WO1998019340A1 - Grossflächiges hochstrommodul eines feldgesteuerten, abschaltbaren leistungs-halbleiterschalters - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a large-area high-current module of a field-controlled, switchable power semiconductor switch, which has two large-area, opposite contact plates and n field-controlled, switchable low-voltage power chips, whose drain connections by means of one contact plate and their source connections by means of the other Contact plate are electrically connected in parallel, these contact plates being insulated from one another on their contact surfaces.
  • the field-controlled, switchable power semiconductor switches belong to the non-latching, switchable power semiconductor switches, in which a control signal must be constantly present at the control input so that they are in the conductive state
  • field-controlled, switchable semiconductor components include, for example, the self-blocking field effect transistor (MOSFET) and the insulated gate bipolar transistor (IGBT).
  • MOSFET self-blocking field effect transistor
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • MCT MOS Controlled Thyristor
  • GTO thyristors are significantly improved by means of a cascode circuit (control), whereas the additional effort is low compared to conventional control.
  • a GTO cascode circuit has a shorter storage time and a power drop time, whereby the turn-off capacity of the GTO thyristor expands and the wiring capacitor decreases.
  • gate unit complex control unit
  • the shutdown process is controlled with low power via the gate input of the MOSFET of the GTO cascode circuit.
  • FIG. 15 of this publication illustrates a constructive embodiment of a transistor cascode circuit according to FIG. 1 of this publication. This constructive embodiment (tension bandage) shows that it is not compact, but requires a lot of space.
  • a large-area high-current module is from the publication entitled "2000-A / l-m ⁇ Power MOSFET's in Wafer Repair Technigue", printed in IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, Vol.37, No .5, May 1990, pages 1397 to 1401 - nes field-controlled, switchable power semiconductor switch known.
  • This large-area MOSFET is housed in a disk-shaped insulating housing, which has a large-area contact plate on the end face.
  • This large-area MOSFET has an annular active area on the inside, which is covered with 96 identical semiconductor cells. Each cell represents a power MOSFET that has been manufactured together in a wafer process. After the wafer production, each semiconductor cell is tested for functionality.
  • a large-area high-current module of a field-controlled, switchable power semiconductor switch is known from German patent 39 10 470, which module has a plurality of semiconductor chips and two large-area, opposing contact plates. These semiconductor chips are electrically connected in parallel for the purpose of greater current carrying capacity. In addition, these semiconductor chips are arranged in the bores of a heat-conducting body made of insulating material, these bores being located on an arc. This insulating body is divided into two parts and is in contact with both one and the other large-area contact plate. So that the heat coefficient is approximately equal to the heat coefficient of the semiconductor chips, this warm- conductive insulating body made of silicon or aluminum trid.
  • each semiconductor chip is provided with two metal layers, each of which is in contact with a contact plate.
  • the gate electrodes of the individual chips are led out of the high-current module by means of a lead.
  • the object of the invention is to improve the known large-area high-current module in such a way that its manufacture is considerably simplified.
  • this large-area high-current module of a field-controlled, switchable power semiconductor switch with a GTO thyristor disk to form a hybrid GTO cascode.
  • the one contact plate has a plurality of recesses, in which several busbars are inserted by means of insulation, which are electrically conductive with the source connections the n low-voltage power chips are connected and that the other contact plate, which connects the source connections of the n low-voltage power chips to one another in an electrically conductive manner, is provided with webs corresponding to these busbars, not only simplifies the structure of the known large area High current module very much, but also its manufacture.
  • the large-area high-current module can be easily adapted to the drain current to be conducted by changing the number of low-voltage power chips.
  • the n low-voltage power chips are arranged in a plurality of concentric circles, the control connections of which are connected to one another in an electrically conductive manner with at least one ring line.
  • the contact plate which connects the drain connections of the n low-voltage power chips to one another in an electrically conductive manner, is divided into two mutually insulating parts, in one particularly advantageous embodiment the part of the contact plate being annular and the other part of this contact plate are circular and the circular part is enclosed by the annular part.
  • the drain connections of part of the n low-voltage power chips can be electrically connected in parallel by means of the circular contact plate, and the drain connections of the other low-voltage power chips can be connected in parallel using the circular contact plate.
  • the second large-area contact plate remains in one piece.
  • the n low-voltage power chips are not arranged between two large-area contact plates, but on the outer surface of a contact plate.
  • the two contact plates are arranged axially to one another and separated from one another by insulation.
  • the drain connections of the n low-voltage power chips are electrically connected in parallel by means of the outer surface of the first contact plate and the source connections are connected by means of the second contact plate.
  • the two contact plates are each subdivided into two parts which can be plugged into one another, both lateral surfaces of the two parts of the first contact plate being provided with low-voltage power chips.
  • a second large-area high-current module is thus obtained, which contains two large-area, field-controlled, switchable power semiconductor switches with a common source connection.
