DE69017322T2

DE69017322T2 - Modultyp-Halbleiteranordnung von hoher Leistungskapazität.

Info

Publication number: DE69017322T2
Application number: DE69017322T
Authority: DE
Inventors: Makoto Hideshima
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-09-11
Filing date: 1990-09-11
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2010-09-12
Also published as: EP0417747B1; DE69017322D1; EP0417747A3; EP0417747A2; JPH0397257A; JPH0671063B2; KR940008343B1; KR910007151A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung hoher Leistungsfähigkeit vom Modultyp.
IGBTs, stellvertretend für Hochgeschwindigkeits- Hochleistungsschaltelemente, wurden bisher aus Modulgehäusen mit einer in Fig. 1A und 1B gezeigten Struktur gebildet. Fig. 1C zeigt einen äquivalenten Schaltkreis des IGBT.
In den Fig. 1A und 1B werden ein Kollektor C und ein Emitter E, welche Hauptstromanschlüsse bilden, und ein Gate G sowie ein Emitter Es, welche Eingangsanschlüsse für Steuersignale bilden, verwendet, jeweils entsprechend einem Kollektor C und einem Emitter E, welche Hauptstromanschlüsse in einem in Fig. 1C gezeigten Bipolartransistor 101 bilden, sowie einer Basis B und einem Emitter Es, welche Signaleingangsanschlüsse desselben bilden. Zwischen dem Kollektor und dem Emitter ist ein Abschnitt eingefügt, der ähnlich funktioniert wie eine Diode, und somit ist eine Diode 102 dazwischen eingefügt.
In dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Modulgehäuse sind eine Vielzahl, gewöhnlich vier, von IGBT-Chips eingebaut, um parallel angesteuert zu werden, wodurch sich ein Hochstrom- Halbleiterschaltmodul ergibt.
Die vorangehende Anordnung ist in einer Veröffentlichung mit dem Titel "1000V 300A Bipolar-Mode MOS FET (IGBT) Module", 1988, Proc. of ISPSD, Seiten 80-85, M. Hidesima et al. veröffentlicht.
In einigen Anwendungen sind eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen hoher Leistungsfähigkeit vom Modultyp der in den Fig. 1A und 1B gezeigten Anordnung miteinander parallel geschaltet, um einen Schaltkreis, wie etwa einen Umrichter, mit weiter erhöhter Leistungsfähigkeit zu erhalten. In diesem Fall kann vorgeschlagen werden, eine Ultrahochleistungs-Halbleitervorrichtung vorzusehen, ohne eine Vielzahl von Modulen zu verbinden, sondern mehrere Module in einem einzelnen Modulgehäuse einzuschließen. Dieses wird jedoch aus den folgenden Gründen nicht bevorzugt.
Zunächst wird der allgemeine Anwendungsbereich der Halbleitervorrichtung vom Modultyp eingeschränkt. Zweitens wird die Anzahl von Parallelverbindungen von IGBT-Chips in der Halbleitervorrichtung vom Modultyp zu groß, so daß die Produktivität der Vorrichtung sinkt. Als drittes wachsen mit einem Anstieg des von einem einzelnen Modul gesteuerten Stromes Verdrahtungserfordernisse in der Vorrichtung an. Demgemäß wird eine Verwendung von Halbleitervorrichtungen vom Modultyp in Parallelverbindungen, wobei jede in dem Gehäuse eingeschlosse IGBT-Chips in einer günstigen Anzahl von Vier aufweist, in Hochleistungsanwendungen für wirtschaftlich gehalten.
Fig. 2 ist ein Schaltkreisdiagramm, welches die Anordnung eines Zerhackerschaltkreises vom Brückentyp unter Verwendung der Halbleitervorrichtung hoher Leistung vom Modultyp zeigt. Äquivalente Schaltkreise Q1 bis Q4, welche die IGBTs repräsentieren und von denen jeder aus einer Halbleitervorrichtung vom Modultyp gebildet ist, die mit einem herkömmlichen, in Fig. 1A und 1B gezeigten Modulgehäuse hergestellt ist, sind jeweils zu zweit parallel geschaltet, um eine hohe Leistungsfähigkeit zu erhalten. Eine Halbbrückenstruktur, welche die Verbindungen zwischen den äquivalenten Schaltkreisen Q1 und Q2 in Fig. 2 zeigt, ist in Fig. 3A dargestellt. Wie gezeigt, sind die Halbleitervorrichtungen 301 und 302 vom Modultyp parallel geschaltet, um den äquivalenten Schaltkreis Q2 zu bilden, und die Halbleitervorrichtungen 303 und 304 vom Modultyp, welche äquivalente Eigenschaften wie die Vorrichtungen 301 und 302 haben, sind parallel geschaltet, um den Äquivalentschaltkreis Q1 zu bilden. Eine Busschiene 305 verbindet Hauptstromanschlüsse der jeweiligen Emitter der Halbleitervorrichtungen 301 und 302 vom Modultyp, und eine Busschiene 306 verbindet Hauptstromanschlüsse der jeweiligen Kollektoren der Halbleitervorrichtungen 303 und 304 vom Modultyp. Ferner stellt eine Busschiene 307 Verbindungen zwischen den Kollektorhauptstromanschlüssen der Halbleitervorrichtungen 301 und 302 vom Modultyp her, zwischen den Emitterhauptstromanschlüssen der Halbleitervorrichtungen 303 und 304 vom Modultyp, und zwischen den Halbleitervorrichtungen 301 und 302 vom Modultyp, und 303 und 304. Diese Struktur, gesehen von einem Pfeil 310 in Fig. 3A ist in Fig. 3B gezeigt.
Wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt, ist es erforderlich, Öffnungen 307a und 307b in der Busschiene 307 an Stellen oberhalb von Signaleingangsanschlüssen Es und G der Halbleitervorrichtungen 303 und 304 vom Modultyp zu bilden, um Verdrahtungsverbindungen zu den Signalanschlüssen zu ermöglichen.
