JP2000269414A - 電子ハーフブリッジモジュール - Google Patents

電子ハーフブリッジモジュール

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JP2000269414A JP2000029818A JP2000029818A JP2000269414A JP 2000269414 A JP2000269414 A JP 2000269414A JP 2000029818 A JP2000029818 A JP 2000029818A JP 2000029818 A JP2000029818 A JP 2000029818A JP 2000269414 A JP2000269414 A JP 2000269414A
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    • H01L2924/1306Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Abstract

(57)【要約】 【課題】 42ボルトの内燃機関スタータ/交流発電機
回路で使用される金属酸化膜半導体(MOSFET)ハ
ーフブリッジモジュール。 【解決手段】 このモジュールは、きわめて低いインダ
クタンスを有するコンパクトな高性能処理装置である。
この低インダクタンスモジュールは、広い温度範囲にわ
たって、内燃機関スタータ/交流発電機回路において適
切に動作するのに必要な電流と電流スルーレートとをサ
ポートする。このモジュールは熱伝導ベースを有する。
ベース内の同一平面に沿って複数の下部回路基板が隣接
して配置される。少なくとも1つの半導体デバイスが、
複数の回路基板のうちの1つにマウントされた第1の表
面を有する。共通端子が、複数の下部回路基板のそれぞ
れに結合された平面部分を有する。上部回路基板が複数
の下部回路基板と電気的に接触し、半導体デバイスの駆
動信号のための外部アクセスを提供するコネクタを含
む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子ブリッジモジ
ュールに関し、詳細には、モジュールがきわめて低いイ
ンダクタンスを有する内燃機関スタータ/交流発電機回
路用のハイパワー金属酸化膜半導体ハーフブリッジモジ
ュールに関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関の起動と、そのエンジンが稼働
すると交流発電機が発生する電圧の整流は、これらの機
能をサポートするのに必要な電子回路に高い要求を課
す。典型的なスタータ/交流発電機は、その入力端子に
おける最小限の電圧降下と、エンジンを機械的に「クラ
ンク」する即時トルク電流を必要とする。電圧降下を最
小限にし、即時電流を供給するために、スタータ/交流
発電機回路経路は、低抵抗ときわめて高速な電流スルー
レート(di/dt)を有しなければならない。この回
路は、これらの機能を、一般的な自動車環境に見られる
ような過酷な温度条件下で実行しなければならない。た
とえば、回路は、電流スルーレートが1500アンペア
/マイクロ秒を超える高速になるように、42ボルトの
システムで−25ECで650アンペアを供給可能でな
ければならない。
【0003】スタータ/交流発電機回路の基本構成要素
はハーフブリッジ(half bridge)整流器で
ある。ハーフブリッジ整流器は、上述の特性に対応する
ことができなければならない。一般的なハーフブリッジ
整流器は、金属酸化膜電界降下トランジスタ(MOSF
ET)デバイスを採用したモジュールとして製造され
る。所望の性能特性を達成し、デバイス過電圧とアバラ
ンシェ条件を回避するために、MOSFETデバイスで
使用される低電圧シリコンは、25ECで2ミリオーム
未満で、最大モジュールインダクタンスが12nHの抵
抗経路(パス)を備えなければならない。当然ながら、
このモジュールはスタータ/交流発電機内に、典型的に
は自動車のエンジン室内に配置されたバスバーアセンブ
リの一部として、配置するのに好都合な箇所に装着する
のに十分な小さいサイズでなければならない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、モジ
ュールが小型で、インダクタンスがきわめて低く、広い
温度範囲で内燃機関を始動させるのに必要な所要出力を
サポートすることができるスタータ/交流発電機回路用
のハイパワー・ハーフブリッジモジュールを提供するこ
とである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、熱伝導ベース
がある整流モジュールを提供する。複数の下部回路基板
を熱伝導ベース内に同一平面に沿って隣接して配置す
る。少なくとも1つの半導体デバイスが第1の表面を有
