DE3501985A1

DE3501985A1 - Leistungshalbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE3501985A1
Application number: DE19853501985
Authority: DE
Inventors: Takayuki Itami Hyogo Kitamura; Ikunori Takata
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-01-23
Filing date: 1985-01-22
Publication date: 1985-08-01
Also published as: DE3501985C2; JPS60154552A; JPH0464183B2; US4652902A

Description

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Leistungshalbleitervorrichtung

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungshalbleitervorrichtung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Aufbau einer Leistungshalbleitervorrichtung, bei der ein Leistungstransistor und eine Diode antiparallel in demselben Halbleiterchip gebildet sind, wobei die Halbleitervorrichtung in einer Umformerschaltung oder ähnlichem verwendet wird.

Fig. 1 ist ein elektrischer Schaltplan einer herkömmlichen Umformerschaltung und Fig. 2 ist ein Kurvenformdiagramm zur Erklärung der Arbeitsweise der Schaltung in Fig. 1.

Zunächst wird, bezogen auf die Figuren 1 und 2, ein Beispiel einer Umformerschaltung mit Transistoren beschrieben. In Fig. 1 ist ein Emitter eines Transistors 1 mit einem Kollektor eines Transistors 2 verbunden, und ein Emitter eines Transistors 3 ist mit einem Kollektor eines Transistors 4 verbunden. Eine DC-Leistungsquelle 9 (Gleichstromquelle) ist zwischen den Kollektor des Transistors 1 und den Emitter des Transistors 2 sowie zwischen den Kollektor des Transistors 3 und den Emitter des Transistors 4 geschaltet. Ein Kondensator 11 ist parallel zur DC-Leistungsquelle 9 geschaltet. Die Transistören 1, 2, 3 und 4 sind jeweils antiparallel zu den Dioden 5, 6, 7 und 8 geschaltet, so daß der jeweilige Rückstrom durch diese fließen kann.

In der Umformerschaltung mit dem oben beschriebenen Aufbau wird typisch eine Spannung, wie in Fig. 2a gezeigt, an die Last 10 angelegt, und während einer Zeitdauer a, in der die Lastspannung in positiver Richtung angelegt ist, sind die

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Transistoren 1 und 4 leitend und die Transistoren 2 und 3 nicht leitend. Die Ausgangssignalsteuerung der Last 10 kann durch das Verhältnis der Zeitdauer a, in der die Transistoren leiten, zu der Zeitdauer b, in der die Transistoren unterbrochen sind, bewirkt werden und durch den Zustand der Leitfähigkeit entweder der Gruppe der Transistoren 1 und 4 oder der Gruppe der Transistoren 2 und 3. Während der Unterbrechungszeitdauer b müssen die jeweils zu den Transistoren 1 und 4 antiparallel geschalteten Dioden 5 und 8 arbeiten. Dies kann durch Unterbrechen der Verbindung der leitenden Transistoren 1 und 4 erreicht werden. Wenn die Last jedoch eine induktive Komponente einschließt, wirkt eine elektromotorische Gegenkraft auf den elektrischen Stromfluß mit derselben Stromstärke, wie die des Stromflusses in der Last 10 während der Zeitdauer b und der Zeitdauer a. Aufgrund dieser elektromotorischen Gegenkraft fließt der elektrische Strom in den Dioden 6 und 7, und durch Rückleitung dieses Stromes zu der DC-Leistungsquelle 9 wird die Stromstärke in der Last 10 konstant, und die an die Last 10 angelegte Spannung wird umgekehrt.

Während der in Fig. 2 gezeigten Zeitdauer a¹ und der Zeitdauer b' fließt elektrischer Strom in den Dioden 5 und 8.

