DE112016006919T5 - Halbleitervorrichtung, Zündeinrichtung für Verbrennungsmotor und Verbrennungsmotorsystem - Google Patents

Halbleitervorrichtung, Zündeinrichtung für Verbrennungsmotor und Verbrennungsmotorsystem Download PDF

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Abstract

Ein Ende einer Hochspannungselektrode (5) ist mit einem Hochspannungsanschluss einer Halbleitereinrichtung (1) verbunden. Ein Ende einer Niederspannungselektrode (6) ist mit einem Niederspannungsanschluss der Halbleitereinrichtung (1) verbunden. Ein Harz (15) versiegelt die Halbleitereinrichtung (1), das Ende der Hochspannungselektrode (5) und das Ende der Niederspannungselektrode (6). Eine erste Entladungselektrode (16) ist an einem Abschnitt der Hochspannungselektrode (5) vorgesehen, der von dem Harz (15) nicht bedeckt ist. Eine zweite Entladungselektrode (17) ist an einem Abschnitt der Niederspannungselektrode (6) vorgesehen, der von dem Harz (15) nicht bedeckt. ist. Die ersten und zweiten Entladungselektroden (16, 17) ragen einander gegenüberliegend vor.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, die in einem Zündsystem eines Verbrennungsmotors wie etwa eines Automotors verwendet wird, eine Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor und ein Verbrennungsmotorsystem.
  • Hintergrund
  • Eine Halbleitervorrichtung, die eine elektrische Last (Transformatorspule) beispielsweise eines Zündsystems für einen Verbrennungsmotor ansteuert, nutzt die gegenseitigen induktiven Effekte der Transformatorspule, um eine Funkenentladung von einigen 10 kV bei einer Zündkerze herbeizuführen, die mit der Sekundärseite der Transformatorspule verbunden ist, um eine Zündung zu veranlassen. Hierfür ist es erforderlich, dass die Vorrichtung eine Stoßspannungsfestigkeit von einigen bis einige zehn kV aufweist, da unerwartete Stoßspannungen an einem Hochspannungsanschluss unregelmäßig auftreten.
  • Techniken, die entwickelt wurden, um die Vorrichtungsgröße zu reduzieren und die Funktionalität von Halbleitervorrichtungen für Verbrennungsanwendungen zu erhöhen, sind bekannt, wobei eine Leistungs-Halbleitereinrichtung und eine rückseitige integrierte Schaltung mit hoher Stehspannung, die die erstgenannte steuert, mit einem leitfähigen Bondingmaterial auf einer Leiterplatte montiert sind (siehe PTL 1).
  • Zitatliste
  • Patentliteratur
  • [PTL1] japanisches Patent Nr. 4957183
  • Zusammenfassung
  • Technisches Problem
  • Eine an eine Elektrode der Halbleitervorrichtung angelegte Stoßspannung könnte die Leistungs-Halbleitereinrichtung und interne Komponenten einer rückseitigen integrierten Schaltung mit hoher Stehspannung zerstören. Daher muss die Leistungs-Halbleitereinrichtung darin mit passiven Komponenten zum Überspannungsschutz wie etwa Dioden oder Widerständen und Absorptionsgebieten für Stoßspannungen oder dergleichen ausgestattet sein, um Lochströme (Überströme) zu absorbieren, die von einer rückseitigen Elektrode innerhalb der Leistungs-Halbleitereinrichtung fließen, wenn eine Stoßspannung angelegt ist. Dies führt zu dem Problem, dass, je höher die Stoßspannungsfestigkeit ist, für die die Leistungs-Halbleitereinrichtung und die rückseitige integrierte Schaltung mit hoher Stehspannung ausgelegt wurden, umso größer ihre Einrichtungsgröße wird.
  • Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das oben beschriebene Problem zu lösen, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung zu erhalten, die eine verbesserte Sicherheit gegen Stoßspannungsereignisse aufweist und eine Reduzierung der gesamten Vorrichtungsgröße, einer Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor und eines Verbrennungsmotorsystems ermöglicht.