Es wurde gefunden, daß, wenn die mit dem Modulgehäuse, wie es in den Fig. 1A und 1B gezeigt ist, hergestellten Halbleitervorrichtungen vom Modultyp einer Busschienenverdrahtung unterzogen werden, wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt ist, ein Problem auftritt, daß mit einem Anstieg der vorgeschlagenen Stromkapazität der Halbleitervorrichtung vom Modultyp und der vorgeschlagenen Geschwindigkeit einer Schaltoperation eine induktive Komponente von Kommutierschaltkreisen, welche Spannungsspitzen vergrößert, nicht vernachlässigbar wird, was erfordert, daß ein großer Spielraum für die Spannungsfestigkeit der Schaltkreiselemente eingestellt wird.
Der Mechanismus eines Kommutiervorganges und die Erzeugung von Spannungsspitzen wird unter Zuhilfenahme von Fig. 2 erläutert. Der gezeigte Schaltkreis ist ein sogenannter Brückenschaltkreis, in welchem die IGBTs Q1 und Q2 in Reihe zwischen einen Bus 202 und einen Bus 203, welcher von einer Gleichspannungsversorgung 201 wegführt, geschaltet sind, die IGBTs Q3 und Q4 in gleicher Weise in Reihe dazwischengeschaltet sind, und ein elektrischer Reaktor 204 und ein Widerstand 205 zwischen Verbindungspunkte in der Mitte zwischen den jeweiligen Reihenverbindungsleitungen angeschlossen sind.
Nun wird angenommen, daß die IGBTs Q1 und Q4 an sind, und daß Strom durch den Schaltkreis fließt, der mittels Pfeilen mit durchgehenden Linien dargestellt ist. Wenn der IGBT Q1 abgeschaltet wird, wird ein Laststrom durch den Schaltkreis, der durch einen gepunkteten Pfeil gezeigt ist, kommutiert. Zu dieser Zeit erzeugen eine Induktivität L des Schaltkreises und die Stromänderungsrate di/dt eine elektromotorische Gegenkraft von -L(di/dt) als Spannungsspitze, welche über dem IGBT Q1 auftritt, der abgeschaltet worden ist.
Die Induktivität L wird hier durch eine induktive Komponente des Busses 202 zwischen Knoten a und b bewirkt, eine induktive Komponente des Busses 203 zwischen Knoten h und i, induktiven Komponenten der Verdrahtung zwischen Knoten b und c und zwischen d und e, und durch Induktivitätskomponenten der Verdrahtung zwischen Knoten e und f und zwischen g und h.
Wenn beispielsweise die Induktivität L 0,2 uH beträgt, und ein IGBT mit einem Strom von 400A in einem Zeitintervall von 0,3 pts abgeschaltet wird, gilt folgende Gleichung.
V = L(di/dt)
= 0,2 x (10-6 x 400) / (0,3 x 10-6) ≈ 270 V ... (1)
Gleichung (1) zeigt die Erzeugung einer Spannungsspitze von ungefähr 270V. Um ein IGBT-Element bei 500V in der in Fig. 2 gezeigten Schaltkreisanordnung zu benutzen, ist es erforderlich, die Spannung der Stromversorgung bei 230V oder niedriger zu verwenden, so daß die Verwendung von IGBTs eingeschränkt wird.
Wenn eine Halbleitervorrichtung vom Modultyp mit einem Gehäuse der in Fig. 1A und 1B gezeigten Struktur verwendet wird, wurde bei dem Versuch, induktive Komponenten soweit wie möglich zu verringern, erlaubt, daß der Kollektor C des Moduls, welches Q1 bildet, und der Emitter E des Moduls, welches Q2 bildet, mit einer Kupferplatte verbunden sind und die Kupferplatte an Abschnitten der Anschlüsse G und Es auszustanzen. Dieses resultierte in länglicher Verdrahtung und einer eingeschänkten Oberfläche der Kupferplatte und somit in einem Anwachsen der Kommutierungsindutktivität. Mit steigender Nachfrage nach noch höherer Arbeitsgeschwindigkeit von Halbleitervorrichtungen vom Modultyp wurde nach einer Verringerung der Kommutierungsinduktivität gesucht.
Aus Patent Abstract of Japan 13 (486), (E-840) ist eine Parallelschaltung von Leistungstransistoren bekannt, worin Kollektoren und Emitter jeweiliger Transistoren mit Paaren von Leitern verbunden sind, die nahe beieinander angeordnet sind, während die Anschlüsse desselben Typs zusammengeschaltet sind, um Leitungsinduktivitäten zu minimieren und eine effektive Ausnutzung der Stromkapazität der Transistoren zu vereinfachen. Alle Emitteranschlüsse eines oberen Arms und die jeweiligen Kollektoranschlüsse eines unteren Arms werden gemeinsam mit einer Leiterplatte verbunden, und weiter wird die Leiterplatte mit einem Armteil mit L-Gestalt verbunden, um eine Verbindung mit jeweiligen Modulen vorzusehen. Ein doppel-L-förmiger Armleiter mit mehreren Beinen wird verwendet, die anderen Anschlüsse der Leistungstransistoren zu verbinden.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung vom Modultyp mit einer verkürzten Länge der Zwischenverbindungsverdrahtung, einer großen Oberfläche der Verdrahtung und einer Rückenverbindungsstruktur vorzusehen, die in der Lage ist, magnetischen Fluß zu löschen, der durch kommutierenden Strom zu erzeugen ist, im Hinblick auf eine Minimierung der Kommutierungsinduktivität.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Halbleitervorrichtung vom Modultyp mit hoher Leistungsfähigkeit, mit