In der in Fig. 1 gezeigten Umformerschaltung beträgt die Spannung der DC-Leistungsquelle im allgemeinen ungefähr 2/3 der Nennspannung der Transistoren 1, 2,3 und 4. Folglich fließt, wenn ein Kurzschluß in der Umformerschaltung auftritt, ein großer Strom durch die Transistoren 1, 2, 3 und 4 in einem Zustand, bei dem eine hohe Spannung an dieselben angelegt ist, was zur Folge hat, daß die Transistoren 1, 2, 3 und 4 in einer extrem kurzen Zeitdauer zerstört werden. Wenn die Transistoren 1, 2, 3 und 4 zerstört werden, schmelzen im allgemeinen die äußeren Enden der Chips der Transistoren, wodurch ein Kurzschlußzustand zwischen den entsprechenden Kollektoren und Emittern hervorgerufen wird. Im Falle eines solchen Kurzschlusses arbeitet im allgemeinen eine Schutzschaltung in der

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Umformerschaltung so, daß die Verbindung zu der DC-Leistungsquelle unterbrochen werden kann. Wenn die Zeit, die zur Unterbrechung der Verbindung zu der DC-Leistungsquelle 9 benötigt wird, jedoch lang ist, oder wenn der Kondensator 11, der mit der DC-Leistungsquelle 9 verbunden ist, eine große Kapazität hat, werden die Verbindungsdrähte, die an den Emitterelektroden der Chips der Transistoren 1, 2, 3 und 4 angeschlossen sind, leicht geschmolzen, und zeitweise kommt es vor, daß ein Offen-Zustand zwischen den entsprechenden Basen und Emittern hervorgerufen wird. Nach Schmelzen der Emitterzuführungsdrähte fließt der von der DC-Leistungsquelle 9 zugeführte elektrische Strom von den Kollektoren zu den Basen der Transistoren. Da dieser elektrische Strom relativ groß ist und die Kollektor-Basis-Verbindung zuweilen zerstört ist, wird die Spannung von der DC-Leistungsquelle 9 direkt an die Basen angelegt, und die Basis-Treiberschaltung wird leicht zerstört, was manchmal ein Abbrennen zur Folge hat, das ein schwierig zu lösendes Problem darstellt.

Fig. 3 ist ein Schaltbild einer Einrichtung zur Durchführung eines Schmelztests der Zuführungsdrähte eines Leistungstransistors, wie er in der in Fig. 1 gezeigten Umformerschaltung verwendet wird. Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die das Ergebnis des Schmelztests der Zuführungsdrähte darstellt.

Bezogen auf Fig. 3 ist zwischen einen Kollektor und einen Emitter eines Transistors 12, der dem Test unterworfen wird, eine einstellbare DC-Leistungsquelle 13 über einen Widerstand 14 geschaltet, und ein Kondensator 15 ist parallel zu der Serienschaltung aus dem Widerstand 15 und der einstellbaren DC-Leistungsquelle geschaltet.

Fig. 4 zeigt das Ergebnis der Prüfung des Verhaltens der Verbindungsdrähte des oben beschriebenen Transistors in der in Fig. 3 gezeigten Testschaltung. In Fig. 4 stellt die horizontale Achse die gesamte Querschnittsfläche der Verbindungs-

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drähte dar, und die vertikale Achse stellt die in dem Kondensator 15 gespeicherte Energie (CVV/2) dar. Der Buchstabe a in Fig. 4 gibt den Widerstand eines zu schmelzenden Aluminiumdrahtes an, der Buchstabe b gibt den Widerstand eines zu schmelzenden Silberzuführungsdrahtes an und der Buchstabe c gibt den Widerstand eines zu schmelzenden Aluminiumdrahtes für den Fall einer auf das Doppelte vergrößerten Dicke einer Chip-Aluminium-Elektrode an. Der Buchstabe d wird später speziell beschrieben.

Im allgemeinen wird bei Zerstörung eines Transistors der Widerstand vergrößert, wenn die Anzahl der Zuführungsdrähte vergrößert wird oder wenn deren Dicke groß ist, während der Widerstand verringert wird, wenn die Kapazität des Kondensators 15 vergrößert wird. Wenn die Dicke der Emitterelektrode vergrößert wird, wird eine geringe Änderung des Widerstands hervorgerufen. Folglich kann gesagt werden, daß bei Transistoren, bei denen Aluminium-Verbindungsdrähte durch Ultraschallverbinden angebracht sind, es sehr schwierig ist, ein Schmelzen im Fall einer gewöhlichen Kapazität eines Kondensators zu verhindern. Im Gegensatz dazu kann ein Transistor, bei dem Silberzuführungsdrähte durch Löten angebracht sind, einen Widerstand haben, der um ein Vielfaches höher ist als bei einem Transistor, bei dem Aluminiumzuführungsdrähte verwendet wurden.

