DE3421185A1

DE3421185A1 - Leistungshalbleiterschaltung

Info

Publication number: DE3421185A1
Application number: DE19843421185
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. 6148 Heppenheim Berndes; Hubertus Dipl.-Phys. 6944 Hemsbach Kmitta; Georg 6520 Worms Nippert
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1984-06-07
Filing date: 1984-06-07
Publication date: 1985-12-12

Description

Leistungshalbleiterschaltung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungshalbleiterschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Leistungshalbleiterschaltungen können z.B. durch Anschlußelemente und ein Gehäuse zu einem Leistungshalbleitermodul ergänzt werden.
Solche Leistungshalbleitermodule sind z.B. aus den DE-OSen 31 32 337 und 32 09 173 bekannt. Bei diesen Leistungshalbleitermodulen werden in einer hybriden Technik einzelne Leistungshalbleiterbauelemente oder Chips eingesetzt und mit Hilfe einer an den jeweiligen Leistungsbereich angepaßten Technik zur Herstellung elektrischer Verbindungen miteinander verschaltet.
Nachteile dieser bekannten Leistungshalbleiterschaltungen bestehen darin, daß besonders bei komplexen Schaltungen eine Vielzahl oft unterschiedlicher Teile benötigt werden, wodurch die Montage der Teile zu Modulen aufwendig ist. Außerdem treten Probleme bei der sogenannten Paarung auf, d.h. wenn in einer Schaltung Leistungshalbleiterbauelemente paarweise mit gleichen Eigenschaften benötigt werden.
Es sind auch Bauelemente bekannt und am Markt erhältlich, bei denen mehr als eine Funktionseinheit, z.B.
zwei Einheiten monolithisch integriert sind, z.B. rückwärtsleitender Thyristor RLT, Triac oder Transistoren in Darlingtonschaltung. Dabei handelt es sich um Schaltungen, die keine vollständige Potentialtrennung zwischen den einzelnen Funktionseinheiten erforderlich machen. Es sind also im Halbleiterchip Schichten und Übergänge gleichen Potentials für beide Funktionseinheiten vorhanden. Eine derartige bekannte Integration ist deshalb nur bei einigen Schaltungs-Sonderfällen möglich.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Leistungshalbleiterschaltung anzugeben, die eine monolithische Integration beliebiger Funktionseinheiten ermöglicht und die Nachteile der bekannten Lösungen vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch eine Leistungshalbleiterschaltung nach dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen unter anderem darin, daß die Anzahl der zur Montage benötigten Teile und der Aufwand für die Montage selbst erheblich verringert und dadurch Kosten eingespart werden, und daß keine Probleme mit der Paarung auftreten können, da die Leistungshalbleiterfunktionseinheiten gleichzeitig in einem Chip bzw. in einer Siliziumscheibe hergestellt werden. Es ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau. Aufwendige Verbindungsteile entfallen ganz. Auf einem Halbleiterchip können prinzipiell beliebig komplexe Schaltungen ohne Rücksicht auf die Potentiale der strom- führenden Hauptelektroden realisiert werden, z.B. vollständige Drehstrombrückenschaltungen.
Elektrische Verbindungen zwischen den Funktionseinheiten werden durch Metallisierungen auf der Oberfläche und/-oder durch Leiterbahnen auf einem Keramiksubstrat hergestellt. Auch Drahtverbindungen innerhalb oder außerhalb eines Modulgehäuses, in das der Halbleiterchip eingesetzt wird, sind möglich.
Auf einem Chip können gesteuerte und ungesteuerte Leistungshalbleiterfunktionseinheiten nebeneinander angeordnet werden, wobei die Funktionseinheiten je nach Zweckmäßigkeit für die zu realisierende Schaltung abwechselnd so ausgeführt werden können, daß die Anode oder die Kathode oben ist.