  • IG 1 shows a section through a first embodiment of a first large-area high-current module
  • IG 2 shows a sectional view according to section AB of FIG. 1
  • IG 3 shows a second embodiment of a first large-area high-current module
  • FIG. 4 showing a particularly advantageous embodiment 5 shows a first embodiment of a second large-area high-current module
  • FIG. 1 shows a section through a first embodiment of a first large-area high-current module of a field-controlled, switchable power semiconductor switch.
  • This high-current module has two large opposing contact plates 2 and 4 and n low-voltage power chips 6. These n low-voltage power chips 6 are connected with their drain connections in an electrically conductive manner to the contact plate 2, as a result of which these low-voltage power chips 6 are electrically connected in parallel.
  • the source connections 8 of these chips are electrically conductively connected to the contact plate 4 by means of bonding wires, as a result of which they are electrically connected in parallel.
  • the two contact plates 2 and 4 are insulated from one another at their contact surfaces by means of insulation 10.
  • a ring line 16 FIG. 2
  • This contact ring 18, to which the source connections of the n low-voltage power chips 6 are connected in an electrically conductive manner are therefore also called busbars.
  • the large-area contact plate 4 has webs 20 corresponding to these busbars 18, which in the assembled state are supported on these busbars 18.
  • This subdivision of the contact plate 4 considerably simplifies the manufacture of the large-area high-current module, since when the chips 6 are electrically conductively connected to the large-area contact plate 2 by means of their drain connections, the insulations 10 into the grooves or recesses provided in the contact plate 2 are inserted, in which the contact rings 18 are then inserted. The source connections 8 of the chips 6 are connected in an electrically conductive manner with these contact rings 18. Finally, the contact plate 4, which serves as a power source connection, is placed with its corresponding webs 20 on the contact rings 18 and the high-current module is clamped.
  • n low-voltage power chips 6 are arranged in a plurality of concentric circles. This allows the gate and source
  • Control connections 12 and 14 of the many chips 6 can be contacted simultaneously by means of a ring line 16.
  • This ring line 16 has two circular rings 22 and 24, the ring widths of which are different.
  • the two contact rings 22 and 24 are electrically insulated from one another.
  • the two ring lines 16 are electrically conductively connected to a gate and source control connection of the high-current module.
  • the number of low-voltage power chips 6 for a large-area high-current module depends on the one to be led
  • this high-voltage module is to be combined with a GTO thyristor to form a cascode circuit
  • the contact plate te 2 which serves as the power-drain connection of the high-current module, provided with a shoulder, so that a bearing surface for a GTO thyristor disk is formed.
  • the dimension of the receiving area for the chips 6 of the high-current module is thus fixed. If the high-current module is to be used, for example, as a large-area MOSFET module, the dimensions of the module are determined only by the number of chips 6 required.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the first large-area high-current module according to FIG. 1.
  • This embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 1 in that the large-area contact plate 2 is divided into two partial contact plates 26 and 28, which are electrically separated from one another by means of insulation 30.
  • One partial contact plate 26 is circular, whereas the other partial contact plate 28 is annular. The dimensions are chosen so that the partial contact plate 26 is arranged within the partial contact plate 28. So that the circular partial contact plate 26 cannot fall out of the surrounding partial contact plate 28, the partial contact plate 26 is provided with a circumferential shoulder.
  • the inner low-voltage power chips 6 (FIG. 2) are electrically connected in parallel with respect to their drain connections by means of the partial contact plate 26.
  • n-6 low-voltage power chips 6, which are arranged in two concentric circles according to FIG. 2, are electrically connected in parallel with respect to their drain connections by means of the annular partial contact plate 28.
  • a large-area high-current module is thus obtained which contains, for example, two high-current MOSFET modules which have a common power-source connection and separate power-drain connections.
  • the gate area of the GTO thyristor disk lies directly on the partial contact plate 26, whereas the cathode area of this GTO thyristor disk lies on the partial contact plate 28.
  • the two high-current MOSFET modules therefore require a different number of chips 6, since one MOSFET module carries the current of the GTO thyristor in the switched-on state and the other MOSFET module only has to carry the switch-off current for a few microseconds.
  • This close arrangement of the two MOSFET modules within a high current module means that the leakage inductance between these two MOSFET modules is very small. This makes it possible to commutate currents in the kA range from the cathode MOSFET to the gate MOSFET of a GTO cascode within a few 100 nsec.
  • FIG. 1 A particularly advantageous embodiment of the first large-area high-current module is illustrated in FIG.
  • the source connections of the n low-voltage power chips 6 are not electrically conductively connected to the contact plate 4 by means of bonding technology, but rather by means of a known low-temperature connection technology (NTV).
  • NTV low-temperature connection technology
  • the source contact is made over a large area via plates or foils.
  • the main difference from the first high-current module is that the n low-voltage power chips 6 are no longer arranged in one plane, but spatially.
  • the two contact plates 2 and 4 are electrically separated from one another at the end by means of an insulating layer 32.
  • the n low-voltage power chips 6 are arranged on the outer surface 34 of the contact plate 2 and are electrically connected in parallel by means of this outer surface 34.
  • the source connections 8 of each chip 6 are electrically conductively connected to the outer surface 36 of the contact plate 4 by means of bonding technology or by means of the known low-temperature connection technology (NTV).