Ein Transistor, bei dem die Zuführungsdrähte durch Löten angebracht wurden, hat jedoch Nachteile, wie z.B. geringe Produktivität, geringe Zuverlässigkeit eines Chips oder eines zusammengesetzten Aufbaus, oder verschlechterte Charakteristiken eines Chips aufgrund der Tatsache, daß eine feine Struktur nicht gebildet werden kann. Dementsprechend werden zur Zeit die meisten Leistungstransistoren durch Bonden von Aluminiumdrähten hergestellt.

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Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Aluminiumdrahtes, der in einem herkömmlichen Transistor gebondet ist. Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die entlang der in Fig. 5 gezeigten Linie VI - VI aufgenommen wurde. Fig. 7 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen Transistors, bei dem die Verbindungsdrähte durch Löten angebracht sind.

Bezogen auf die Figuren 5 und 6 wird ein Transistorchip 16 durch Bilden eines Kollektorbereiches 18 niedriger Verunreinigungskonzentration auf einem Kollektorbereich 17 hoher Verunreinigungskonzentration und durch darauffolgendes Bilden nacheinander eines Basisbereichs 19 und eines Emitterbereichs 20 aufgebaut. In dem Kollektorbereich 17 hoher Verunreinigungskonzentration ist eine Kollektorelektrode 23 gebildet; in dem Basisbereich 19 ist eine Basiselektrode 22 gebildet; und in dem Emitterbereich 20 ist eine Emitterelektrode 21 gebildet. Ein Emitter-Verbindungsdraht 24 ist mit der Emitterelektrode 21 verbunden, und ein Basisverbindungsdraht 25 ist mit der Basiselektrode verbunden. In Fig. 6 kennzeichnen die Pfeile die Verteilung des Stromflusses in dem Emitter. Fig.

7 zeigt einen Zustand, bei dem der Emitterzuführungsdraht mit der Emitterelektrode 21 durch Lötmittel 241 verbunden ist.

Als Ergebnis des Tests mit der in Fig. 3 gezeigten Schmelztesteinrichtung wurde klargestellt, daß der Unterschied des Schmelzwiderstandes eines gelöteten Aluminiumzuführungsdrahtes und eines gelöteten Silberzuführungsdrahtes nicht nur durch den Unterschied der Strombelastbarkeit aufgrund der Leitfähigkeit des Aluminiumzuführungsdrahtes und der des Silberzuführungsdrahtes erklärt werden kann. Dieser Unterschied soll wie folgt angenommen werden. Als Teil, in dem der Weg des Emitterstroms im Falle eines gebondeten Aluminiumdrahtes am dünnsten ist, und in dem am häufigsten Schmelzen hervorgerufen wird, wird der Randbereich des gebondeten Drahtteils auf der Emitter-Aluminiumelektrode 21 auf dem Chip 16 angenommen. Die Gründe dafür sind, daß die Dicke der Aluminium-

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elektrode 4 \im bis 6 um beträgt, während der Durchmesser des Aluminiumdrahtes im allgemeinen 300 μπι bis 400 \im beträgt, und daß der Schmelzwiderstand des Zuführungsdrahtes von der Länge des Randbereiches des gebondeten Teils des Aluminiumdrahtes abhängt, da aufgrund des prizipiellen Aufbaus der elektrische Strom in dem Transistorchip 16, wie in Fig. 6 durch die Pfeile gezeigt, schwer unter die Emitter-Bondstelle fließt, und der elektrische Strom, der in die Fingerteile des Emitterbereichs 20 fließt, wird in den Zuführungsdraht 24 über die Aluminiumelektrode 21 gesammelt.

