WO2002013260A2 - Schaltungsanordnung mit wenigstens zwei halbleiterkörpern und einem kühlkörper - Google Patents

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WO2002013260A2
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Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement which has a semiconductor switching element which is integrated in a first semiconductor body and, in addition, a further semiconductor component which is connected in series and which is integrated in a second semiconductor body.
  • the semiconductor switching element is in particular a power transistor and the semiconductor component connected in series with it is in particular a diode.
  • FIG. 1 An example of this is a step-up switching regulator shown in FIG. 1, the task of which is to generate an at least approximately constant output voltage Vout from an input voltage Vin.
  • a power transistor T is connected in series with a coil L to the input voltage Vin, a series circuit of a diode DD and a capacitor C being connected in parallel with the power transistor T, the diode DD and the power transistor T being connected to one another.
  • the power transistor T is controlled by means of a control circuit IC, the current consumption of the coil L and a current flow from the coil L via the diode DD to the capacitor C being dependent on the control of the power transistor T.
  • the diode DD prevents the capacitor C from being discharged via the power transistor T when the power transistor T is conducting.
  • Power transistors that are able to switch voltages up to a few hundred volts and currents up to a few amperes require cooling measures in order to prevent the power transistor from being destroyed during operation due to overheating.
  • a heat sink which consists of a good heat-conducting material, for example a metal.
  • the power transistor is soldered to the heat sink in order to achieve an optimal heat-conducting connection between the semiconductor body and the heat sink. This also results in an electrically conductive connection between the semiconductor body and the heat sink, which can lead to problems in certain circuit applications or when using certain power transistors.
  • a first load path connection (source connection) and a control connection (gate connection) of the power transistor are usually located on a front side of the platelet-shaped semiconductor body, while the second load path connection (drain connection) is on a rear side facing away from the front side of the semiconductor body is located. If the back of the semiconductor body is soldered to the heat sink, the heat sink has the same electrical potential as the drain connection of the power transistor. This then leads to problems if the power transistor is used as a so-called low-side switch, as in the example shown in FIG. 1, ie if the source connection of the power transistor is connected to a reference potential and if the drain connection is connected via a Load is connected to a supply potential.
  • the potential at the drain connection changes in such applications depending on the switching state of the power transistor. With rapidly clocked power transistors, such as those used in step-up switching regulators, this results in a change in the potential at the drain connection . with high frequency and steep slope.
  • the heat sink which is electrically connected to the drain connection, acts like an antenna which emits an undesired high-frequency electromagnetic interference radiation.
  • the aim of the present invention is to provide a circuit arrangement with a semiconductor switch and a further semiconductor component, in which simple to be realized cooling of the semiconductor switching element is ensured without emitting electromagnetic interference radiation and which in particular does not have the disadvantages mentioned above.
  • the second semiconductor body in which the further semiconductor component is integrated, is applied directly to the heat sink, while the first semiconductor body, in which the semiconductor switching element is integrated, is applied to a side of the second semiconductor body facing away from the heat sink.
  • the invention makes use of the fact that when a power transistor and a diode are connected in series in a step-up switching regulator for which the present invention is particularly suitable, a potential which is not present is present at the connection of the diode which is remote from the power transistor or which changes only slowly.
  • the second semiconductor body can therefore be connected to the heat sink in an electrically conductive manner without the emission of electromagnetic interference radiation.
  • the second semiconductor body can be soldered onto the heat sink, for example, using customary assembly methods. Since an electrically conductive connection between the first semiconductor body, or the power transistor, and the second semiconductor body, or the diode, is desired and required, the first semiconductor body can also be soldered onto the second semiconductor body by means of customary assembly techniques. Due to the good heat transfer between the heat sink per and the second semiconductor body and between the second semiconductor body and the first semiconductor body there is a good heat transfer between the first semiconductor body and the heat sink, whereby good cooling of the first semiconductor body takes place via the second semiconductor body and the heat sink.
  • any other connection measures are of course suitable in connection with the invention, which provide good heat transfer between the semiconductor bodies and between the second semiconductor body and the heat sink and an electrically conductive connection between these components guarantee.
  • the semiconductor body and the second semiconductor body and the heat sink can be glued together, for example.
  • a further semiconductor body in which a control circuit for the semiconductor switch is integrated, is applied to the first semiconductor body in which the semiconductor switch is integrated.
  • the further semiconductor body can be applied to the first semiconductor body, for example, by soldering or gluing.
  • a further semiconductor switch which is integrated in a fourth semiconductor body, is arranged on the heat sink.
  • This allows a simple Realize series connection of two semiconductor switches, the diode integrated in the second semiconductor body being connected in terms of circuitry in parallel to the other semiconductor switches and acting as a free-wheeling diode for them.
  • Figure 1 step-up switching regulator according to the prior art for using the circuit arrangement according to the invention
  • Figure 2 'Circuit arrangement according to the invention with a first semiconductor body, a second semiconductor body and a heat sink, which are arranged one above the other;
  • Figure 3 another embodiment of an inventive
  • Circuit arrangement with a further semiconductor body arranged on the first semiconductor body, which has an integrated control circuit;
  • FIG. 4 embodiment of a circuit arrangement according to the invention, in which a plurality of semiconductor bodies with further integrated semiconductor switches are arranged on the heat sink in addition to a plurality of first and second semiconductor bodies;
  • FIG. 5 electrical equivalent circuit diagram of the circuit arrangement according to FIG. 4. Unless otherwise stated, the same reference symbols in the figures denote the same parts with the same meaning.