  • Lösung für das Problem
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Halbleitereinrichtung mit einem Hochspannungsanschluss und einem Niederspannungsanschluss; eine Hochspannungselektrode, die ein mit dem Hochspannungsanschluss verbundenes Ende aufweist; eine Niederspannungselektrode, die ein mit dem Niederspannungsanschluss verbundenes Ende aufweist; ein Harz, dass die Halbleitereinrichtung, das Ende der Hochspannungselektrode und das Ende der Niederspannungselektrode versiegelt; eine erste Entladungselektrode, die an einem Abschnitt der Hochspannungselektrode vorgesehen ist, der von dem Harz nicht bedeckt ist; und eine zweite Entladungselektrode, die an einem Abschnitt der Niederspannungselektrode vorgesehen ist, der von dem Harz nicht bedeckt ist, wobei die erste und zweite Entladungselektrode einander gegenüberliegend vorragen.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • In der vorliegenden Erfindung sind die erste Entladungselektrode und die zweite Entladungselektrode an Abschnitten der Hochspannungselektrode und Niederspannungselektrode vorgesehen, die von dem Harz nicht bedeckt sind, und ragen einander gegenüberliegend vor. Daher kann eine Sicherheit gegen Stoßspannungsereignisse verbessert werden, und die gesamte Vorrichtungsgröße kann reduziert werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 2 ist eine Draufsicht und ein Querschnitt I-II, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
    • 3 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 4 ist eine Draufsicht, die ein modifiziertes Beispiel der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 5 ist eine Querschnittsansicht, die die erste und zweite Entladungselektrode einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung in einem größeren Maßstab veranschaulicht.
    • 6 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden eine Halbleitervorrichtung, eine Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor und ein Verbrennungsmotorsystem gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die gleichen Komponenten werden durch die gleichen Symbole bezeichnet, und deren wiederholte Beschreibung kann weggelassen werden.
  • Ausführungsform 1
  • 1 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Diese Halbleitervorrichtung wird für eine Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor oder ein Verbrennungsmotorsystem verwendet und steuert eine induktive Last (Transformatorspule) an.
  • Eine Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 und eine rückseitige integrierte Schaltung 2 mit hoher Stehspannung, die die Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 steuert, sind mit einem leitfähigen Bondingmaterial auf einer Leiterplatte 3 montiert. Ein isolierendes Substrat 4, das passive Komponenten wie etwa Widerstände und Kondensatoren darauf trägt, ist mit einem nicht leitfähigen Bondingmaterial auf der Leiterplatte 3 montiert. Die Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 ist ein IGBT.
  • Ein Ende einer Hochspannungselektrode 5 ist über die Leiterplatte 3 mit einem Kollektoranschluss verbunden, der der Hochspannungsanschluss der Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 ist. Ein Ende einer Niederspannungselektrode 6 ist mit einem Emitteranschluss, der der Niederspannungsanschluss der Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 ist, und mit dem isolierenden Substrat 4 über Drähte 7 bzw. 8 verbunden. Die Niederspannungselektrode 6 ist mit GND verbunden.
  • Eine Ende einer Steuerelektrode 9 ist über einen Draht 10 mit dem isolierenden Substrat 4 verbunden. Das isolierende Substrat 4 ist mit einem Gateanschluss, der der Steueranschluss der Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 ist, und mit der rückseitigen integrierten Schaltung 2 mit hoher Stehspannung über Drähte 11 bzw. 12 verbunden. Ein Ende einer Stromversorgungselektrode 13, die dem isolierenden Substrat 4 Leistung bereitstellt, ist über einen Draht 14 mit dem isolierenden Substrat 4 verbunden. Ein Harz 15 versiegelt die Leistungs-Halbleitereinrichtung 1, die rückseitige integrierte Schaltung 2 mit hoher Stehspannung, die Leiterplatte 3, ein Ende der Hochspannungselektrode 5, ein Ende der Niederspannungselektrode 6, ein Ende der Steuerelektrode 9, ein Ende der Stromversorgungselektrode 13 und die Drähte 7, 8, 10, 11, 12 und 14.
