DE10113967B4 - Leistungsmodule - Google Patents

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Fumitaka Tametani
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Abstract

Leistungsmodul, mit einem isolierenden Substrat (4), das eine mit seiner einen Oberfläche verbundene Grundplatte (2) und eine auf der anderen Oberfläche als Elektrodenschicht (6) ausgebildete Schaltkreisstruktur besitzt, wobei die Schaltkreisstruktur folgendes aufweist:
– ein Halbleiterschaltelement (8),
– eine Freilaufdiode (10), die mit dem Halbleiterschaltelement (8) antiparallel geschaltet ist, und
– eine integrierte Steuerschaltung (12) zur Steuerung des Halbleiterschaltelements (8),
dadurch gekennzeichnet,
daß das Halbleiterschaltelement (8) und die Freilaufdiode (10) getrennt voneinander jeweils auf der Elektrodenschicht (6) angeordnet sind,
und daß die integrierte Steuerschaltung (12) auf der Freilaufdiode (10) und getrennt von dem Halbleiterschaltelement (8) derart angeordnet ist, daß die integrierte Steuerschaltung (12) nicht durch die Wärmeentwicklung des Halbleiterschaltelements (8) beeinträchtigt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft Leistungsmodule mit einem isolierenden Substrat, die eine mit ihrer Oberfläche verbundene Grundplatte und eine auf der anderen Oberfläche als Elektrodenschicht ausgebildete Schaltkreisstruktur besitzten, wobei die Schaltkreisstruktur ein Halbleiterschaltelement, eine Freilaufdiode, die mit dem Halbleiterschaltelement antiparallel geschaltet ist, und eine integrierte Steuerschaltung zur Steuerung des Halbleiterschaltelements aufweist.
  • Ein derartiges Leistungsmodul ist dem Prinzip nach bereits aus der Druckschrift US-A-4 947 234 bekannt. Bei diesem herkömmlichen Leistungsmodul ist auf einem Kühlkörper über eine Klebschicht ein Halbleiterschaltelement angeordnet. Darüber befinden sich eine Klebschicht sowie eine Isolierschicht, auf der wiederum eine integrierte Steuerschaltung ausgebildet ist. Sowohl das Halbleiterschaltelement als auch die Steuerschaltung sind über entsprechende Kontakte und Bondingdrähte an äußere Verbindungen angeschlossen, um ihre Funktion zu gewährleisten.
  • Ferner ist aus der Druckschrift EP-A-1 006 578 ein Halbleiter-Leistungsmodul bekannt, welches einen Aufbau aufweist, bei dem sandwichartige Anordnungen von Leistungs-Halbleiterschaltelementen und Dioden verwendet werden. Die Dioden sind dabei auf den Halbleiterschaltelementen angeordnet.
  • Die Druckschrift DE-PS-41 24 757 betrifft einen Halbleiter-Leistungsmodul, bei dem es darum geht, Fehlfunktionen zu vermeiden, die durch Rauschen hervorgerufen werden können. Zu diesem Zweck wird dort eine spezielle Schaltungsanordnung in Sandwichbauweise verwendet, wobei mehrere Leistungs-Halbleiterschaltelemente getrennt voneinander angeordnet sind.
  • Herkömmlicherweise hat ein intelligentes Leistungsmodul (IPM), das einen Leistungsstromkreis, der von einem Halbleiterschaltelement gebildet ist, und eine Steuerschaltung zur Steuerung des Leistungsstromkreises enthält, einen Aufbau, bei dem der Leistungsstromkreis und die Steuerschaltung, die aus einer als steuernde integrierte Schaltung ausgebildeten integrierten Schaltung (IC) besteht, getrennt als zwei Stufen (7) ausgebildet sind, oder die Steuerschaltung und der Leistungsstromkreis integral auf einem Substrat ausgebildet sind (6 und 8).
  • Ferner hat ein in 6 gezeigtes Leistungsmodul einen Aufbau, bei dem ein MOSFET (MOS-Feldeffekttransistor) 100 mit einer Elektrodenschicht 6 auf einer Wärmesenke 2 verbunden ist und eine integrierte Steuerschaltung 12 durch eine Kleberschicht 16 über eine Isolierschicht 14 auf dem MOSFET 100 damit verbunden ist.
  • Dabei hat ein in 8 gezeigtes Leistungsmodul den folgenden Aufbau: ein Halbleiterschaltelement 8, eine Freilaufdiode (FWDi) 10, ein gedrucktes Substrat 110 und ein Gehäuse 102 auf einem isolierenden Substrat 4 auf einer Wärmesenke 2. Eine integrierte Steuerschaltung 12 ist auf dem gedruckten Substrat 110 montiert.
  • Die Freilaufdiode 10 ist mit dem Halbleiterschaltelement 8 und dem gedruckten Substrat 110 durch Bonddrähte 20 verbunden. Das Halbleiterschaltelement 8 und das gedruckte Substrat 110 sind mit nicht gezeigten Anschlüssen an dem Gehäuse 102 durch jeweilige Bonddrähte 20 verbunden.
  • Ein in 7 gezeigtes Leistungsmodul hat eine Anordnung, bei der ein Halbleiterschaltelement 8 und ein Gehäuse 102 auf einem isolierenden Substrat 4 angeordnet sind, das mit einer Wärmesenke 2 verbunden ist, und ein Steuersubstrat 104, das von einem Relaisanschluß 106 an dem Gehäuse 102 abgestützt ist, ist installiert. Dabei ist das Halbleiterschaltelement 8 mit einem Relaisanschluß 106 durch einen Bonddraht 20 verbunden.