  • Figure 1 shows a so-called step-up switching regulator according to the prior art, which has a series connection of a power transistor T and a diode DD, a source terminal S of the power transistor T being connected to a reference potential GND, and a drain terminal D of Power transistor T is connected to an anode connection of the diode DD.
  • a control circuit IC is provided, which is connected by means of an output terminal to a gate terminal G of the power transistor T.
  • the drain terminal D of the power transistor T is connected via a coil L to a supply potential Vin.
  • the cathode connection K of the diode DD is connected to a connection of a capacitor C, the other connection of which is connected to the reference potential GND.
  • An output voltage Vout can be tapped across the capacitor C.
  • FIG. 2 shows a sectional side view of a circuit arrangement for realizing the series connection of the power transistor T and the diode DD shown in FIG. 1, in which a good cooling of the power transistor T is ensured without electromagnetic interference radiation being emitted.
  • Corresponding connections are identified in FIGS. 1 and 2 by the same reference symbols.
  • the circuit arrangement according to the invention has a first semiconductor body 10, in which the power transistor T is integrated, and a second semiconductor body 20, in which the diode DD is integrated.
  • Both the power transistor T and the diode DD are designed as so-called vertical components, that is to say that connections of a component are located on opposite surfaces of the semiconductor body.
  • the first semiconductor body 10 has a front side 101, on which a contact 41 for the gate terminal G and a contact 11 for the source terminal S of the power transistor T is formed.
  • the second semiconductor body has a front side 201, which forms the anode connection of the diode DD, and it has a rear side 202, which forms the cathode connection of the diode DD.
  • the rear side 102 of the first semiconductor body 10 is electrically conductively connected to the front side 201 of the second semiconductor body.
  • an electrically conductive intermediate layer 21 is formed between these two semiconductor bodies 10, 20, which preferably consists of a metal and by means of which the two semiconductor bodies 10, 20 are connected to one another.
  • the second semiconductor body 20 is larger than the first semiconductor body 10, so that the second semiconductor body 20 protrudes below the applied first semiconductor body 10.
  • the conductive intermediate layer 21 also protrudes beneath the first semiconductor body 10 and enables contacting of the rear side 102 of the first semiconductor body 10, or of the drain terminal D of the transistor T, over a region 42 next to the first semiconductor body 10.
  • the conductive intermediate layer 21 preferably covers between the first and second semiconductor bodies 10, 20 completely the front side 201 of the second semiconductor body 20.
  • the second semiconductor body 20 with the first semiconductor body 10 lying thereon is applied to a heat sink 30, which is used, in particular, to absorb the heat generated in the first semiconductor body 10 of the power transistor T and to dissipate it to the environment.
  • the heat sink 30 is preferably of substantially larger area than the first and second semiconductor bodies 10, 20.
  • a connection layer 31 is provided between the second semiconductor body 20 and the heat sink 30, which has a low thermal resistance in order to be able to dissipate the heat well from the semiconductor bodies 10, 20.
  • the connecting layer 31 preferably consists of a metal, it being possible for the second semiconductor body 20 to be soldered onto the heat sink 30 by means of the intermediate layer 31.
  • a contact 43 is provided on the heat sink 30 for contacting the cathode connection of the diode DD arranged on the rear side 202 of the second semiconductor body 20.
  • the second semiconductor body 20 is applied to the heat sink 30 and directly connected to it in an electrically conductive manner by the electrically conductive connection layer 31.
  • the first semiconductor body 10 is applied to the second semiconductor body 20, the first and second semiconductor bodies 10, 20 being directly electrically conductively connected to one another by the electrically conductive intermediate layer 21. they are.
  • the establishment of an electrically conductive connection between the first and second semiconductor bodies 10, 20 via line connections is not necessary in the arrangement according to the invention.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a circuit arrangement according to the invention, which differs from the embodiment shown in FIG. 2 in that a third semiconductor body 40 is applied to the first semiconductor body 10, in which a drive circuit IC for the in the first semiconductor body integrated circuit breaker T is integrated.
  • a connection terminal AK of the control circuit IC is connected to the gate connection G, 41 of the first semiconductor body 10.
  • the third semiconductor body 40 is preferably applied to the first semiconductor body 10 by means of an electrically insulating intermediate layer 44.
  • a metallization level 211 is applied to the front side 201 of the second semiconductor body 20, which preferably completely covers the front side 201.
  • An electrically conductive connection layer 212 preferably a solder material — is formed between the rear side 102 of the first semiconductor body 10 and the metallization level 211 in order to electrically conductively connect the rear side 102 of the first semiconductor body 10 and the front side 201 of the second semiconductor body 20.
  • the metallization level 211 and the connection layer 212 form an electrically conductive intermediate layer 21.
  • a region 42 of the metallization level 211 which is exposed next to the first semiconductor body 10 forms a contact D, A for the drain connection of the transistor T in the first semiconductor body 10 or for the anode of the diode DD in the second semiconductor body 20.
  • the in the region of the back 102 of the first semiconductor body 10 arranged drain zone can be contacted via the contact 42 in a simple manner.