し、この半導体デバイスの第1の表面を複数の下部回路
基板のうちの1つの基板に装着する。共通端子が平面部
分を有し、この平面部分を複数の下部回路基板のそれぞ
れに結合する。上部回路基板が複数の底部回路基板と電
気的に接触し、上部回路基板は半導体デバイスの駆動信
号のための外部アクセスを供給するコネクタを含む。
【0006】本発明のモジュールの他の態様は、少なく
とも1つの接触ピンをさらに含む。この接触ピンは、上
部回路基板と複数の下部回路基板のうちの1つの下部回
路基板との間の電気的接触を設けるために使用される。
【0007】本発明のモジュールの他の態様として、接
触ピンは、弾力性接触部を形成する曲線部分を含む。
【0008】他の態様として、本発明のモジュールは、
2つの電圧端子をさらに含み、この2つの電圧端子のそ
れぞれが複数の下部回路基板のうちの異なる1つに結合
される。
【0009】本発明のモジュールの他の態様は、2つの
電圧端子が複数の下部回路基板から異なる距離に延びる
ようにする。
【0010】本発明のモジュールの他の態様として、少
なくとも1つの半導体デバイスは、第1の表面の反対側
にある第2の表面をさらに含み、この第2の表面は少な
くとも1つのワイヤボンドによって複数の下部回路基板
のうちの1つと結合される。
【0011】本発明のモジュールの他の態様として、少
なくとも1つのワイヤボンドは、1つの下部回路基板上
の接続点が第2の表面上の接続点から角変位されるよう
に、S字形になっている。
【0012】本発明の他の態様は、少なくとも1つの半
導体デバイスがMOSFETデバイスであり、第2の表
面の接続点がソース領域であるモジュールを提供する。
【0013】本発明の他の態様として、モジュールはハ
ーフブリッジ整流器を形成する。
【0014】本発明の他の態様として、モジュールは4
2ボルトの内燃機関スタータ/交流発電機回路内に実装
される。
【0015】本発明は、他の態様として、モジュールの
総パッケージインダクタンスが約8.4ナノヘンリー未
満になるようにする。
【0016】本発明のモジュールの他の態様として、電
圧端子の1つは負端子であり、モジュールは負端子と共
通端子との間に並列配置構成で接続された抵抗器とキャ
パシタとをさらに含む。
【0017】本発明の他の態様は、モジュールの総厚み
が約0.75インチ(約1.9cm)未満になるように
する。
【0018】本発明は、内燃機関スタータ/交流発電機
回路で使用され、熱伝導ベースを有するハーフブリッジ
整流モジュールを提供する。熱伝導ベース内に同一平面
に沿って複数の下部回路基板が隣接して配置されてい
る。少なくとも1つのMOSFET半導体デバイスが第
1の表面を有し、MOSFET半導体デバイスの第1の
表面が複数の下部回路基板の1つにマウントされる。共
通端子が、複数の下部回路基板の各々に結合された平面
部分を有する。上部回路基板が複数の下部回路基板と電
気的に接触し、MOSFET半導体デバイスの駆動信号
のための外部アクセスを供給するコネクタを含む。
【0019】他の態様として、本発明は、熱伝導ベース
がある整流モジュールを提供する。熱伝導ベース内に下
部回路基板が配置される。少なくとも1つのMOSFE
T半導体デバイスが、下部回路基板に装着されたドレイ
ン表面である第1の表面と、第1の表面の反対側にあ
り、少なくとも1つのS字形ワイヤボンドによって下部
回路基板に結合された第2の表面とを有し、下部回路基
板上の接続点が第2の表面上の接続点から角変位されて
いる。共通端子が平面部分を有し、この平面部分は下部
回路基板に結合されている。複数の電圧端子が下部回路
基板に結合され、そこから異なる距離に延びている。上
部回路基板が下部回路基板と電気的に接触し、上部回路
基板は、MOSFET半導体デバイスの駆動信号のため
の外部アクセスを提供するコネクタを含む。
【0020】本発明の他の特徴および利点は、添付図面
を参照しながら本発明の以下の説明を読めば明らかにな
ろう。
【0021】
【発明の実施の形態】本発明を例示するために、現在の
ところ好ましい態様を図に示すが、本発明は図示されて
いるのと全く同じ配置構成および手段には限定されない
ものと理解されたい。
【0022】最初に、異なる図面の同様の参照番号は同
様の要素を指すことに留意されたい。図1に示すよう
に、本発明による低インダクタンスハーフブリッジモジ
ュール2の一例が、ベース4と、2つのMOSFET回
路基板6および8と、上部プリント回路基板(図4に参
照番号42として図示)と、カバー(図5に参照番号4
8として図示)とによって組み立てられている。MOS
FET回路基板6と8は、互いに隣接し、互いに長手方
向に平面の位置関係で配置されるようにベース4内に、
配置されている。MOSFET回路基板6には負電圧端
子10がマウントされている。MOSFET回路基板8
