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DE69907590T2 - Halbleitermodul - Google Patents

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DE69907590T2
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semiconductor
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semiconductor module
semiconductor chips
connection
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Hiromitsu Kariya-shi Aichi-ken Yoshiyama
Toshinari Kariya-shi Aichi-ken Fukatsu
Toshiaki Kariya-shi Aichi-ken Nagase
Kenichi Kariya-shi Aichi-ken Sofue
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Toyota Industries Corp
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul, und sie betrifft insbesondere ein nicht isoliertes Leistungshalbleitermodul.
  • Zuletzt wurden Halbleitermodule nicht nur zur Verarbeitung von Steuersignalen sondern auch zur Steuerung von großen elektrischen Strömen verwendet. Ein Leistungshalbleitermodul mit einer großen Stromkapazität wird bspw. bei einer Steuervorrichtung zur Ansteuerung des Motors zum Antreiben eines Elektromotorfahrzeugs wie etwa einem batteriegetriebenen Gabelstapler usw. als zwischen einer Batterie und dem Motor eingebauter Schaltvorrichtung verwendet.
  • Für derartige Halbleitermodule sind Halbleitermodule mit einer Vielzahl von Strukturen bekannt, wie etwa einem Halbleiter, bei dem die Stromkapazität vergrößert wird, indem Leistungshalbleiterchips derselben Art parallel geschaltet werden, ein Halbleitermodul, das durch eine einfache Schaltung mit verschiedenen Arten von Halbleiterchips gebildet wird, ein Halbleitermodul, das eine aus Halbleiterchips zusammengesetzte eingebettete Ansteuerungsschaltung aufweist usw.
  • Ein Halbleitermodul und insbesondere ein Leistungshalbleitermodul wird üblicherweise durch den Einbau eines der vorstehend beschriebenen Halbleiterchips in ein Harzgehäuse ausgebildet. Ein Gehäuse wird üblicherweise aus Plastik ausgebildet, und der Halbleiterchip wird unter Verwendung von Keramiken usw. isoliert. Die Lücke innerhalb des Gehäuses wird mit Gel, Epoxidharz usw. aufgefüllt.
  • Ein Leistungshalbleitermodul erzeugt eine große Wärmemenge, da ein großer Strom durch das Modul fließt. Daher müssen Messungen vorgenommen werden, um die Wärme abzustrahlen. Ein Verfahren zum Einbauen eines Halbleitermoduls auf einem Basissubstrat, das sowohl eine große Wärmekapazität als auch eine hohe Wärmeabstrahlungswirkung aufweist, wird oftmals zum Abstrahlen der Wärme von Halbleitermodulen verwendet. Dabei wird die durch ein Halbleitermodul erzeugte Wärme durch das Basissubstrat abgestrahlt.
  • 1A zeigt die interne Struktur eines bekannten Halbleitermoduls. Dabei wird ein MOSFET als Beispiel verwendet.
  • Ein Halbleitermodul 100 beinhaltet eine Vielzahl von Halbleiterchips 101, die miteinander parallel verschaltet werden (drei Halbleitermodule 101a, 101b und 101c bei 1a). Eine Vielzahl von Halbleiterchips 101 sind in einer geraden Linie angeordnet, wobei der jeweilige Drainbereich mit dem leitenden Basissubstrat 102 verbunden ist. Halbleiter mit einer derartigen Struktur werden oftmals „nicht isoliert" genannt.
  • Eine Sourceelektrode 103 und eine Gateelektrode 104 werden mit der Anordnungsrichtung der Vielzahl von Halbleiterchips 101 parallel ausgebildet. Die Sourceelektrode 103 und die Gateelektrode 104 sind mit einem Sourcebereich bzw. einem Gatebereich jedes Halbleiterchips 101 unter Verwendung von Verbindungsdrähten 105 verbunden. Die Sourceelektrode 103 und die Gateelektrode 104 sind von dem Basissubstrat 102 unter Verwendung einer Isolationsschicht 106 elektrisch isoliert.
  • Ein Drainanschluss 107, ein Sourceanschluss 108 und ein Gateanschluss 109 sind mit dem Basissubstrat 102, der Sourceelektrode 103 bzw. der Gateelektrode 104 verbunden. Der Drainanschluss 107 und der Sourceanschluss 108 sind ein Eingangspunkt bzw. ein Ausgangspunkt des Hauptstroms dieses Halbleitermoduls.