  • Das Steuersubstrat 104 enthält eine integrierte Steuerschaltung zur Steuerung des Halbleiterschaltelements 8 usw. Der Relaisanschluß 106 dient dazu, Eingangstreibersignale, Ausgangstreibersignale, Detektiersignale für Strom, Spannung und Temperatur usw. des Halbleiterschaltelements 8 zwischen diesem und der integrierten Steuerschaltung auf dem Steuersubstrat 104 zu übertragen.
  • In bezug auf ein Halbleiterbauelement, bei dem eine aus Halbleiterelementen gebildete Steuerschaltung und ein Leistungsstromkreis usw. integral ausgebildet sind, zeigen ferner die JP-Offenlegungsschriften 6-181286 , 63-87758 , 3-226291 , 11-163256 und 8-167838 einen solchen Aufbau.
  • Die JP-OS 6-181286 zeigt ein Halbleiterbauelement, bei dem ein IC-Steuerchip über Bondhügel mit einem IC-Leistungschip ver bunden ist, der durch ein Dünnschichtsubstrat an einer Wärmesenke befestigt ist.
  • Die JP-OS 63-87758 zeigt ein Halbleiterbauelement, bei dem eine integrierte Steuerschaltung mit einem Leistungs-MOSFET verbunden ist, der an einer Wärmesenke befestigt ist.
  • Die JP-OS 3-226291 zeigt ein Halbleiterbauelement, bei dem ein Isolierschicht-Bipolartransistor (IGBT), eine Freilaufdiode und eine integrierte Steuerschaltung zu einem Chip ausgebildet sind.
  • Die JP-OS 11-163256 zeigt ein Halbleiterbauelement, bei dem ein Halbleiterchip auf einer Wärmeabstrahlungsplatte über einem weiteren Halbleiterchip angeordnet ist, was als Chip-auf-Chip-Konstruktion bezeichnet wird, und die JP-OS 8-167838 zeigt ein Halbleiterbauelement, bei dem eine Vielzahl von Leistungs-MOSFET und eine Steuerschaltung in Form eines einzigen Chips integriert sind.
  • Wenn beispielsweise bei einem Aufbau eines Halbleiterbauelements gemäß 6 eine integrierte Steuerschaltung 12 an einem MOSFET 100 (entweder IGBT oder Leistungs-MOSFET) mittels eines Höckers, einer Isolierschicht 14, einer Kleberschicht 16 oder einer Preßverbindung usw. angebracht ist, tritt das Problem von Fehlfunktionen der integrierte Steuerschaltung infolge von Wärme auf, die durch das Halbleiterschaltelement 8 erzeugt wird. Dabei dient der MOSFET 100 als das Halbleiterschaltelement, das von einem Leistungsstromkreis gebildet ist.
  • Wenn ferner die integrierte Steuerschaltung 12 ebenfalls im Inneren des Halbleiterschaltelements 8 untergebracht ist, tritt das gleiche Problem auf, wobei Fehlfunktionen des IC infolge von Wärme auftreten, die von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugt wird. Daher besteht das Problem bei den Halbleiterbauelementen, die die Konstruktionen haben, die in den JP-Offenlegungsschriften 6-181286 und 63-87758 angegeben sind, darin, daß die integrierte Steuerschaltung zu Fehlfunktionen infolge von Wärme tendiert.
  • Ferner besteht auch bei dem Halbleiterbauelement gemäß der JP-OS 3-226291 ein Problem, da die integrierte Steuerschaltung aufgrund der von dem IGBT erzeugten Wärme Fehlfunktionen zeigen kann, und zwar in Abhängigkeit von der Lagebeziehung zwischen dem IGBT und der integrierten Steuerschaltung.
  • Wenn ferner, wie in 7 gezeigt ist, in einem Leistungsmodul der MOSFET oder der IGBT, der als Halbleiterschaltelement 8 dient, die Freilaufdiode 10 und die integrierte Steuerschaltung 12 usw. voneinander getrennt ausgebildet sind, nimmt die Zahl der die Konstruktion bildenden Teile zu, und die Konstruktion wird komplex, was zu hohen Stückkosten des Moduls führt. Ein weiteres Problem ist, daß das Leistungsmodul insgesamt vergleichsweise groß wird.
  • Im Fall des in 8 gezeigten Leistungsmoduls stellt sich ebenfalls das Problem, daß das Leistungsmodul insgesamt relativ groß wird.
  • Bei der Anordnung des herkömmlichen, aus der Druckschrift US-A-4 947 234 bekannten Leistungsmoduls ist die Steuerschaltung zwangsläufig der Wärmeentwicklung des Halbleiterschaltelements ausgesetzt, auch wenn letzteres zumindest einen Teil seiner Wärmeenergie über einen Kühlkörper abgeben kann. Damit ist die Funktionstüchtigkeit der Anordnung beeinträchtigt.
  • Die vorliegende Erfindung dient dazu, die oben angegebenen Probleme zu lösen. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul der eingangs genannten Art, und wie es beispielsweise aus der Druckschrift US-A-4 947 234 bekannt ist, dahingehend weiterzubilden, dass eine thermisch bedingte Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit des Leistungsmoduls wirksam verhindert werden kann. Dabei soll das Leistungsmodul kostengünstig und insgesamt kompakt ausgebildet sein, wobei Fehlfunktionen der integrierten Steuerschaltung infolge der von dem Halbleiterschaltelement erzeugten Wärme vermieden werden, während gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit gegenüber Rauschen von dem Halbleiterschaltelement aufrechterhalten wird.