  • this outer surface 34 is designed as an n-corner.
  • the lateral surface 36 of the contact plate 4 is also formed.
  • a GTO thyristor disk is placed with its gate cathode side on the contact plate 2 and then clamped. Since no low-voltage power chips 6 and cavities are arranged transversely to the direction of heat dissipation from the GTO thyristor disk, as in the first high-current module according to FIG. 1, particularly good heat transfer is ensured.
  • the clamping pressure of a built-in GTO cascode is transmitted over a large area by the MOSFET module. Another advantage of this arrangement is that the manufacture of this large-area high-current module is considerably simplified.
  • two sub-modules are combined to form a high-current module.
  • these sub-modules are identically constructed, so that can be arranged one within the other module part sectionmo ⁇ duls, this module component is eroded.
  • the diameter of this recess must be larger than the diameter of the sub-module to be accommodated so that the con- Clock plates 2, each used as a power drain connection, do not touch. So that this sub-module is fixed in its position within the sub-module, an insulating cylinder can be inserted into the intermediate space 38.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein großflächiges Hochstrommodul eines feldgesteuerten, abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalters, das zwei großflächige, gegenüberliegende Kontaktplatten und n feldgesteuerte, abschaltbare Niedervolt-Leistungs-Chips (6) aufweist, deren Drain-Anschlüsse mittels der einen Kontaktplatte (2) und deren Source-Anschlüsse (8) mittels der anderen Kontaktplatte (4) elektrisch parallel geschaltet sind, wobei diese Kontaktplatten (2, 4) an ihren Berührungsflächen jeweils voneinander isoliert sind. Erfindungsgemäß weist die eine Kontaktplatte (2) mehrere Ausnehmungen auf, in denen mittels Isolierungen (10) mehrere Sammelschienen (18) stecken, die elektrisch leitend mit den Source-Anschlüssen (8) der n Niedervolt-Leistungs-Chips (6) verbunden sind, und ist die Kontaktplatte (4), die die Source-Anschlüsse (8) der n Niedervolt-Leistungs-Chips (6) miteinander elektrisch leitend verbindet, mit zu diesen Sammelschienen korrespondierenden Stegen (20) versehen. Somit erhält man ein einfach herstellbares großflächiges hochstrommodul eines feldgesteuerten, abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalters, das mit einer GTO-Thyristorscheibe zu einer GTO-Kaskade-Schaltung in einem Gehäuse vereinigt werden kann.

Description

Beschreibung
Großflächiges Hochstrommodul eines feldgesteuerten, abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalters
Die Erfindung bezieht sich auf ein großflächiges Hochstrommodul eines feldgesteuerten, abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalters, das zwei großflächige, gegenüberliegende Kontaktplatten und n feldgesteuerte, abschaltbare Niedervolt- Leistungs-Chipε aufweist, deren Drain-Anschlüsse mittels der einen Kontaktplatte und deren Source-Anschlüsse mittels der anderen Kontaktplatte elektrisch parallel geschaltet sind, wobei diese Kontaktplatten an ihren Berührungsflächen jeweils voneinander isoliert sind.
Die feldgesteuerten, abschaltbaren Leistungs-Halbleiter- schalter (Transistoren) gehören wie bipolare Leistungstransistoren (LTR) zu den nichteinrastenden, abschaltbaren Lei- stungs-Halbleiterschaltern, bei denen ständig am Steuerein- gang ein Steuersignal anstehen muß, damit sie im leitenden
Zustand bleiben. Zu diesen feldgesteuerten, abschaltbaren Halbleiter-Bauelementen zählen beispielsweise der selbstsperrende Feldeffekttransistor (MOSFET) und der Insulated-Gate- Bipolar-Transistor (IGBT) . Der feldgesteuerte Thyristor, auch als MOS Controlled Thyristor (MCT) bezeichnet, gehört zu den einrastenden, abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschaltern.
Bei Leistungs-Halbleiterschaltern (Transistoren) mit MOS- Steuereingang geht die Entwicklung immer mehr in Richtung ho- her Stromtragfähigkeit der Module. Zur Zeit sind Hochstrommodule erhältlich, die bei einer Sperrf higkeit von 1700 V einen Drain-Source-Strom von 1200 A führen können. Mit dem Anstieg der Stromtragfähigkeit steigt auch der Wert der Stromänderungsgeschwindigkeit, insbesondere beim Abschalten des Moduls, erheblich an. Ein derartiges Hochstrommodul kann we- gen seiner großen Bauform (keine beidseitigen Druckkontakte, sondern einseitige Schraubanschlüsse) nicht mit einem ab- schaltbaren Thyristor (GTO) zu einer kompakten GTO-Kaskoden- Schaltung verschaltet werden. Außerdem haben diese beiden Leistungs-Halbleiterschalter auch unterschiedliche Bauformen, die nicht ohne großen Aufwand miteinander verschaltet werden können .