  • the contact 42 forms a common connection for the A-node A of the diode DD and the drain D of the transistor T.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention in a perspective view, in which a plurality of second semiconductor bodies 22, 24, 26 with first semiconductor bodies 12, 14, 16 lying above them are applied to a heat sink 32.
  • each first semiconductor body is in which a vertical transistor is integrated, 12, 14, 16 is connected to the respective second semiconductor body 22, 24, 26 with good thermal and electrical conductivity.
  • every second semiconductor body 22, 24, 26, in which a diode is integrated is connected to the heat sink 32 with good heat and electrical conductivity.
  • Fourth semiconductor bodies 52, 54, 56, in which further semiconductor switches are integrated, are applied to the heat sink 32.
  • These semiconductor switches are likewise designed as vertical transistors, the rear sides of the semiconductor bodies 52, 54, 56 being connected to the heat sink 32 in an electrically conductive and highly heat-conductive manner.
  • the cathode connections of all the diodes integrated in the second semiconductor bodies 22, 24, 26 and the drain connections of all further power transistors integrated in the fourth semiconductor bodies 52, 54, 56 are at a common potential above the heat sink 32.
  • Source connections S52, S54, S56 and gate connections G52, G54, G56 of the further power transistors are accessible on the front sides of the fourth semiconductor bodies 52, 54, 56.
  • both source connections S12, S14, S16 and gate connections G12, G14, G16 are accessible on the front sides of the first semiconductor bodies 12, 14, 16.
  • FIG. 5 shows the electrical equivalent circuit diagram of the circuit arrangement shown in FIG. 4.
  • the equivalent circuit diagram has three series connections of a first power transistor T12, T14, T16 and a second power transistor T52, T54, T56, with a source connection S52, S54, S56 of a second power transistor T52, T54, T56 each connected to a drain connection of a first Power transistor T12, T14, T16 is connected.
  • electrical connections 62, 64, 66 are schematically shown in FIG.
  • a diode D22, D24, D26 which is integrated in the second semiconductor bodies 22, 24, 26, is connected in series with the first power transistors T12, T14, T16 and thus in parallel with the second power transistors T52, T54, T56.
  • the cathode connections K of the diodes D22, D24, D26 and the drain connections of the second power transistors T52, T54, T56 are connected to one another via the heat sink 32.
  • the half-bridge circuit shown in FIGS. 4, 5 is suitable for driving motors, with additional freewheeling diodes being connected in parallel with the first power transistors T12, T14, T16, which are shown in broken lines in FIG.
  • the circuit arrangement according to the invention enables the series circuit of a power transistor and a diode to be implemented in a simple manner, wherein good cooling of the power transistor is ensured and no electromagnetic interference radiation is emitted from the heat sink without electrical insulation being applied between the heat sink Semiconductor bodies and the heat sink is required.
  • any power transistors can be used as power transistors that are designed in a vertical construction.
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • IGBT insulated gate bipolar transistor

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die ein Halbleiterschaltelement (T; T12, T14, T16), das in einem ersten Halbleiterkörper (10; 12, 14, 16) integriert ist, und ein dazu in Reihe geschaltetes weiteres Halbleiterbauelement (DD; D22, D24, D26), das in einem zweiten Halbleiterkörper (D22, D24, D26) integriet ist, aufweist, wobei der zweite Halbleiterkörper (20; 22, 24, 26) auf einem Kühlkörper (30; 32) angeordnet ist und dass der erste (10; 12, 14, 16) Halbleiterkörper auf dem zweiten Halbleiterkörper (20; 22, 24, 26) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung mit wenigstens zwei Halbleiterkörpern und einem Kühlkörper
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die ein Halbleiterschaltelement, das in einem ersten Halbleiterkorper integriert ist, und dazu ein in Reihe geschaltetes weiteres Halbleiterbauelement, das in einem zweiten Halblei- terkorper integriert ist, aufweist. Das Halbleiterschaltelement ist dabei insbesondere ein Leistungstransistor und das dazu in Reihe geschaltete Halbleiterbauelement ist insbesondere eine Diode .
Reihenschaltungen mit Leistungstransistoren und Dioden finden in der Schaltungstechnik vielfach Verwendung. Ein Beispiel hierfür ist ein in Fig. 1 dargestellter Hochsetz- Schaltregler, dessen Aufgabe es ist, aus einer Eingangsspannung Vin eine wenigstens annäherungsweise konstante Ausgangs- Spannung Vout zu erzeugen. Ein Leistungstransistor T ist hierbei in Reihe zu einer Spule L an die EingangsSpannung Vin angeschlossen, wobei parallel zu dem Leistungstransistor T eine Reihenschaltung einer Diode DD und eines Kondensator C geschaltet ist, wobei die Diode DD und der Leistungstransis- tor T aneinander angeschlossen sind. Der Leistungstransistor T wird mittels einer Ansteuerschaltung IC angesteuert, wobei die Stromaufnahme der Spule L und ein Stromfluss von der Spule L über die Diode DD auf den Kondensator C abhängig von der Ansteuerung des Leistungstransistors T erfolgt. Die Diode DD verhindert, dass der Kondensator C bei leitendem Leistungstransistor T über den Leistungstransistor T entladen wird. Leistungstransistoren, die in der Lage sind Spannungen bis zu einigen hundert Volt und Ströme bis zu einigen Ampere zu schalten erfordern Kühlmaßnahmen um eine Zerstörung des Leistungstransistors während des Betriebs infolge einer Überhit- zung zu verhindern. Zur Kühlung eines Leistungstransistors ist es bekannt, den Halbleiterkorper, bzw. den Chip, in dem der Leistungstransistor integriert ist, direkt auf einen Kühlkörper, der aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise einem Metall, besteht, aufzubringen. Der Leis- tungstransistor wird dabei mit dem Kühlkörper verlötet, um eine optimale wärmeleitende Verbindung zwischen dem Halbleiterkorper und dem Kühlkörper zu erreichen. Hieraus resultiert auch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Halbleiterkorper und dem Kühlkörper, was bei bestimmten Schal- tungsanwendungen, bzw. bei Verwendung bestimmter Leistungstransistoren zu Problemen führen kann.
