JP3386145B2 - Ｄｃｂ基板上の電力半導体構成体 - Google Patents

Ｄｃｂ基板上の電力半導体構成体

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Description

【発明の詳細な説明】 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（USV）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DCB（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、BeO、AlN
i、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
部分キャパシタンス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18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22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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−283638（ＪＰ，Ａ) 米国特許5623399（ＵＳ，Ａ) 欧州特許出願公開645815（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02M 7/48 H02M 1/14

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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、アース端子（10）とを有
    し、 第１の電力スイッチと第２の電力スイッチとを備える、
    少なくとも２つの電力スイッチ（４）が設けられてお
    り、 該少なくとも２つの電力スイッチは、前記少なくとも１
    つの負荷端子（３）を前記第１または第２の中間回路端
    子（２）と交互に接続し、 前記少なくとも２つの電力スイッチ（４）は前記DCB基
    板上に配置されており、 前記DCB基板は、第１の絶縁層（９）、第２の絶縁層（1
    1）、および当該第１の絶縁層と第２の絶縁層の間に配
    置された導電性中間層（10）とを有し、 該導電性中間層（10）は前記第１または第２の中間回路
    端子の一方（２）と接続されており、これにより前記第
    １または第２の中間回路端子（２）は前記少なくとも２
    つの電力スイッチに容量的に結合されている、 ことを特徴とする電力半導体構成体。
  2. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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項記載電力半導体構成
    体。
  5. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。
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