JP2001515699A - Ｄｃｂ基板上の電力半導体構成体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明により、半導体基板上の電力半導体構成体において、その端子線路を介して伝播する障害輻射が半導体装置で直接除去され、またはこれが少なくとも格段に低減される。本発明の、ＤＣＢ基板上の電力半導体構成体は、正電位と接続された第１の中間回路端子（２）と、負電位と接続された第２の中間回路端子（２）と、少なくとも１つの負荷端子（３）とを有し、さらに、前記負荷端子（３）を第１または第２の中間回路端子（２）と交互に接続するための少なくとも２つの電力スイッチ（４）とを有する。このような電力半導体構成体において、橋絡接続部が設けられており、該橋絡接続部は、電力半導体構成体の外部に導かれる少なくとも複数の端子（２，３，１３）をペアで接続し、これにより障害電流回路が電力半導体構成体内で閉じられる。

Description

【発明の詳細な説明】 ＤＣＢ基板上の電力半導体構成体 本発明は、ＤＣＢ基板上の電力半導体構成体に関し、この構成体は正電位と接 続された第１の中間回路端子と、負電位と接続された第２の中間回路端子と、少 なくとも１つの負荷端子と、少なくとも２つの電力スイッチとを有し、この電力 スイッチは前記負荷端子を第１ないしは第２の中間回路端子に交互に接続する。 このような電力半導体構成体は目的機能に相応して、無接点エネルギー変換のた めの電力部として用いる。これは例えば、回転数制御器、無遮断電流供給部（Ｕ ＳＶ）を有する駆動電流変換器、電気メッキ、および溶接電流源等に使用される 。このために電力半導体構成体の給電端子（中間回路端子またはＺＫ端子）から 所望の電力制御に相応してエネルギーが取り出され、それぞれの負荷に供給され 、ないしは負荷から中間回路に回生給電される。従って中間回路はエネルギーバ ッファであり、例えばコンデンサバッテリーの形態である。本発明はとりわけこ のような適用に適するが、それに制限されるものではない。 従来の技術では、電力半導体構成体において本来の半導体チップがハンダを介 して第１のＣｕ層に接続される。このＣｕ層は絶縁セラミックに被覆されている 。絶縁セラミックは第２のＣｕ層とハンダを介して構造物の底板と接続されてい る。底板は、構成体を冷却体に機械的に取り付けるために用い、接触保護として 通常はアースされている（保護アース）。 この形式の電力電子回路は高速スイッチング過程を基礎として、スイッチによ るエネルギー変換方式により動作する。この回路は電磁的障害輻射の原因となる 。いくつかの規格（例えば５００８１／１／２）に規定された最大障害輻射の限 界値をここでは大きく上回り、障害除去手段に対して高いコストが必要である。 従って従来技術の電力半導体構成体を使用する場合には、面倒な外部回路が必要 であり、この外部回路が高速スイッチングにより生じたノイズ電流またはノイズ 電圧をろ波除去する。 本発明の課題は、半導体基板上の電力半導体構成体において、その端子線路を 介して伝播する障害輻射を半導体装置で直接除去し、または障害輻射が少なくと も格段に低減するように構成することである。 この課題は、請求項１の構成を有する電力半導体構成体によって解決される。 従属請求項は本発明の電力半導体構成体の有利な実施例に関連する。 本発明によれば、ＤＣＢ基板上の電力半導体構成体が提案される。この構成体 は、正電位と接続された第１の中間回路端子と、負電位と接続された第２の中間 回路端子と、少なくとも１つの負荷端子と、少なくと も２つの電力スイッチとを有し、この電力スイッチは前記負荷端子を第１ないし は第２の中間回路端子に交互に接続する。このような電力半導体構成体において 、橋絡接続部が設けられており、この橋絡接続部は外部に導かれる電力半導体構 成体の少なくとも複数の端子をペアで接続し、これにより障害電流回路が電力半 導体構成体内で閉じられるようにする。 本発明では、寄生障害電流経路を電力半導体構成体内で短絡し、もって障害を 低減することを基礎とする。 電力半導体構成体の有利な実施例では、第１の中間回路端子と第１の電力スイ ッチとの間の接続線路、および第２の中間回路端子と第２の電力スイッチとの間 の接続線路が、２つの中間回路端子が容量的に相互に接続されるように導かれる 。 さらに外に導かれるアース端子を設けることができ、ここで負荷端子は絶縁層 を介して容量的にアース端子に接続され、絶縁層は導電中間層を有し、この中間 層は第１または第２の中間回路端子と接続される。中間層は有利にはＣｕまたは Ｃｕ合金からなる。 