Mittels einer Kaskoden-Schaltung (Ansteuerung) werden die dy- namischen Eigenschaften von GTO-Thyristoren wesentlich verbessert, wogegen der zusätzliche Aufwand gegenüber einer konventionellen Ansteuerung gering ist. Eine GTO-Kaskoden-Schal- tung weist eine kürzere Speicherzeit und Stromfallzeit auf, wobei sich das Abschaltvermögen des GTO-Thyristors ausweitet und der Beschaltungskondensator sich verkleinert. Außerdem kann auf eine aufwendige Ansteuereinheit (Gate-Unit) für den GTO-Thyristor verzichtet werden. Die Steuerung des Abschaltvorgangs geschieht leistungsarm über den Gateeingang des MOS- FET's der GTO-Kaskoden-Schaltung .
In der Veröffentlichung mit dem Titel "GTO thyristor and bipolar transistor cascode Switches", abgedruckt in IEE PRODEEDINGS, Pt . B . , Vol.137, No .3 , May 1990, Seiten 141 bis 153 wird eine GTO-Kaskoden-Schaltung und eine Bipolar Transi- stör Kaskoden-Schaltung besprochen. In der FIG 15 dieser Veröffentlichung ist eine konstruktive Ausführungsform einer Transistor-Kaskoden-Schaltung gemäß FIG 1 dieser Veröffentlichung veranschaulicht. Dieser konstruktiven Ausführungsform (Spannverband) ist zu entnehmen, daß diese nicht kompakt ist, sondern viel Platz benötigt.
Aus der Veröffentlichung mit dem Titel "2000-A/l-mΩ Power MOSFET's in Wafer Repair Technigue", abgedruckt in IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, Vol.37, No .5 , May 1990, Seiten 1397 bis 1401 ist ein großflächiges Hochstrommodul ei- nes feldgesteuerten, abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalters bekannt. Dieser großflächige MOSFET ist m einem scheibenförmigen Isoliergehause untergebracht, das stirnseitig jeweils eine großflächige Kontaktplatte aufweist. Dieses groß- flachige MOSFET weist im Inneren einen kreisringformigen aktiven Bereich auf, der mit 96 identischen Halbleiterzellen bedeckt ist. Jede Zelle stellt einen Leistungs-MOSFET dar, die gemeinsam m einem Waferprozeß gefertigt worden sind. Nach der Waferherstellung wird jede Halbleiterzelle auf Funk- tionsfahigkeit getestet. Nachdem alle Halbleiterzellen auf dem Wafer getestet worden sind, werden diese Halbleiterzellen derart miteinander verschaltet, daß nur die intakten Halbleiterzellen elektrisch parallel geschaltet sind. Für diese Ver- schaltung werden mehrere elektrisch leitende und elektrisch isolierende Schichten verwendet. Diese Silizium-Tablette ist dann in einem Thyristor-Scheibengehause untergebracht.
Mit einem derartigen Hochstrommodul eines MOSFET's können die bekannten GTO-Kaskoden-Schaltungen kompakter aufgebaut wer- den. Die Herstellung dieses großflächigen Hochstrom-MOSFET' s ist jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv.
Aus dem deutschen Patent 39 10 470 ist ein großflächiges Hochstrommodul eines feldgesteuerten, abschaltbaren Lei- stungs-Halbleiterschalters bekannt, das mehrere Halbleiter- Chips und zwei großflächige, gegenüberliegende Kontaktplatten aufweist. Diese Halbleiter-Chips sind zum Zwecke einer größeren Stromtragfahigkeit elektrisch parallel geschaltet. Außerdem sind diese Halbleiter-Chips m Bohrungen eines warmelei- tenden Korpers aus Isoliermaterial angeordnet, wobei sich diese Bohrungen auf einem Kreisbogen befinden. Dieser Isolierkörper ist zweigeteilt und steht sowohl mit einem als auch mit der anderen großflächigen Kontaktplatte m Berührung. Damit der Warmekoeffizient annähernd gleich dem Warme- koeffizient der Halbleiter-Chips ist, besteht dieser warme- leitende Isolierkörper aus Silizium oder Aluminiumtrid. Dadurch wird die in jedem Chip erzeugte Wärme abgeleitet, so daß die Wärmespannung in Durchmesserrichtung verringert wird, wodurch diese Chips nicht mehr beschädigt werden. Für die Kontaktierung der mehreren Chips mit den großflächigen Kontaktplatten ist jeder Halbleiter-Chip mit zwei Metallschichten versehen, die jeweils in Kontakt mit einer Kontaktplatte steht . Die Gate-Elektroden der einzelnen Chips sind mittels einer Zuleitung aus dem Hochstrommodul geführt.