  • Eine erste Entladungselektrode 16 und eine zweite Entladungselektrode 17 sind an Seitenflächen von Abschnitten der Hochspannungselektrode 5 bzw. Niederspannungselektrode 6 vorgesehen, die von dem Harz 15 nicht bedeckt sind, und ragen einander gegenüberliegend vor. Wenn an die Hochspannungselektrode 5 eine Stoßspannung angelegt wird, können die Überströme über die erste und zweite Entladungselektrode 16 und 17 zur Niederspannungselektrode 6 fließen. Da die Stoßspannung durch den durch die erste und zweite Entladungselektrode 16 und 17 festgelegten Spannungswert begrenzt ist, kann die Stoßspannung, die an die Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 und rückseitige integrierte Schaltung 2 mit hoher Stehspannung angelegt wird, beschränkt werden, und somit kann die Sicherheit gegen Stoßspannung verbessert werden.
  • Die Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 und die rückseitige integrierte Schaltung 2 mit hoher Stehspannung müssen, falls sie dafür ausgelegt werden, eine höhere Stoßspannungsfestigkeit aufzuweisen, hinsichtlich der Vorrichtungsgröße vergrößert werden. Da die Stoßspannung gemäß dieser Ausführungsform begrenzt werden kann, können diese Einrichtungen in der Größe reduziert werden, was wiederum eine Größenreduzierung der gesamten Halbleitervorrichtung ermöglicht.
  • Falls die Entladungsspannung der ersten und zweiten Entladungselektrode 16 und 17 im Wesentlichen gleich der allgemeinen Stehspannung der Halbleitervorrichtung ist, kann man keine sanfte Entladung erwarten. Die Entladungsspannung muss daher ausreichend (zehnmal oder mehr) höher als die allgemeine Stehspannung der Halbleitervorrichtung eingerichtet sein. Auf der anderen Seite müssen die Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 und rückseitige integrierte Schaltung 2 mit hoher Stehspannung so ausgelegt werden, dass es einen Spielraum zwischen ihrer Stoßspannungsfestigkeit und der Entladungsspannung gibt, um so eine Zerstörung der Einrichtungen zu verhindern.
  • Ausführungsform 2
  • 2 ist eine Draufsicht und ein Querschnitt I-II, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Die Dicken der ersten und zweiten Entladungselektrode 16 und 17 sind geringer als jene der Hochspannungselektrode 5 und Niederspannungselektrode 6. Folglich konzentrieren sich elektrische Felder leichter an den ersten und zweiten Entladungselektrode 16 und 17. Daher können stabilere Entladungscharakteristiken enthalten werden, und die Sicherheit gegen Stoßspannung wird verbessert.
  • Ausführungsform 3
  • 3 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die erste Entladungselektrode 16 ist so bearbeitet, dass sie ein spitzwinkliges Distalende aufweist. Daher können stabilere Entladungscharakteristiken erhalten werden, und die Sicherheit gegen Stoßspannung wird verbessert. Die gleichen Effekte können erzielt werden, indem die zweite Entladungselektrode 17 so bearbeitet wird, dass sie ein spitzwinkliges Distalende aufweist.
  • 4 ist eine Draufsicht, die ein modifiziertes Beispiel der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Sowohl die erste als auch die zweite Entladungselektrode 16 und 17 sind so bearbeitet, dass sie ein spitzwinkliges Distalende aufweisen. Daher werden die Entladungscharakteristiken stabiler als jene der in 3 gezeigten Konfiguration gemacht, und die Sicherheit gegen Stoßspannung wird verbessert.
  • Ausführungsform 4
  • 5 ist eine Querschnittsansicht, die die erste und zweite Entladungselektrode einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung in einem größeren Maßstab veranschaulicht. Die Distalenden der ersten und zweiten Entladungselektrode 16 und 17 werden gebogen. Das Biegen ermöglicht eine Einstellung der Distanz zwischen beiden Elektroden, um die Entladungsspannung nach Bedarf festzulegen, und somit wird der Grad einer Gestaltungsfreiheit verbessert.
  • Ausführungsform 5
  • 6 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Eine dritte Entladungselektrode 18 und eine vierte Entladungselektrode 19 sind an der Steuerelektrode 9 bzw. Niederspannungselektrode 6 vorgesehen und ragen einander gegenüberliegend vor. Eine fünfte Entladungselektrode 20 und eine sechste Entladungselektrode 21 sind an der Stromversorgungselektrode 13 bzw. Niederspannungselektrode 6 vorgesehen und ragen einander gegenüberliegend vor. Selbst wenn eine Stoßspannung in der Steuerelektrode 9 oder der Stromversorgungselektrode 13 auftritt, können daher die Überströme zur Niederspannungselektrode 6 fließen, so dass eine Zerstörung passiver Komponenten, die auf dem isolierenden Substrat 4 getragen werden, verhindert wird. Somit kann die Sicherheit gegen Stoßspannung verbessert werden.