さらに本発明の電力半導体構成体は、２つの駆動給電端子を備えた、電力スイ ッチを制御するためのドライバ段を有することができる。ここで駆動給電端子は 容量的および／または導電的に中間回路端子の少なくとも１つと接続されている 。（“導電的に接続”なる 用語は以下、容量的接続または誘導的接続とは異なり、無視できる程度小さいま たは有限のオーム性抵抗を伴う直接の電気接続と理解されたい。）容量的結合に 加えてドライバ段の駆動給電端子も相互に誘導的に結合することができる。 電力半導体構成体の電力スイッチは能動型電力スイッチまたは受動型電力スイ ッチとすることができる。さらに電力スイッチはそれぞれ複数の電力切換素子を 含むことができ、これにより全体で達成可能な切換電力を増大させる。個々の能 動型電力切換素子は付加的に、切換区間に並列に接続されたリバースダイオード を有することができる。 本発明を以下、図面および実施例に基づいて詳細に説明する。 図１は、２つの電力スイッチを有する本発明の半導体構成体の代替回路、 図２は、本発明の半導体構成体の実施例の概略的断面図、 図３は、図２の半導体構成体の代替回路図、 図４ａは、ドライバ段を有する本発明の半導体構成体の代替回路図、 図４ｂは、ドライバ段を有する本発明の半導体構成体の別の実施例の代替回路 図である。 図１の半導体構成体はＤＣＢ基板に配置され、実質的に２つの能動型電力スイ ッチ４とそれぞれ並列に接 続された２つのリバースダイオード２１を有する。これらはそれぞれ一方の片側 で、接続線路５を介して中間回路端子２と接続されている。他方の側では、これ らの素子は相互に、また負荷端子３と接続されている。そのゲート端子を介して 制御すると、電力スイッチ４により負荷端子３と中間回路端子２との間の接続が 実質的に短絡され、負荷端子３は所望の電位になる。 負荷端子３にかかる電位が高速に変化する場合、切り換えにより高周波障害が 形成される。いわゆる対称性障害は中間回路端子２を介して半導体構成体から（ 図示しない）中間回路へ、さらに端子網へ伝送され、そこで不所望の障害作用を 引き起こす。 本発明によれば、この対称性障害輻射の外部への伝送を抑圧するために、２つ の線路５が容量的に結合される。この容量的結合は、接続線路５を半導体構成体 内で特別に案内することと、低誘導性コンデンサによって行われる。これらのキ ャパシタンスにより、電力スイッチ４から発する高周波電流が半導体構成体内で 短絡され、外部へ到達することがない。 さらに接続線路５について、容量的結合部６の大きさを設定するため別の適切 な手段を取ることができる。 本発明の半導体構成体の別の実施例では、別の障害電流経路が構成体の内部で 閉じられる。実施例が図２に断面図で示されている。半導体基板１はハンダ層７ ち第１の銅層を介して第１の絶縁層９の上に配置されている。この層構造体はＤ ＣＢ（direct copper bonding）として一般に公知である。（図示しない）従来 技術では、絶縁層の下側に第２の銅層１２が続いており、この銅層はまたハンダ 層７を介して底板１３と接続されており、この底板は構造体全体を支持する。保 護手段としてこの底板１３はアースされている。ここで絶縁層はニトリド、Ｂｅ Ｏ、ＡｌＮｉ、ダイアモンド等とすることができる。 しかし電力スイッチ４が半導体基板１でスイッチングするとき、半導体１の構 成、すなわち底板１３により形成されたキャパシタンスの放電と充電によってい わゆる非対称性障害が発生する。この非対称性障害は、寄生キャパシタンスが電 圧の高速変化の際に充放電されることにより発生する。従ってこの障害は端子線 路およびアース線路を介して伝播する。 本発明ではこの非対称性障害輻射の外部への伝送を抑圧するために、絶縁層が 第１の絶縁層９と第２の絶縁層１１とに、その間にある導電性中間層１０によっ て分割される。これにより、中間タップが基板１と底板１３からのキャパシタン ス内に得られる。この中間タップは本発明により、中間回路端子２と接続される 。このことにより、電力スイッチ４から発し、底板１３を介してアースへ容量的 に流れることとなる高周波電流が半導体構成体内で短絡され、外部へ達すること がない。アース端子には電位変動は伝送されない。 図２に示された構造体の代替回路図が図３に示されている。図１ですでに説明 したように、２つのスイッチ４は負荷端子３をそれぞれ１つの中間回路端子２に 、負荷端子３の所望の電位に応じて短絡する。半導体基板１とひいては負荷端子 ３は上に説明した半導体構成体の層構造を介して容量的に底板１３と結合され、 ひいてはアースと結合される。このキャパシタンスは２つの部分キャパシタンス １４と１５に分割される。第１の部分キャパシタンス１４の後で、直流電圧電位 にあるタップの取り出しが行われる。