ersten und zweiten Gehäusen;
ersten und zweiten Leistungshalbleitervorrichtungen, welche äquivalente elektrische Eigenschaften haben, die jeweils in den ersten und zweiten Gehäusen eingeschlossen sind; und
externen Anschlüssen, die aus Hauptstrom-Eingangsanschlüssen, Hauptstrom-Ausgangsanschlüssen und Signaleingangsanschlüssen der Leistungshalbleitervorrichtung gebildet auf einer Oberfläche eines jeden der ersten und zweiten Gehäuse vorgesehen sind;
wobei die externen Anschlüsse des ersten Gehäuses eine Anschlußanordnung aufweisen, in welcher die Signaleingangsanschlüsse auf einer gegenüberliegenden Seite des Hauptstromausgangsanschlusses bezüglich des Stromeingangsanschlusses angeordnet sind, und die externen Anschlüsse des zweiten Gehäuses eine Anschlußanordnung aufweisen, in welcher die Signaleingangsanschlüsse auf einer gegenüberliegenden Seite des Hauptstromeingangsanschlusses bezüglich des Hauptstromausgangsanschlusses angeordnet sind, wodurch die ersten und zweiten Gehäuse auf einer Ebene in einem Paar gebildet sind, so daß der Hauptstromeingangsanschluß des ersten Gehäuses und Hauptstromausgangsanschluß des zweiten Gehäuses nahe beieinander sind und sich gegenüberliegen, und ferner mit
einer ersten Busschiene, welche den gegenüberliegenden Stromeingangsanschluß und Stromausgangsanschluß elektrisch verbindet.
Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung diese Aufgabe gelöst durch eine Halbleitervorrichtung vom Modultyp mit hoher Leistungsfähigkeit, mit
ersten und zweiten Gehäusen, von denen jedes einen vorstehenden zentralen Abschnitt auf einer oberen Oberfläche davon aufweist, deren Oberfläche eben ist, wobei der vorstehende zentrale Abschnitt an gegenüberliegenden Seiten an zwei Ebenen der oberen Oberfläche auf einem niedrigeren Niveau als der zentrale Abschnitt angrenzt, wobei die ersten und zweiten Gehäuse jeweils wenigstens ein Paar von Halbleiterchips zum Bilden einer darin eingeschlossenen Halbleitervorrichtung umfassen; wobei jedes Gehäuse einen Hauptstromeingangsanschluß und einen Hauptstromausgangsanschluß, gebildet auf dem vorstehenden zentralen Abschnitt davon, umfaßt; und
zwei Paaren von intern verbundenen Signaleingangsanschlüssen, wobei jedes Paar auf einer der unteren Ebenen, die an beiden Seiten des vorstehenden zentralen Abschnittes positioniert sind, angeordnet sind,
eines der Paare von Signaleingangsanschlüssen des ersten Gehäuses ist einem der Paare von Signaleingangsanschlüssen des zweiten Gehäuses gegenüberliegend angeordnet, so daß einer der Hauptstromeingangsanschlüsse von einem der ersten und zweiten Gehäuse einem der Hauptstromausgangsanschlüsse des anderen der ersten und zweiten Gehäuse gegenüber angeordnet ist, und ferner mit
einer ersten Busschiene, welche den gegenüberliegenden Stromeingangsanschluß und Stromausgangsanschluß elektrisch verbindet.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Paar von Hochleistungshalbleitervorrichtungen vom Modultyp vorgesehen, welche erste und zweite Gehäuse eines im wesentlichen äquivalenten Typs umfassen; Leistungshalbleitervorrichtungen mit im wesentlichen äquivalenten elektrischen Eigenschaften, die jeweils in den ersten und zweiten Gehäusen eingeschlossen sind; und externen Anschlüssen, die als Stromeingangsanschlüsse, Stromausgangsanschlüsse und Signaleingangsanschlüsse der Leistungshalbleitervorrichtungen gebildet sind, welche aus den ersten und zweiten Gehäusen von oben herausgeführt werden; wobei die externen, aus dem ersten Gehäuse herausgeführten Anschlüsse eine Anschlußanordnung aufweisen, in welcher die Signaleingangsanschlüsse auf einer gegenüberliegenden Seite des Stromausgangsanschlusses bezüglich des Stromeingangsanschlusses angeordnet sind, und die aus dem zweiten Gehäuse herausgeführten Anschlüsse eine Anschlußanordnung aufweisen, in welcher die Signaleingangsanschlüsse auf einer gegenüberliegenden Seite des Stromeingangsanschlusses bezüglich des Stromausgangsanschlusses angeordnet sind.
Wo das erste Gehäuse und das zweite Gehäuse durch eine Busschiene mit der oben erwähnten Anordnung brückenverbunden sind, können Verbindungsentfernungen zwischen Elementen auf ein Minimum verkürzt werden. Weil Signaleingangsanschlüsse außerhalb der Busschiene angeordnet sein können, ist es nicht erforderlich, Öffnungen zum Freilegen von Signaleingangsanschlüssen in der Busschienenstruktur zu bilden, so daß die Gesamtstruktur vereinfacht wird, um eine Oberfläche der Busschiene effektiv zu nutzen, mit dem Ergebnis, daß eine Verringerung der Kommutierinduktivität erzielt wird.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht eine Halbleitervorrichtung hoher Leistungsfähigkeit vom Modultyp vor, mit einem vorstehenden zentralen Abschnitt, welcher oben eben ist, einem Gehäuse, welches darin wenigstens ein Paar von Halbleiterchips zum Bilden einer Leistungshalbleitervorrichtung einschließt und zwei verschiedene Ebenen aufweist; einem Stromeingangsanschluß und einem Stromausgangsanschluß, die aus dem Gehäuse an dem vorstehenden zentralen Abschnitt davon und von einer der Ebenen, welche höher ist als die andere Ebene der Leistungshalbleitervorrichtung, herausgeführt sind; und