Der Leistungsteil des Halbleiterchips kann auch vorteilhaft ergänzt werden durch Schaltungsteile zur Steuerung der Leistungshalbleiterfunktionseinheiten, wodurch sich eine noch kompaktere Bauweise ergibt.
Unter Leistungshalbleiterfunktionseinheiten werden Ventile wie Dioden, Thyristoren sowie andere in Leistungshalbleiterbauelementen realisierbare Funktionseinheiten mit Flußrichtung des steuerbaren Hauptstromes im wesentlichen senkrecht zu den Hauptflächen verstanden.
Die erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung wird hergestellt, indem auf einer Siliziumscheibe in bekannter Weise mehrere voneinander isolierte Funktionseinheiten gebildet werden. Es kann sich dabei um gleiche oder unterschiedliche Funktionseinheiten handeln. Die elektrische Trennung der Funktionseinheiten kann vorzugsweise durch axial durchgehende Bereiche gegensätzlicher Dotierung erreicht werden, welche durch Trenndiffusion hergestellt worden sind. Aber auch andere Verfahren, wie z.B. Thermomigration sind möglich. Wesentlich ist nur, daß axial durchgehende Bereiche gegensätzlicher Dotierung hergestellt werden, die elektrisch wie zwei unterschiedlich gepolte und in Reihe geschaltete Dioden wirken, also in beiden Richtungen sperren.
Die Leistungshalbleiterfunktionseinheiten sind vorzugsweise axial durchgängig durch den Halbleiterchip aufgebaut, wobei sich jeweils mindestens eine Hauptelektrode auf der Oberseite und der Unterseite des Halbleiterchips befindet.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine genauere Beschreibung der Erfindung erfolgt anhand nachstehender Ausführungsbeispiele und der Zeichnung.
Es zeigen: Fig. 1 Halbleiterchip mit vier Thyristoren, Fig. 2 Schnitt durch eine Ebene A-B des Halbleiterchips gemäß Fig. 1, Fig. 3 elektrische Schaltung des in Fig. 2 dargestellten Teils des Halbleiterchips, Fig. 4 Schnitt durch eine Ebene C-D im Halbleiterchip gemäß Fig. 1, Fig. 5 elektrische Schaltung des Chipteils gemäß Fig. 4, Fig. 6 Schnitt durch eine Ebene E-F des Halbleiterchips gemäß Fig. 1, Fig. 7 elektrische Schaltung des in Fig. 6 dargestellten Teils des Halbleiterchips, Fig. 8 elektrische Schaltung des Halbleiterchips gemäß Fig. 1, Fig. 9- Halbleiterchip mit vier Thyristoren, Fig. 10 Schnitt durch eine Ebene I-K des Halbleiterchips gemäß Fig. 9, Fig. 11 elektrische Schaltung des in Fig. 10 dargestellten Teils des Halbleiterchips, Fig. 12 Schnitt durch eine Ebene L-M des in Fig. 9 dargestellten Halbleiterchips, Fig. 13 elektrische Schaltung des in Fig. 12 dargestellten Teils des Halbleiterchips, Fig. 14 Schnitt durch eine Ebene N-O des Halbleiterchips gemäß Fig. 9, Fig. 15 elektrische Schaltung des in Fig. 14 dargestellten Teils des Halbleiterchips.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Halbleiterchip 1, der vier Thyristoren T1 bis T4 enthält. Die vier Thyristoren T1 bis T4 sind im Halbleiterchip 1 durch Trenndiffusion elektrisch gegeneinander isoliert. Die Stellen, an denen der pn-Übergang an die Oberfläche tritt, sind durch eine Passivierung 2 geschützt. Von den vier Thyristoren T1 bis T4 sind zwei Thyristoren T1 und T2 so ausgeführt, daß die Seite mit der Kathode 3 und dem Gate 4 oben liegt. Zwei Thyristoren T3 und T4 sind umgekehrt ausgeführt, so daß deren Anode 5 oben liegt. Durch eine erste Metallisierungsschicht 6.1 ist die Kathode 3 des ersten Thyristors T1 mit der Anode 5 des dritten Thyristors T3 elektrisch verbunden. Außerdem ist durch eine zweite Metallisierung 6.2 die Kathode 3 des zweiten Thyristors T2 mit der Anode 5 des vierten Thyristors T4 elektrisch verbunden.
