DE3540551C1 - Semiconductor module for fast switching arrangement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiter-Modul für eine schnelle Schaltanordnung mit einem aktiven Halbleiterschalt­ element und einer Freilaufdiode, die in unmittelbarer Nachbar­ schaft angeordnet sind, mit einem gemeinsamen Lastanschluß von Halbleiterschaltelement und Freilaufdiode derart, daß das Halb­ leiterschaltelement und die Freilaufdiode bezogen auf den gemein­ samen Lastanschluß gleichsinnig von Strom aus einer Gleich­ spannungsquelle durchflossen werden, die an die jeweils anderen Anschlüsse von Halbleiterschaltelement und Freilaufdiode an­ geschlossen ist, bei dem die jeweils anderen Anschlüsse von Halbleiterschaltelement und Freilaufdiode jeweils mit einer von zwei durch eine Isolierschicht getrennten Leiterschichten ver­ bunden sind, die in unmittelbarer Nachbarschaft von Halbleiter­ schaltelement und Freilaufdiode angeordnet sind und vom Laststrom gleichsinnig durchflossen werden, und bei dem jeweils eine Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen und Dioden auf einer elektrisch isolierenden Substratplatte angeordnet sind, und stellt eine Verbesserung und weitere Ausbildung der Erfindung nach Patent 34 20 535 dar.

Bei dem Halbleiter-Modul nach dem Hauptpatent wird für den Schaltkreis mit dem aktiven Halbleiterelement und der Freilauf­ diode eine extrem niedrige Induktivität erreicht, durch die es möglich ist, auch bei extrem kurzen Schaltzeiten die beim Ab­ schalten eines Stromes auftretenden Überspannungen am Transistor auf dessen zulässige Überspannungen zu begrenzen.

Zur Erzielung einer höheren Leistung werden nach dem Hauptpatent eine Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen und Dioden unmittel­ bar nebeneinander angeordnet, wobei sich die Leiterschichten, über die der Anschluß an die Gleichspannungsquelle erfolgt, über die Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen und Dioden in deren unmittelbarer Nachbarschaft erstrecken. Bei den Ausführungsformen ist dabei als gemeinsamer Lastpunkt für alle Halbleiterschalt­ elemente und Dioden eine zu den beiden der Stromversorgung dienenden Leiterschichten im wesentlichen parallele Leiterschicht vorgesehen, die auf der den Halbleiterschaltelementen und Dioden abgewandten Seite der Leiterschichten für die Stromversorgung liegt. Diese Ausführung bedingt, daß die Bonddrähte der Halb­ leiterschaltelemente und Dioden für den gemeinsamen Lastanschluß durch die Leiterschichten für die Stromversorgung hindurchgeführt werden müssen. Dies kann bei der Montage Schwierigkeiten bereiten.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Halbleiter-Modul nach dem Hauptpatent weiterzuentwickeln.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die lastseitige Verschaltung der Halbleiterschaltelemente und Dioden direkt auf der Substratplatte durchgeführt wird. Der äußere Lastanschluß kann dann direkt an eine auf der Substratplatte angeordnete Leiterschicht geführt werden, die hierbei den gemein­ samen Lastpunkt für alle Paarungen von Halbleiterschaltelementen und Dioden bildet.

Durch zweckmäßige Anordnung der Leiterschichten auf der Substrat­ platte kann die gewünschte Schaltung über die Bonddrähte der Halbleiterschaltelemente und der Dioden hergestellt werden, soweit nicht bereits eine unmittelbare Kontaktierung der auf die Leiterschichten aufgesetzten Chips erfolgt.