Bei sogenannten vertikalen Transistoren befinden sich ein erster Laststreckenanschluss (Source-Anschluss) und ein Steu- eranschluss (Gate-Anschluss) des Leistungstransistors üblicherweise auf einer Vorderseite des plättchenförmigen Halbleiterkörpers, während sich der zweite Laststreckenanschluss (Drain-Anschluss) auf einer der Vorderseite abgewandten Rückseite des Halbleiterkörpers befindet. Wird der Halbleiterkör- per an seiner Rückseite auf den Kühlkörper gelötet, weist der Kühlkörper dasselbe elektrische Potential wie der Drain- Anschluss des Leistungstransistors auf. Dies führt dann zu Problemen, wenn der Leistungstransistor wie in dem Beispiel ge äss Fig. 1 als sogenannter Low-Side-Schalter eingesetzt wird, d.h., wenn der Source-Anschluss des Leistungstransistors an ein Bezugspotential angeschlossen ist und wenn der Drain-Anschluss über eine Last an ein Versorgungspotential angeschlossen ist . Das Potential an dem Drain-Anschluss an- dert sich bei derartigen Anwendungen abhängig vom Schaltungs- zustand des Leistungstransistors. Bei schnell getakteten Leistungstransistoren, wie sie beispielsweise in Hochsetz- Schaltreglern Verwendung finden, resultiert daraus ein Änderung des Potentials an dem Drain-Anschluss. mit hoher Frequenz und großer Flankensteilheit. Der elektrisch mit dem Drain- Anschluss verbundene Kühlkörper wirkt dabei wie eine Antenne, die eine unerwünschte hochfrequente elektromagnetische Störstrahlung abgibt .
Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, eine elektrisch isolierende Schicht zwischen den Halbleiterkorper des Leistungstransistors und den Kühlkörper einzubringen. Allerdings wird dadurch die Montage des Leistungstransistors auf den Kühlkörper relativ aufwändig und zudem resultiert aus der e- lektrisch isolierenden Zwischenschicht ein nicht zu vernachlässigender zusätzlicher Wärmewiderstend zwischen dem Leistungstransistor und dem Kühlkörper, welcher die Kühlung des Leistungstransistors verschlechtert .
Des Weiteren gibt es voll isolierte Gehäuse, bei denen freiliegende Bereiche des Kühlkörpers vollständig mit einer dünnen Kunststoffschicht umspritzt sind, um die Abgabe elektromagnetischer Störstrahlung zu unterbinden. Diese Kunststoff- schicht erhöht jedoch den Wärmewiederstand zwischen dem Kühlkörper und der umgebenden Luft, wodurch die Kühlung verschlechtert ist. Außerdem kann diese Kunststoffummantelung leicht beschädigt werden, was dann wiederum zur Abgabe einer elektromagnetischen Stδrstrahlung führen kann.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschalter und einem weiteren Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen, bei der auf einfach zu realisierende Weise eine Kühlung des Halbleiterschaltelements gewährleistet ist, ohne dass eine elektromagnetische Störstrahlung abgegeben wird und die insbesondere die oben genannten Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Sehaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Danach ist bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung der zweite Halbleiterkorper, in dem das weitere Halbleiterbauelement integriert ist, direkt auf dem Kühlkörper aufgebracht, während der erste Halbleiterkorper, in dem das Halbleiterschaltelement integriert ist, auf einer dem Kühlkörper abgewandten Seite des zweiten Halbleiterkörpers aufgebracht ist. Die Erfindung macht sich dabei zunutze, dass bei der Reihenschaltung eines Leistungstransistors und einer Diode in einem Hochsetz-Schaltregler, für welchen die vorliegende Erfindung besonders geeignet ist, an dem Anschluss der Diode, der dem Leistungstransistor abgewandt ist, ein Potential anliegt, welches sich nicht oder welches sich nur langsam ändert. Der zweite Halbleiterkorper kann daher elektrisch leitend mit dem Kühlkörper verbunden werden, ohne dass es zur Abgabe einer elektromagnetischen Störstrahlung kommt. Zwischen dem zweiten Halbleiterkorper und dem Kühlkörper sind somit keine aufwän- digen Isolationsmaßnahmen erforderlich und der zweite Halbleiterkorper kann beispielsweise mittels üblicher Montageverfahren auf den Kühlkörper aufgelötet werden. Da eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Halbleiterkorper, bzw. dem Leistungstransistor, und dem zweiten Halblei- terkorper, bzw. der Diode, gewünscht und erforderlich ist, kann auch der erste Halbleiterkorper mittels üblicher Montagetechniken auf den zweiten Halbleiterkorper aufgelötet werden. Aufgrund der guten Wärmeübergänge zwischen dem Kühlkör- per und dem zweiten Halbleiterkorper und zwischen dem zweiten Halbleiterkorper und dem ersten Halbleiterkorper besteht ein guter Wärmeübergang zwischen dem ersten Halbleiterkorper und dem Kühlkörper, wodurch eine gute Kühlung des ersten Halbleiterkörpers über den zweiten Halbleiterkorper und den Kühlkörper erfolgt .