には、正電圧端子12がマウントされている。共通端子
14が、両方の回路基板と電気的に接触するように装着
されている。各MOSFET回路基板6および8に複数
のMOSFETデバイス16がマウントされている。ベ
ースとカバーは、AlSiCなどの任意の頑丈な熱伝導
材料で作ることができる。MOSFET回路基板6およ
び8はそれぞれ、ソースバス18、ドレインバス20、
ゲート接続パッド22、およびソースセンスパッド24
を画定するようにパターン形成されている。さらに、M
OSFET回路基板8は、温度感知のためにサーミスタ
接触パッド26にマウントされたサーミスタ(図示せ
ず)をサポートするようにパターン形成されている。
【0023】MOSFET回路基板6は、MOSFET
回路基板6のソース接触バス18が負端子10と電気的
に接触するように配置されている。同じ回路基板のドレ
イン接触バス20は、共通端子14と電気的に接触して
いる。同様に、MOSFET回路基板8のドレイン接触
バス20は正端子12と電気的に接触し、同じ回路基板
のソース接触バス18は共通端子14と電気的に接触し
ている。負端子10と正端子12は、モジュール2内に
互いに近接して配置することができるように、非電気接
触領域内に絶縁材料で積層することができる。正端子と
負端子の近接した配置により、空間が節約されるととも
に、モジュールの総誘導が低くなるので有利であること
が判明している。
【0024】本発明のMOSET回路基板8を図2に示
す。MOSFET回路基板8とMOSFET回路基板6
は、MOSFET回路基板8上にサーミスタ接触パッド
26が付加されている点を除けば同じにパターン形成さ
れている。したがって、MOSFET回路8の説明は、
MOSFET回路基板6も説明するものである。当然な
がら、MOSFET回路基板6とMOSFET回路基板
8とは、単一の回路基板として製造することも可能であ
る。
【0025】各MOSFETデバイス16は、ドレイン
接触子(図示せず)がドレイン接触バス20と電気接触
するようにMOSFET回路基板8にマウントされてい
る。各MOSFETデバイス16のソース接触子28
は、複数のワイヤボンド30によってソース接触バス1
8に接続されている。各ワイヤボンド30は、ソース接
触バス18上の接触点がMOSFETデバイス16上の
接触点と正反対ではなく、わずかにずれるように、すな
わち角変位するような形状になっており、それによって
ワイヤボンドがS字形の形状をとる。直線のワイヤボン
ドを使用することもできるが、オフセット接触マウンテ
ィングの方が直線ワイヤボンドよりも誘導が低くなる。
たとえば、S字形状の結果、総モジュール誘導が1ナノ
ヘンリー減少することが、試験により、予期せずに判明
している。
【0026】各MOSFETデバイス16のゲート接触
子32はワイヤボンド34を介してそれぞれのゲート接
続パッド22に接続され、さらにソース接触子28はワ
イヤボンド36を介してそれぞれのソースセンスパッド
24に接続されている。これによって、MOSFETデ
バイス16をスイッチさせるのに必要なゲート−ソース
電圧を確立するための好都合な方法が可能になる。
【0027】図3に、本発明の共通端子14の透視図を
示す。共通端子14は、上部40の下に配置されたより
短い形状の平面部分38を有するように構成されること
が好ましい。このより短い形状の平面部分38により、
回路基板6および8との物理的および電気的接触が設け
られる。端子14の短形状部分38は、上部40の下に
配置された接触領域と組合わさって、より長い端子や、
ベースが上部の外側に配置された端子、すなわちS字形
の端子よりも、誘導を低減することがわかっている。ま
た、モジュール2がバスバーアセンブリの一部である場
合、負端子10と正端子12の二重の高さすなわち長さ
によって、完全積層バスが可能になる。これは、組立て
時に、負端子10と正端子12がそれぞれのMOSFE
T回路基板6および8から異なる長さに延びるようにし
て行うことができる。
【0028】図4に、カバーのないモジュールの側面図
を示す。具体的には、上部回路基板42が、接触ピン4
4によってMOSFETモジュール6および8に電気接
続されている様子が図示されている。接触ピン44は、
ゲート接続パッド22およびソースセンスパッド24か
ら上部回路基板42への電気経路を設けるために使用さ
れる。接触ピン44は、弾力性接触圧力が与えられるよ
うに曲線状として図示されているが、直線とすることも
できる。上部回路基板には外部コネクタ46がマウント
され、MOSFETのゲートとソースセンスの外部接続
点となっている。
【0029】図5に、モジュール2の組立てを示す。カ
バー48が、ベース4と対向し、負端子10、正端子1
2、共通端子14、および外部コネクタ46への外部ア
クセスを可能にするように配置される。