zwei Paaren von äquivalenten Signaleingangsanschlüssen, angeordnet auf einer niedrigeren Ebene, positioniert auf beiden Seiten der zentralen höheren Ebene und gemeinsam verbunden mit dem Gehäuse.
Ähnliche Effekte wie in dem ersten Ausführungsbeispiel können erhalten werden durch Herstellen einer Struktur unter Verwendung der obigen Halbleitervorrichtung vom Modultyp in einem Paar. Die Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist geeignet zur Massenherstellung, weil nur ein einzelnes Layout für Anschlüsse, die aus dem Gehäuse herausgeführt werden, existiert.
Diese Erfindung kann vollständiger aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, welche zeigen:
Fig. 1A ist eine Aufsicht, welche die äußere Erscheinung eines herkömmlichen Modulgehäuses für eine Halbleitervorrichtung vom Modultyp (IGBT) darstellt;
Fig. 1B ist eine Seitenansicht der in Fig. 1A gezeigten Struktur;
Fig. 1C ist ein Äquivalentschaltkreis des IGBTs;
Fig. 2 ist ein Schaltkreisdiagramm, welches die Struktur eines Anwendungsschaltkreises, auf welchen sich diese Erfindung bezieht, zeigt;
Fig. 3A ist eine Aufsicht, welche die Form der Montage gegenseitig verbundener Halbleitervorrichtungen (IGBTs) vom Modultyp eines bekannten Typs zeigt;
Fig. 3B ist eine Außenansicht der in Fig. 3A gezeigten Struktur, gesehen von der Seite;
Fig. 4A ist eine Aufsicht, welche die Erscheinung eines Modulgehäuses eines von einem Paar von Halbleitervorrichtungen vom Modultyp gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 4B ist eine Ansicht ähnlich der Fig. 4A, welche die Erscheinung eines Modulgehäuses des anderen des Paares von Halbleitervorrichtungen vom Modultyp gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 4C ist eine Seitenansicht der in Fig. 4A gezeigten Struktur;
Fig. 4D ist eine Seitenansicht der in Fig. 4B gezeigten Struktur;
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht, welche die innere Struktur der Halbleitervorrichtungen vom Modultyp gemäß dieser Erfindung zeigt;
Fig. 6A ist eine Aufsicht, welche die Form des Montierens von gegenseitig verbundenen Halbleitervorrichtungen (IGBTs) vom Modultyp gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 6B ist eine Ansicht, welche die Erscheinung der Struktur der Fig. 6A, gesehen von der Seite, zeigt;
Fig. 7A ist eine Aufsicht, welche die Erscheinung eines Modulgehäuses von Halbleitervorrichtungen vom Modultyp gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 7B ist eine Seitenansicht der in Fig. 7A gezeigten Struktur; und
Fig. 8 ist eine Ansicht, welche die Form des Montierens von gegenseitig verbundenen Halbleitervorrichtungen (IGBTs) vom Modultyp, gesehen von der Seite, in Übereinstimmung mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Fig. 4A, 4B, 4C und 4D zeigen die Erscheinung von Halbleitervorrichtungen vom Modultyp gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Ein Merkmal ist, daß ein Paar von Halbleitervorrichtungen 401 und 402 vom Modultyp einen Satz bilden.
Insbesondere ist die Anordnung von Anschlüssen der Halbleitervorrichtung 401 vom Modultyp, die einen IGBT bildet, in der Reihenfolge von Signaleingangsanschlüssen Es und G, und einem Emitter E und einem Kollektor C, welche externe Hauptstromanschlüsse bilden. Im Gegensatz dazu ist in der Halbleitervorrichtung 402 vom Modultyp die Reihenfolge von dem Emitter E und dem Kollektor C entgegengesetzt, und sie sind in der Reihenfolge von Signaleingangsanschlüssen Es und G, dem Kollektor C und dem Emitter E, welche die externen Hauptstromanschlüsse bilden.
Ein Paar der Halbleitervorrichtungen 401 und 402 vom Modultyp sind mit äquivalenten elektrischen Eigenschaften strukturiert, und ihre inneren Strukturen sind in Fig. 5 gezeigt. In der Figur sind zwei isolierende Substrate 402a und 502b identischer Natur auf ein Wärmeabstrahlungssubstrat 501 gelötet. Auf dem isolierenden Substrat 502a sind eine Metallplatte 503a und Weiterleitungsmetallplatten 504a und 505a auf beiden Seiten der Metallplatte 503a befestigt. In gleicher Weise sind auf dem isolierenden Substrat 502b eine Metallplatte 503b und Weiterleitungsmetallplatten 504b und 505b auf beiden Seiten der Metallplatte 503b befestigt. Identische Halbleiterchips 506 sind jeweils zu zweit auf jeder der Metallplatten 503a und 503b montiert.
Eine Elektrodenverdrahtung auf den Halbleiterchips 506, hier ein Emitter und ein Gate, wird so bewirkt, daß der Emitter mit den Metallplatten 504a und 504b mittels Metallverdrahtungsleitungen 507 verbunden ist, und das Gate mit den Metallplatten 505a und 505b mittels Metallverdrahtungsleitungen 507 verbunden ist. Eine Leistungshalbleitervorrichtung 508 ist so strukturiert.