  • Jeder der Halbleiterchips 101 wird angeschaltet, wenn eine Steuerspannung zwischen der Gateelektrode und der Sourceelektrode angelegt wird. Der durch den Drainanschluss 103 zugeführte Hauptstrom erreicht dabei den Sourceanschluss 108 durch das Basissubstrat 102, jeden der Halbleiterchips 101, die Verbindungsdrähte 105 und die Sourceelektrode 103, in dieser Reihenfolge. Dabei arbeitet das Basissubstrat 102 als Drainelektrode.
  • Gemäß 1 sind jedoch bei einem bekannten Halbleitermodul 100 lediglich ein Drainanschluss 107 und lediglich ein Sourceanschluss 108 üblicherweise an jedem Ende des Moduls bereitgestellt. Aus diesem Grund sind gemäß 1b die Längen des Pfades, entlang dem der Hauptstrom fließt, in Abhängigkeit von der Position des jeweiligen Halbleiterchips 101 verschieden. Bei dem in 1B gezeigten Beispiel ist ein Pfad Ic durch den Halbleiterchip 101c wesentlich länger als ein Pfad Ia durch den Halbleiterchip 101a. Die Induktivität in einem Strompfad ist dabei nahezu proportional zu der Länge des Pfades. Somit wird bei dem vorliegenden Beispiel die Induktivität des Pfades Ic größer als die Induktivität des Pfades Ia.
  • Der Einfluss dieser Induktivität tritt zu dem Zeitpunkt auf, wenn der Halbleiterchip 101 geschaltet wird (besonders zum Anschaltzeitpunkt des MOSFET). Im Einzelnen ist die zum Abschaltzeitpunkt des Halbleiterchips 101 erzeugte Stoßspannung um so größer, je größer die Induktivität ist. Manchmal wird der Halbleiterchip 101 beschädigt, da diese Stoßspannung an den Halbleiterchip 102 angelegt wird. Falls die Länge eines Strompfades bei jedem Halbleiterchip verschieden ist, arbeiten alle Halbleiterchips nicht gleich, selbst falls die Eigenschaften von allen Halbleiterchips dieselben sind. Folglich werden einige der einzelnen Halbleiterchips leicht beschädigt.
  • Ferner wird gewürdigt, dass die Druckschrift EP-A-0 588 094 eine Halbleitervorrichtung mit einer reduzierten internen Induktivität offenbart. Im Einzelnen ist eine Halbleitervorrichtung zum Erzielen eines hochschnellen Schaltens mit einem großen Strom aus dieser Druckschrift bekannt. Zur Reduktion der internen Induktivität dieser Vorrichtung weisen ein erster und ein zweiter Leistungsanschluss davon einen flachen Teil auf, der in der Länge breiter als in der Höhe ist. Ferner sind diese Anschlüsse im Wesentlichen parallel zueinander benachbart angeordnet. Bei dieser Vorrichtung fließen die Hauptströme auf dem ersten und dem zweiten Leistungsanschluss sowie auf einem zweiten und einem vierten Leiter in entgegengesetzte Richtungen, womit die interne Induktivität weiter reduziert wird.
  • Darüber hinaus wird gewürdigt, dass die Druckschrift JP-A-61 139 051 eine Halbleitervorrichtung zur Reduktion der elektrischen Wirkung auf Transistorchips offenbart, die parallel verschaltet sind. Im Einzelnen ist eine einen Leiter herausführende Emitterelektrode im Zentrum zwischen den parallelen Transistorchips oder in einer derartigen Weise ausgebildet, dass ein annähernd gleicher Abstand bereitgestellt wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stoßspannung eines Halbleitermoduls mit einer Vielzahl von Halbleiterelementen zu unterdrücken.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß dem beigefügten unabhängigen Patentanspruch gelöst.
  • Vorteilhafte Abwandlungen sind in den beigefügten abhängigen Patentansprüchen ausgeführt.
