JP2015154079A - 低インダクタンス構成のモジュール内部負荷と補助接続装置を備えるパワー半導体モジュール - Google Patents

低インダクタンス構成のモジュール内部負荷と補助接続装置を備えるパワー半導体モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】低インダクタンス構成のモジュール内部負荷と補助接続装置を備えるパワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】制御ボンディングワイヤ７０が付設の２つの補助電位領域６３０、６３１を相互に電気接続し、パラレルボンディングワイヤ８０が制御ボンディングワイヤに平行に配置されること、電力サブスイッチの付設の複数の負荷ボンディングワイヤ９０の直列配置の中央にない各第一のボンディングベース９５０が、付設のボンディングワイヤの各電力サブスイッチの縁辺に垂直で、電力サブスイッチの直列配置の中央に向いた直線経路からずらして配置されること、第二の負荷電位領域が電流の流れる方向を有し、負荷ボンディングワイヤの、第一からそれに最も近い第二のボンディングベース９５１までのボンディングワイヤ区間の長さが、或る電力サブスイッチより電流の流れる方向で隣接する電力サブスイッチのほうが長いこと、の少なくとも１つを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、負荷と補助端子素子を、特に当業界で一般的な構成で含み、また低インダクタンス構成のモジュール内部負荷と補助接続装置を含む、特にハーフブリッジ構成のパワー半導体モジュールを説明する。
例えば特許文献１で開示されている先行技術は、３つのモジュール主端子と半導体スイッチの間に電流を流す３つの主端子線を含む少なくとも１つのハーフブリッジを含み、また、並列パワートランジスタを接続するための接続導体トラックがその上に存在するセラミック基板を含むパワー半導体モジュールを開示している。この場合、モジュール内部インダクタンスを低減させるために、３つの主端子線は相互に短い距離で配置された幅広の条片からなる。
さらに、特許文献２は、内部寄生インダクタンスの低いハーフブリッジトポロジの回路配置を開示している。この目的のために、２つのパワースイッチの個々のパワートランジスタを直列に配置し、指状の接点素子を個々のパワートランジスタ間に配置することが提案されている。この圧力接触構成により、このような回路構成内で非常に低い寄生インダクタンスが実現される。
両文献に共通しているのは、これらが負荷端子素子の構成とパワー半導体モジュール内部におけるその配置に関していて、パワー半導体コンポーネントがその上に配置された基板とその接続装置の構成はそれ以上考慮されていない点である。
独国特許出願公開第３９ ３７ ０４５ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１００ ３７ ５３３ Ａ１号明細書
上記の状況を鑑み、本発明は、パワー半導体モジュール全体を、特に負荷および補助端子素子の所定の標準寸法と技術的に一般的な位置付けの範囲内で、ワイヤボンディング接続として構成されるモジュール内部接続装置が特に均一で低インダクタンスの状態に構成されるように構成するという目的に基づく。
この目的は、本発明によれば、請求項１の特徴構成を含むパワー半導体モジュールによって達成される。好ましい実施形態は、それぞれの従属項に記載されている。
負荷と、外部との接触を行うための補助端子素子と、を含む本発明に係るパワー半導体モジュールの場合、モジュール内部負荷と、好ましくはそれと同時に、またはそうでなければその代わりに補助接続装置は、低インダクタンス構成である。モジュール内部負荷接続装置は、特に、負荷端子素子と基板の導体トラックとパワー半導体部品のコンタクト領域の間の、またはこれらとのワイヤボンディング接続である。
この場合、基板は複数の負荷および補助電位領域を有し、補助電位領域は、特に、制御電位領域として、またはセンサ電位領域として構成され、負荷電位領域は正または負のＤＣ電圧電位またはＡＣ電圧電位を有する。
パワースイッチはこのような第一の負荷電位領域に配置されて、前記パワースイッチは複数の制御可能な電力サブスイッチとして構成され、これらは直列に配置され、それぞれ、特に電界効果トランジスタとして、特にＭＯＳ−ＦＥＴとして、あるいはバイポーラトランジスタとして、特にＩＧＢＴとして、並列に反転接続（逆平行接続）されたフリーホイーリングダイオードを備えて、構成される。