  • Die Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 ist nicht auf eine Halbleitereinrichtung beschränkt, die aus Silizium geschaffen ist, sondern kann stattdessen aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke geschaffen sein, der eine breitere Bandlücke als diejenige von Silizium aufweist. Der Halbleiter mit breiter Bandlücke ist zum Beispiel ein Siliziumcarbid, ein Material auf Galliumnitridbasis oder Diamant. Die Leistungs-Halbleitereinrichtung, die aus solch einem Halbleiter mit breiter Bandlücke geschaffen ist, weist eine Hochspannungsfestigkeit und eine hohe zulässige Stromdichte auf und kann somit miniaturisiert werden. Die Verwendung solch einer miniaturisierten Halbleitereinrichtung ermöglicht die Miniaturisierung der Halbleitervorrichtung, in der die Halbleitereinrichtung eingebaut wird. Da die Halbleitereinrichtung eine höhere Wärmebeständigkeit aufweist, kann eine Abstrahlrippe eines Kühlkörpers miniaturisiert werden, und ein wassergekühlter Teil kann luftgekühlt werden, was zu einer weiteren Miniaturisierung der Halbleitervorrichtung führt. Da die Halbleitereinrichtung ferner einen niedrigen Leistungsverlust und eine hohe Effizienz aufweist, kann eine äußerst effiziente Halbleitervorrichtung erreicht werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1 Leistungs-Halbleitereinrichtung; 4 isolierendes Substrat; 5 Hochspannungselektrode; 6 Niederspannungselektrode; 9 Steuerelektrode; 13 Stromversorgungselektrode; 15 Harz; 16 erste Entladungselektrode; 17 zweite Entladungselektrode; 18 dritte Entladungselektrode; 19 vierte Entladungselektrode; 20 fünfte Entladungselektrode; 21 sechste Entladungselektrode
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 4957183 [0004]

Claims (7)

  1. Halbleitervorrichtung, umfassend: eine Halbleitereinrichtung, die einen Hochspannungsanschluss und einen Niederspannungsanschluss aufweist; eine Hochspannungselektrode, die ein mit dem Hochspannungsanschluss verbundenes Ende aufweist; eine Niederspannungselektrode, die ein mit dem Niederspannungsanschluss verbundenes Ende aufweist; ein Harz, das die Halbleitereinrichtung, das Ende der Hochspannungselektrode und das Ende der Niederspannungselektrode versiegelt; eine erste Entladungselektrode, die an einem Abschnitt der Hochspannungselektrode vorgesehen ist, der von dem Harz nicht bedeckt ist; und eine zweite Entladungselektrode, die an einem Abschnitt der Niederspannungselektrode vorgesehen ist, der von dem Harz nicht bedeckt ist, wobei die erste und zweite Entladungselektrode einander gegenüberliegend vorragen.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei Dicken der ersten und zweiten Entladungselektrode geringer als jene der Hochspannungselektrode und der Niederspannungselektrode sind.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest eine der ersten und zweiten Entladungselektrode ein spitzwinkliges Distalende aufweist.
  4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Distalenden der ersten und zweiten Entladungselektrode gebogen sind.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend: ein isolierendes Substrat; eine Steuerelektrode, die ein über das isolierende Substrat mit einem Steueranschluss der Halbleitereinrichtung verbundenes Ende aufweist; eine Stromversorgungselektrode, die dem isolierenden Substrat Leistung bereitstellt; eine dritte Entladungselektrode, die an der Steuerelektrode vorgesehen ist; eine vierte Entladungselektrode, die an der Niederspannungselektrode vorgesehen ist; eine fünfte Entladungselektrode, die an der Stromversorgungselektrode vorgesehen ist; und eine sechste Entladungselektrode, die an der Niederspannungselektrode vorgesehen ist; wobei die dritte und vierte Entladungselektrode einander gegenüberliegend vorragen und die fünfte und sechste Entladungselektrode einander gegenüberliegend vorragen.
  6. Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor, umfassend die Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. Verbrennungsmotorsystem, umfassend die Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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