Bezogen auf den Schmelzwiderstand in dem Randbereich des gebondeten Drahtteils wird ein bemerkenswert vorteilhafterer Aufbau, verglichen mit einem Aluminiumdrahtsystem, durch ein gelötetes Zuführungsdrahtsystem erreicht, da eine Lötschicht mit einigen zehn μΐη bis einigen hundert μπι um den durch Löten befestigten Zuführungsdraht gebildet ist. Die oben beschriebenen Annahmen werden durch die Ergebnisse eines Experiments wie unten beschrieben unterstützt.

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels der praktischen Verwendung eines herkömmlichen Transistors als Umformer; Fig. 9 ist ein entsprechendes Schaltbild; und Fig. 10 ist eine Schnittansicht einer Rückstromdiode.

Der in Fig. 8 gezeigte als Umformer verwendete Transistor weist eine Kollektoreleketrode 23 auf, auf der eine Basiselektrode 22' und eine Emitterelektrode 21' jeweils über eine isolierende Platte 29 und eine isolierende Platte 29, 30 gebildet sind, und ein monolithisches Darlington-Transistorchip 26 und ein Rückstromdiodenchip 28 gebildet sind. Auf der Basiselektrode 22 ist ein Beschleunigungsdiodenchip 27 gebildet, und auf dem monolithischen Darlington-Transistorchip 26 ist ein Widerstandsteil 31 gebildet.

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Wenn eine komplexe Einrichtung mit einem Aufbau, bei dem, wie in Fig. 8 gezeigt, der oben beschriebene Rückstromdiodenchip 28 benachbart dem Transistorchip 26 angeordnet ist, einem Test in einer Testschaltung, wie in Fig. 3 gezeigt, unterworfen wurde, dann war der Schmelzwiderstand in einem Aluminiumdrahtsystem in einigen Fällen gleich oder größer als der mit den Werten d in Fig. 4 gezeigte in einem gelöteten Zuführungsdrahtsystem. Somit ergibt sich, wenn ein Aluminiumdrahtsystem nahezu denselben Schmelzwiderstand wie ein gelötetes Zuführungsdrahtsystem aufweist, eine auffallende Charakteristik, daß die Rückstromdiode 28 zerstört ist. Die Zerstörung der Rückstromdiode 28 wird verursacht, wenn das Transistorchip 26 stark zerstört ist, da die Rückstromdiode 28 in engem Kontakt mit dem Transistorchip 26 steht. In einem solchen Fall wird der Emitterdraht des Transistorchips 26 geschmolzen, während der Draht der Rückstromdiode 28 nur schwer geschmolzen wird, und ein großer Strom in die zerstörte Rückstromdiode 28 fließt.

Die Rückstromdiode 28 weist, wie in Fig. 10 gezeigt, einen Kathodenbereich 33 niedriger Verunreinigungskonzentration, der auf dem Kathodenbereich 32 hoher Verunreinigungskonzentration gebildet ist, und einen darauf gebildeten Anodenbereich 34 auf. Eine Kathodenelektrode 36 ist auf dem Kathodenbereich 32 hoher Verunreinigungskonzentration gebildet, und eine Anodenelektrode 35 ist auf dem Anodenbereich 34 gebildet. Mit der Anodenelektrode 35 ist das Ende eines Anodenverbindungsdrahtes 37 verbunden, und das andere Ende des Anodenverbindungsdrahtes 37 ist mit der Emitterelektrode 21' verbunden. Wenn die Rückstromdiode 28 zerstört wird, fließt der elektrisehe Strom in die in Fig. 10 durch die Pfeile gezeigten Richtungen. Wie aus Fig. 10 klar erkennbar ist, wird der elektrische Strom während der Zeit der Zerstörung der Rückstromdiode 28 direkt unter der Drahtbondstelle am größten, und es wird angenommen, daß der Grund, warum der Draht der Diode nur