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Neben einem Verlöten des ersten und zweiten Halbleiterkörpers und des zweiten Halbleiterkörpers mit dem Kühlkörper sind selbstverständlich beliebige weitere Verbindungsmaßnahmen im Zusammenhang mit der Erfindung geeignet, welche einen guten Wärmeübergang zwischen den Halbleiterkörpern und zwischen dem zweiten Halbleiterkorper und dem Kühlkörper und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diese Bauelementen gewährleisten. Die Halbleiterkorper und der zweite Halbleiterkorper und der Kühlkörper können beispielsweise miteinander verklebt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass auf den ersten Halbleiterkorper, in dem der Halbleiterschalter integriert ist, ein weiterer Halbleiterkorper aufge- bracht ist, in dem eine Ansteuerschaltung für den Halbleiterschalter integriert ist. Der weitere Halbleiterkorper kann dabei beispielsweise durch Löten oder Kleben auf den ersten Halbleiterkorper aufgebracht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein weiterer Halbleiterschalter, der in einem vierten Halbleiterkorper integriert ist, auf dem Kühlkörper angeordnet ist. Dadurch lässt sich in einfacher Weise eine Reihenschaltung zweier Halbleiterschalter realisieren, wobei die in dem zweiten Halbleiterkorper integrierte Diode schaltungstechnisch parallel zu den weiteren Halbleiterschalter geschaltet ist und für diesen als Freilaufdiode wirkt.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1: Hochsetzschaltregler nach dem Stand der Technik zur Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
Figur 2 :' erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einem ersten Halbleiterkorper, einem zweiten Halbleiterkör- per und einem Kühlkörper, die übereinander angeordnet sind;
Figur 3 : weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung mit einem auf dem ersten Halb- leiterkorper angeordneten weiteren Halbleiterkorper, der eine integrierte Ansteuerschaltung aufweist ;
Figur 4: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungs- anordnung, bei der mehrere Halbleiterkorper mit weiteren integrierten Halbleiterschaltern neben mehreren ersten und zweiten Halbleiterkörpern auf dem Kühlkörper angeordnet sind;
Figur 5: elektrisches Ersatzschaltbild der Schaltungsanordnung gemäß Figur 4. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
Figur 1 zeigt einen sogenannten Hochsetz-Schaltregler nach dem Stand der Technik, der eine Reihenschaltung eines Leistungstransistors T und einer Diode DD aufweist, wobei ein Source-Anschluss S des Leistungstransistors T an ein Bezugspotential GND angeschlossen ist, und wobei ein Drain- Anschluss D des Leistungstransistors T an einen Anodenan- schluss der Diode DD angeschlossen ist. Zur Ansteuerung des Leistungstransistors T ist eine Ansteuerschaltung IC vorgesehen, die mittels einer Ausgangsklemme an einen Gate-Anschluss G des Leistungstransistors T angeschlossen ist.
Der Drain-Anschluss D des Leistungstransistors T ist über eine Spule L an ein Versorgungspotential Vin angeschlossen. Der Kathodenanschluss K der Diode DD ist an einen Anschluss eines Kondensators C angeschlossen, dessen anderer Anschluss an Bezugspotential GND liegt. Über dem Kondensator C ist eine Aus- gangsspannung Vout abgreifbar. Während des Betriebs des Hoch- setz-Schaltreglers ändert sich das Potential an dem Drain- Anschluss D des Leistungstransistors T, bzw. an dem Anodenan- schluss A der Diode DD nach Maßgabe eines Taktes, mit dem der Leistungstransistor T angesteuert wird. Das Source-Potential des Leistungstransistors T bleibt während des Betriebs stets auf Bezugspotential GND. Das Potential an der Kathode K der Diode DD, welches dem Ausgangspotential Vout entspricht, bleibt während des Betriebes weitgehend konstant oder ändert sich im Vergleich zu dem Ansteuertakt nur langsam.