  • Zur Lösung der oben angegebenen Probleme wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Leistungsmodul angegeben, welches die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale aufweist.
  • Da bei dem Leistungsmodul nach dem ersten Aspekt der Erfindung das Halbleiterschaltelement auf der Freilaufdiode angeordnet ist, die im Gebrauch die geringste Wärme erzeugt, ist es möglich, eine Fehlfunktion der integrierten Steuerschaltung infolge der von dem Halbleiterschaltelement erzeugten Wärme zu verhindern. Es wird somit möglich, die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls zu verbessern.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Leistungsmodul angegeben, welches die im Patentanspruch 2 genannten Merkmale aufweist.
  • Da bei dem Leistungsmodul nach dem zweiten Aspekt der Erfindung das Halbleiterschaltelement und die Freilaufdiode als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet sind, ist es möglich, das Leistungsmodul kompakt zu bauen und seinen Aufbau zu vereinfachen. Es wird somit möglich, die Produktivität im Waferfertigungsverfahren und im Montageablauf des Halbleiters zu steigern und infolgedessen den Stückpreis des Leistungsmoduls zu senken.
  • Das Leistungsmodul nach einem dritten Aspekt der Erfindung weist die im Patentanspruch 3 genannten Merkmale auf.
  • Bei dem Leistungsmodul nach dem dritten Aspekt der Erfindung sind das Halbleiterschaltelement, die Freilaufdiode und die integrierte Steuerschaltung als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet; daher ist es möglich, das gesamte Leistungsmodul kompakt zu bauen und außerdem seinen Aufbau zu vereinfachen. Es wird damit möglich, die Produktivität beim Waferherstellungsverfahren und beim Montageablauf des Halbleiters zu steigern und damit den Stückpreis des Leistungsmoduls zu senken.
  • Diese Art von Leistungsmodul ermöglicht es ferner, wirkungsvoll zu verhindern, daß die von dem Halbleiterschaltelement erzeugte Wärme durch Wärmeleitung zu der integrierten Steuerschaltung gelangt, so daß Fehlfunktionen der integrierten Steuerschaltung vermieden werden können. Es wird damit möglich, die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls zu verbessern.
  • Das Leistungsmodul nach einem vierten Aspekt der Erfindung weist die im Patentanspruch 4 genannten Merkmale auf.
  • Bei dem Leistungsmodul nach dem vierten Aspekt der Erfindung sind die Freilaufdiode und die integrierte Steuerschaltung als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet; somit ist es möglich, das gesamte Leistungsmodul kompakt zu bauen und seine Konstruktion außerdem zu vereinfachen. Es wird dadurch möglich, die Produktivität des Waferfertigungsverfahrens und des Montageablaufs des Halbleiters zu steigern und somit den Stückpreis des Leistungsmoduls zu senken.
  • Außerdem ermöglicht es diese Art von Leistungsmodul, das Leiten der von dem Halbleiterschaltelement erzeugten Wärme zu der integrierten Steuerschaltung wirksam zu verhindern und damit eine Fehlfunktion der integrierten Steuerschaltung zu verhindern. Es wird dadurch möglich, die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls zu verbessern.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Leistungsmodule ist in dem abhängigen Patentanspruch 5 angegeben.
  • Bei dieser Weiterbildung wird als Halbleiterschaltelement ein Element vom Isolierschicht-Typ (z. B. ein IGBT, ein Leistungs-MOSFET usw.) verwendet. Das ermöglicht den Gebrauch des Leistungsmoduls bei vergleichsweise großen Betriebsfrequenzen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
  • 1 eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Leistungsmoduls gemäß Ausführungsform 1 erklärt;
  • 2 eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Leistungsmoduls gemäß Ausführungsform 2 erklärt;
  • 3 eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Leistungsmoduls gemäß Ausführungsform 3 erklärt;
  • 4 eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Leistungsmoduls gemäß Ausführungsform 4 erklärt;
  • 5 ein Schaltbild, das einen Bereich des Leistungsmoduls zeigt;
  • 6 eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines herkömmlichen Leistungsmoduls erklärt;
  • 7 eine weitere schematische Darstellung, die den Aufbau des herkömmlichen Leistungsmoduls erklärt; und
  • 8 noch eine weitere schematische Darstellung, die den Aufbau des herkömmlichen Leistungsmoduls erklärt.
  • AUSFÜHRUNGSFORM 1
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird nachstehend eine erste Ausführungsform des Leistungsmoduls nach der Erfindung beschrieben.
  • 1 zeigt den Aufbau des Leistungsmoduls der Ausführungsform 1. Dabei besteht das Leistungsmodul aus einer Wärmesenke 2, die eine Grundplatte ist, einem isolierenden Substrat 4, einer eine Schaltkreisstruktur bildenden Elektrodenschicht 6, einem Halbleiterschaltelement 8, einer Freilaufdiode 10, einer Isolierschicht 14, einer Kleberschicht 16, einer integrierten Steuerschaltung 12 zur Steuerung des Halbleiterschaltelements 8, einem Bonddraht 20 und einem äußeren Eingangs-Ausgangsan schluß 30, der an dem isolierenden Substrat 4 befestigt ist, einem Emitteranschluß 31 und einem Kollektoranschluß 32.