電力サブスイッチは、それぞれ、負荷ボンディングコネクタを有し、これは第二の負荷電位領域に平行に配置された複数の負荷ボンディングワイヤからなり、第一のボンディングベースが第二の負荷電位領域上に配置され、それぞれの負荷ボンディングワイヤの隣接する第二のボンディングベースが電力サブスイッチのコンタクト領域に配置される。モジュール内部の均一な低インダクタンスの構成は、次のａ）からｃ）の構成、即ち、
ａ）制御ボンディングワイヤが、２つの付設の補助電位領域を相互に電気接続し、前記制御ボンディングワイヤに平行にパラレルボンディングワイヤが配置され、前記パラレルボンディングワイヤが負荷電位領域の一方のみに電気接続されていること、
ｂ）直列配置の中央にない電力サブスイッチの、複数の付設された負荷ボンディングワイヤの、それぞれの第一のボンディングベースが、好ましくはすべて、付設された負荷ボンディングワイヤの直線の経路からずらして配置され、この直線の経路はそれぞれの電力サブスイッチの縁辺に対して垂直で、且つ電力サブスイッチの直列配置の中央に向いていること、
ｃ）第二の負荷電位領域が電流の流れる方向を有し、負荷ボンディングワイヤの、第一のボンディングベースからそれに最も近い第二のボンディングベースまでのボンディングワイヤ区間の長さが、１つの電力サブスイッチより、電流の流れる方向にてそれに隣接する電力サブスイッチのほうが長いこと、
の少なくとも１つの構成を有する、から得られる。
この場合、負荷ボンディングワイヤの経路は、それぞれの第二の負荷電位領域からその終端までの全経路、特に、電力サブスイッチより上の、そのコンタクト領域との接点を含む経路も意味すると理解するべきである。
この場合、パラレルボンディングワイヤの長さが、付設の制御ボンディングワイヤの８０％〜１２０％、特に９０％〜１１０％であれば有利である。この場合、第一のボンディングベースから隣接する第二のボンディングベースまでの長さのようなボンディングワイヤまたはボンディングワイヤ区間の長さは、ボンディングワイヤの区間の、ボンディングワイヤの経路上の第一のボンディングベースの中心から隣接する第二のボンディングベースの中心までを測定した幾何学的長さを常に意味すると理解するべきである。
１つの好ましい構成において、パラレルボンディングワイヤは最大で、付設の制御ボンディングワイヤから最小安全距離の１．５倍の距離にある。この場合、安全距離は、特に絶縁強度または人の安全に関する安全規格により規定される必要な幾何学的距離を常に意味すると理解するべきである。この点での一般的な試験電圧は、パワー半導体モジュールの定格動作電圧より、例えば３〜５倍大きい。この場合、もちろん、パラレルボンディングワイヤと制御ボンディングワイヤの間のメディアンの相対誘電率もまた考慮され、前記メディアンは技術的に一般的な様式で、しばしばシリコーンゲルとして構成される。
制御ボンディングワイヤの電位とパラレルボンディングワイヤのそれとの間の電位差が、特に５０Ｖ以下と低い場合、両方を、基板の機械的境界条件から可能なかぎり相互に近接して配置することが好ましい。
図１〜６に示されるような、本発明に係るパワー半導体モジュールの、またはその一部の例示的実施形態に関する以下の説明から、本発明はさらに明確になり、有利な詳細や特徴が明らかとなる。
本発明に係るパワー半導体モジュールの全体図である。 図１に描かれた本発明に係るパワー半導体モジュールの詳細図である。 図１に描かれた本発明に係るパワー半導体モジュールの更なる詳細図である。 本発明に係るパワー半導体モジュールの部分立体図を概略的に示す。 本発明に係るパワー半導体モジュールの回路配置を示す。 本発明に関する特徴を説明するための、パワー半導体モジュールの詳細図を示す。
図１〜３は、本発明に係るパワー半導体モジュール１を示す。図１はここで全体図を示し、図５はその中で実現される回路配置を示す。図２および３の描写は図１によるパワー半導体モジュール１の拡大詳細図である。
本発明に係るパワー半導体モジュール１はハーフブリッジ構成で形成され、それゆえ、技術的に一般的な様式で上側パワースイッチ３と下側パワースイッチ４を有する。パワースイッチ３、４はどちらも、それぞれ、３つの電力サブスイッチ３０、３２、３４、４０、４２、４４によって構成され、これらはここでは、それぞれ、ＩＧＢＴ３００、３２０、３４０として構成され、それにフリーホイーリングダイオード３０２、３２２、３４２が割り当てられ、備えている。言うまでもなく、それぞれ３つのＩＧＢＴと３つのフリーホイーリングダイオードを有するこのような構成はまた、その一般性を限定することなく、技術的に一般的な様式で変更可能である。