Gemäß dem Hauptpatent ist es zur Erzielung einer niedrigen Induk­ tivität notwendig, die Speisespannung induktivitätsarm an das Halbleiter-Modul heranzuführen. Dies wird nach dem Hauptpatent durch die beiden gleichsinnig vom Strom aus einer Gleich­ spannungsquelle durchflossenen plattenförmigen Leiter erreicht. Diese Stromzuführung über parallele Leiterplatten bedingt eine relativ starre Leiterführung. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die geforderte niederinduktive Stromzufuhr dadurch erreicht, daß für die Stromversorgung aus der Gleichspannungsquelle elastische Leitungen mit vier Leitern in symmetrischer Anordnung verwendet werden, von denen jeweils die einander gegenüberliegen­ den Leiter parallel an die Gleichspannungsquelle geschaltet sind.

Mit einer solchen Zuleitung lassen sich Induktivitäten in der Größenordnung von unter 3 nH/cm erreichen und damit Werte, die den durch die parallelen Leiterplatten erreichbaren entsprechen. Die Leiter sind in Querrichtung biegbar und können damit in ihrer Führung leicht den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten angepaßt werden.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrie­ ben.

Fig. 1 zeigt die Grundschaltung eines Halbleiter-Moduls.

Fig. 2 zeigt in Draufsicht ein Halbleiter-Modul mit einer Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen und Dioden.

Fig. 3 zeigt für eine Anordnung nach Fig. 2 eine Stromzufuhr der Gleichspannung mit zwei parallelen Leiterschichten.

Fig. 4 zeigt die Schaltung nach Fig. 1 mit zwei verschiedenen Möglichkeiten der induktivitätsarmen Stromzufuhr mit vieradrigen Anschlußkabeln.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch ein vieradriges Anschluß­ kabel.

In Fig. 1 ist die Grundschaltung des Halbleiter-Moduls ent­ sprechend Fig. 2 des Hauptpatentes wiedergegeben. Ein aktives Halbleiterschaltelement 4, hier dargestellt als Transistor, und eine Freilaufdiode 8 sind in unmittelbarer Nachbarschaft ange­ ordnet. Beide sind mit einem gemeinsamen Lastanschluß 12 derart verbunden, daß das Halbleiterschaltelement 4 und die Freilauf­ diode 8 bezogen auf den gemeinsamen Lastanschluß gleichsinnig vom Strom aus einer Gleichspannungsquelle 6 durchflossen werden, die an die jeweils anderen Anschlüsse 14, 16 von Halbleiterschalt­ element und Freilaufdiode angeschlossen sind. Die jeweils anderen Anschlüsse von Halbleiterschaltelement und Freilaufdiode sind jeweils mit vom Laststrom gleichsinnig durchflossenen Leitern verbunden, die nach dem Hauptpatent durch zwei durch eine Iso­ lierschicht getrennte Leiterschichten gebildet werden, die in unmittelbarer Nachbarschaft von Halbleiterschaltelement und Freilaufdiode angeordnet sind. Der Stromkreis mit dem Halb­ leiterschaltelement 4 und der Diode 8 wird durch einen Stütz­ kondensator 10 abgeschlossen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist ein isolierendes Substrat 20 vorgesehen, auf dem voneinander getrennte Leiterflächen für die Stromzufuhr und den Lastanschluß vorgesehen sind. Diese Leiteranschlüsse können auf die Substratplatte 20 aufgeklebte Leiterbleche sein, die jeweils am Rande des Substrates mit Anschlußfahnen versehen sind, die beispielsweise senkrecht zur Leiterflächenebene nach oben geführt sind.