Figur 2 zeigt in seitlicher Schnittdarstellung eine Schaltungsanordnung zur Realisierung der in Figur 1 dargestellten Reihenschaltung des Leistungstransistors T und der Diode DD, bei der eine gute Kühlung des Leistungstransistors T gewährleistet ist, ohne dass elektromagnetische Störstrahlung abgestrahlt wird. Entsprechende Anschlüsse sind in den Figuren 1 und 2 durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist einen ersten Halbleiterkorper 10, in dem der Leistungstransistor T integriert ist, und einen zweiten Halbleiterkorper 20, in dem die Diode DD integriert ist, auf. Sowohl der Leistungstransistor T als auch die Diode DD sind als sogenannte vertikale Bauelemente ausgebildet, das heißt, Anschlüsse eines Bauelements befinden sich auf gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers. Der erste Halbleiterkorper 10 weist eine Vorderseite 101 auf, an welcher eine Kontaktierung 41 für den Gate- Anschluss G und eine Kontaktierung 11 für den Source-Anschluss S des Leistungstransistors T ausgebildet ist. Der zweite Halbleiterkorper weist eine Vorderseite 201 auf, welche den Anodenanschluss der Diode DD bildet, und er weist eine Rückseite 202 auf, welche den Kathodenanschluss der Diode DD bildet. Zur Verbindung des Anodenanschlusses A der Diode
DD und des Drain-Anschlusses D des Leistungstransistors T ist die Rückseite 102 des ersten Halbleiterkδrpers 10 elektrisch leitend mit der Vorderseite 201 des zweiten Halbleiterkörpers verbunden. Dazu ist zwischen diesen beiden Halbleiterkörpern 10, 20 eine elektrisch leitende Zwischenschicht 21 ausgebildet, die vorzugsweise aus einem Metall besteht, und mittels derer die beiden Halbleiterkorper 10, 20 miteinander verbunden sind.
Der zweite Halbleiterkorper 20 ist größer als der erste Halbleiterkorper 10 ausgebildet, so dass der zweite Halbleiterkorper 20 unter dem aufgebrachten ersten Halbleiterkorper 10 hervorragt. Die leitende Zwischenschicht 21 ragt ebenfalls unter dem ersten Halbleiterkorper 10 hervor und ermöglicht über einen Bereich 42 neben dem ersten Halbleiterkorper 10 eine Kontaktierung der Rückseite 102 des ersten Halbleiterkörpers 10, bzw. des Drain-Anschlusses D des Transistors T. Vorzugsweise überdeckt die leitende Zwischenschicht 21 zwischen dem ersten und zweiten Halbleiterkorper 10, 20 die Vorderseite 201 des zweiten Halbleiterkörpers 20 vollständig.
Der zweite Halbleiterkorper 20 mit dem darüberliegenden ers- ten Halbleiterkorper 10 ist auf einen Kühlkörper 30 aufgebracht, der dazu dient, insbesondere die in dem ersten Halbleiterkorper 10 des Leistungstransistors T anfallende Wärme aufzunehmen und an die Umgebung abzugeben. Der Kühlkörper 30 ist hierfür vorzugsweise wesentlich großflächiger als der erste und zweite Halbleiterkorper 10, 20 ausgebildet. Zwischen dem zweiten Halbleiterkorper 20 und dem Kühlkörper 30 ist eine Verbindungsschicht 31 vorgesehen, welche einen niedrigen Wärmewiderstand aufweist, um die Wärme aus den Halbleiterkörpern 10, 20 gut abführen zu können. Die Verbindungs- schicht 31 besteht vorzugsweise aus einem Metall, wobei der zweite Halbleiterkorper 20 mittels der Zwischenschicht 31 auf den Kühlkörper 30 aufgelötet sein kann. Zur Kontaktierung des auf der Rückseite 202 des zweiten Halbleiterkörpers 20 angeordneten Kathodenanschlusses der Diode DD ist auf dem Kühl- körper 30 eine Kontaktierung 43 vorgesehen.
Der zweite Halbleiterkorper 20 ist auf den Kühlkörper 30 aufgebracht und mit diesem durch die elektrisch leitende Verbindungsschicht 31 unmittelbar elektrisch leitend verbunden. E- benso ist der erste Halbleiterkorper 10 auf den zweiten Halbleiterkorper 20 aufgebracht, wobei der erste und zweite Halbleiterkorper 10, 20 durch die elektrisch leitende Zwischenschicht 21 unmittelbar elektrisch leitend miteinander verbun- den sind. Die Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Halbleiterkorper 10, 20 über Leitungsverbindungen ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht erforderlich.
Probleme einer elektromagnetischen Abstrahlung über den Kühlkörper 30 bestehen bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung nicht, da der Kathodenanschluss K wenigstens annäherungsweise auf einem konstanten Potential Vout bleibt. Die Kühlung des ersten Halbleiterkörpers 10 erfolgt über den zweiten Halbleiterkorper 20 und den Kühlkörper 30, wobei die Wärmewiderstände zwischen dem ersten Halbleiterkorper 10 und dem zweiten Halbleiterkorper 20 und zwischen dem zweiten Halbleiterkorper 20 und dem Kühlkörper 30 durch die Verwendung metallischer Zwischenschichten 21, 31 gering sind, so dass eine gute Wärmeabfuhr aus dem ersten Halbleiterkorper 10 gewährleistet ist. Selbstverständlich können neben metallischen Zwischen-- schichten 21, 31 beliebige weitere Zwischenschichten verwendet werden, welche einen geringen Wärmewiderstand aufweisen und welche eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Halbleiterkorper 10 und dem zweiten Halbleiterkorper 20 bzw. zwischen dem zweiten Halbleiterkorper 20 und dem Kühlkörper 30 gewährleisten.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sc altungsanordnung, welches sich von dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass auf den ersten Halbleiterkorper 10 ein dritter Halbleiterkorper 40 aufgebracht ist, in welchen eine Ansteu- erschaltung IC für den in dem ersten Halbleiterkorper integrierten Leistungsschalter T integriert ist. Eine Anschlussklemme AK der Ansteuerschaltung IC ist an den Gate-Anschluss G, 41 des ersten Halbleiterkorpers 10 angeschlossen. Der dritte Halbleiterkorper 40 ist vorzugsweise mittels einer e- lektrisch isolierenden Zwischenschicht 44 auf den ersten Halbleiterkorper 10 aufgebracht.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist eine Metallisierungsebene 211 auf die Vorderseite 201 des zweiten Halbleiterkorpers 20 aufgebracht, welche die Vorderseite 201 vorzugsweise vollständig überdeckt. Zwischen der Rückseite 102 des ersten Halbleiterkorpers 10 und der Metallisierungsebene 211 ist eine elektrisch leitende Verbindungsschicht 212 - vorzugsweise ein Lötmaterial- ausgebildet, um die Rückseite 102 des ersten Halbleiterkorpers 10 und die Vorderseite 201 des zweiten Halbleiterkorpers 20 elektrisch leitend miteinander zu verbinden. Die Metallisierungsebene 211 und die Ver- bindungsschicht 212 bilden eine elektrisch leitende Zwischenschicht 21.