Aus dem Abstract der japanischen Patentanmeldung 62-150871, abgedruckt in "Patents Abstracts of Japan", See. E, Vol. 11, 15. Dec. 1987, No . 384 (E-565), ist eine Halbleitervorrichtung bekannt, die mehrere GTO-Chips aufweist, die in einem Kreis angeordnet sind. Diesen mehreren GTO-Chips sind mehrere Halbleiter-Chips zugeordnet, die ebenfalls in einem Kreis angeordnet sind. Diese beiden Kreise sind konzentrisch zueinander angeordnet. Diese Chips sind mittels Bonddrähten mit Kathoden- und Gate-Leitung elektrisch leitend verbunden. Außer- dem sind diese Chips elektrisch parallel geschalten.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das bekannte großflächige Hochstrommodul derart zu verbessern, daß deren Herstellung sich wesentlich vereinfacht. Außerdem soll die Möglichkeit bestehen, dieses großflächige Hochstrommodul eines feldgesteuerten, abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalters mit einer GTO-Thyristorscheibe zu einer hybriden GTO- Kaskode zu vereinigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, daß die eine Kontaktplatte mehrere Ausnehmungen aufweist, in denen mittels Isolierungen mehrere Sammelschienen stecken, die elektrisch leitend mit den Source-Anschlüssen der n Niedervolt-Leistungs-Chips verbunden sind und daß die andere Kontaktplatte, die die Source-Anschlüsse der n Niedervolt-Leistungs-Chips miteinander elektrisch leitend verbindet, mit zu diesen Sammelschienen korrespondierenden Stegen versehen ist, vereinfacht sich nicht nur der Aufbau des bekannten großflächigen Hochstrommoduls sehr, sondern auch dessen Herstellung. Außerdem kann das großflächige Hochstrommodul durch Änderung der Anzahl der Niedervolt-Leistungs-Chips einfach an den zu führenden Drainstrom angepaßt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform eines ersten großflächigen Hochstrommoduls sind die n Niedervolt-Leistungs-Chips in mehrere konzentrische Kreise angeordnet, wobei deren Steuer-Anschlüsse mit wenigstens einer Ringleitung miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Dadurch wird eine hohe Anzahl von Niedervolt-Leistungs-Chips in das großflächige Hochstrommodul untergebracht, ohne daß der Aufbau dadurch komplizierter wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des großflächigen Hochstrommoduls ist die Kontaktplatte, die die Drain- Anschlüsse der n Niedervolt-Leistungs-Chips miteinander elektrisch leitend verbindet, in zwei voneinander isolierenden Teilen unterteilt, wobei in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der eine Teil der Kontaktplatte kreisringförmig und der andere Teil dieser Kontaktplatte kreisförmig ausgebildet sind und der kreisförmige Teil vom kreisringförmigen Teil umschlossen ist. Dadurch können die Drain-Anschlüsse eines Teils der n Niedervolt-Leistungs-Chips mittels der kreis- ringförmigen Kontaktplatte, die Drain-Anschlüsse der anderen Niedervolt-Leistungs-Chips mittels der kreisförmigen Kontaktplatte elektrisch parallel geschaltet werden. Die zweite großflächige Kontaktplatte bleibt dabei einstückig. Dadurch erhält man ein großflächiges Hochstrommodul, das zwei groß- flächige feldgesteuerte, abschaltbare Leistungs-Halbleiter- Schalter aufweist, die einen gemeinsamen Source-Anschluß haben. Somit kann man eine komplette GTO-Kaskoden-Schaltung, bestehend aus einem GTO-Thyristor und zwei großflächigen, feldgesteuerten, abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschaltern, komplett in einer Baueinheit aufbauen.
Bei einem zweiten großflächigen Hochstrommodul sind die n Niedervolt-Leistungs-Chips nicht zwischen zwei großflächigen Kontaktplatten angeordnet, sondern auf der Mantelfläche einer Kontaktplatte. Die beiden Kontaktplatten sind axial zueinander angeordnet und durch eine Isolierung voneinander getrennt . Auch bei diesem zweiten großflächigen Hochstrommodul sind die Drain-Anschlüsse der n Niedervolt-Leistungs-Chips mittels der Mantelfläche der ersten Kontaktplatte und die Source-Anschlüsse mittels der zweiten Kontaktplatte elektrisch parallel geschaltet. Diese Ausführungsform wird dann verwendet, wenn bei einer GTO-Kaskoden-Schaltung zwischen dem GTO-Thyristor und diesem zweiten großflächigen Hochstrommodul eine gute Wärme- und Druckübertragung gewährleistet werden soll.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform dieses zweiten großflächigen Hochstrommoduls sind die beiden Kontaktplatten jeweils in zwei ineinander steckbare Teile unterteilt, wobei beide Mantelflächen der beiden Teile der ersten Kontaktplatte mit Niedervolt-Leistungs-Chips versehen sind. Somit erhält man ein zweites großflächiges Hochstrommodul, das zwei großflächige, feldgesteuerte, abschaltbaren Leistungs-Halbleiter- schalter mit einem gemeinsamen Source-Anschluß beinhaltet .
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung bezug genommen, in der mehrere Auεführungsbeispiele eines ersten und zweiten großflächigen Hochstrommoduls nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind. IG 1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines ersten großflächigen Hochstrommoduls, wobei in IG 2 eine Schnittdarstellung gemäß dem Schnitt A-B der FIG 1 dargestellt ist, die IG 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines ersten großflächigen Hochstrommoduls, wobei in FIG 4 eine besonders vorteilhafte Ausführungsform dargestellt ist, in FIG 5 ist eine erste Ausführungsform eines zweiten großflä- chigen Hochstrommoduls dargestellt, wogegen die
FIG 6 eine vorteilhafte Ausführungsform dieses zweiten Hochstrommoduls zeigt.