それぞれのパワースイッチ３、４は、上面に複数の負荷電位領域２０、２２、２４と補助電位領域６３０、６３１を相互に電気的に絶縁された導体トラックの形態で配置する電気的に絶縁された本体からなる第一の基板２の上に配置される。上側パワースイッチ３に割り当てられ、即ち、付設された基板２には、正のＤＣ電圧電位を有する第一の負荷電位領域２０があり、その上にパワースイッチ３自体も配置されている。負荷ボンディングコネクタ９が、上側パワースイッチ３の電力サブスイッチ３０、３２、３４の、基板２と反対に面するコンタクト領域から、ここではＡＣ電圧電位を有する第二の負荷電位領域２２に延在している。これに加えて、基板２はまた、負のＤＣ電圧電位を有する負荷電位領域２４も有する。
下側パワースイッチ４の第二の基板は、原則として、上側パワースイッチ３のものに対応するように、構成されている。下側パワースイッチ４の電力サブスイッチ４０、４２、４４はここで、ＡＣ電圧電位を有する負荷電位領域２２の上に配置され、この領域は第一の基板のＡＣ電圧電位を有する負荷電位領域２２に導電的に接続されている。負荷ボンディングコネクタが、下側パワースイッチ４の電力サブスイッチの、基板２と反対に面するコンタクト領域から、負のＤＣ電圧電位を有する第二の負荷電位領域２４に延在し、この領域は第一の基板の負のＤＣ電圧電位を有する負荷電位領域２４に接続されている。ＤＣ電圧負荷端子素子１０、１４が第一の基板の付設された負荷電位領域２０、２４に導電的に接続されている一方、二重に構成されたＡＣ電圧負荷端子素子１２が第二の基板の付設された負荷電位領域２２に導電的に接続されている。
上側および下側パワースイッチ３、４のそれぞれの電力サブスイッチ３０、３２、３４、４０、４２、４４はそれゆえ、第一の負荷電位領域２０、２２の上に直列に配置され、第二の負荷電位領域２２、２４と負荷ボンディングコネクタ９によって接続されている。そして、この第二の負荷電位領域２２、２４の電流の流れる方向２２０、２４０は電力サブスイッチの直列配置に平行となる。この構成によって、その周囲に各電力サブスイッチ３０、３２、３４、４０、４２、４４のための電流が流れる異なる領域ができ、該領域が、その結果として生じる寄生インダクタンスの程度を直接表す。これらそれぞれの寄生インダクタンスの数値が相互にできるだけ近似されるようにするために、本発明によれば、パワー半導体モジュール１の２つの構成がここで提示され、これらの構成は、好ましくは一緒に実現されることが意図される。
第一に、負荷ボンディングワイヤ９０、９２、９４の第一のボンディングベース９５０は、電力サブスイッチ３０、３２、３４、４０、４２、４４の直列配置の中心に対してずれるように配置されている。この場合、各負荷ボンディングワイヤ９０、９２、９４は、第二の負荷電位領域２２、２４の上に配置される第一のボンディングベース９５０を有する。負荷ボンディングワイヤ９０、９２、９４、より正確にはそのボンディングワイヤ区間９００、９２０、９４０は、前記第一のボンディングベース９５０から、付設の電力サブスイッチ３０、３２、３４、４０、４２、４４のコンタクト領域上の第二のボンディングベース９５１まで延在する。それぞれの電力サブスイッチはここで、それぞれ、ＩＧＢＴ３００、３２０、３４０、４００、４２０、４４０と付設のフリーホイーリングダイオード３０２、３２２、３４２、４０２、４２２、４４２として構成されており、第一の負荷電位領域２０、２２の上での配置におけるその順番は、原則として任意である。その結果、第二のボンディングベース９５１は、ＩＧＢＴのコンタクト領域に、またはフリーホイーリングダイオードのコンタクト領域に配置できる。
技術的に一般的な様式で、各負荷ボンディングワイヤ９０、９２、９４は、第二のボンディングベース９５１の後のその経路において、例えばＩＧＢＴの同じコンタクト領域上の別のボンディングベースを有し、その別の経路において、フリーホイーリングダイオードのコンタクト領域上の別のボンディングベースも有する。前述のように、ＩＧＢＴとフリーホイーリングダイオードの順番もまた、この場合、入れ替えることができる。
この方策の結果として、電流経路が、電流の流れる方向２２０、２４０において１番目の電力サブスイッチ３４、４４の場合に短くなり、電流経路が、電流の流れる方向２２０、２４０において最後の、ここでは３番目の電力サブスイッチ３０、４０の場合に長くなるという事実によって、それぞれの寄生インダクタンスが相互に適合し、それゆえ、均一な低インダクタンス構成となる。図２においては、例えば各電力サブスイッチ３０、３２、３４のための負荷ボンディングワイヤ９０、９２、９４の第一のボンディングベース９５０から第二のボンディングベース９５１までのボンディングワイヤ区間９００、９２０、９４０の経路がそれぞれ強調されている。