Weitere elektrische Verbindungen zwischen Thyristoren T1 bis T4 bestehen auf der in Fig. 1 nicht sichtbaren Unterseite. Damit sind wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, die Anoden 5 des ersten Thyristors T1 mit dem zweiten Thyristor T2 verbunden und wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt, die Kathoden 3 des dritten Thyristors T3 und des vierten Thyristors T4 verbunden.
Mit den beschriebenen elektrischen Verbindungen ergibt sich insgesamt die Schaltung einer vollgesteuerten einphasigen Brücke, wie in Fig. 8 dargestellt.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die in Fig. 1 eingetragene Schnittebene A-B. Bei diesem Schnitt durch den Halbleiterchip 1 sind der erste Thyristor T1 und der zweite Thyristor T2 sichtbar. Weiterhin ist aus dem Schnittbild ersichtlich, daß der Halbleiterchip 1 sowohl oben als auch unten einen pn-Übergang 7 aufweist und daß Guardringe (Schutzringe) 8 aus p-leitendem Material zur Begrenzung der Feldstärke vorgesehen sind. Die ersten und zweiten Thyristoren T1 und T2 sind begrenzt durch axial durchgehende Bereiche 9 gegensätzlicher Dotierung, die durch Trenndiffusion hergestellt sind. Sämtliche Stellen, an denen Übergänge 7 zwischen n-leitendem Material 10 und p-leitendem Material 9, 11 an die Oberfläche treten, sind durch die Passivierung 2, z.B. eine Glaspassivierungsschicht, abgedeckt. Wie bereits weiter oben beschrieben, sind die beiden Thyristoren T1 und T2 so ausgeführt, daß die Seite mit der Kathode 3 und dem Gate 4 jeweils oben liegt. Die Anoden 5 der beiden Thyristoren T1 und T2 sind durch eine durchgehende dritte Metallisierungsschicht 6.3 miteinander verbunden, wobei die dritte Metallisierungsschicht 6.3 mit Leiterbahnen 12 aus Kupfer auf einem isolierenden Substrat 13 aus Keramik verlötet ist. Die Leiterbahnen 12 können z.B. durch direktes Bonden mit dem Substrat 13 verbunden sein.
Die elektrische Schaltung, die dem in Fig. 2 dargestellten Teil des Halbleiterchips 1 entspricht, ist in Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 zeigt, daß die Anoden 5 der ersten und zweiten Thyristoren T1 und T2 miteinander verbunden sind.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die in Fig. 1 eingetragene Schnittebene C-D. Das Schnittbild zeigt, daß die dritten und vierten Thyristoren T3 und T4 so ausgeführt sind, daß die Anoden 5 jeweils oben liegen. Die Kathoden 3 auf der Unterseite sind durch eine durchgehende vierte Metallisierungsschicht 6.4 miteinander verbunden. Die Kathoden 3 und Gate 4 der beiden Thyristoren T3 und T4 sind mit Leiterbahnen 12 auf dem Substrat 13 verlötet.
Die übrigen Bezugszeichen wurden bereits oben erläutert.