Ein nicht dargestellter Metallanschlußstift, der als den beiden Weiterleitungsmetallplatten 504a und 504b gemeinsamer, externer Anschluß wirkt, ist gelötet, einen externen Hauptstromanschluß des Emitters zu bilden. Ferner ist ein Metallstift, der als den beiden Weiterleitungsmetallplatten 503a und 503b gemeinsamer Anschluß wirkt, gelötet, einen externen Signaleingangsanschluß des Gates zu bilden. Ein Metallanschluß, der als den beiden Weiterleitungsmetallplatten 504a und 504b gemeinsamer externer Anschluß wirkt, ist gelötet, einen externen Signaleingangsanschluß des Emitters zu bilden.
Diese externen Anschlüsse sind hergestellt, eine Anschlußstruktur aufzuweisen, die in der Halbleitervorrichtung 401 oder 402 vom Modultyp der Fig. 4A und 4B gezeigt ist. Beispielsweise können beim Bilden von externen Hauptstromanschlüssen des Emitters und des Kollektors zwei Arten von externen Anschlußmetallstiften verwendet werden, so daß die Positionierung der Hauptstromanschlüsse der Kollektoren und der Emitter, welche aus den Halbleitervorrichtungen nach außen geführt werden, gegenseitig gegenüberliegend ist.
Anstelle des Verbindens der Weiterleitungsmetallplatten 504a und 505a, oder 504b und 505b mit den externen Anschlüssen können die Platten selbst als externe Anschlüsse nach außen geführt werden.
Als Ergebnis davon wird ein Paar von Halbleitervorrichtungen 401 und 402 vom Modultyp mit der Anschlußanordnung wie in den Fig. 4A, 4B, 4C und 4D gezeigt, gebildet. Ein Gehäuse 403 aus Harz wird auf das in Fig. 5 gezeigte Wärmeabstrahlsubstrat 501 geklebt. Das Gehäuse 403 aus Harz ist mit Harz abgedichtet, um die Halbleiterchips und die anderen, in Fig. 5 gezeigten Komponentenelemente zu schützen.
Ein Paar der Halbleitervorrichtungen 401 und 402 vom Modultyp können einen Halbbrückenschaltkreis bilden, wie in den Fig. 6A und 6B gezeigt, durch Verwenden eines anderen Satzes eines Paares der Vorrichtungen, die durch die Bezugsziffern 401a und 402a bezeichnet sind. Die Verdrahtungsverbindungen von Elementen, wie jene von Q1 und Q2 in der Schaltkreisanordnung der Fig. 2, sind wie folgt.
Die Kollektoranschlüsse C der Halbleitervorrichtung 401 und 401a und die Emitteranschlüsse E der Vorrichtungen 402 und 402a sind durch eine Busschiene 601 verbunden und als Ausgangselektrode nach außen geführt. Eine positive Elektrode der Gleichspannungsversorgung (auf der Seite des Busses 202 in Fig. 2) ist mit einer Busschiene 602 verbunden, und eine negative Elektrode (Seite des Busses 203 in Fig. 2) mit einer Busschiene 603. Die Busschienen 602 und 603 sind so weit wie möglich parallel mit und so nahe an der Busschiene 601 angeordnet. Die Busschiene 602 ist mit den Emitteranschlüssen E der Halbleitervorrichtungen 401 und 401a verbunden, und die Busschiene 603 ist mit den Kollektoranschlüssen C der Halbleitervorrichtungen 402 und 402a verbunden.
Wie beschrieben worden ist, weisen die Halbleitervorrichtungen vom Modultyp in Paaren, gezeigt in den Fig. 4A bis 4D und 6A und 6B, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine Anordnung auf, daß in einem eines Paares der Halbleitervorrichtungen vom Modultyp Signaleingangsanschlüsse (entsprechend Es und G) auf der anderen Seite von Stromausgangsanschlüssen (entsprechend den Emitteranschlüssen E) bezüglich Stromeingangsanschlüssen (entsprechend den Kollektoranschlüssen C) angeordnet sind, und daß in dem anderen eines Paares der Halbleitervorrichtungen vom Modultyp Signaleingangsanschlüsse auf der anderen Seite von Stromeingangsanschlüssen bezüglich Stromausgangsanschlüssen montiert sind. Die obige Konstruktion erzeugt die folgenden Funktionen und nützlichen Effekte.
1. Paare von Halbleitervorrichtungen vom Modultyp lassen sich leicht herstellen, wobei all die Komponenten gemeinsam verwendet werden, mit Ausnahme der Vorbereitung von zwei Arten von externen Anschlußmetallstiften zur Verbindung mit den Weiterleitungsmetallplatten. Es existieren fast keine Unterschiede in elektrischen Eigenschaften zwischen dem Paar der Halbleitervorrichtungen.
2. Verbindungsentfernungen zwischen Elementen im Fall von Brückenverbindungen können auf ein Minimum verkürzt werden. Weil die Signaleingangsanschlüsse außerhalb der Busschienen 601, 602 und 603 angeordnet werden können, müssen Öffnungen, wie etwa jene 306a und 306b, die in der Busschiene 306 in Fig. 3A gebildet sind, nicht gebildet werden. Somit kann Platz oder die Oberfläche der Busschiene effektiv genutzt werden.
3. Die Busschienen 602 und 603, die zu den Elektroden auf der Seite des Busses 202 und auf der Seite des Busses 203 in dem in Fig. 2 gezeigten Brückenschaltkreis führen, sind geeignet, aufrecht parallel zu der Busschiene 601, die als eine Verbindungselektrode zwischen Elementen funktioniert, aufgestellt zu werden, so daß durch die Busschienen zu Einschaltzeiten zu erzeugende magnetische Flüsse gelöscht werden können. Der Betrag einer Kommutierinduktivität kann somit minimal gehalten werden.