In der FIG 1 ist ein Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines ersten großflächigen Hochstrommoduls eines feldgesteuerten, abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalters dargestellt. Dieses Hochstrommodul weist zwei großflächige gegenüberliegende Kontaktplatten 2 und 4 und n Niedervolt-Leistungs-Chips 6 auf. Diese n Niedervolt-Leistungs-Chips 6 sind mit ihren Drain-Anschlüssen elektrisch leitend mit der Kontaktplatte 2 verbunden, wodurch diese Niedervolt-Leistungs- Chips 6 elektrisch parallel geschaltet sind. Die Source- Anschlüsse 8 dieser Chips sind mittels Bonddrähten mit der Kontaktplatte 4 elektrisch leitend verbunden, wodurch diese elektrisch parallel geschaltet sind. Die beiden Kontaktplatten 2 und 4 sind an ihren Berührungsflächen mittels einer Isolierung 10 voneinander isoliert. Die Gate- und Source- Steueranschlüsse 12 und 14, die hier der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind, sind ebenfalls mittels einer Ringlei- tung 16 (FIG 2) elektrisch parallel geschaltet. Wie dieser Schnittdarstellung zu entnehmen ist, werden die Source- Anschlüsse 8 der n Niedervolt-Leistungs-Chips 6 mittels Bond¬ drähte mit einem Kontaktring 18 elektrisch leitend verbunden. Dieser Kontaktring 18, mit dem die Source-Anschlüsse der n Niedervolt-Leistungs-Chips 6 elektrisch leitend verbunden sind, wird auch deshalb Sammelschiene genannt. Die großflächige Kontaktplatte 4 weist zu diesen Sammelschienen 18 korrespondierende Stege 20 auf, die im zusammengebauten Zustand sich auf diesen Sammelschienen 18 abstützen. Durch diese Un- terteilung der Kontaktplatte 4 vereinfacht sich die Herstellung des großflächigen Hochstrommoduls wesentlich, da, wenn die Chips 6 mittels ihrer Drain-Anschlüsse mit der großflächigen Kontaktplatte 2 elektrisch leitend verbunden sind, die Isolierungen 10 in die vorgesehenen Nuten bzw. Ausnehmungen der Kontaktplatte 2 gesteckt werden, in denen dann die Kontaktringe 18 gesteckt werden. Mit diesen Kontaktringen 18 werden die Source-Anschlüsse 8 der Chips 6 elektrisch leitend verbunden. Zum Schluß wird die Kontaktplatte 4, die als Lei- stungs-Source-Anschluß dient, mit seinen korrespondierenden Stegen 20 auf die Kontaktringe 18 gesetzt und das Hochstrommodul verspannt .
Aus der Schnittdarstellung A-B der FIG 2 ist zu erkennen, daß die n Niedervolt-Leistungs-Chips 6 in mehrere konzentrische Kreise angeordnet sind. Dadurch können die Gate- und Source-
Steueranschlüsse 12 und 14 der vielen Chips 6 gleichzeitig mittels einer Ringleitung 16 kontaktiert werden. Diese Ringleitung 16 weist zwei Kreisringe 22 und 24 auf, deren Ringbreiten unterschiedlich sind. Die beiden Kontaktringe 22 und 24 sind voneinander elektrisch isoliert. Mittels einer Zuleitung, die aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist, werden die beiden Ringleitungen 16 mit einem Gate- und Source-Steueranschluß des Hochstrommoduls elektrisch leitend verbunden. Die Anzahl der Niedervolt-Leistungs-Chips 6 für ein großflächiges Hochstrommodul hängt von dem zu führenden
Drain-Sourcestrom und von dem Durchlaßwiderstand eines jeden Chips 6 ab.
Soll dieses Hochstommodul mit einem GTO-Thyristor zu einer Kaskoden-Schaltung kombiniert werden, so ist die Kontaktplat- te 2, die als Leistungs-Drain-Anschluß des Hochstrommoduls dient, mit einem Absatz versehen, so daß eine Auflagefläche für eine GTO-Thyristorscheibe entsteht. Dadurch erhält man eine hybride Integration einer GTO-Thyristorscheibe und die- ses Hochstrommoduls, beispielsweise eines großflächigen Hoch- strom-MOSFET-Moduls, wenn n Niedervolt-Leistungs-MOSFET' s- Chips 6 verwendet werden. Bei einer Kombination mit einer GTO-Thyristorscheibe ist somit die Abmessung der Aufnahmefläche für die Chips 6 des Hochstrommoduls festgelegt. Soll das Hochstrommodul beispielsweise als großflächiges MOSFET-Modul Verwendung finden, so werden die Abmessungen des Moduls nur durch die Anzahl der benötigten Chips 6 bestimmt.