  • Die Wärmesenke 2 ist mit einer der Oberflächen des isolierenden Substrats 4 verbunden. Das isolierende Substrat 4 besteht bevorzugt aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, um dadurch die Temperatur des Leistungsmoduls insgesamt zu regulieren. Die Elektrodenschicht 6, die auf der anderen Oberfläche des isolierenden Substrats 4 angebracht ist, bildet eine Schaltkreisstruktur.
  • In dieser Schaltkreisstruktur sind das Halbleiterschaltelement 8 und die Freilaufdiode 10 voneinander getrennt angeordnet. Die integrierte Steuerschaltung 12 ist von der Freilaufdiode 10 durch die isolierende Schicht 14 elektrisch isoliert und mit der Freilaufdiode 10 durch die Kleberschicht 16 mechanisch verbunden.
  • Die Isolierschicht 14 besteht beispielsweise aus Siliciumnitrid Si3N4, und die Kleberschicht 16 besteht aus einem isolierenden Klebstoff. Da hierbei die integrierte Steuerschaltung 12 von dem Halbleiterschaltelement 8 getrennt ist, tendiert die integrierte Steuerschaltung 12 weniger zu Fehlfunktionen infolge der von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugten Wärme.
  • Das Halbleiterschaltelement 8 ermöglicht einen Stromfluß zu der Freilaufdiode 10 aufgrund einer Gegen-EMK, die zum Zeitpunkt eines Schaltvorgangs erzeugt wird, durch den Bonddraht 20. Die integrierte Steuerschaltung 12 sendet ein Halbleiterschalter-Treiberausgangssignal zu dem Halbleiterschaltelement 8 durch den Bonddraht 20 und empfängt außerdem Detektiersignale eines durch das Halbleiterschaltelement 8 fließenden Stroms und einer Temperatur desselben.
  • Die integrierte Steuerschaltung 12 erhält ein Halbleiterschaltelement-Treibereingangssignal und eine Treiberspannung von dem äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30 durch den Bonddraht 20 und gibt ein Fehlersignal ab. Außerdem werden eine Spannung und ein Strom von dem Kollektoranschluß 32 durch den Bonddraht 20 an die Elektrodenschicht 6 geführt, und die Spannung und der Strom werden von der Freilaufdiode 10 an den Emitteranschluß 31 abgegeben.
  • Die vorliegende Ausführungsform zeigt beispielhaft einen Fall, in dem das Halbleiterschaltelement ein IGBT ist; und wenn das Halbleiterschaltelement 8 ein MOSFET ist, wird anstelle des Emitteranschlusses 31 ein Sourceanschluß 31 und anstelle des Kollektoranschlusses 32 ein Drainanschluß 32 verwendet.
  • Die folgende Beschreibung erläutert das Halbleiterschaltelement, die Freilaufdiode und die integrierte Steuerschaltung des Leistungsmoduls der Erfindung. Wie 5 zeigt, wird bei dieser Ausführungsform der IGBT 40 als Halbleiterschaltelement 8 verwendet; es kann aber auch jedes andere Halbleiterschaltelement verwendet werden, unter der Voraussetzung, daß es einen Schaltvorgang zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom ausführen kann. Beispielsweise kann ein Element vom Isolierschicht-Typ, wie etwa ein Leistungs-MOSFET, verwendet werden.
  • In 5 ist der Aufbau innerhalb der Strichlinien 60 und 70 weggelassen; der Aufbau innerhalb dieser beiden Strichlinien 60 und 70 ist jedoch der gleiche wie der Aufbau innerhalb der Strichlinie 50. Die Strichlinie 50 umfaßt zwei Gruppen von Konstruktionen, und jede Gruppe besteht aus einem IGBT 40, einer Freilaufdiode 10, die mit dem IGBT 40 antiparallel geschaltet ist, einer integrierten Steuerschaltung 12 und einer Chiptemperatur-Detektiereinrichtung 41.
  • Die Strichlinien 50, 60 und 70 bilden einen Wechselrichter. Dieser Wechselrichter ist mit dem negativen Pol (N) 72 und dem positiven Pol (P) 74 einer Gleichspannung verbunden, die von einem Gleichstrom stammt, der durch Gleichrichten eines Wechselstromes erhalten wird, oder ist von einer Batterie usw. abgeleitet.
  • Die integrierte Steuerschaltung 12 erhält eine Niederspannung Vcc als Speisespannung zum Treiben der integrierte Steuerschaltung 12. Der Wechselrichter, der die Gleichspannung erhält, die aus einem durch Gleichrichten eines Wechselstromes erhaltenen Gleichstrom oder von einer Batterie usw. gewonnen ist, wandelt den Gleichstrom in Drehstrom (U-Phase, V-Phase und W-Phase) mit einer gewünschten Frequenz und Spannung um, und zwar unter Nutzung des Schaltelement-Treiberausgangssignals von der integrierten Steuerschaltung 12, und führt diesen einem Motor (nicht gezeigt) usw. zu.
  • Dabei erhält die integrierte Steuerschaltung 12 das Halbleiterschaltelement-Treibereingangssignal durch einen Halbleiterschaltelement-Treibereingangssignalanschluß IN und gibt entsprechend diesem Treibereingangssignal ein Halbleiterschaltelement-Treiberausgangssignal an einem Halbleiterschaltelement-Treiberausgangssignalanschluß OUT an den IGBT 40 ab.