Die elektrische Schaltung des in Fig. 4 dargestellten Teils des Halbleiterchips 1 zeigt Fig. 5. Daraus ist ersichtlich, daß die Kathoden 3 der beiden Thyristoren T3 und T4 miteinander verbunden sind.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch die in Fig. 1 eingetragene Schnittebene E-F. Dabei sind der erste Thyristor T1 und der dritte Thyristor T3 mit der bereits in Fig. 1 dargestellten ersten Metallisierungsschicht 6.1 zur Verbindung der Kathode 3 des ersten Thyristors T1 mit der Anode 5 des dritten Thyristors T3 gezeigt. Die Anode 5 des ersten Thyristors T1 sowie die Kathode 3 und das Gate Lt des dritten Thyristors T3 sind mit Leiterbahnen 12 auf dem Substrat 13 verlötet. Die in Fig. 6 gezeigte Anordnung gilt auch für den zweiten Thyristor T2 und den vierten Thyristor T4 bei einem Schnitt durch die in Fig. 1 eingetragene Ebene G-H.
Fig. 7 zeigt die zugehörige elektrische Schaltung für die Hintereinanderschaltung der Thyristoren T1 und T3 bzw. T2 und T4 entsprechend den Fig. 1 und 6.
Fig. 8 zeigt die einphasige Brückenschaltung, die durch die in den Fig. 1, 2, 4 und 6 dargestellte Anordnung realisiert ist, wobei die elektrischen Verbindungen zwischen den vier Thyristoren T1 bis T4 durch die vier Metallisierungen 6.1 bis 6.4 hergestellt sind.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 9 bis 15 dargestellt. Bei diesem Beispiel können vier Thyristoren T5 bis T8 einzeln unabhängig voneinander oder jeweils zwei Thyristoren als Zweigpaar unabhängig voneinander verwendet werden oder als einphasige Brückenschaltung zusammengeschaltet werden.
Fig. 9 zeigt einen Halbleiterchip 1.1, der vier Thyristoren T5 bis T8 enthält, wobei bei zwei Thyristoren T5, T6 die Kathodenseite oben liegt und bei zwei Thyristoren T7, T8 die Anodenseite oben ist. Die Thyristoren T5 bis T8 sind wie bei dem Halbleiterchip 1 nach Fig. 1 durch Trenndiffusion voneinander isoliert und sind mit einer Passivierung 2 versehen. Die Elektroden 3 bis 5 weisen zwar eine Metallisierung 6 auf, die jedoch nur die Elektroden 3 bis 5 bedeckt und nicht eine Verbindung zwischen Thyristoren T5 bis T8 herstellt. Elektrische Verbindungen werden erst später durch Kontaktierung mit einem Substrat 13 hergestellt, das mit Leiterbahnen 12 entsprechend der gewünschten Schaltung versehen ist.
Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch die in Fig. 9 eingetragene Ebene I-K, also durch die zwei Thyristoren T5 und T6 mit oben liegender Kathode 3. Die Anoden 5 der Thyristoren T5, T6 sind über eine der Leiterbahnen 12 des Substrats 13 miteinander verbunden, mit dem der Halbleiterchip 1.1 kontaktiert ist. Somit entsteht eine Teilbrücke wie in Fig. 11 dargestellt, die der in Fig. 3 gezeigten Teilbrücke entspricht. Die übrigen Bezugszeichen der Fig. 10 bis 15 wurden bereits oben erläutert.
Fig. 12 zeigt einen Schnitt durch die in Fig. 9 eingetragene Ebene L-M und damit durch die zwei Thyristoren T7 und T8 mit oben liegender Anode 5. Die Kathoden 3 sind über die Leiterbahnen 12 des Substrats 13 miteinander verbunden. Damit ist eine Schaltung gemäß Fig. 13 hergestellt, die mit Fig. 5 übereinstimmt.
Fig. 14 zeigt einen Schnitt durch die in Fig. 9 eingetragene Ebene N-O und damit durch die zwei Thyristoren T5 und T7. Die Anode 5 des Thyristors T5 ist dabei mit der Kathode 3 des Thyristors T7 über eine Leiterbahn 12 des Substrats 13 verbunden. Die gleiche Darstellung würde für einen Schnitt durch die Thyristoren T6 und T8 gelten. Dies ist in den Fig. 15 durch die Bezugszeichen der Thyristoren T5 bis T8 angedeutet. Fig. 15 zeigt eine Hintereinanderschaltung von Thyristoren T5 bis T8 entsprechend der Fig. 7.