Punkt 3 oben wird unter Bezug auf Fig. 2 weiter ausgeführt. Wenn nach dem Ausschalten des IGBTs Q1 Strom kommutiert, wie durch einen gepunkteten Pfeil dargestellt ist, was auf eine Stufe folgend auftritt, in welcher die IGBTs Q1 und Q4 eingeschaltet sind, um einem Strom zu erlauben zu fließen, wie durch Pfeile in durchgezogenen Linien gezeigt ist, werden magnetische Flüsse zwischen den leitenden Bussen zwischen a und b und zwischen h und i gelöscht, und eine Induktivität ist minimal, wenn die Busse nahe beieinander verdrahtet werden. Wenn andererseits die Knoten zwischen b-c und d-e des IGBTs Q1 nahe aneinandergebracht werden und Verdrahtung bewirkt wird, zu erlauben, daß die Stromflußrichtung umgekehrt wird, ist eine Induktivität dazwischen ebenfalls minimal. Ferner wird durch Bringen der Knoten zwischen e-f und g-h in dem IGBT Q2 nahe zueinander, um magnetische Flüsse auszulöschen, eine Induktivität dazwischen ebenfalls auf ein Minimum gebracht.
Mit der obigen Anordnung kann ein Brückenschaltkreis, wie etwa in Fig. 2 gezeigt, eine Busschienenverdrahtung, wie in den Fig. 6A und 6B gezeigt, aufweisen, selbst wenn Q1 und Q4 angeordnet sind durch paralleles Verbinden einer Vielzahl von Halbleitervorrichtungen vom Modultyp dar, unabhängig von der Anzahl von parallelen Verbindungen. Somit wird die Induktivität des Kommutierschaltkreises minimal gemacht. Als Ergebnis kann ein Spannungsstoß zur Zeit der Kommutierung, der beim Ein- und Ausschalten der IGBTs erzeugt wird, stark verringert werden.
Das zweite, in den Fig. 7A und 7B gezeigte Ausführungsbeispiel stellt eine neue Gehäusekonfiguration zum Erzielen der Struktur eines Paares der in den Fig. 4A bis 4D gezeigten Halbleitervorrichtungen vom Modultyp durch eine einzelne Halbleitervorrichtung vom Modultyp. Ein Halbbrückenschaltkreis, in welchem die Halbleitervorrichtungen vom Modultyp gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel Parallel geschaltet sind, ist in Fig. 8 gezeigt.
In den Fig. 7A und 7B ist auf beiden Seiten des Kollektors C und des Emitters E, welche die Hauptstromanschlüsse sind, ein Paar von Signaleingangsanschlüssen Es und G montiert, welche miteinander in dem Modul verbunden sind. Die Eingabe von Signalen kann somit bewirkt werden unter Verwendung von nur einem von dem Paar der Signaleingangsanschlüsse. Eine Ebene, auf welcher die Signaleingangsanschlüsse Es und G angeordnet sind, ist niedriger gesetzt als eine Ebene, auf welcher die Hauptstromanschlüsse E und C positioniert sind.
Zwei der Halbleitervorrichtungen 701 vom Modultyp, bezeichnet durch Bezugsziffern 701-1 und 701-2, können mittels Busschienen 801, 802 und 803, wie in Fig. 8 gezeigt, verdrahtet werden. Anschlüsse Es und G der jeweiligen Halbleitervorrichtungen 701-1 und 701-2 werden als Signaleingangsanschlüsse verwendet, und Anschlüsse Es' und G', die einwärts der Vorrichtungen angeordnet sind, werden nicht verwendet, so daß die Induktivität des Kommutierschaltkreises in gleicher Weise wie im ersten, in den Fig. 6A und 6B gezeigten Ausführungsbeispiel verkleinert wird.
Während die Länge der Busschiene 801 in Fig. 8 geringfügig länger ist als die Busschiene 601 in Fig. 6B, ist das Anwachsen der Induktivität vernachlässigbar klein insofern, als daß die Busschiene 801 parallel zu und nahe den Busschienen 802 und 803 positioniert werden kann.
In den Fig. 7A und 7B sind die nicht benutzten Signaleingangsanschlüsse Es' und G' auf einer niedrigeren Ebene als die der Hauptstromanschlüsse E und C gebildet, so daß das Vorhandensein der nicht benutzten Signaleingangsanschlüsse G' und Es' keine Schranke für eine lineare Verbindung des Kollektors C der Halbleitervorrichtung 701 und des Emitters E der Halbleitervorrichtung 701a durch die Busschiene 801 darstellt. Im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel hat diese Anordnung einen Vorteil darin, daß die Anschlüsse, die aus dem Gehäuse herausgeführt werden, in einer einzelnen Struktur oder Anordnung vorliegen, so daß die Struktur zur Massenproduktion geeignet ist.
In den vorangehenden Ausführungsbeispielen wurden die Signaleingangsanschlüsse Es und G als Beispiel von Schraubenanschlüssen beschrieben, natürlich können sie als Befestigungsanschlüsse konfiguriert sein, usw. Ferner wurden die IGBTs als BeisPiel der Halbleitervorrichtung vom Modultyp gemäß dieser Erfindung beschrieben. Die Erfindung ist ebenso anwendbar auf gewöhnliche MOS FETs, bipolare Transistoren usw. Es ist unnötig zu erwähnen, daß die Effekte der Erfindung am stärksten bei Hochgeschwindigkeits-Hochstrom- IGBT-Elementen auffallen.
Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen dem besseren Verständnis und begrenzen nicht den Umfang.