  • Dieses Treiberausgangssignal ermöglicht es dem IGBT 40, Schaltvorgänge auszuführen, so daß er einen Strom mit einer Spannung von dem positiven Pol (P) 74 zu der U-Phase (V-Phase, W-Phase) abgibt oder einen Strom mit einer Spannung von der U-Phase (V-Phase, W-Phase) an den negativen Pol (N) 72 abgibt.
  • Der IGBT 40 führt einen Strom, der beispielsweise einem Tausendstel des durch den IGBT 40 fließenden Stroms entspricht, zu einem Stromdetektiereingang SC der integrierten Steuerschaltung 12, so daß der durch den IGBT 40 fließende Strom in einem Stromdetektierkreis (normalerweise einem Widerstand) (nicht gezeigt) im Inneren der integrierten Steuerschaltung 12 überwacht wird.
  • Bei Detektierung eines abnormalen Stroms in dem Stromdetektierkreis gibt die integrierte Steuerschaltung 12 das Fehlersignal an dem Fehlerausgang FO ab.
  • Auf die gleiche Weise ist eine Chiptemperatur-Detektiereinrichtung (Diode, Widerstand usw.) 41 zum Detektieren der Chiptemperatur in dem IGBT 40 vorgesehen, um die Wärmeerzeugung des IGBT 40 zu überwachen. Wenn eine anormale Temperatur detektiert wird, gibt daher die integrierte Steuerschaltung 12 das Fehlersignal an dem Fehlerausgang FO ab.
  • In der Chiptemperatur-Detektiereinrichtung 41 ändert sich der Wert des spezifischen Widerstands, während der IGBT 40 Wärme erzeugt und seine Temperatur sich ändert. Daher ist beispielsweise der durch die Chiptemperatur-Detektiereinrichtung 41 fließende Strom so eingestellt, daß er konstant ist, so daß detektiert werden kann, ob die Temperatur des IGBT 40 anormal ist, indem die Potentialdifferenz zwischen dem REG-Anschluß und dem OT-Anschluß gemessen wird.
  • Dabei sind in 5 der IGBT 40 und die Chiptemperatur-Detektiereinrichtung 41 so dargestellt, als ob es sich um getrennte Teile handelte; tatsächlich sind jedoch der IGBT 40 und die Chiptemperatur-Detektiereinrichtung 41 zu einem Ein-Chip-Halbleiterelement ausgebildet.
  • Dabei ist der Emitter des IGBT 40 mit dem Masseanschluß GND der integrierten Steuerschaltung 20 verbunden, und die Spannung zwischen Gate und Emitter ist als Potentialdifferenz des Masseanschlusses GND und des Halbleiterschaltelement-Treiberausgangssignalanschlusses OUT gegeben.
  • Der Leistungs-MOSFET kann bei einer Betriebsfrequenz von höchstens ungefähr 2 MHz verwendet werden, und der IGBT kann bei einer Betriebsfrequenz von höchstens ungefähr 30 kHz verwendet werden.
  • Um dabei einen fehlerhaften Betrieb der integrierten Steuerschaltung 12 aufgrund von Rauschen zu verhindern, sind die jeweiligen Halbleiterbauelemente bevorzugt in dem Leistungsmodul angeordnet, um die Verdrahtungen zu verkürzen.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist bei dem Leistungsmodul der Ausführungsform 1 das Halbleiterschaltelement 8 an der Freilaufdiode 10 angeordnet, die im Gebrauch kaum wärme erzeugt; es ist somit möglich, eine Funktionsstörung in der integrierten Steuerschaltung 12 infolge der von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugten Wärme zu verhindern.
  • Dadurch wird es möglich, die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls zu steigern. Wenn das Leistungsmodul ferner so ausgebildet ist, daß die Verdrahtung kürzer ist, wird es auch möglich, Störsignale bzw. Rauschen zu verringern.
  • AUSFÜHRUNGSFORM 2
  • Unter Bezugnahme auf 2 wird nachstehend ein Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform 2 der Erfindung beschrieben.
  • 2 ist eine erläuternde Darstellung, die den Aufbau des Leistungsmoduls der Ausführungsform 2 zeigt.
  • In 2 besteht das Leistungsmodul aus einer Wärmesenke 2, die eine Grundplatte ist, einem isolierenden Substrat 4, einer eine Schaltkreisstruktur bildenden Elektrodenschicht 6, einer Freilaufdiode 10, einer Isolierschicht 14, einer Klebmittelschicht 16, einer integrierten Steuerschaltung 12 zur Steuerung des Halbleiterschaltelements 8, einem Bonddraht 20 und einem äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30, der an dem isolierenden Substrat 4 befestigt ist, einem Emitteranschluß 31 und einem Kollektoranschluß 32.
  • Dabei wird beispielhaft der Fall beschrieben, bei dem das Halbleiterschaltelement 8 ein IGBT ist; wenn das Halbleiterschaltelement 8 ein MOSFET ist, wird anstelle des Emitteranschlusses 31 ein Sourceanschluß 31 und anstelle des Kollektoranschlusses 32 ein Drainanschluß 32 verwendet.
  • Die Ausführungsform 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform 1 nur dadurch, daß das Halbleiterschaltelement 8 und die Freilaufdiode 10 als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet sind. In bezug auf diejenigen Teile und Funktionen der Ausführungsform 2, die die gleichen wie bei der Ausführungsform 1 sind, entfällt eine Beschreibung.