In der FIG 3 ist eine weitere Ausführungsform des ersten großflächigen Hochstrommoduls nach FIG 1 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in der FIG 1 dargestellten Ausführungsform dadurch, daß die großflächige Kontaktplatte 2 in zwei Teilkontaktplatten 26 und 28 unterteilt ist, die mittels einer Isolierung 30 voneinander elektrisch getrennt sind. Die eine Teilkontaktplatte 26 ist kreisförmig ausgebildet, wogegen die andere Teilkontaktplatte 28 ringförmig ausgebildet ist. Dabei sind die Abmessungen so gewählt, daß die Teilkontaktplatte 26 innerhalb der Teilkontaktplatte 28 angeordnet ist. Damit die kreisförmige Teilkontaktplatte 26 nicht aus der ihr umgebenden Teilkontaktplatte 28 herausfallen kann, ist die Teilkontaktplatte 26 mit einem umlaufenden Absatz versehen. Mittels der Teilkontaktplatte 26 werden die inneren Niedervolt-Leistungs-Chips 6 (FIG 2) bezüglich ihrer Drain-Anschlüsse elektrisch parallel geschaltet. Die n-6 Niedervolt-Leistungs-Chips 6, die gemäß der FIG 2 in zwei konzentrische Kreise angeordnet sind, werden bezüglich ihrer Drain-Anschlüsse mittels der kreisringförmigen Teilkontaktplatte 28 elektrisch parallel geschaltet. Somit erhält man ein großflächiges Hochstrommodul, das beispielsweise zwei Hochstrom-MOSFET-Module enthält, die einen gemeinsamen Leistungs-Source-Anschluß und getrennte Lei- stungs-Drain-Anschlüsse aufweisen. Dadurch besteht die Mög- lichkeit, eine GTO-Kaskoden-Schaltung, bestehend aus einem GTO-Thyristor und zwei MOSFET-Leistungsschaltern, in ein Hochstrommodul zu integrieren, wodurch ein GTO-Kaskoden- Bauelement entsteht, das als solches auch verwendet werden kann. Der Gate-Bereich der GTO-Thyristorscheibe liegt direkt auf der Teilkontaktplatte 26 auf, wogegen der Kathodenbereich dieser GTO-Thyristorscheibe auf der Teilkontaktplatte 28 aufliegt. Die beiden Hochstrom-MOSFET-Module benötigen deshalb eine unterschiedliche Anzahl von Chips 6, da das eine MOSFET- Modul den Strom des GTO-Thyristors im eingeschalteten Zustand führt und das andere MOSFET-Modul nur den Abschaltstrom für einige Mikrosekunden führen muß. Durch diese enge Anordnung der beiden MOSFET-Module innerhalb eines Hochstrommoduls ist die Streuinduktivität zwischen diesen beiden MOSFET-Modulen sehr klein. Dadurch besteht die Möglichkeit, Ströme im kA- Bereich innerhalb von wenigen 100 nsec vom Kathoden-MOSFET auf den Gate-MOSFET einer GTO-Kaskode kommutieren zu können.
In der FIG 4 ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des ersten großflächigen Hochstrommoduls veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform werden die Source-Anschlüsse der n Niedervolt-Leistungs-Chips 6 nicht mittels Bondtechnik mit der Kontaktplatte 4 elektrisch leitend verbunden, sondern mittels einer bekannten Niedertemperatur-Verbindungstechnik (NTV) . Dabei erfolgt die Source-Kontaktierung großflächig über Platten oder Folien. Dadurch kann die Streuinduktivität innerhalb des Moduls noch weiter reduziert und seine Lastwechselfestigkeit deutlich erhöht werden.
Die FIG 5 und 6 zeigen nun jeweils eine Ausführungsform eines zweiten Hochstrommoduls äquivalent zu den Ausführungsformen gemäß den FIG 1 und 3 eines ersten Hochstrommoduls . Der wesentliche Unterschied zum ersten Hochstrommodul besteht darin, daß die n Niedervolt-Leistungs-Chips 6 nicht mehr in einer Ebene, sondern räumlich angeordnet sind. Die beiden Kon- taktplatten 2 und 4 sind stirnseitig mittels einer Isolierschicht 32 elektrisch voneinander getrennt. Die n Niedervolt- Leistungs-Chips 6 sind auf der Mantelfläche 34 der Kontaktplatte 2 angeordnet und mittels dieser Mantelfläche 34 elektrisch parallel geschaltet. Die Source-Anschlüsse 8 jedes Chips 6 sind mittels Bondtechnik oder mittels der bekannten Niedertemperatur-Verbindungstechnik (NTV) verbundene Metallfolien mit der Mantelfläche 36 der Kontaktplatte 4 elektrisch leitend verbunden. Damit die Chips 6 großflächig mit der Mantelfläche 34 der Kontaktplatte 2 in Kontakt sind, ist diese Mantelfläche 34 als n-Ecke ausgebildet. Ebenso ist die Mantelfläche 36 der Kontaktplatte 4 ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung des Hochstrommoduls wird eine GTO-Thyristorscheibe mit seiner Gate-Kathodenseite auf die Kontaktplatte 2 gelegt und dann verspannt . Da quer zur Richtung der Wärmeabführung von der GTO-Thyristorscheibe keine Niedervolt-Leistungs-Chips 6 und Hohlräume wie bei dem ersten Hochstrommodul gemäß FIG 1 angeordnet sind, wird eine besonders gute Wärmeübertragung gewährleistet. Außerdem wird der Spanndruck einer eingebauten GTO-Kaskode großflächig durch das MOSFET-Modul übertragen. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß sich die Herstellung dieses großflächigen Hochstrommoduls wesentlich vereinfacht.
