DE19522173C1 - Leistungs-Halbleitermodul - Google Patents

Leistungs-Halbleitermodul

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungs-Halbleitermodul mit einem Gehäuse und einem metallenen Boden, auf dem elek­ trisch isolierende und thermisch leitende, Leitbahnen tragen­ de Substrate angeordnet sind, mit sechs nebeneinander liegen­ den steuerbaren Leistungs-Halbleiterschaltern, die jeweils auf einer der Leitbahnen elektrisch leitend befestigt sind, mit Laststromanschlüssen, die mit der Gehäusewand verbunden sind und die an der Unterseite im Inneren des Gehäuses Bond­ flächen haben, die über Bonddrähte elektrisch mit den steuer­ baren Leistungs-Halbleiterschaltern verbunden sind.
Ein solches Leistungs-Halbleitermodul ist auf dem Markt und wird z. B. im Kurzkatalog 1993/94 "SIPMOS-Halbleiter", Seite 35 angeboten. Es enthält als Leistungs-Halbleiterschalter sechs IGBT, die zu einer Dreiphasen-Stromrichterbrücke zu­ sammengeschaltet sind. Das Modul hat zwei Gleichstroman­ schlüsse und drei Wechselstromanschlüsse. Diese Anschlüsse führen den Laststrom.
Von Anwenderseite besteht oft der Wunsch, ein Leistungs- Halbleitermodul der beschriebenen Art z. B. in Form von drei Einzelschaltern für jeweils den doppelten Laststrom oder als Brückenzweig für den dreifachen Laststrom des Dreiphasen- Stromrichtermoduls zu betreiben. Dies erforderte bisher Änderungen des Layouts der Leitbahnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungs- Halbleitermodul der genannten Art so weiterzubilden, daß mehrere Schaltungsvarianten lediglich durch Änderungen der Bondverbindungen im Gehäuse erhalten werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale:
  • a) Für je zwei der nebeneinander liegenden Leistungs-Halblei­ terschalter ist mindestens eine zusätzliche Leitbahn vor­ gesehen,
  • b) jede der zusätzlichen Leitbahnen ist mit einer der Bond­ flächen und/oder mindestens einem der beiden nebeneinander liegenden Leistungs-Halbleiterschalter und/oder mit der zusätzlichen Leitbahn der benachbarten zwei Leistungs-Halb­ leiterschalter über Bonddrähte verbindbar,
  • c) es sind mindestens sechs Laststromanschlüsse mit sechs Bondflächen vorgesehen,
  • d) die Leitbahnen von zwei nebeneinander liegenden Leistungs- Halbleiterschaltern sind direkt über Bonddrähte verbind­ bar.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche. Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispie­ le in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Aufsicht auf ein Leistungs-Halbleitermodul, das als Dreiphasen-Stromrichterbrücke geschaltet ist,
Fig. 2 die Aufsicht auf ein Modul, das drei Einzelschalter enthält,
Fig. 3 die Schaltung des Moduls nach Fig. 1 und
Fig. 4 die Schaltung des Moduls nach Fig. 2.
Das Leistungs-Halbleitermodul nach Fig. 1 ist mit 10 be­ zeichnet. Es enthält einen metallenen Boden 12, mit dem ein Isolierstoffrahmen 11 befestigt ist. Der Isolierstoffrahmen bildet die Wände des Moduls und trägt sämtliche Lastanschlüs­ se 13 bis 21. Auf den Isolierstoffrahmen wird ein Deckel aufgesetzt (nicht dargestellt), Rahmen und Deckel bilden das Gehäuse.
Auf dem Boden 12 sind Substrate 7, 8, 9 befestigt. Diese bestehen z. B. aus Aluminiumoxid Al₂O₃ oder Aluminiumnitrid AlN. Ihre Unterseite ist mit einer Metallschicht versehen, über die die Substrate mit dem Boden 12 z. B. durch Löten verbunden sind. Die Oberseite der Substrate sind mit Leit­ bahnen 24, 25; 26, 27; 28, 29 versehen. Diese Leitbahnen tragen Leistungs-Halbleiterschalter 1, 2; 3, 4; 5, 6. Die Halbleiterschalter können z. B. IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) sein, denen jeweils eine Freilaufdiode antiparal­ lel geschaltet sein kann. Beim Leistungs-Halbleiterschalter 1 ist diese Diode mit 45 bezeichnet, bei den anderen Schaltern wurde die Bezeichnung der Diode der besseren Übersichtlich­ keit halber weggelassen. Die Halbleiterschalter können auch MOSFET sein oder aus mehreren einander parallelgeschalteten Halbleiterbauelementen bestehen.