Im einzelnen sind auf der Substratplatte vier Halbleiterschalt­ elemente 22 und vier Dioden 24 angeordnet. Für die Halbleiter­ schaltelemente sind Leiterflächen 26 vorgesehen, auf die die als Transistoren ausgebildeten Halbleiterschaltelemente 22 derart aufgelötet oder leitend aufgeklebt sind, daß der Kollektoran­ schluß mit der Leiterfläche 26 verbunden ist. Die Anschlußfahne 28 dieser Leiterfläche bildet den Pluspol der Stromversorgung. Neben der Leiterfläche 26 ist eine Leiterfläche 30 mit einer Anschlußfahne 32 vorgesehen. An die Leiterfläche 30 ist der Bonddraht der Basis des Halbleiterschaltelementes 22 ange­ schlossen. Zwischen die Leiterflächen 26 greifend ist eine Leiterfläche 34 für den Lastanschluß vorgesehen. An diese Leiter­ fläche sind die Halbleiterschaltelemente 22 mit den Emitter­ bonddrähten angeschlossen. Auf die Leiterfläche 34 sind weiter die Dioden 24 aufgelötet oder leitend aufgeklebt, und zwar derart, daß der dem gemeinsamen Lastanschluß 12 zugeordnete Pol der Diode leitend mit der Leiterfläche 34 verbunden ist. Der Bonddraht des anderen Pols ist an eine weitere Leiterfläche 36 mit einer Anschlußfahne 38 für den Minuspol der Stromversorgung verbunden.

Die Leiterfläche 34 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils zwischen den Leiterfahnen 32 und 38 mit einer Leiterfahne 40 als Steueranschlüsse für die Emitter der Halbleiterschalt­ elemente 22 versehen.

Als Möglichkeit für den Anschluß der Last sind Leiterfahnen 42 angegeben sowie eine querverlaufende Leiterfahne 44. Da der gemeinsame Lastanschluß 12 aller Halbleiterschaltelemente und Dioden auf der Leiterfläche 34 liegt, kann der Lastanschluß an beliebiger Stelle der Leiterfläche 34 erfolgen, beispielsweise also wahlweise an den Leiterfahnen 42 oder 44, wobei diese Leiterfahnen auch beliebig untereinander verbunden sein können.

Der Anschluß an die Spannungsquelle 6 erfolgt, wie in Fig. 3 dargestellt, entsprechend dem Hauptpatent über zwei parallele und gegeneinander isolierte plattenförmige Leiterschichten 46, 48, die in Fig. 3 zur Veranschaulichung mit unterschiedlicher Breite dargestellt sind, aber selbstverständlich auch gleiche Breite haben können. Die beiden Leiterschichten sind in der Länge ver­ setzt, so daß überstehende Enden 50, 52 gebildet werden, an die der Plus- bzw. der Minuspol der Spannungsquelle 6 anschließbar sind. Die beiden Leiterschichten 46, 48 sind seitlich mit Anschlußfahnen 54 an der Leiterschicht 48 und Anschlußfahnen 56 an der Leiterschicht 46 versehen. Mit diesen Anschlußfahnen sind jeweils die Anschlußfahnen 28 bzw. 38 verbunden. In Fig. 3 sind weiter die Anschlußfahnen 40 für die Leiterschicht 34 des Last­ anschlusses ersichtlich. Die Anschlußfahne 44 könnte beispiels­ weise unter der Leiterschicht 46 abgebogen und mit Anschluß­ mitteln für den Lastanschluß versehen sein. Die Anschlußfahnen 32 sind als Steueranschlüsse der Transistoren an eine Steuer­ schaltung zu führen. Zwischen die Leiterschichten 46 und 48 sind Stützkondensatoren 58 geschaltet.

Zwischen den beiden Leiterschichten ist vorzugsweise eine Iso­ lierschicht angeordnet.

Fig. 3 zeigt ein Halbleiter-Modul, das in seinem Aufbau dem Halbleiter-Modul nach Fig. 2 entspricht. Es sind daher hier die gleichen Bezugszeichen eingetragen und hinsichtlich des Aufbaus und der Funktion wird auf die Beschreibung der Fig. 2 verwiesen. Abweichend von der Ausführungsform nach Fig. 2 und 3 ist hier der Anschluß an die Spannungsquelle gelöst. Der Anschluß erfolgt hier über ein vieradriges Kabel mit symmetrischem Querschnitt, der in Fig. 5 dargestellt ist. Dieses Kabel 60 hat vier Adern 62, 64, 66 und 68, die jeweils gegeneinander isoliert sind, wobei die Isolierung so dünn wie möglich ausgeführt werden sollte. Die vier Adern können in eine gemeinsame Isolierhülle 70 eingeschlossen werden. Sie sind zur Erhaltung ihrer Lage gegeneinander vor­ zugsweise verdrillt. Wie in Fig. 5 dargestellt, sind jeweils zwei gegenüberliegende Adern 62, 66 bzw. 64, 68 einem Pol der Spannungsquelle zugeordnet.

