-Anschluss zu verbinden.
  • Dagegen kann in der vorliegenden Ausführungsform die externe Elektrode 11 für den Kathoden-Anschluss K der Temperaturerfassungsdiode 4 entfernt werden, da der Emitter-Anschluss E und der Kathoden-Anschluss K der Temperaturerfassungsdiode 4 in der Vorrichtung miteinander verbunden sind. Die Vorrichtung kann somit in einer Größe reduziert und im Sinne einer einfachen Herstellung verbessert werden. Außerdem wird die Verbindung zwischen dem Emitter-Anschluss E und dem Kathoden-Anschluss K durch bloßes Hinzufügen des Drahts 10 zu dem existierenden Aufbau ermöglicht.
  • Ausführungsform 2
  • 4 ist eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Temperaturerfassungsdiode 4 in einer Chip-Mitte angeordnet, während die Temperaturerfassungsdiode 4 in der Ausführungsform 1 zwischen dem Anoden-Anschluss A und dem Kathoden-Anschluss K angeordnet ist. Die gleichen Vorteile wie diejenigen aus der Ausführungsform 1 können auch erhalten werden, wenn die Temperaturerfassungsdiode 4 an einer anderen Stelle als der Stelle zwischen dem Anoden-Anschluss A und dem Kathoden-Anschluss K angeordnet ist, wie in dem vorstehend beschriebenen Fall.
  • Ausführungsform 3
  • 5 ist eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. Einer aus der Mehrzahl von Drähten 9 ist zusammengesetzt und auf dem Chip mit dem Kathoden-Anschluss K der Temperaturerfassungsdiode 4 verbunden. Somit sind dadurch der Emitter-Anschluss des Transistors 2 und der Kathoden-Anschluss K der Temperaturerfassungsdiode 4 in der Vorrichtung miteinander verbunden. Eine externe Elektrode 7 kann deshalb von diesen gemeinsam verwendet werden. Außerdem kann die Herstellungseffizienz im Vergleich zu den Ausführungsformen 1 und 2 verbessert werden.
  • Ausführungsform 4
  • 6 ist eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung. Eine Weiterleitungskontaktstelle 12 ist außerhalb des Halbleitersubstrats 8 angeordnet. Ein Draht 13 zum Beispiel aus Al oder Cu verbindet die Weiterleitungskontaktstelle 12 und den Emitter-Anschluss E des Transistors 2 oder den Source-Anschluss. Ein Draht 14 zum Beispiel aus Al oder Cu verbindet die Weiterleitungskontaktstelle 12 und den Kathoden-Anschluss K der Temperaturerfassungsdiode 4. Der Emitter-Anschluss E des Transistors 2 und der Kathoden-Anschluss K der Temperaturerfassungsdiode 4 sind dadurch in der Vorrichtung miteinander verbunden. Eine externe Elektrode 7 kann deshalb von diesen gemeinsam verwendet werden. Außerdem besteht keine Notwendigkeit, die Drahtverbindungspunkte auf dem Chip von dem existierenden Aufbau zu verändern. Deshalb wird die Emitter-Anschlussverdrahtung in der Hauptschaltung nicht beeinflusst.
  • Ausführungsform 5
  • 7 ist eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung. 8 ist eine Schnittansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung. Eine Elektrodenplatte 15 ist auf dem Halbleitersubstrat 8 angeordnet. Eine rückseitige Oberfläche der Elektrodenplatte 15 ist mittels eines elektrisch leitenden Haftmittels 16 wie einem Lötmittel mit dem Emitter-Anschluss E des Transistors 2 verbunden. Ein Draht 17 zum Beispiel aus Al oder Cu verbindet eine obere Oberfläche der Elektrodenplatte 15 und den Kathoden-Anschluss K der Temperaturerfassungsdiode 4. Der Emitter-Anschluss E des Transistors 2 und der Kathoden-Anschluss K der Temperaturerfassungsdiode 4 sind dadurch in der Vorrichtung miteinander verbunden. Eine externe Elektrode 7 kann deshalb von diesen gemeinsam verwendet werden. Außerdem besteht keine Notwendigkeit, eine Neubewertung des Aufbaus der Elektrodenplatte 15 in Bezug auf den existierenden Aufbau vorzunehmen, in welchem die Elektrodenplatte 15 mit der oberen Chip-Oberfläche verbunden ist.