Claims

1. Halbleitervorrichtung hoher Leistungsfähigkeit vom Modultyp, mit

ersten und zweiten Gehäusen (401, 402);

ersten und zweiten Leistungshalbleitervorrichtungen (508), mit äquivalenten elektrischen Eigenschaften, jeweils in den ersten und zweiten Gehäusen (401, 402) eingeschlossen; und

externen Anschlüssen, die aus Hauptstromeingangsanschlüssen (C), Hauptstromausgangsanschlüssen (E) und Signaleingangsanschlüssen (G, Es) der Leistungshalbleitervorrichtungen gebildet auf einer oberen Fläche eines jeden der ersten und zweiten Gehäuse (401, 402) vorgesehen sind;

wobei die externen Anschlüsse des ersten Gehäuses eine Anschlußanordnung aufweisen, in welcher die Signaleingangsanschlüsse (G, Es) auf einer gegenüberliegenden Seite des Hauptstromausgangsanschlusses (E) bezüglich des Stromeingangsanschlusses (C) angeordnet sind, und die externen Anschlüsse des zweiten Gehäuses eine Anschlußanordnung aufweisen, in welcher die Signaleingangsanschlüsse (G, Es) auf einer gegenüberliegenden Seite des Hauptstromeingangsanschlusses (C) bezüglich des Hauptstromausgangsanschlusses (E) angeordnet sind, wodurch die ersten und zweiten Gehäuse (401, 401a, 402, 402a) auf einer Ebene in einem Paar gebildet sind, so daß der Hauptstromeingangsanschluß (C) des ersten Gehäuses (401, 401a) und der Hauptstromausgangsanschluß (E) des zweiten Gehäuses (402, 402a) nahe beieinander und einander gegenüber angeordnet sind, und ferner mit

einer ersten Busschiene (601), welche den gegenüberliegenden Stromeingangsanschluß (B) und Stromausgangsanschluß (E) elektrisch verbindet.