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schwer geschmolzen wird, der ist, daß die Kontaktfläche wirksam funktioniert, während im Falle des Transistors das Schmelzen in Abhängigkeit von der Länge des Kontaktrandes des gebondeten Drahtteils hervorgerufen wird.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Leistungshalbleitereinrichtung vorzusehen, bei der eine aktive Leistungseinrichtung zur Verwendung in einem Umformer oder ähnlichem und eine Diode in demselben Halbleiterchip mit entgegengesetzten Polaritäten parallel geschaltet sind, so daß während der Zeit eines Kurzschlusses ein großer elektrischer Strom durch die Diode mit Zuführungsdrähten, die aufgrund des großen Stromes nicht schmelzen und einen hohen Schmelzwiderstand aufweisen, geleitet wird.

Kurz zusammengefaßt weist die Erfindung eine Leistungshalbleitereinrichtung, in der eine aktive Leistungshalbleitereinrichtung und eine Diode parallel auf demselben Halbleiterchip mit entgegengesetzten Polaritäten gebildet sind, eine Hauptelektrode, die gemeinsam als erste Elektrode der aktiven Leistungshalbleitereinrichtung und als erste Elektrode der Diode dient, und die auf der Oberfläche des Halbleiterchips gebildet ist, eine gemeinsame Hauptelektrode, die gemeinsam als zweite Elektrode der aktiven Leistungshalbleitereinrichtung und als zweite Elektrode der Diode dient, und die auf der anderen Oberfläche des Halbleiterchips gebildet ist, und eine Mehrzahl von herausführenden Verbindungsdrähten, die in dem Diodenbereich der gemeinsamen Hauptelektrode angeschlossen sind, auf.

Dementsprechend kann erfindungsgemäß, da eine Mehrzahl von herausführenden Verbindungsdrähten in dem Diodenbereich der gemeinsamen Hauptelektrode angeschlossen sind, der Schmelzwiderstand der Verbindungsdrähte dadurch verbessert werden, daß der elektrische Stromfluß während des Auftretens eines

Kurzschlusses durch die Diode geleitet wird, und folglich kann das Auftreten von Schwierigkeiten in dem Randbereich der Transistorschaltung aufgrund eines Kurzschlusses verhindert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als aktive Leistungshalbleitereinrichtung ein Leistungstransistor, ein Leistungs-MOS-Transistor oder ein Thyristor angewendet .

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild einer gewöhnlichen herkömmlichen Umformerschaltung;

Fig. 2 ein Kurvenformdiagramm zur Erklärung der Arbeitsweise in Fig. 1;

Fig. 3 ein Schaltbild einer Einrichtung zur Durchführung eines Verbindungsdraht-Schmelztestes für einen Leistungstransistor, der in der in Fig. 1 gezeigten Umformerschaltung verwendet wird;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Ergebnisse des

■\orbindungsdraht-Schmelztestes;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines gebondeten Aluminiumdrahtes in einem herkömmlichen Transistor;

Fig. 6 eine vertikale Schnittansicht, die entlang der

Linie VI - VI in Fig. 5 aufgenommen wurde;

Fig. 7 eine vertikale Schnittansicht eines herkömmlichen Transistors, bei dem ein Verbindungsdraht durch Löten befestigt ist;

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Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels der praktischen Verwendung eines herkömmlichen Transistors als Umformer;

Fig. 9 ein Schaltbild einer entsprechenden Schaltung; Fig. 10 eine Schnittansicht einer Rückstromdiode;

Fig. 11 eine Draufsicht des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 12 eine vertikale Schnittansicht, die entlang der Linie XI - XI in Fig. 11 aufgenommen wurde;

Fig. 13 eine vertikale Schnittansicht, die entlang der

Linie XII- XII in Fig. 11 aufgenommen wurde;

•Fig. 14 eine Draufsicht des Aufbaus einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 15 eine Draufsicht des Aufbaus einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 16 eine vertikale Schnittansicht eines Halbleiterchips, bei dem eine Rückstromdiode und ein Thyristor oder ein Abschalt-Thyristor miteinander kombiniert sind.