ここに図示した例ではこのタップは中間回 路端子により負の電位に接続される。第２の部分キャパシタンス１５は構造体を さらに容量的にアースへ結合する。物理的には第１の部分キャパシタンス１４は 、第１のＣｕ層８、第１の絶縁層９および導電性中間層１０から、第２の部分キ ャバシタンス１５は中間層１０，第２の絶縁層１１および第２のＣｕ層１２から 形成される。 半導体基板１から形成される非対称性障害電流はこれによりアースに達する前 に擬似的に導出され、中間回路端子に供給される。これにより、障害電流経路は 構造体内で閉じられる。 非対称障害は外部へ、アースと（中間回路への）給電端子を介し、また半導体 構成体の別の端子を介して伝播することができる。これはとりわけ、スイッチ４ が共通の、またはそれぞれ固有に組み込まれたドライバ段を介して制御される場 合である。この種の回路は図４ａと図４ｂに示されている。 図４ａと図４ｂの半導体構成体の構造は、図１から公知の素子のほかに、ドラ イバ段１６を有する。このドライバ段は少なくとも電力スイッチ４のゲート端子 およびエミッタ端子／ソース端子と接続されており、２つの制御端子１７を有す る。図４ａの実施例では、ドライバ段１６には電流供給のために駆動給電端子１ ８が設けられており、この端子は中間回路端子２と接続されている。取り出しは この実施例では、一方ではキャパシタンスと抵抗を介し、他方では中間回路端子 ２との直接接続を介して行われる。 図４ｂに示した実施例では、半導体構成体に外部から給電される。この場合、 外部端子は容量的にフィルタキャパシタ２０を介して中間回路端子２と接続され る。これによって高周波障害電流に対する電流経路は本発明の電力半導体構成体 内で閉じられる。 外部への高周波障害をさらに遮閉するために、図４ｂの実施例では２つの駆動 給電端子１８がさらに誘導的に相互に結合される１９。 図４ａと図４ｂの半導体構成体の２つの実施例で、ドライバ段１６はフローテ ィング構成されており、ゲート電圧、ソース電圧／エミッタ電圧をゲート端子２ ２とソース／エミッタ端子２３との間に形成する。こ の電圧の絶対値は約１５Ｖ、高くても２０Ｖである。ここで負荷端子の電位はア ースに対して例えば７００Ｖにまですることができる。 上に説明した実施例のスイッチ４は能動型スイッチとすることができる。これ は例えばＩＧＢＴ、電力ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、 ＧＴＯサイリスタ等である。またはダイオードのような受動型スイッチとするこ ともできる。ここで電力スイッチ４は、中間回路端子２と負荷端子３との間に直 列または並列に接続された複数の個別切換素子からなることができる。さらに能 動型切換素子は図４ａと図４ｂに示すようにリバースダイオード２１を有するこ とができる。 容量的および誘導的大きさを本発明の半導体構成体で設定する場合には、負荷 の外部値を基準にすることができる。すなわち、本発明による半導体構成体をオ ーム性負荷値、誘導性負荷値、または容量性負荷値に専用に構成することができ る。 図２の実施例で絶縁層を分割することにより熱抵抗が上昇する場合には、これ を低減するために、熱放出素子を半導体構成体に付加的に設けることができる。 参照符号リスト １ 半導体基板 ２ 中間回路端子 ３ 負荷端子 ４ 電力スイッチ ５ 接続線路 ６ 容量的結合 ７ ハンダ ８ 第１のＣｕ層 ９ 第１の絶縁層 １０ 中間層 １１ 第２の絶縁層 １２ 第２のＣｕ層 １３ 底板 １４ 第１の部分キャパシタンス １５ 第２の部分キャパシタンス １６ ドライバ段 １７ 制御端子 １８ 駆動給電端子 １９ 誘導的結合 ２０ フィルタキャパシタ ２１ リバースダイオード ２２ ゲート端子 ２３ ソース／エミッタ端子

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年７月７日（１９９９．７．７） 【補正内容】 請求の範囲 １． ＤＣＢ基板上の電力半導体構成体であって、 正電位と接続された第１の中間回路端子（２）と、負電位と接続された第２ の中間回路端子（２）と、少なくとも１つの負荷端子（３）とを有し、 さらに、前記負荷端子（３）を第１または第２の中間回路端子（２）と交互 に接続するための少なくとも２つの電力スイッチ（４）とを有する電力半導体構 成体において、 接続部が設けられており、 該接続部は、電力半導体構成体の外に導かれる少なくとも複数の端子をペア で相互に容量的に結合し、 外に導かれるアース端子（１０）が設けられており、 該アース端子は絶縁層（９，１１）を介して容量的に負荷端子（３）と接続 され、 絶縁層（９，１１）は導電性中間層を有し、 該中間層は第１または第２の中間回路端子（２）と接続されている、 ことを特徴とする電力半導体構成体。 ２． 第１の中間回路端子（２）と第１の電力スイッチ（４）との接続線路（５ ）、および第２の中間回路端子（２）と第２の電力スイッチ（４）との接続 線路（５）は、当該２つの中間回路端子（２）が相互に容量的に結合される（６ ）ように導かれている、請求項１記載の電力半導体構成体。 ３． 中間層はＣｕまたはＣｕ合金からなる、請求項１または２記載の電力半導 体構成体。 ４． ２つの駆動給電端子（１８）を有するドライバ段（１６）が、電力スイッ チ（４）を制御するために設けられており、 駆動給電端子（１８）は容量的および／または導電的に中間回路端子（２） の少なくとも１つと接続されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の 電力半導体構成体。 ５． ドライバ段（１６）の駆動給電端子（１８）は誘導的に相互に結合されて いる、請求項４記載の電力半導体構成体。 ６． 電力スイッチ（４）はＩＧＢＴを含む、請求項１から５までのいずれか１ 項記載の電力半導体構成体。 ７． 電力スイッチ（４）は電力ＭＯＳＦＥＴを含む、請求項１から６までのい ずれか１項記載の電力半導体構成体。 ８． 電力スイッチ（４）は、切り換え区間に対して並列に接続されたリバース ダイオード（２１）を含む、請求項６または７記載の電力半導体構成体。 ９． 電力スイッチ（４）は、作用的に直列に接続さ れたそれぞれ複数の電力切換素子を含む、請求項１から８までのいずれか１項記 載の電力半導体構成体。 １０． 電力スイッチ（４）は、作用的に並列に接続されたそれぞれ複数の電力 切換素子を含む、請求項１から８までのいずれか１項記載の電力半導体構成体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ＤＣＢ基板上の電力半導体構成体であって、 正電位と接続された第１の中間回路端子（２）と、負電位と接続された第２ の中間回路端子（２）と、少なくとも１つの負荷端子（３）とを有し、 さらに、前記負荷端子（３）を第１または第２の中間回路端子（２）と交互 に接続するための少なくとも２つの電力スイッチ（４）とを有する電力半導体構 成体において、 橋絡接続部が設けられており、 該橋絡接続部は、電力半導体構成体の外部に導かれる少なくとも複数の端子 （２，３，１３）をペアで接続し、これにより障害電流回路が電力半導体構成体 内で閉じられる、 ことを特徴とする電力半導体構成体。 ２． 第１の中間回路端子（２）と第１の電力スイッチ（４）との接続線路（５ ）、および第２の中間回路端子（２）と第２の電力スイッチ（４）との接続線路 （５）は、当該２つの中間回路端子（２）が相互に容量的に結合される（６）よ うに導かれている、請求項１記載の電力半導体構成体。 ３． 外部に導かれるアース端子（１３）が設けられており、 負荷端子（３）は絶縁層（９，１１）を介して容 量的にアース端子（１３）と接続されており、 絶縁層（９，１１）は導電性中間層（１０）を有し、 該導電性中間層は、第１または第２の中間回路端子（２）と接続されている 、請求項１または２記載の電力半導体構成体。 ４． 中間層はＣｕまたはＣｕ合金からなる、請求項３記載の電力半導体構成体 。 ５． ２つの駆動給電端子（１８）を有するドライバ段（１６）が、電力スイッ チ（４）を制御するために設けられており、 駆動給電端子（１８）は容量的および／または導電的に中間回路端子（２） の少なくとも１つと接続されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の 電力半導体構成体。 ６． ドライバ段（１６）の駆動給電端子（１８）は誘導的に相互に結合されて いる、請求項５記載の電力半導体構成体。 ７． 電力スイッチ（４）はＩＧＢＴを含む、請求項１から６までのいずれか１ 項記載の電力半導体構成体。 ８． 電力スイッチ（４）は電力ＭＯＳＦＥＴを含む、請求項１から７までのい ずれか１項記載の電力半導体構成体。 ９． 電力スイッチ（４）は、切り換え区間に対して 並列に接続されたリバースダイオード（２１）を含む、請求項７または８記載の 電力半導体構成体。 １０． 電力スイッチ（４）は、作用的に直列に接続されたそれぞれ複数の電力 切換素子を含む、請求項１から９までのいずれか１項記載の電力半導体構成体。 １１． 電力スイッチ（４）は、作用的に並列に接続されたそれぞれ複数の電力 切換素子を含む、請求項１から９までのいずれか１項記載の電力半導体構成体。