Jeweils zwei der nebeneinander liegenden Halbleiterschalter ist eine zusätzliche Leitbahn 30, 31, 32 zugeordnet. Die zu­ sätzlichen Leitbahnen liegen vorzugsweise zwischen den Leit­ bahnen der Halbleiterschalter und mindestens einem Lastan­ schluß. Hat das Leistungs-Halbleitermodul Quaderform, so sind die meisten der Lastanschlüsse an der Längsseite des Gehäuses angeordnet. In diesem Fall sind dies die Lastanschlüsse 15, 16, 17, 18 und 19. Davon sind die Laststromanschlüsse 19, 17 und 15 der Wechselstromausgang mit den drei Phasen U, V und W. Die Anschlüsse 20, 14 an den Schmalseiten des Gehäuses sind die negative Gleichspannungsanschlüsse und die An­ schlüsse 21, 13 die positiven. Es kann aber auch ausreichend sein, die Gleichspannung jeweils nur an die Laststroman­ schlüsse 13, 14 oder an 20, 21 anzulegen.
Die innere Verschaltung des Moduls erfolgt ausschließlich über Bondverbindungen. Dazu tragen die Laststromanschlüsse 21 bis 13 am unteren Ende Bondflächen 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42 und 43. Diese Bondflächen ragen in das Gehäuseinnere hinein. Die Oberseiten der Lastanschlüsse sind vorzugsweise als Stifte ausgebildet, über die das Modul mit einer Schal­ tungsplatine durch Schwallöten verbunden werden kann.
Im einzelnen verläuft der Laststrom des als Dreiphasen-Strom­ richterbrücke geschalteten Moduls wie folgt:
Anschluß 19 - Bondfläche 37 - Leitbahn 24 - Kollektor IGBT 2 - Emitter IGBT 2 - Leitbahn 30 - Bondfläche 36 - Anschluß 20. Außerdem fließt Strom vom Anschluß 13/21 - Leitbahn 25 - Kollektor IGBT 1 - Emitter IGBT 1 - Leitbahn 24 - Bondfläche 37 zum Lastanschluß 19.
Vom Lastanschluß 17 fließt Strom über die Bondfläche 39 - Leitbahn 26 - Kollektor IGBT 4 - Emitter IGBT 4 - Leitbahn 31 - Leitbahnen 30/32 zu den Lastanschlüssen 20/14. Außerdem fließt Strom vom Anschluß 13/21 über die Leitbahn 27 - Kol­ lektor IGBT 3 - Emitter IGBT 3 - Leitbahn 26 - Leitbahnen 25/29 zum Lastanschluß 17.
Vom Lastanschluß 15 fließt Strom über seine Bondfläche 41 - Leitbahn 28 - Kollektor IGBT 6 - Emitter IGBT 6 - Leitbahn 32 - Bondfläche 42 zum Lastanschluß 14 und über die Leitbahnen 31, 30 zum Lastanschluß 14/20. Außerdem fließt Strom vom Lastanschluß 13/21 über die Leitbahnen 25,27, 29 - Kollektor IGBT 5 - Emitter IGBT 5 - Leitbahn 28 - Bondfläche 41 zum Lastanschluß 15.
In der Fig. 1 sind wegen der besseren Übersichtlichkeit die elektrischen Verbindungen innerhalb des Moduls jeweils durch drei Bonddrähte dargestellt. Bei hohen Strömen werden selbst­ verständlich mehr, z. B. 10 bis 15 parallele Bonddrähte ver­ wendet. Hat ein solcher Bonddraht einen Durchmesser von z. B. 400 µm, so läßt sich damit eine Dreiphasen-Stromrichterbrücke mit z. B. 3 × 120 A Laststrom herstellen. Die antiparallelen Dioden bilden Bondstützpunkte für die Emitterseiten der IGBT.
Das Leistungs-Halbleitermodul nach Fig. 2 hat bis auf die inneren, durch Bonddrähte geschalteten elektrischen Verbin­ dungen den gleichen Aufbau wie das Leistungs-Halbleitermodul nach Fig. 1. Auf die Bezeichnung der Halbleiterschalter bzw. IGBT wurde hier der besseren Übersichtlichkeit halber ver­ zichtet. Die Laststromanschlüsse und die Leitbahnen sowie die Bondflächen tragen die gleiche Bezeichnung wie in Fig. 1.
Das Leistungs-Halbleitermodul nach Fig. 2 verkörpert drei Einzelschalter, bei denen jeweils die Halbleiterschalter 1 und 2, 3 und 4, 5 und 6 durch Bondverbindungen zwischen den Leitbahnen 24 und 25, 26 und 27, 28 und 29 sowie durch Bond­ verbindungen zwischen zwei benachbarten IGBT 1, 2; 3, 4; 5, 6 und der jeweils zugeordneten zusätzlichen Leitbahn 30, 31, 32 einander parallel geschaltet sind. Für den aus den IGBT 1 und 2 sowie den antiparallel geschalteten Dioden bestehenden ersten Einzelschalter ist der Lastanschluß 19 der negative Anschluß N- und der Lastanschluß 20 der positive Anschluß P+. Im einzelnen geht die elektrische Verbindung vom Lastanschluß 19 zum Lastanschluß 20 über die Bondfläche 37 - Leitbahn 30 - Emitter IGBT 1/IGBT 2 - Leitbahnen 24/25 - Bondfläche 36 - Lastanschluß 20. Für den zweiten Halbleiterschalter, der aus den IGBT 3 und 4 besteht, ist der Lastanschluß 17 der positi­ ve Anschluß P+ und der Anschluß 16 der negative Anschluß N-. Die Lastanschlüsse 17 und 16 sind verbunden über Bondfläche 39 - Leitbahnen 26/27 - Kollektor IGBT 3/IGBT 4 - Emitter IGBT 3/IGBT 4 - Leitbahn 31 - Bondfläche 40 - Lastanschluß 16.