Fig. 11 ist eine Draufsicht des Aufbaus einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 12 ist eine vertikale Schnittansicht, die entlang der Linie XI - XI in Fig. 31 aufgenommen wurde; und Fig. 13 ist eine vertikale Schnittansicht, die entlang der Linie XII - XII in Fig. 11 aufgenommen wurde.

Nun wird, bezogen auf die Figuren 11 bis 13, der Aufbau einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Eine Halbleitereinrichtung 30 weist einen Kollektrobereich 18 niedriger Verunreinigung4<onzentration, der auf einem Kollektorbereich 17 hoher Verunreinigungskonzentration gebildet ist, und einen

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Basisbereich 19 und einen Emitterbereich 20, die aufeinanderfolgend gebildet werden, auf. Ein Anodenbereich 34 einer Rückstromdiode wird innerhalb eines Kollektorbereiches 18 auf eine Weise, daß dieser von dem Basisbereich 19 umgeben ist, gebildet. Die Kollektorbereiche 17 und 18 eines Transistors dienen ebenfalls als Kathode der Rückstromdiode. Auf einer Oberfläche des Halbleiterchips 30, nämlich auf der Seite des Kollektorbereiches 17, ist eine Kollektorelektrode 23 gebildet, und auf der anderen Oberfläche des Halbleiterchips 30, nämlich auf der Seite des Emitterbereichs 20, ist eine Emitterelektrode 21 gebildet. Die Emitterelektrode 21 dient ebenfalls als eine Anodenelektrode der Rückstromdiode, und die Kollektorelektrode 23 dient ebenfalls als eine Kathodenelektrode der Rückstromdiode. Emitterverbindungsdrähte 24 des Transistors, die ebenfalls als Anodenverbindungsdrähte der Rückstromdiode dienen, sind an zwei Punkten in dem Anodenbereich 34 mit der Rückstromdiode verbunden.

In der Halbleitereinrichtung, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, werden die Verbindungsdrähte bei Auftreten eines Kurzschlusses im allgemeinen nicht gleichzeitig schmelzen. Diese schmelzen nacheinander, ausgehend von dem mit der schlechtesten Bedingung. Es ist allgemein bekannt, daß beim Schmelzen von Verbindungsdrähten das Chip in den Kontaktbereichen der Verbindungsdrähte schmilzt und dadurch zuweilen zerstört wird. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird jedoch, da zwei Emitterverbindungsdrähte 24, die ebenfalls als Anodenverbindungsdrähte der Rückstromdiode dienen, in dem Anodenbereich 34 der Rückstromdiode angeschlossen sind, Schmelzen oder Zerstörung des Chips in dem Anodenbereich 34 der Rückstromdiode zum Zeitpunkt des Schmelzens der Verbindungsdrähte in einem früheren Stadium hervorgerufen. Folglich kann der anschließend fließende Kurzschlußstrom hauptsächlich durch den Diodenbereich geleitet werden, und dementsprechend kann der Schmelzwiderstand der Verbindungsdrähte der gesamten

Einrichtung erhöht werden. Zusätzlich kann, da der Bondbereich der Drähte der Emitterelektrode stark vergrößert werden kann, der Schmelzwiderstand der Verbindungsdrähte durch Erhöhen der Anzahl der Drähte verbessert werden.

Fig. 14 ist eine Draufsicht des Aufbaus einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die in Fig. 14 gezeigte Ausführungsform ist, außer daß die Anzahl der Emitterverbindungsdrähte vergrößert ist und daß Kontaktbereiche mit unterschiedlichen Abständen zu dem Emitterkontaktbereich zusammen existieren, dieselbe wie die in Fig. 11 gezeigte und oben beschriebene Ausführungsform. Insbesondere ist der Verbindungsteil eines Verbindungsdrahtes in geringer Entfernung zu dem Emitterverbindungsbereich stärker einer Zerstörung ausgesetzt als der Verbindungsteil in der Mitte des Diodenbereiches in einer größeren Entfernung zu dem Emitterverbindungsbereich, und aus diesem Grund wird der Verbindungsteil eines Verbindungsdrahtes in geringer Entfernung zu dem Emitterverbindungsbereich als erstes zerstört und der sich anschließende Strom wird in den mittleren Bereich der zerstörten Diode geleitet, wodurch der Schmelzwiderstand des Verbindungsdrahtes, verglichen mit der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform, weiter erhöht werden kann.