Wie in Fig. 4 oben dargestellt, kann jeder Paarung aus Halb­ leiterbauelement und Diode ein gesondertes Anschlußkabel 60 zuge­ ordnet werden. Jeder Pol der am Kondensator 58 anliegenden Versorgungsspannung steht dabei über zwei Adern 62, 66 bzw. 64, 68 einerseits mit der Gleichspannungsquelle bzw. dem Stütz­ kondensator 58 und andererseits mit dem Plus- bzw. Minusanschluß an den Anschlußfahnen 28 bzw. 38 in Verbindung. Das gesamte Modul wäre in diesem Fall mit vier Anschlußleitungen zu versehen, die an einen einzigen oder an eine Mehrzahl von parallel geschalteten Stützkondensatoren 58 angeschlossen werden könnten. Da die Leitungen biegsam sind, ist ihre Leitungsführung frei wählbar im Gegensatz zu den starren Leitungen mit zwei plattenförmigen Leiterschichten nach Fig. 3 bzw. dem Hauptpatent.

Es ist auch möglich, mit einer Leitung 60 zwei Paarungen von Halbleiterbauelementen und Dioden anzuschließen, wie in Fig. 4 unten dargestellt. Hierbei ist jeweils die Ader 64 bzw. 68 der Plusphase an die Anschlußfahnen 28 und die Adern 62 bzw. 66 der Minusphase an die Anschlußfahnen 38 geführt. Am gegenüber­ liegenden Ende sind jeweils die einander gegenüberliegenden Adern zusammen an einen der Anschlußpole des Kondensators 58 geführt.

Bei den beschriebenen Ausbildungsformen wird das Kabel 60 mit seinen vier Adern wie das Leiterschichtenpaar nach Fig. 3 gleich­ sinnig vom Laststrom durchflossen. Mit den beschriebenen symme­ trischen Kabeln als Anschlüsse für die Spannungsquelle lassen sich Induktivitäten in der Größenordnung von unter 3 nH/cm erreichen und damit Werte, die den durch die parallelen Leiter­ schichten erreichbaren Induktivitäten entsprechen.

Da Dioden für wesentlich höhere Leistungen zur Verfügung stehen als Halbleiterschaltelemente, könnte die Schaltung dadurch ver­ einfacht werden, daß jeweils zwei Halbleiterschaltelementen 22 nur eine Diode 24 zugeordnet wird. Es würde beispielsweise in Fig. 4 unten in dem Halbleiter-Modul die rechts dargestellte Diode 24 entfallen. In diesem Fall würde die Ader 66 des Kabels 60 zusammen mit der Ader 62 an die Anschlußfahne 38 geführt, die zwischen den beiden Anschlußfahnen 28 liegt, während die Adern 64, 68 jeweils an eine der beiden Anschlußfahnen 28 geführt ist, wie in Fig. 4 unten gestrichelt dargestellt.