【0030】モジュールのインダクタンスは、共通端子
14から負端子および正端子までの経路が可能な限り短
く維持される場合に、最小限になる。図1および図2に
示すように、本発明の装置における経路の長さは、2対
の3MOSFETデバイス16を使用しながら、内燃機
関を始動させるのに必要な電流伝搬機能が得られるよう
にすることによって最小限にされる。モジュールのイン
ダクタンスは、本発明のデバイスにおいて、ゲート接続
パッド22とソースセンスパッド24を互いにできるだ
け近接して配置し、ワイヤボンドの長さをできるだけ短
く維持することによって、さらに少なくなる。
【0031】モジュール2は以下のように組み立てられ
る。まず、MOSFET回路基板6および8にMOSF
ETデバイス16を装着する。この時点で、MOSFE
T回路基板にはサーミスタなどの追加のデバイス(図示
せず)も装着される。次に、MOSFETデバイス16
からMOSFET回路基板6および8上のそれぞれの接
触点へのワイヤボンド30、34、および36を形成す
る。組み立てられたMOSFET回路基板6および8を
試験して適切な動作を保証した後、ベース2に装着す
る。端子10、12、および14を上部回路基板42と
共に(接触ピン44を介して)、組立て済みMOSFE
T回路基板6および8に装着する。ベースにカバー48
を取り付けて、モジュールをポッティングする(pot
ted)。
【0032】図6に示すように、本発明の上述の実施形
態を試験し、約8.4ナノヘンリーの最大総パッケージ
インダクタンスになることがわかった。図6では、モジ
ュールが、3700アンペア/マイクロ秒を超える電流
スルーレートをサポートすることができることが示され
ている。この低インダクタンスは、過酷な高頻度スイッ
チング期間中のデバイスにおける過電圧短絡を少なくす
るのに必要である。さらに、本発明のモジュールは、1
7キロワットの電力伝達を行い、始動モード時に36ボ
ルトで400アンペア(すなわち過渡電圧降下が10ボ
ルト未満)、交流発電機モード時に52ボルトで400
アンペアをサポート可能であることが試験で確認され
た。したがって、本発明のモジュールは、42ボルトの
環境、より具体的には42ボルトの内燃機関スタータ/
交流発電機回路での使用に適合する。
【0033】本発明のハーフブリッジモジュール2は、
インダクタンスがきわめて低い、コンパクトな(モジュ
ールの上述の実施形態の総高さ、すなわち厚さは0.7
5インチ(約1.9cm)未満である)高性能デバイス
を実現する。この低インダクタンスにより、モジュール
2は、内燃機関スタータ/発電機回路において適切に動
作するのに必要な電流および電流スルーレートをサポー
トすることができる。エンジン始動中のモジュールにお
ける過渡電圧降下は最小限に抑えられる。
【0034】本発明についてその特定の実施形態に関し
て説明したが、他の多くの変形態様および変更と他の用
途も、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の低インダクタンスハーフブリッジモジ
ュールを示す上面図である。
【図2】本発明のMOSFET回路基板を示す透視図で
ある。
【図3】本発明の共通端子を示す透視図である。
【図4】低インダクタンスハーフモジュールを示す側面
図である。
【図5】低インダクタンスハーフブリッジモジュールを
示す組立て図である。
【図6】モジュールの誘導特性を示すグラフを表す図で
ある。
【符号の説明】
2 ハーフブリッジモジュール 4 ベース 6 MOSFET回路基板 8 MOSFET回路基板 10 負電圧端子 12 正電圧端子 14 共通端子 16 MOSFETデバイス 18 ソースバス 20 ドレインバス 22 ゲート接続パッド 24 ソースセンスパッド 28 ソース接触子 32 ゲート接触子 34 ワイヤボンド 36 ワイヤボンド 42 上部プリント回路基板 44 接触ピン 46 外部コネクタ 48 カバー
フロントページの続き (72)発明者 ウィリアム グラント アメリカ合衆国 92708 カリフォルニア 州 フォンテン ヴァレー ラ フォンダ サークル 10851 (72)発明者 ジョシュア ポラック アメリカ合衆国 91206 カリフォルニア 州 グレンデール イースト シェビー チェイス ドライヴ 2411

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 熱伝導ベースと、 各々が前記熱伝導ベース内で同一平面に沿って隣接して
    配置された複数の下部回路基板と、 第1の表面を有し、当該第1の表面が前記複数の下部回
    路基板にマウントされた、第1の表面を有する少なくと
    も1つの半導体デバイスと、 前記複数の下部回路基板の各々に結合された平面部分を
    有する共通端子と、 前記複数の下部回路基板と電気的に接触し、前記少なく