Für den aus den IGBT 5 und 6 bestehenden dritten Einzelschal­ ter ist der Lastanschluß 15 der negative Gleichspannungsan­ schluß N- und der Lastanschluß 14 der positive Gleichspan­ nungsanschluß P+. Beide sind elektrisch verbunden über die Bondfläche 41 - Leitbahn 32 - Emitter IGBT 5/IGBT 6 - Kollek­ tor IGBT 5/IGBT 6 - Leitbahn 28/Leitbahn 29 - Bondfläche 42 - Lastanschluß 14.
Die auf der anderen Längsseite der Module liegenden An­ schlüsse sind Steueranschlüsse, die über entsprechende Bond­ flächen mit den Gatekontakten und gegebenenfalls mit Hilfs­ emitterkontakten der IGBT verbunden sind. Der besseren Über­ sichtlichkeit halber wurden diese für die Erfindung nicht wesentlichen Komponenten nicht bezeichnet.
Wesentlich für die Erfindung ist, daß mindestens sechs Last­ anschlüsse vorgesehen sind. Die Bondflächen dieser Lastan­ schlüsse müssen wahlweise mit einer der zusätzlichen Leit­ bahnen oder einer der mit einem IGBT versehenen Leitbahnen verbindbar sein. Dazu müssen die zusätzlichen Leitbahnen den Bondflächen direkt oder seitlich versetzt gegenüberliegen. An den Längsseiten des Gehäuses liegen die zusätzlichen Leit­ bahnen vorzugsweise zwischen den Bondflächen und den anderen Leitbahnen.
Zur Verbindung der einander benachbarten Leitbahnen 24, 27; 26, 29 (Fig. 1) und 24, 25; 26, 27; 28, 29 (Fig. 2) durch Bonddrähte weisen diese durch die Halbleiterschalter nicht belegte Flächen auf.
Einen Brückenzweig für dreifachen Laststrom erhält man da­ durch, daß beim Modul nach Fig. 1 die Anschlüsse 15, 17, 19 miteinander verbunden werden.

Claims (7)

1. Leistungs-Halbleitermodul mit einem Gehäuse und einem metallenen Boden, auf dem elektrisch isolierende und ther­ misch leitende, Leitbahnen tragende Substrate angeordnet sind, mit sechs nebeneinander liegenden steuerbaren Lei­ stungs-Halbleiterschaltern, die jeweils auf einer der Leit­ bahnen elektrisch leitend befestigt sind, mit Laststroman­ schlüssen, die mit der Gehäusewand verbunden sind und die an der Unterseite im Inneren des Gehäuses Bondflächen haben, die über Bonddrähte elektrisch mit den steuerbaren Leistungs- Halbleiterschaltern verbunden sind, gekennzeichnet durch die Merkmale:
  • a) Für je zwei der nebeneinander liegenden Leistungs-Halblei­ terschalter (1, 2; 3, 4; 5, 6) ist mindestens eine zusätz­ liche Leitbahn (30, 31, 32) vorgesehen,
  • b) jede der zusätzlichen Leitbahnen ist mit einer der Bond­ flächen (35 bis 43) und/oder mindestens einem der beiden nebeneinander liegenden Leistungs-Halbleiterschalter und/ oder mit der zusätzlichen Leitbahn der benachbarten zwei Leistungs-Halbleiterschalter über Bonddrähte verbindbar,
  • c) es sind mindestens sechs Laststromanschlüsse mit sechs Bondflächen vorgesehen,
  • d) die Leitbahnen von zwei nebeneinander liegenden Leistungs- Halbleiterschalter sind direkt über Bonddrähte verbindbar.
2. Leistungs-Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ häuse quaderförmig ausgebildet ist, daß mindestens einige der Laststromanschlüsse (15 bis 19) an einer der Längsseiten des Gehäuses angeordnet sind und daß die zusätzlichen Leitbahnen zwischen den Leistungs-Halbleiterschaltern und der Längswand liegen.
3. Leistungs-Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei der nebeneinander liegenden Leistungs-Halbleiterschalter auf einem gemeinsamen Substrat (7, 8, 9) angeordnet sind.
4. Leistungs-Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate (7, 8, 9), auf denen die Leistungshalbleiterschal­ ter angeordnet sind, und die Leitbahnen (25, 27, 29) des ersten, dritten und fünften Halbleiterschalters einerseits und die Leitbahnen (24, 26, 28) des zweiten, vierten und sechsten Halbleiterschalters andererseits einander gleich sind.
5. Leistungs-Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungs-Halbleiterschalter IGBT sind.
6. Leistungs-Halbleitermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der IGBT eine Diode (45) antiparallel geschaltet ist.
7. Leistungs-Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leistungs-Halbleiterschalter aus mehreren parallel geschal­ teten Halbleiterbauelementen besteht.
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