Fig. 15 ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In den in den Figuren 11 und 14 gezeigten Ausführungsformen ist die Rückstromdiode 60 in dem mittleren Teil des Emitterbereiches 21 gebildet, während in dieser in Fig. 15 gezeigten Ausführungsform eine Rückstromdiode 70 benachbart dem Emitterbereich 21 und nicht in dem mittleren Teil des Emitterbereiches 21 vorgesehen ist.

Somit kann mit einer Rückstromdiode 70, die benachbart dem Emitterbereich 21 vorgesehen ist, die Oberflächenausnutzung des Chips bei einer Einrichtung für relativ geringe elektri-

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sehe Leistung vergrößert werden. Insbesondere wird bei den in den Figuren 11 und 14 gezeigten Ausführungsformen die Oberflächenausnutzung des Chips verringert, da eine Barriere, die als Abgrenzung zu dem Emitterbereich dient, um die Rückstromdiode gebildet ist, die in der Mitte des Emitterbereichs angeordnet ist, während bei der in Fig. 15 gezeigten Ausführungsform nur auf der einen Seite des Emitterbereichs eine Barriere gebildet ist, und dementsprechend kann die Oberflächenausnutzung des Chips verbessert werden.

Als Ergebnis der Anwendung eines Tests unter Verwendung der in Fig. 3 gezeigten Schmelztesteinrichtung auf eine in Fig. 14 gezeigte Einrichtung wurde klargestellt, daß im Fall der Verwendung von Aluminiumverbindungsdrähten nahezu derselbe Schmelzwiderstand des Verbindungsdrahtes wie im Fall der Verwendung von Silberverbindungsdrähten erhalten werden kann.

Wie oben beschrieben, haben die in den Figuren 11 und 14 gezeigten Ausführungsformen bemerkenswerte Wirkung in einem Aluminiumverbindungsdrahtsystem. Die Anbringung der Verbindungsdrähte ist jedoch nicht auf die oben beschriebene Verbindung der Aluminiumverbindungsdrähte beschränkt, sondern er, kann Löten und jedes andere geeignete Verfahren angewendet werden. Im allgemeinen wird, wenn Verbindungsdrähte gelötet v/erden, der Schmelzwiderstand des Verbindungsdrahtes vergrößert, und bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist es klar, daß, wenn Verbindungsdrähte durch Löten angeschlossen werden anstatt durch ein Aluminiumverbindungsdraht-Verbindungssystem, der Schmelzwiderstand weiter erhöht wird.

Obwohl in den oben beschriebenen Ausführungsformen eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Kombination aus einem Transistor und einer Rückstromdiode angewendet wird, ist die Erfindung nicht auf diese Kombination beschränkt. Es ist klar, daß dieselbe Wirkung im Hinblick auf den Schmelzwiderstand

des Verbindungsdrahtes zum Zeitpunkt eines Kurzschlusses durch Anwendung einer Kombination aus einer Rückstromdiode und einem Leistungs-MOS-Transistor oder einem Abschalt-Thyristor oder einem Thyristor, der als Schalteinrichtung dient, wobei dieser in einer Umformerschaltung auf die gleiche Weise wie im Fall eines Transistors verwendet wird, erreicht werden kann.