  • Da die integrierte Steuerschaltung 12 an einer Position angeordnet ist, die von dem Halbleiterschaltelement 8 entfernt ist, können Fehlfunktionen in der integrierten Steuerschaltung 12, die auf die von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte Wärme zurückgehen, verringert werden.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, sind bei dem Leistungsmodul der Ausführungsform 2 das Halbleiterschaltelement 8 und die Freilaufdiode 10 als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet, und die integrierte Steuerschaltung 12 ist auf der Freilaufdiode 10 angeordnet; es wird dadurch möglich, das gesamte Leistungsmodul kompakter zu bauen und auch seinen Aufbau zu vereinfachen.
  • Es ist dadurch möglich, den Stückpreis des Leistungsmoduls zu senken. Außerdem kann wirkungsvoll verhindert werden, daß die von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte Wärme durch Wärmeleitung zu der integrierten Steuerschaltung gelangt, und in folgedessen kann eine Fehlfunktion der integrierten Steuerschaltung 12 verhindert werden.
  • Es wird dadurch möglich, die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls zu verbessern. Wenn das Leistungsmodul ferner so aufgebaut ist, daß die Verdrahtungen kürzer sind, kann auch das Rauschen verringert werden.
  • AUSFÜHRUNGSFORM 3
  • Unter Bezugnahme auf 3 folgt nun die Beschreibung eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform 3 der Erfindung.
  • 3 ist eine erläuternde Darstellung, die den Aufbau der Ausführungsform 3 des Leistungsmoduls zeigt. In 3 besteht das Leistungsmodul aus einer Wärmesenke 2, die eine Grundplatte ist, einem isolierenden Substrat 4, einer eine Schaltkreisstruktur bildenden Elektrodenschicht 6, einem Halbleiterschaltelement 8, einer Freilaufdiode 10, einer integrierten Steuerschaltung 12 zur Steuerung des Halbleiterschaltelements 8, einem Bonddraht 20 und einem äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30, der an dem isolierenden Substrat 4 angebracht ist, einem Emitteranschluß 31 und einem Kollektoranschluß 32.
  • Die Wärmesenke 2 ist mit einer der Oberflächen des isolierenden Substrats 4 verbunden. Die Elektrodenschicht 6, die auf der anderen Oberfläche des isolierenden Substrats 4 angeordnet ist, bildet eine Schaltkreisstruktur.
  • In dieser Schaltkreisstruktur sind das Halbleiterschaltelement 8, die Freilaufdiode 10 und die integrierte Steuerschaltung 12 als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet, und mindestens ein Bereich der Freilaufdiode 10 ist sandwichartig zwischen dem Halbleiterschaltelement 8 und der integrierten Steuerschaltung 12 angeordnet.
  • Dabei ist die integrierte Steuerschaltung 12 außer Berührung mit dem Halbleiterschaltelement 8. Da die integrierte Steuerschaltung 12 an einer von dem Halbleiterschaltelement 8 entfernten Position angeordnet ist, können Fehlfunktionen in der integrierten Steuerschaltung 12, die auf die von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte Wärme zurückgehen, verringert werden.
  • Um eine Fehlfunktion der integrierten Steuerschaltung 12 infolge von Rauschen zu verhindern, sind dabei die jeweiligen Halbleiterbauelemente bevorzugt in dem Leistungsmodul angeordnet, um die Verdrahtungen zu verkürzen.
  • Das Halbleiterschaltelement 8 ist mit der Freilaufdiode 10 durch den Bonddraht 20 verbunden und ist ferner mit der integrierten Steuerschaltung 12 durch einen weiteren Bonddraht 20 verbunden. Die integrierte Steuerschaltung 12 ist mit dem Halbleiterschaltelement 8 durch einen Bonddraht 20 verbunden und ist ferner durch einen weiteren Bonddraht 20 mit dem äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30 verbunden.
  • Die Freilaufdiode 10 ist mit dem Halbleiterschaltelement 8 durch einen Bonddraht 20 verbunden und ist ferner durch einen weiteren Bonddraht 20 mit dem Emitteranschluß 31 verbunden. Die Elektrodenschicht 6 ist mit dem Kollektoranschluß 32 durch einen Bonddraht 20 verbunden.
  • In diesem Fall ist das Halbleiterschaltelement 8 ein IGBT; wenn das Halbleiterschaltelement 8 ein MOSFET ist, wird anstelle des Emitteranschlusses 31 ein Sourceanschluß 31 und anstelle des Kollektoranschlusses 32 ein Drainanschluß 32 verwendet.
  • Als nächstes folgt die Erläuterung der Funktionsweise des Leistungsmoduls.
  • Die integrierte Steuerschaltung 12 erhält eine Niederspannung als Speisespannung durch den äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30. Die integrierte Steuerschaltung 12 erhält ein Halbleiterschaltelement-Treibereingangssignal durch den äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30 und sendet entsprechend diesem Eingangssignal ein Halbleiterschaltelement-Treiberausgangssignal an das Halbleiterschaltelement 8.
  • Dieses Treiberausgangssignal ermöglicht es dem Halbleiterschaltelement 8, Schaltvorgänge auszuführen, so daß es einen von dem Kollektoranschluß 32 zugeführten Strom mit einer Spannung über die Elektrodenschicht 6 zu dem Emitteranschluß 31 durch die Freilaufdiode 10 abgibt. Dabei kann ein Strom durch die Freilaufdiode 10 aufgrund einer Gegen-EMK fließen, die zum Zeitpunkt eines Schaltvorgangs erzeugt wird.