    とも1つの半導体デバイスの駆動信号のための外部アク
    セスを供給するコネクタを含む上部回路基板とを含む整
    流モジュール。
  2. 【請求項2】 内燃機関スタータ/交流発電器回路用の
    ハーフブリッジ整流モジュールであって、 熱伝導ベースと、 各々が前記熱伝導ベース内で同一平面に沿って隣接して
    配置された複数の下部回路基板と、 第1の表面を有し、当該第1の表面が前記複数の下部回
    路基板にマウントされた、第1の表面を有する少なくと
    も1つのMOSFET半導体デバイスと、 前記複数の下部回路基板の各々に結合された平面部分を
    有する共通端子と、 前記複数の下部回路基板と電気的に接触し、前記少なく
    とも1つのMOSFET半導体デバイスの駆動信号のた
    めの外部アクセスを供給するコネクタを含む上部回路基
    板とを含むハーフブリッジ整流モジュール。
  3. 【請求項3】 熱伝導ベースと、 前記熱伝導ベース内に配置された下部回路基板と、 少なくとも1つのMOSFET半導体デバイスであっ
    て、前記下部回路基板にマウントされたドレイン表面で
    ある第1の表面と、前記第1の表面の反対側にあり、少
    なくとも1つのS字形ワイヤボンドによって前記下部回
    路基板に結合された第2の表面であって、前記下部回路
    基板上の装着点が当該第2の表面上の装着点から角変位
    された第2の表面とを有する少なくとも1つのMOSF
    ET半導体デバイスと、 前記下部回路基板に結合された平面部分を有する共通端
    子と、 各々が前記下部回路基板に結合され、そこから異なる距
    離に延びた複数の電圧端子と、 前記下部回路基板と電気的に接触し、前記少なくとも1
    つのMOSFET半導体デバイスの駆動信号のための外
    部アクセスを供給するコネクタを含む上部回路基板とを
    含む整流モジュール。
  4. 【請求項4】 各々が前記複数の下部回路基板のうちの
    異なる1つに結合された2つの電圧端子をさらに含む、
    請求項1または2に記載のモジュール。
  5. 【請求項5】 前記2つの電圧端子が前記複数の下部回
    路基板から異なる距離に延びた請求項4に記載のモジュ
    ール。
  6. 【請求項6】 前記少なくとも1つの半導体デバイス
    が、前記第1の表面の反対側に配置され、少なくとも1
    つのワイヤボンドによって前記複数の下部回路基板のう
    ちの1つに結合された第2の表面をさらに含む、請求項
    1に記載のモジュール。
  7. 【請求項7】 前記上部回路基板と、前記複数の下部回
    路基板のうちの1つとの間に電気接触を設けるために使
    用される少なくとも1つの接触ピンをさらに含む、請求
    項1または2に記載のモジュール。
  8. 【請求項8】 前記接触ピンが弾力性接触部を形成する
    曲線部分を含む、請求項7に記載のモジュール。
  9. 【請求項9】 前記少なくとも1つの半導体デバイスが
    MOSFETデバイスであり、前記第2の表面の装着点
    がソース領域である、請求項6に記載のモジュール。
  10. 【請求項10】 前記モジュールがハーフブリッジ整流
    器を形成する請求項9に記載のモジュール。
  11. 【請求項11】 前記モジュールが42ボルトの内燃機
    関スタータ/交流発電機回路内に実装された、請求項
    2、3、または10に記載のモジュール。
  12. 【請求項12】 前記モジュールの総パッケージインダ
    クタンスが約8.4ナノヘンリー未満である、請求項
    1、2、または3に記載のモジュール。
  13. 【請求項13】 前記モジュールの総厚さが約0.75
    インチ(約1.9cm)未満である、請求項1、2、ま
    たは3に記載のモジュール。
  14. 【請求項14】 前記少なくとも1つのMOSFET半
    導体デバイスが、前記第1の表面の反対側に配置された
    第2の表面をさらに含み、前記第2の表面が少なくとも
    1つのワイヤボンドによって前記複数の下部回路基板の
    うちの1つのに結合された、請求項2に記載のハーフブ
    リッジ整流モジュール。
  15. 【請求項15】 前記複数の下部回路基板のうちの1つ
    上の装着点が前記第2の表面上の装着点から角変位され
    るように前記少なくとも1つのワイヤボンドがS字形で
    ある、請求項6または14に記載のモジュール。
  16. 【請求項16】 前記第2の表面の前記装着点がソース
    領域である、請求項15に記載のハーフブリッジ整流モ
    ジュール。
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