Bei der Ausführungsform gemäß FIG 6 sind wie bei der Ausfüh- rungsform gemäß FIG 3 zwei Teilmodule zu einem Hochstrommodul zusammengefaßt. Dabei sind diese Teilmodule identisch aufgebaut, damit das eine Teilmodul innerhalb des anderen Teilmo¬ duls angeordnet werden kann, ist dieses Teilmodul ausgehöhlt. Dabei muß der Durchmesser dieser Ausnehmung größer sein als der Durchmesser des aufzunehmenden Teilmoduls, damit die Kon- taktplatten 2, die jeweils als Leistungs-Drain-Anschluß Verwendung finden, sich nicht berühren. Damit dieses Teilmodul in seiner Lage innerhalb des Teilmoduls fixiert ist, kann ein Isolierzylinder in den Zwischenraum 38 eingebracht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Großflächiges Hochstrommodul eines feldgesteuerten, abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalters, das zwei großflä- chige, gegenüberliegende Kontaktplatten (2,4) und n feldgesteuerte, abschaltbare Niedervolt-Leistungs-Chips (6) aufweist, deren Drain-Anschlüsse mittels der einen Kontaktplatte (2) und deren Source-Anschlüsse (8) mittels der anderen Kontaktplatte (4) elektrisch parallel geschaltet sind, wobei diese Kontaktplatten (2,4) an ihren Berührungsflächen jeweils voneinander isoliert sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kontaktplatte (2) mehrere Ausnehmungen aufweist, in denen mittels Isolierungen (10) mehrere Sammelschienen (18) stecken, die elektrisch leitend mit den Source-Anschlüssen (8) der n Niedervolt-Leistungs-Chips (6) verbunden sind und daß die Kontaktplatte (4) , die die Source-Anschlüsse (8) der n Niedervolt-Leistungs-Chips (6) miteinander elektrisch leitend verbindet, mit zu diesen Sammelschienen (18) korrespon- dierenden Stegen (20) versehen ist.
2. Großflächiges Hochstrommodul nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die n Niedervolt-Leistungs-Chips (6) in mehrere konzen- trische Kreise angeordnet sind und daß die Sammelschienen (18) und die korrespondierenden Stege (20) kreisringförmig ausgebildet sind.
3. Großflächiges Hochstrommodul nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die n Niedervolt-Leistungs-Chips (6) jeweils einen Gate- und einen Source-Steueranschluß (12,14) aufweisen.
4. Großflächiges Hochstrommodul nach Anspruch 1 und 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Gate-Steueranschlüsse (12) und die Source-Steueran- schlüsse (14) der n Niedervolt-Leistungs-Chips (6) jeweils mittels einer Ringleitung (22,24) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
5. Großflächiges Hochstrommodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kontaktplatte (2), die die Drain-Anschlüsse der n Niedervolt-Leistungs-Chips (6) miteinander elektrisch leitend verbindet, in zwei voneinander isolierten Teilkontaktplatten (26,28) unterteilt ist.
6. Großflächiges Hochstrommodul nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Teilkontaktplatte (28) kreisringförmig und die Teilkontaktplatten (26) kreisförmig ausgebildet sind, wobei diese beiden Teile (26,28) ineinander steckbar sind.
7. Großflächiges Hochstrommodul eines feldgesteuerten, abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalters, das n Halbleiterelemente und zwei großflächige, gegenüberliegende Kontaktplatten (2,4) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für die n-Halbleiter-Elemente jeweils ein feldgesteuerter, abschaltbarer Niedervolt-Leistungs-Chip (6) vorgesehen ist, die auf der Mantelfläche (34) der einen Kontaktfläche (2) angeordnet sind, daß die Drain-Anschlüsse dieser n Niedervolt-Leistungs-Chips (6) mittels der Mantelfläche (34) elektrisch parallel geschaltet sind, daß die Source-Anschlüsse (8) der n Niedervolt-Leistungs-Chips (6) mittels einer Mantelfläche (36) der anderen Kontaktplatte (4) elektrisch parallel geschaltet sind und daß diese beiden Kontaktplatten (2,4) mittels einer Isolierschicht (32) voneinander isoliert sind.
8. Großflächiges Hochstrommodul nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kontaktplatten (2,4) jeweils n-förmig ausgebildet sind.
9. Großflächiges Hochstrommodul nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Hochstrommodul in zwei Teilmodule unterteilt ist, die ineinander steckbar sind, wobei in einem Zwischenraum (38) ein Isolierhohlzylinder eingebracht ist.
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