Ein neben dem ersten Halbleiterkorper 10 freiliegender Bereich 42 der Metallisierungsebene 211 bildet einen Kontakt D, A für den Drain-Anschluss des Transistors T in dem ersten Halbleiterkorper 10 bzw. für die Anode der Diode DD in dem zweiten Halbleiterkorper 20. Die im Bereich der Rückseite 102 des ersten Halbleiterkorpers 10 angeordnete Drainzone kann über den Kontakt 42 auf einfache Weise kontaktiert werden. Der Kontakt 42 bildet einen gemeinsamen Anschluss für die A- node A der Diode DD und das Drain D des Transistors T.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in perspektivischer Darstel- lung, bei der mehrere zweite Halbleiterkorper 22, 24, 26 mit darüberliegenden ersten Halbleiterkörpern 12, 14, 16 auf einem Kühlkörper 32 aufgebracht sind. Wie auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist jeder erste Halbleiterkorper, in dem ein vertikaler Transistor integriert ist, 12, 14, 16 gut wärmeleitend und elektrisch leitend mit dem jeweiligen zweiten Halbleiterkorper 22, 24, 26 verbunden. Des Weiteren ist jeder zweite Halbleiterkorper 22, 24, 26, in dem eine Di- ode integriert ist, gut wärmeleitend und elektrisch leitend mit dem Kühlkörper 32 verbunden. Auf dem Kühlkörper 32 sind vierte Halbleiterkorper 52, 54, 56 aufgebracht, in denen weitere Halbleiterschalter integriert sind. Diese Halbleiterschalter sind ebenfalls als vertikale Transistoren ausgebil- det, wobei Rückseiten der Halbleiterkorper 52, 54, 56 elektrisch leitend und gut wärmeleitend mit dem Kühlkörper 32 verbunden sind. Die Kathodenanschlüsse aller in den zweiten Halbleiterkörpern 22, 24, 26 integrierten Dioden und die Drain-Anschlüsse aller in den vierten Halbleiterkörpern 52, 54, 56 integrierten weiteren Leistungstransistoren befinden sich über dem Kühlkörper 32 auf einem gemeinsamen Potential. Auf Vorderseiten der vierten Halbleiterkorper 52, 54, 56 sind Source-Anschlüsse S52, S54, S56 und Gate-Anschlüsse G52, G54, G56 der weiteren Leistungstransistoren zugänglich. Außerdem sind auf den Vorderseiten der ersten Halbleiterkorper 12, 14, 16 sowohl Source-Anschlüsse S12, S14, S16 als auch Gate- Anschlüsse G12, G14, G16 zugänglich.
Figur 5 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der in Figur 4 dargestellten Schaltungsanordnung. Das Ersatzschaltbild weist drei Reihenschaltungen eines ersten Leistungstransistors T12 , T14, T16 und eines zweiten Leistungstransistors T52 , T54, T56 auf, wobei ein Source-Anschluss S52, S54, S56 eines zweiten Leistungstransistors T52, T54, T56 an jeweils einen Drain- Anschluss eines ersten Leistungstransistors T12, T14 , T16 angeschlossen ist. Hierzu sind in Figur 4 schematisch elektrische Verbindungen 62, 64, 66 eingezeichnet, die den Source- Anschluss S52, S54, S56 jedes weiteren Leistungstransistors mit der Vorderseite jeweils eines der zweiten Halbleiterkorper 22, 24, 26 verbindet, wobei die Vorderseite elektrisch mit der Rückseite eines der ersten Halbleiterkorper 12, 14, 16 und damit elektrisch leitend mit jeweils einem Drain- Anschluss eines ersten Leistungstransistors T12, T14 , T16 verbunden ist. In Reihe zu den ersten Leistungstransistoren T12, T14, T16 und damit parallel zu den zweiten Leistungstransistoren T52, T54, T56 ist jeweils eine Diode D22, D24, D26 geschaltet, die in den zweiten Halbleiterkδrpern 22, 24, 26 integriert ist. Die Kathodenanschlüsse K der Dioden D22, D24, D26 und die Drain-Anschlüsse der zweiten Leistungstran- sistorenT52, T54, T56 sind über den Kühlkörper 32 miteinander verbunden.