Fig. 16 ist eine vertikale Schnittansicht eines Halbleiterchips mit einer Kombination aus einer Rückstromdiode und einem Thyristor oder einem Abschalt-Thyristor. In dem in Fig. 16 gezeigten Halbleiterchip 50 ist ein Anodenbereich einer Rückstromdiode in dem mittleren Teil eines Thyristors mit einem Anodenbereich 37, einem Basisbereich 38, einem Gate-Bereich 39 und einem Kathodenbereich 40 gebildet. Auf der einen Oberfläche des Halbleiterchips 50, nämlich auf der Seite des Anodenbereichs des Thyristors, ist eine Anodenelektrode 43 des Thyristors, die ebenfalls als Kathodenelektrode der Diode dient, gebildet. Auf der anderen Oberfläche des Halbleiterchips 50, nämlich auf der Seite des Kathodenbereichs des Thyristors und des Anodenbereichs 34 der Rückstromdiode, ist eine Kathodenelektrode 41 des Thyristors, die ebenfalls als Anodenelektrode der Diode dient, gebildet. In dem Gate-Bereich 39 des Thyristors ist eine Gate-Elektrode 42 gebildet. Ein Verbindungsdraht 24 ist mit einem Teil auf der Kathodenelektrode 41 des Thyristors in Übereinstimmung mit der Anodenelektrode 34 verbunden. Wie oben beschrieben, kann mit dem Chip 50 mit einer Kombination aus einem Thyristor und einer Rückstromdiode dieselbe Wirkung wie mit den oben beschriebenen Ausführungsformen ebenfalls erzielt werden.

Im Fall der Anwendung einer Halbleitereinrichtung in den jeweiligen oben beschriebenen Ausführungsformen auf einen Umformer muß erwähnt werden, daß die verwendete Rückstromdiode eine sogenannte Diode mit geringer Sperrverzugszeit

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(High-Recovery-Diode), die für Betrieb bei hoher Frequenz geeignet ist, sein muß, wenn der Umformer als Hochfrequenzumformer eingesetzt wird. Aus diesem Grund ist es notwendig, wahlweise Lebensdauerbegrenzer (der Ladungsträger) in den Diodenbereichen vorzusehen.

Die Herstellung dieser Ausführungsformen, die das Bilden einer Diode und einer Schalteinrichtung auf demselben Chip einschließt, kann durch Hinzunahme oder Abändern relativ einfacher Verfahren, die auf der selektiven Diffusionstechnologie beruhen, durchgeführt werden.

Leerseite

Claims

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PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN ΘΟ

FO 62-3312 P/Ka/so

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo/Japan

Leistungshalbleitervorrichtung

PATENTANSPRÜCHE <.

Ij. Leistungshalbleitervorrichtung, bei der eine aktive Leistungshalbleitervorrichtung und eine Diode antiparallel auf einem Halbleiterchip, das eine eine Oberfläche und eine andere Oberfläche aufweist, gebildet sind, gekennzeichnet durch eine Hauptelektrode, die auf der einen Oberfläche des Halbleiterchips gebildet ist und als erste Elektrode der aktiven Leistungshalbleitervorrichtung und als erste Elektrode der Diode dient,

eine gemeinsame Hauptelektrode, die auf der anderen Oberfläche des Halbleiterchips, die der Hauptelektrode gegenüberliegt, gebildet ist und als zweite Elektrode der ^ktiven Leistungshalbleitereinrichtung und als zweite Elektrode der Diode dient, und

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER ■ D-8000 MÜNCHEN 90 · HARTHAUSER STR. 25d ■ TEL. (0 88) 640 640

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eine Mehrzahl abgehender Verbindungsdrähte, die mit dem Diodenbereich der gemeinsamen Hauptelektrode verbunden sind,
2. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das aktive Leistungshalbleiterelement ein Leistungstransistor,

die erste Elektrode des aktiven Leistungshalbleiterelements eine Emitterelektrode, und
die erste Elektrode der Diode eine Anodenelektrode ist.
3. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die aktive Leistungshalbleitervorrichtung ein Leistungs-MOS-Transistor,
die erste Elektrode des aktiven Leistungshalbleiterelements eine Source-Elektrode, und

die erste Elektrode der Diode eine Anoden-Elektrode ist.
4. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die aktive Leistungshalbleitervorrichtung ein Thyristor, die erste Elektrode des aktiven Leistungshalbleiterelements eine Kathoden-Elektrode, und
die erste Elektrode der Diode eine Anoden-Elektrode ist.
5. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

der Thyristor ein Abschalt-Thyristor ist.