Um eine Brückenschaltung entsprechend Fig. 8 herzustellen sind zusätzliche Verbindungen auf der Oberseite des Halbleiterchips 1.1 erforderlich, die z.B. mit Hilfe eines weiteren metallisierten Substrats hergestellt werden können.
Auf eine den beschriebenen Ausführungsbeispielen entsprechende Weise können vorzugsweise im mittleren Leistungsbereich z.B. Halbleiterchips mit sechs Dioden oder Thyristoren für eine ungesteuerte oder gesteuerte Drehstrombrückenschaltung verwendet werden oder andere Stromrichterschaltungen in sehr kompakter Bauweise realisiert werden.

Claims

Ansprüche Leistungshalbleiterschaltung, die mindestens zwei in einem Halbleiterchip integrierte Leistungshalbleiterfunktionseinheiten enthält, dadurch gekennzeiohnet, daß die Leistungshalbleiterfunktionseinheiten (T1 bis T8) im Halbleiterchip (1, 1.1) durch axial durchgehende Bereiche gegensätzlicher Dotierung (9) elektrisch voneinander isoliert sind.
2. Leistungshalbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Verbindungen zwischen Leistungshalbleiterfunktionseinheiten (T1 bis T#) als Metallisierung (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) auf der Oberfläche des Halbleiterchips (1) ausgeführt sind.
3. Leistungshalbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Verbindungen zwischen Leistungshalbleiterfunktionseinheiten (T1 bis T8) durch Leiterbahnen (12) auf einem Keramiksubstrat (13) hergestellt sind, wobei der Halbleiterchip (1, 1.,1) mit den Leiterbahnen (12) des Keramiksubstrats (13) kontaktiert ist.
4. Leistungshalbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Verbindungen zwischen Leistungshalbleiterfunktionseinheiten (T1 bis T8) zumindest teilweise durch drahtartige Verbindungen innerhalb oder außerhalb eines Gehäuses hergestellt sind.
5. Leistungshalbleiterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterchip (1, 1.1) Leistungshalbleiterfunktionseinheiten (T3, T4, T7, T8) mit der Anode (5) auf der Oberseite neben Leistungshalbleiterfunktionseinheiten (T1, T2, T5, T6) mit der Kathode (3) auf der Oberseite angeordnet sind.
6. Leistungshalbleiterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Halbleiterchip (1, 1.1) auch Funktionseinheiten zur Steuerung der Leistungshalbleiterfunktionseinheiten (T1 bis T8) integriert sind.
7. Leistungshalbleiterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axial durchgehenden Bereiche gegensätzlicher Dotierung (9) durch Trenndiffusion hergestellt sind.
8. Leistungshalbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die axial durchgehenden Bereiche gegensätzlicher Dotierung (9) durch Thermomigration hergestellt sind.
9. Leistungshalbleiterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungshalbleiterfunktionseinheiten (T1 bis T8) axial durchgängig aufgebaut sind, wobei eine der stromführenden Hauptelektroden (3,5) auf einer Seite des Halbleiterchips (1, 1.1) und eine andere stromführende Hauptelektrode (5,3) auf der andere Seite angeordnet ist.
10. Leistungshalbleiterschaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einem elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Substrat montiert ist.
11. Leistungshalbleiterschaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen zwei elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Substraten montiert ist.
12. Leistungshalbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliervermögen der axial durchgehenden Bereiche (9) gegensätzlicher Dotierung dadurch verbessert ist, daß Austrittsstellen der pn-Übergänge an die Oberfläche glaspassiviert sind.
13. Leistungshalbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenfeldstärke durch Guardringe (8) herabgesetzt ist.