Die in den Figuren 4, 5 dargestellte Halbbrückenschaltung eignet sich zur Ansteuerung von Motoren, wobei hierzu parallel zu den ersten Leistungstransistoren T12 , T14 , T16 weitere Freilaufdioden parallel zu schalten sind, die in Figur 5 gestrichelt eingezeichnet sind.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht auf einfache Weise die Realisierung der Reihenschaltung eines Leistungstransistors und einer Diode, wobei eine gute Kühlung des Leistungstransistors gewährleistet ist und bei der keine e- lektromagnetische Störstrahlung von dem Kühlkörper abgestrahlt wird, ohne dass eine elektrische Isolation zwischen den auf dem Kühlkörper aufgebrachten Halbleiterkörpern und dem Kühlkörper erforderlich ist. Als Leistungstransistoren sind im Zusammenhang mit der Erfindung beliebige Leistungs- transistoren einsetzbar, die in vertikaler Bauweise ausgeführt sind. Als Leistungstransistoren eignen sich insbesondere MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor) und IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) . Bezugszeichenliste
A Anode
AK Ausgangsklemme C Kondensator
D Drain-Anschluss
DD Diode
D22, D24, D26 Dioden
G Gate-Anschluss GND Bezugspotential
G12, G14, G16 Gate-Anschlüsse
G52, G54, G56 Gate-Anschlüsse
IC Ansteuerschaltung
K Kathode S Source-Anschluss
S12, S14, S16 Source-Anschlüsse
S52, S54, S56 Source-Anschlüsse
T Leistungstransistor
T12, T14, T16 erster Leistungstransistor T52, T54, T56 zweiter Leistungstransistor
Vin EingangsSpannung
Vout AusgangsSpannung
10 erster Halbleiterkorper
11 Source -Elektrode
12, 14, 16 erster Halbleiterkorper 20 zweiter Halbleiterkorper 22, 24, 26 zweiter Halbleiterkorper 21 Zwischenschicht
211 Metallisierungsebene
212 Verbindungsschicht 30 Kühlkörper
31 Zwischenschicht
40 dritter Halbleiterkorper
41 Gate-Elektrode 42 Drain-Anschluss
43 Kathoden-Anschluss
44 isolierende Zwischenschicht
62, 64, 66 elektrisch leitende Verbindungen
101 Vorderseite des ersten Halbleiterkorpers 102 Rückseite des ersten Halbleiterkorpers
201 Vorderseite des zweiten Halbleiterkorpers
202 Rückseite des zweiten HalbleiterkörpersZusam- menfassung

Claims

Patentansprüche 17 18
1. Sc altungsanordnung, die ein Halbleiterschaltelement (T; T12, T14, T16) , das in einem ersten Halbleiterkorper (10; 12, 14, 16) integriert ist, und ein dazu in Reihe geschaltetes weiteres Halbleiterbauelement (DD; D22, D24, D26) , das in einem zweiten Halbleiterkorper (20; 22, 24, 26) integriert ist, aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der zweite Halbleiterkorper (20; 22, 24, 26) auf einem Kühlkörper (30; 32) angeordnet und mit diesem unmittelbar elektrisch leitend verbunden ist und dass der erste (10; 12, 14, 16) Halbleiterkorper auf dem zweiten Halbleiterkorper (20; 22, 24, 26) angeordnet und mit diesem unmittelbar elektrisch leitend verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei dem das Halbleiterschaltelement (T; T12, T14, T16) ein Transistor und bei dem das weitere Halbleiterbauelement (DD; D12, D14, D16) eine Diode ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem eine dem zweiten Halbleiterkorper (20; 22, 24, 26) zugewandte Fläche des ersten Halbleiterkorpers (10; 12, 14, 16) kleiner ist als eine dem ersten Halbleiterkorper (10; 12, 14, 16) zugewandte Fläche des zweiten Halbleiterkorpers (20; 22, 24, 26) ist .
4. Schal ungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü- ehe, bei dem der zweite Halbleiterkorper (20; 22, 24, 26) auf den Kühlkörper (30; 32) aufgelötet oder aufgeklebt ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste Halbleiterkorper (10; 12, 14, 16) auf den zweiten Halbleiterkorper (20; 22, 24, 26) aufgelötet oder aufgeklebt ist .
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein weiterer Halbleiterkorper (40) , in dem eine Ansteuerschaltung für den Halbleiterschalter integriert ist, auf den ersten Halbleiterkorper (10) aufgebracht ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein weiterer Halbleiterschalter (T52, T54, T56) , der in einem vierten Halbleiterkorper (52, 54, 56) integriert ist, auf dem Kühlkörper (32) angeordnet ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, bei der mehrere zweite Halbleiterkorper (22, 24, 26), auf denen jeweils ein erster Halbleiterkorper (12, 14, 16) mit einem integrierten Halbleiterschalter (T12, T14, T16) angeordnet ist, und bei der mehrere vierte Halbleiterkorper (52, 54, 56) mit integrierten weiteren Halbleiterschaltern (T52, T54, T56) auf dem Kühlkörper (32) angeordnet sind.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü- ehe, bei dem ein auf einer Vorderseite 201 des zweiten Halbleiterkorpers 20 freiliegender Bereich einer elektrisch leitenden Zwischenschicht (21; 211) einen Anschluss für die Rückseite 102 des ersten Halbleiterkorpers 10 bildet.
10. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Schaltnetzteil.
11. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche in einer Halbbrückenschaltung.
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