  • Das Halbleitersubstrat 8 ist nicht auf ein aus Silizium ausgebildetes Substrat beschränkt. Das Halbleitersubstrat 8 kann aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke ausgebildet sein, der eine größere Bandlücke als diejenige von Silizium aufweist. Der Halbleiter mit breiter Bandlücke ist zum Beispiel Siliziumkarbid, ein auf Galliumnitrid basierendes Material oder Diamant. Eine Leistungshalbleitervorrichtung, die aus einem solchen Halbleiter mit breiter Bandlücke ausgebildet ist, weist eine hohe Spannungsfestigkeit und eine hohe zulässige Stromdichte auf und kann deshalb in ihrer Größe reduziert werden. Eine Verwendung einer solchen in der Größe reduzierten Vorrichtung ermöglicht, dass eine Halbleitervorrichtung, welche die Vorrichtung enthält, auch in der Größe reduziert wird. Außerdem können, weil die Hitzebeständigkeit der Vorrichtung hoch ist, Wärmeabstrahlungslamellen eines Kühlkörpers in der Größe reduziert werden, und ein wassergekühltes Teil kann in ein luftgekühltes Teil gewechselt werden, sodass das Halbleitermodul weiter in der Größe reduziert werden kann. Außerdem kann, weil die Vorrichtung einen reduzierten Leistungsverlust und eine hohe Effizienz aufweist, das Halbleitermodul in der Effizienz verbessert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Transistor
    4
    Temperaturerfassungsdiode
    7
    externe Elektrode
    8
    Halbleitersubstrat
    9, 10, 13, 14, 17
    Draht
    12
    Weiterleitungskontaktstelle
    15
    Elektrodenplatte
    E
    Emitter-Anschluss
    K
    Kathoden-Anschluss

Claims (5)

  1. Halbleitervorrichtung, aufweisend: ein Halbleitersubstrat; einen Transistor auf dem Halbleitersubstrat; eine Temperaturerfassungsdiode auf dem Halbleitersubstrat und eine Temperatur einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats überwachend; und eine externe Elektrode, die zugleich mit einem Emitter-Anschluss oder einem Source-Anschluss des Transistors und einem Kathoden-Anschluss der Temperaturerfassungsdiode verbunden ist.
  2. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, weiter aufweisend einen Draht, der den Emitter-Anschluss oder den Source-Anschluss des Transistors mit dem Kathoden-Anschluss der Temperaturerfassungsdiode verbindet.
  3. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, weiter aufweisend eine Mehrzahl von Drähten, die mit dem Emitter-Anschluss oder dem Source-Anschluss des Transistors verbunden ist, wobei einer aus der Mehrzahl von Drähten zusammengesetzt und mit dem Kathoden-Anschluss der Temperaturerfassungsdiode verbunden ist.
  4. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, weiter aufweisend: eine Weiterleitungskontaktstelle, die außerhalb des Halbleitersubstrats angeordnet ist; einen ersten Draht, der die Weiterleitungskontaktstelle mit dem Emitter-Anschluss oder dem Source-Anschluss des Transistors verbindet; und einen zweiten Draht, der die Weiterleitungskontaktstelle mit dem Kathoden-Anschluss der Temperaturerfassungsdiode verbindet.
  5. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, weiter aufweisend: eine Elektrodenplatte auf dem Halbleitersubstrat und aufweisend eine rückseitige Oberfläche, die mit dem Emitter-Anschluss oder dem Source-Anschluss des Transistors verbunden ist; und einen Draht, der eine obere Oberfläche der Elektrodenplatte mit dem Kathoden-Anschluss der Temperaturerfassungsdiode verbindet.
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