第二に、負荷ボンディングワイヤ９０、９２、９４の、第一のボンディングベース９５０から最も近い第二のボンディングベース９５１まで延びるボンディングワイヤ区間９００、９２０、９４０の長さは、電力サブスイッチのうちの１つから、電流の流れる方向にて隣接する電力サブスイッチへ増加している。負荷ボンディングワイヤ９０、９２、９４のうち、それぞれの第二のボンディングベース９５１から離れる経路におけるボンディングワイヤ区間９００、９２０、９４０の長さは一般に技術的に制限され、その結果、負荷ボンディングワイヤの長さは、第一と第二のボンディングベース９５０、９５１の間でだけに影響を与えることが可能である。それゆえ、パワー半導体モジュール１の第二の構成、即ち、電流の流れる方向２００、２２０に電力サブスイッチから電力サブスイッチへの電流経路を長くすることによって、相互に関するそれぞれの上記した寄生インダクタンスがより均一な構成であるという意味での適応が可能となる。
パワー半導体モジュール１は補助端子素子をさらに備えて構成され、これら補助端子素子はここでは、補助エミッタ端子５０として、温度センサ端子５１として、および、ここでは電力サブスイッチのコンポーネントとしてのＩＧＢＴ３００、３２０、３４０、４００、４２０、４４０を駆動するための制御可能な電力サブスイッチ３０、３２、３４、４０、４２、４４を駆動する制御端子５３、５４として構成される。制御端子５３、５４には特に、基板２上の複数の補助電位領域６３０、６３１が割り当てられている。これら補助電位領域は、それぞれ、制御ボンディングワイヤ７０によって相互に接続されている。
シミュレーションで実証されるように制御ボンディングワイヤ７０で発生する寄生インダクタンスを大幅に低減させるいわゆるパラレルボンディングワイヤ８０が、これら制御ボンディングワイヤ７０に平行に配置されている。パラレルボンディングワイヤ８０は負荷電位領域２２上の第一のボンディングベース８５０と、経路７３０に付設された制御ボンディングワイヤ７０に平行な経路８３０と、同じ負荷電位領域２２の上の第二のボンディングベース８５１と、を有する。負荷電位領域２２には、第一のボンディングベース８５０もまた配置されている。図４に立体的に示されているように、間隔８００は、制御ボンディングワイヤ７０とパラレルボンディングワイヤ８０の経路全体にわたって同じである。間隔は最小限とすべきであるが、異なる電位のために、パワー半導体モジュール１の電気的パラメータによって決められる最小安全間隔を有さなければならない。図３においては、それぞれ例として、制御ボンディングワイヤ７０の第一のボンディングベース７５０から第二のボンディングベース７５１までの経路と、付設のパラレルボンディングワイヤ８０のそれが強調されている。
図４は、本発明に係るパワー半導体モジュール１の、対応する立体部分図を概略的に示し、ここには制御ボンディングワイヤ７０と付設のパラレルボンディングワイヤ８０、および、そのボンディングベース７５０、７５１、８５０、８５１も示されている。
図６は、本発明に関する特徴を説明するためのパワー半導体モジュールの概略詳細図を示す。ここには、４つのパワー半導体サブスイッチ３０、３２、３４、３６と、第二の負荷電位領域までの、それぞれ付設の負荷ボンディングワイヤ９０、９２、９４、９６が示されている。本発明の１つの構成によれば、負荷ボンディングワイヤ９０、９２、９４、９６の、第一のボンディングベース９５０からそれに最も近い第二のボンディングベース９５１までのボンディングワイヤ区間９００、９２０、９４０、９６０の長さは、１つの電力サブスイッチから、電流の流れる方向２２０においてそれに隣接する電力サブスイッチへ増加している。
１ パワー半導体モジュール
２ 基板
３、４ パワースイッチ
７ 補助コネクタ装置
９ 負荷ボンディングコネクタ（負荷コネクタ装置）
１０、１４ ＤＣ電圧負荷端子素子
２０、２２、２４ 負荷電位領域
３０、３２、３４、３６、４０、４２、４４ 電力サブスイッチ
５０、５１、５３、５４ 補助端子素子
７０ 制御ボンディングワイヤ
８０ パラレルボンディングワイヤ
９０、９２、９４、９６ 負荷ボンディングワイヤ
２２０、２４０ 電流の流れる方向
３００、３２０、３４０ ＩＧＢＴ
３０２、３２２、３４２ フリーホイーリングダイオード
６３０、６３１ 補助電位領域
８００ 距離
９００、９２０、９４０、９６０ ボンディングワイヤ区間
９５０ 第一のボンディングベース
９５１ 第二のボンディングベース

Claims (8)