  • Das Halbleiterschaltelement 8 führt der integrierten Steuerschaltung 12 einen Strom zu, der beispielsweise einem Tausendstel des durch das Halbleiterschaltelement 8 fließenden Stroms entspricht, so daß der durch das Halbleiterschaltelement fließende Strom in einem Stromdetektierkreis (normalerweise einem Widerstand) (nicht gezeigt) in der integrierten Steuerschaltung 12 überwacht wird.
  • Wenn ein anormaler Strom in dem Stromdetektierkreis detektiert wird, gibt die integrierte Steuerschaltung 12 ein Fehlersignal an den äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30 ab. Auf die gleiche Weise ist in dem IGBT 40 eine Chiptemperatur-Detektiereinrichtung (Diode, Widerstand usw.) 41 zum Detektieren der Chiptemperatur installiert, um die Wärmeerzeugung des IGBT zu überwachen.
  • Wenn eine anormale Temperatur detektiert wird, gibt daher die integrierte Steuerschaltung 12 das Fehlersignal an dem Fehlerausgang FO ab. Die genauen Operationen des Leistungsmoduls sind bei der Ausführungsform 1 erörtert und werden nicht erneut beschrieben.
  • Wie vorstehend beschrieben, hat das Leistungsmodul gemäß der Ausführungsform 3 eine solche Anordnung, daß das Halbleiterschaltelement 8, die Freilaufdiode 10 und die integrierte Steuerschaltung 12 als monolithische integrierte Schaltung derart ausgeführt sind, daß mindestens ein Bereich der Freilaufdiode 10 sandwichartig zwischen dem Halbleiterschaltelement 8 und der integrierten Steuerschaltung 12 angeordnet ist; es wird dadurch möglich, das gesamte Leistungsmodul kompakt zu bauen und seinen Aufbau zu vereinfachen.
  • Dadurch wird es möglich, den Stückpreis des Leistungsmoduls zu senken. Außerdem kann wirkungsvoll verhindert werden, daß von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte Wärme durch Wärmeleitung zu der integrierten Steuerschaltung gelangt, und dadurch kann eine Fehlfunktion der integrierte Steuerschaltung 12 verhindert werden. Die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls kann dadurch verbessert werden. Wenn ferner das Leistungsmodul so aufgebaut ist, daß die Verdrahtungen verkürzt sind, kann auch Rauschen verringert werden.
  • AUSFÜHRUNGSFORM 4
  • Unter Bezugnahme auf 4 wird eine Ausführungsform 4 des Leistungsmoduls der Erfindung beschrieben.
  • 4 ist eine erläuternde Darstellung, die den Aufbau des Leistungsmoduls der Ausführungsform 4 zeigt. In 4 besteht das Leistungsmodul aus einer Wärmesenke 2, die eine Grundplatte ist, einem isolierenden Substrat 4, einer eine Schaltkreisstruktur bildenden Elektrodenschicht 6, einem Halbleiterschaltelement 8, einer Freilaufdiode 10, einer integrierten Steuerschaltung 12 zur Steuerung des Halbleiterschaltelements 8, einem Bonddraht 20 und einem äußeren Eingangs-Ausgangsan schluß 30, der an dem isolierenden Substrat befestigt ist, einem Emitteranschluß 31 und einem Kollektoranschluß 32.
  • Die Ausführungsform 4 gleicht in vieler Hinsicht der Ausführungsform 3. Bei der Ausführungsform 3 sind jedoch das Halbleiterschaltelement 8, die Freilaufdiode 10 und die integrierte Steuerschaltung 12 als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet, während bei der Ausführungsform 4 das Halbleiterschaltelement 8 und die Freilaufdiode 10 getrennt ausgebildet und die Freilaufdiode und die integrierte Steuerschaltung als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet sind.
  • Mit anderen Worten, es unterscheiden sich Ausführungsform 3 und Ausführungsform 4 dadurch voneinander, daß das Halbleiterschaltelement und die Freilaufdiode 10 voneinander getrennt sind oder nicht. Auch hier entfällt unter Bezugnahme auf gleiche Aspekte wie bei der Ausführungsform 2 deren Beschreibung.
  • Da die integrierte Steuerschaltung 12 in einer von dem Halbleiterschaltelement 8 entfernten Position angeordnet ist, können Fehlfunktionen der integrierten Steuerschaltung 12, die auf die von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte Wärme zurückgehen, verringert werden.
  • Da, wie vorstehend beschrieben, das Halbleiterschaltelement 8 und die Freilaufdiode 10 voneinander getrennt aufgebaut und die Freilaufdiode und die integrierte Steuerschaltung als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet sind, ermöglicht dieser Aufbau eine Miniaturisierung des gesamten Leistungsmoduls und eine Vereinfachung seiner Konstruktion. Es wird dadurch möglich, den Stückpreis des Leistungsmoduls zu senken.
  • Außerdem kann wirkungsvoll verhindert werden, daß von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte Wärme durch Wärmeleitung zu der integrierten Steuerschaltung gelangt, und infolgedessen kann eine Fehlfunktion der integrierten Steuerschaltung 12 verhindert werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls verbessert werden. Wenn das Leistungsmodul so aufgebaut ist, daß die Verdrahtung verkürzt ist, wird es ferner möglich, Rauschen zu verringern.