2. Halbleitervorrichtung vom Modultyp nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Gehäuse (401, 402) jeweils aus einem Harz gebildet sind.

3. Halbleitervorrichtung vom Modultyp nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den ersten und zweiten Gehäusen (401, 402) eingeschlossenen ersten und zweiten Leistungshalbleitervorrichtungen (508) jeweils Paare von Halbleiterchips (506) mit im wesentlichen äquivalenten elektrischen Eigenschaften umfassen.

4. Halbleitervorrichtung vom Modultyp nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterchips (506) ein Layout für die Leistungshalbleitervorrichtungen aufweisen, welches beiden in den ersten und zweiten Gehäusen (401, 402) gemeinsam ist.

5. Halbleitervorrichtung vom Modultyp nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die externen Anschlüsse (E, C, G, Es) Schraubenanschlüsse sind.

6. Halbleitervorrichtung vom Modultyp nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromschiene aufwärts als eine Elektrode nach außen geführt wird; und worin

eine zweite Busschiene (602) so parallel wie möglich und so nahe wie möglich an der ersten Schiene (601) an einer Seite davon angeordnet und elektrisch mit dem Stromausgangsanschluß (E) der Leistungshalbleitervorrichtung (508) verbunden ist, welcher aus dem ersten Gehäuse (401, 401a) nach außen geführt wird; und

eine dritte Busschiene (603) so parallel wie möglich zu und so nahe wie möglich an der ersten Busschiene (601) auf der anderen Seite davon, und elektrisch mit dem Stromeingangsanschluß (C) der Leistungshalbleitervorrichtung (508) verbunden ist, welcher aus dem zweiten Gehäuse (402, 402a) nach außen geführt wird.

7. Halbleitervorrichtung hoher Leistungsfähigkeit vom Modultyp, mit

ersten und zweiten Gehäusen, die jeweils einen vorstehenden zentralen Abschnitt auf einer oberen Fläche davon aufweisen, deren Oberfläche eben (701) ist, wobei der vorstehende mittlere Abschnitt auf gegenüberliegenden Seiten an zwei Ebenen der oberen Fläche auf einem niedrigeren Niveau als der mittlere Abschnitt angrenzt, wobei die ersten und zweiten Gehäuse jeweils wenigstens ein Paar von Halbleiterchips (506) zum Bilden einer darin eingeschlossenen Leistungshalbleitervorrichtung (508) umfassen; wobei jedes Gehäuse einen Hauptstromeingangsanschluß (C) und einen Hauptstromausgangsanschluß (E), gebildet auf dem vorstehenden mittleren Abschnitt davon, umfaßt; und

zwei Paaren von intern verbundenen Signaleingangsanschlüssen, wobei jedes Paar (G, Es) auf einer der unteren Ebenen angeordnet ist, die auf den beiden Seiten des vorstehenden mittleren Abschnittes positioniert sind,

eines der Paare von Signaleingangsanschlüssen (G, Es) des ersten Gehäuses (701-1, 701-2) ist einem der Paare von Signaleingangsanschlüssen (G, Es) des zweiten Gehäuses gegenüber angeordnet, so daß einer der Hauptstromeingangsanschlüsse von einem der ersten und zweiten Gehäuse einem der Hauptstromausgangsanschlüsse des anderen der ersten und zweiten Gehäuse gegenüber angeordnet ist, und ferner mit

einer ersten Busschiene (801), die elektrisch den gegenüberliegenden Stromeingangsanschluß (C) und Stromausgangsanschluß (E) verbindet.

8. Halbleitervorrichtung vom Modultyp nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (701) aus einem Harz gebildet ist.

9. Halbleitervorrichtung vom Modultyp nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Leistungshalbleitervorrichtung (508) bildenden Halbleiterchips (506), die in dem Gehäuse eingeschlossen sind, zwei oder mehr sind und äquivalente elektrische Eigenschaften haben.

10. Halbleitervorrichtung vom Modultyp nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromeingangsanschluß (C), der Stromausgangsanschluß (E) und die zwei Paare von Signaleingangsanschlüssen (G, Es) jeweils Schraubenanschlüsse sind.

11. Halbleitervorrichtung vom Modultyp nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Busschiene (801) aufwärts als eine Elektrode nach außen geführt ist;

eine zweite Busschiene (802) parallel zur und nahe an der ersten Busschiene (801) auf einer Seite davon angeordnet ist, und elektrisch mit dem Hauptstromausgangsanschluß (E) des einen (701-1) der Gehäuse verbunden ist; und

eine dritte Busschiene (803) parallel zu der und nahe bei der ersten Busschiene (801) auf der anderen Seite davon angeordnet ist und elektrisch mit dem Stromeingangsanschluß (C) des anderen (701-2) der Gehäuse verbunden ist.