Claims (10)

1. Halbleiter-Modul für eine schnelle Schaltanordnung mit einem aktiven Halbleiterschaltelement und einer Freilaufdiode, die in unmittelbarer Nachbarschaft angeordnet sind, mit einem gemeinsamen Lastanschluß von Halbleiterschaltelement und Freilaufdiode derart, daß das Halbleiterschaltelement und die Freilaufdiode bezogen auf den gemeinsamen Lastanschluß gleichsinnig von Strom aus einer Gleichspannungsquelle durchflossen werden, die an die jeweils anderen Anschlüsse von Halbleiterschaltelement und Freilaufdiode angeschlossen ist, bei dem die jeweils anderen Anschlüsse von Halbleiter­ schaltelement und Freilaufdiode jeweils mit einer von zwei durch eine Isolierschicht getrennten Leiterschichten ver­ bunden sind, die in unmittelbarer Nachbarschaft von Halb­ leiterschaltelement und Freilaufdiode angeordnet sind und vom Laststrom gleichsinnig durchflossen werden, und bei dem eine Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen und Dioden auf wenigstens einer elektrisch isolierenden Substratplatte angeordnet sind, nach Patent 34 20 535, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halbleiterschaltelemente (22) und Dioden (24) lastseitig mit einer dem Lastanschluß zugeordneten leitenden Schicht (34) auf der Oberfläche der Substratplatte (20) verbunden sind.

2. Halbleiter-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Substratplatte (20) gesonderte leitende Abschnitte (26) für die Anbringung der Halbleiter­ schaltelemente (22) vorgesehen sind.

3. Halbleiter-Modul nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der leitenden Schichten (26, 30, 34, 36) auf dem Substrat mit wenigstens einer Anschlußfahne (28, 32, 34, 38) versehen ist.

4. Halbleiter-Modul für eine schnelle Schaltanordnung mit einer Parallelschaltung von einem aktiven Halbleiterschaltelement und einer Diode, die in unmittelbarer Nachbarschaft ange­ ordnet sind, mit einem Lastanschluß von Halbleiterschalt­ element und Diode derart, daß das Halbleiterschaltelement und die Diode bezogen auf den Lastanschluß gleichsinnig vom Strom durchflossen werden, und mit symmetrischen Leitern für die Anschlüsse an eine Gleichspannungsquelle, die von Last­ strom gleichsinnig durchflossen werden, und bei dem eine Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen und Dioden auf wenigstens einer elektrisch isolierenden Substratplatte angeordnet ist, nach Patent 34 20 535, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Anschluß an die Gleichspannungsquelle eine symmetrische vieradrige Leitung (60) vorgesehen ist, von deren Adern (62, 64, 66, 68) jeweils gegenüberliegende Adern (62, 66; 64, 68) mit einem Ende an einen der Pole der Gleich­ spannungsquelle angeschlossen sind, während sie mit ihrem anderen Ende an die jeweils anderen Anschlüsse von Halb­ leiterschaltelementen bzw. Freilaufdioden angeschlossen sind.

5. Halbleiter-Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils eine Paarung eines Halbleiterschaltelementes und einer Diode eine vieradrige Leitung vorgesehen ist.

6. Halbleiter-Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils zwei Paarungen von jeweils einem Halbleiter­ schaltelement und einer Diode eine vieradrige Leitung vor­ gesehen ist, wobei die Halbleiterschaltelemente und die Dioden jeweils an einer Ader der Leitung angeschlossen sind.

7. Halbleiter-Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Halbleiterschaltelementen eine Diode zu­ geordnet ist, und daß die Halbleiterschaltelemente jeweils an eine von zwei symmetrischen Adern der Leitung und die Diode an die beiden anderen Adern angeschlossen sind.

8. Halbleiter-Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltelemente (22) und Dioden (24) last­ seitig mit einer dem Lastanschluß zugeordneten leitenden Schicht (34) auf der Oberfläche der Substratplatte (20) verbunden sind.

9. Halbleiter-Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Substratplatte (20) gesonderte leitende Abschnitte (26) für die Anbringung der Halbleiter­ schaltelemente (22) vorgesehen sind.

10. Halbleiter-Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede der leitenden Schichten (26, 30, 34, 36) auf dem Substrat mit wenigstens einer Anschlußfahne (28, 32, 34, 38) versehen ist.