  1. 負荷端子素子（１０、１２、１４）と補助端子素子（５０、５１、５３、５４）とを備え、低インダクタンス構成のモジュール内部負荷コネクタ装置（９）と補助コネクタ装置（７）とを備え、そして複数の負荷電位領域（２０、２２、２４）と補助電位領域（６３０、６３１）を有する基板（２）を備えるパワー半導体モジュール（１）であって、直列に配置された複数の制御可能な電力サブスイッチ（３０、３２、３４、３６、４０、４２、４４）として構成されたパワースイッチ（３、４）が第一の負荷電位領域（２０、２２）に配置されていて、それら電力サブスイッチがそれぞれ、平行に配置された複数の負荷ボンディングワイヤ（９０、９２、９４、９６）からなる付設の負荷ボンディングコネクタ（９）によって第二の負荷電位領域（２２、２４）に接続されていて、前記第二の負荷電位領域（２２、２４）の上に第一のボンディングベース（９５０）が配置されていて、前記電力サブスイッチのコンタクト領域に、それぞれの前記負荷ボンディングワイヤ（９０、９２、９４、９６）の、それに隣接する第二のボンディングベース（９５１）が配置されている、パワー半導体モジュールであって、次のａ）からｃ）の構成、即ち、
    ａ）制御ボンディングワイヤ（７０）が、２つの付設の補助電位領域（６３０、６３１）を相互に電気接続し、前記制御ボンディングワイヤ（７０）に平行にパラレルボンディングワイヤ（８０）が配置され、前記パラレルボンディングワイヤが前記負荷電位領域（２２）の一方のみに電気接続されていること、
    ｂ）直列配置の中央にない前記電力サブスイッチ（３０、３４）の、複数の付設された負荷ボンディングワイヤ（９０、９２、９４、９６）の、それぞれの第一のボンディングベース（９５０）が、付設された負荷ボンディングワイヤ（９０、９２、９４、９６）の直線の経路からずらして配置され、この直線の経路はそれぞれの電力サブスイッチ（３０、３４）の縁辺に対して垂直で、且つ電力サブスイッチ（３０、３２、３４、３６）の直列配置の中央に向いていること、
    ｃ）前記第二の負荷電位領域（２２、２４）が電流の流れる方向（２２０、２４０）を有し、前記負荷ボンディングワイヤ（９０、９２、９４、９６）の、前記第一のボンディングベース（９５０）からそれに最も近い前記第二のボンディングベース（９５１）までのボンディングワイヤ区間（９００、９２０、９４０、９６０）の長さが、１つの電力サブスイッチより、前記電流の流れる方向（２２０、２４０）にてそれに隣接する前記電力サブスイッチのほうが長いこと、
    の少なくとも１つの構成を有する、パワー半導体モジュール。
  2. 前記付設の負荷ボンディングワイヤ（９０、９２、９４、９６）の第一のボンディングベース（９５０）すべてが、前記電力サブスイッチ（３０、３２、３４）の直列配置の中央に対しずらして配置されている、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 制御可能な電力サブスイッチ（３０、３２、３４、３６、４０、４２、４４）が電界効果トランジスタとして、特にＭＯＳ−ＦＥＴとして、あるいはバイポーラトランジスタとして、特にＩＧＢＴ（３００、３２０、３４０）として、逆平行に接続されたフリーホイーリングダイオード（３０２、３２２、３４２）を備えて、構成されている、請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 負荷電位領域（２０、２２、２４）が正または負のＤＣ電圧電位、またはＡＣ電圧電位を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  5. 補助電位領域（６３０、６３１）が駆動電位を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  6. パラレルボンディングワイヤ（８０）が付設の制御ボンディングワイヤ（７０）の８０％〜１２０％の長さ、特に９０％〜１１０％の長さを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  7. 前記制御ボンディングワイヤ（７０）の電位と前記パラレルボンディングワイヤ（８０）の電位との間の電位差が、特に５０Ｖ以下と低い場合、両方が、前記基板（２）の機械的境界条件から容認されるかぎり相互に近接して配置されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  8. パラレルボンディングワイヤ（８０）が最大で、付設の制御ボンディングワイヤ（７０）からの最小安全距離の１．５倍の距離（８００）にある、請求項１〜７のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
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