  • Jede der vorstehenden Ausführungsformen hat eine einreihige Anordnung von Anschlüssen, wobei die Eingangs-Ausgangsanschlüsse, der Kollektor- und der Emitteranschluß an einem Ende des Leistungsmoduls angeordnet sind; die Erfindung soll jedoch durch die Anordnung nicht eingeschränkt werden, und es kann auch eine doppelreihige Anordnung vorgesehen sein, bei der die Eingangs-Ausgangsanschlüsse an dem einen Ende des Leistungsmoduls und der Kollektoranschluß und der Emitteranschluß an dem anderen Ende angeordnet sind.

Claims (5)

  1. Leistungsmodul, mit einem isolierenden Substrat (4), das eine mit seiner einen Oberfläche verbundene Grundplatte (2) und eine auf der anderen Oberfläche als Elektrodenschicht (6) ausgebildete Schaltkreisstruktur besitzt, wobei die Schaltkreisstruktur folgendes aufweist: – ein Halbleiterschaltelement (8), – eine Freilaufdiode (10), die mit dem Halbleiterschaltelement (8) antiparallel geschaltet ist, und – eine integrierte Steuerschaltung (12) zur Steuerung des Halbleiterschaltelements (8), dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement (8) und die Freilaufdiode (10) getrennt voneinander jeweils auf der Elektrodenschicht (6) angeordnet sind, und daß die integrierte Steuerschaltung (12) auf der Freilaufdiode (10) und getrennt von dem Halbleiterschaltelement (8) derart angeordnet ist, daß die integrierte Steuerschaltung (12) nicht durch die Wärmeentwicklung des Halbleiterschaltelements (8) beeinträchtigt ist.
  2. Leistungsmodul, mit einem isolierenden Substrat (4), das eine mit seiner einen Oberfläche verbundene Grundplatte (2) und eine auf der anderen Oberfläche als Elektrodenschicht (6) ausgebildete Schaltkreisstruktur besitzt, wobei die Schaltkreisstruktur folgendes aufweist: – ein Halbleiterschaltelement (8), – eine Freilaufdiode (10), die mit dem Halbleiterschaltelement (8) antiparallel geschaltet ist, und – eine integrierte Steuerschaltung (12) zur Steuerung des Halbleiterschaltelements (8), dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement (8) und die Freilaufdiode (10) als monolithische integrierte Schaltung auf der Elektrodenschicht (6) ausgebildet sind, und daß die integrierte Steuerschaltung (12) auf der Freilaufdiode (10) und an einer von dem Halbleiterschaltelement (8) entfernten Position derart angeordnet ist, daß die integrierte Steuerschaltung (12) nicht durch die Wärmeentwicklung des Halbleiterschaltelements (8) beeinträchtigt ist.
  3. Leistungsmodul, mit einem isolierenden Substrat (4), das eine mit seiner einen Oberfläche verbundene Grundplatte (2) und eine auf der anderen Oberfläche als Elektrodenschicht (6) ausgebildete Schaltkreisstruktur besitzt, wobei die Schaltkreisstruktur folgendes aufweist: – ein Halbleiterschaltelement (8), – eine Freilaufdiode (10), die mit dem Halbleiterschaltelement (8) antiparallel geschaltet ist, und – eine integrierte Steuerschaltung (12) zur Steuerung des Halbleiterschaltelements (8), dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement (8), die Freilaufdiode (10) und die integrierte Steuerschaltung (12) als monolithisch integrierte Schaltung auf der Elektrodenschicht (6) ausgebildet sind, wobei mindestens ein Bereich der Freilaufdiode (10) sandwichartig zwischen dem Halbleiterschaltelement (8) und der integrierten Steuerschaltung (12) angeordnet ist, so daß die integrierte Steuerschaltung (12) an einer von dem Halbleiterschaltelement (8) entfernten Position angeordnet ist, derart, daß die integrierte Steuerschaltung (12) nicht durch die Wärmeentwicklung des Halbleiterschaltelements (8) beeinträchtigt ist.
  4. Leistungsmodul, mit einem isolierenden Substrat (4), das eine mit seiner einen Oberfläche verbundene Grundplatte (2) und eine auf der anderen Oberfläche als Elektrodenschicht (6) ausgebildete Schaltkreisstruktur besitzt, wobei die Schaltkreisstruktur folgendes aufweist: – ein Halbleiterschaltelement (8), – eine Freilaufdiode (10), die mit dem Halbleiterschaltelement (8) antiparallel geschaltet ist, und – eine integrierte Steuerschaltung (12) zur Steuerung des Halbleiterschaltelements (8), dadurch gekennzeichnet, daß die Freilaufdiode (10) und die integrierte Steuerschaltung (12) als monolithisch integrierte Schaltung auf der Elektrodenschicht (6) ausgebildet sind, und daß das Halbleiterschaltelement (8) derart getrennt von der Freilaufdiode (10) auf der Elektrodenschicht (6) ausgebildet ist, daß die integrierte Steuerschaltung (12) in einer von dem Halbleiterschaltelement (8) entfernten Position angeordnet ist, derart, daß die integrierte Steuerschaltung (12) nicht durch die Wärmeentwicklung des Halbleiterschaltelements (8) beeinträchtigt ist.
  5. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Halbleiterschaltelement (8) ein Element vom Isolierschicht-Typ, insbesondere ein IGBT oder ein Leistungs-MOSFET ist.
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