  • Falls der Anschluss zum Eingeben des Hauptstroms in zwei oder mehr Teile unterteilt ist, ist demzufolge der dem jeweiligen Halbleiterchip zuzuführende Hauptstrom durch das nächste unterteilte Teil einzugeben. Falls der Anschluss zum Ausgeben des Hauptstroms in zwei oder mehr Teile unterteilt ist, ist der durch den jeweiligen Halbleiterchip fließende Hauptstrom an dem nächsten unterteilten Teil auszugeben. Zusätzlich sind der Anschluss zum Eingeben des Hauptstroms und der Anschluss zum Ausgeben des Hauptstroms parallel zu der Anordnungsrichtung der Vielzahl von Halbleiterchips jeweils ausgebildet. Daher fließt der Hauptstrom des jeweiligen Halbleiterchips durch den kürzesten Pfad und die Längen von allen Pfaden sind zueinander nahezu gleich. Folglich wird die Leiterbahninduktivität von allen Halbleiterchips homogen und klein, und somit werden auch die an die Halbleiterchips angelegten Stoßspannungen ebenfalls homogen und klein.
  • 1 zeigt die interne Struktur eines bekannten Halbleitermoduls.
  • 1B zeigt den Pfad des Hauptstroms bei dem in 1 gezeigten Halbleitermodul.
  • Die 2A und 2B zeigen die interne Struktur eines Halbleitermoduls, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist. 2A zeigt die Schrägschnittansicht und 2B die Draufsicht.
  • Die 3A und 3B beschreiben den Pfad des Hauptstroms bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
  • 4 zeigt die interne Struktur eines Halbleitermoduls eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • Die 2A und 2B zeigen die interne Struktur eines Halbleitermoduls, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist. 2A zeigt die Schrägschnittansicht und 2B die Draufsicht.
  • Die Bezugszeichen in 2 sind dieselben wie bei 1A und bezeichnen dieselben Bestandteile. Genauer sind eine Vielzahl von Halbleiterchips 101 (101a bis 101c), ein Basissubstrat 102, eine Gateelektrode 104, ein Verbindungsdraht 105, eine Isolationsschicht 106 und ein Gateanschluss 109 im Wesentlichen dieselben, wie die für das in 1A gezeigte bekannte Halbleitersubstrat Verwendeten.
  • Das Halbleitermodul gemäß dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel ist hauptsächlich durch die Struktur und die Anordnung einer Sourceelektrode, eines Sourceanschlusses und eines Drainanschlusses gekennzeichnet.
  • Eine Sourceelektrode 1 ist parallel zu der Anordnungsrichtung der Vielzahl von Halbleiterchips 101 ausgebildet, und mit dem Sourcebereich des jeweiligen Halbleiterchips 101 unter Verwendung von Verbindungsdrähten 105 verbunden. Die Sourceelektrode 1 ist von dem Basissubstrat 102 unter Verwendung der Isolationsschicht 106 elektrisch isoliert.
  • Die Sourceanschlüsse 2a, 2b und 2c sind unmittelbar mit der Sourceelektrode 1 verbunden. Ein in jedem der Sourceanschlüsse 2a bis 2c ausgebildetes Loch wird zur Verbindung mit einer externen Schaltung (wie etwa einer Energieversorgungsschaltung) usw. verwendet. Im Einzelnen ist jeder der Sourceanschlüsse 2a bis 2c der Ausgangspunkt des Hauptstroms in dem Halbleitermodul. Die Breite von allen Sourceanschlüssen 2a bis 2c (Längen in der Anordnungsrichtung der Vielzahl von Halbleiterchips 101) sind dieselben, und derart ausgebildet, dass die Breite so groß wie möglich wird. Die Sourceelektrode 1 und die Sourceanschlüsse 2a bis 2c können monolithisch ausgebildet sein. Die Drainanschlüsse 3a, 3b und 3c sind mit dem Basissubstrat 102 unmittelbar verbunden. Ein in jedem der Drainanschlüsse 3a bis 3c ausgebildetes Loch wird zur Verbindung mit einer externen Schaltung (wie etwa einer Energieversorgungsschaltung) usw. verwendet. Genauer ist jeder der Drainanschlüsse 3a bis 3c der Eingangspunkt des Hauptstroms bei dem Halbleitermodul. Wie bei den Sourceanschlüssen 2a bis 2c sind die Breiten aller Drainanschlüsse 3a bis 3c dieselben und derart ausgebildet, dass die Breite so groß wie möglich ist.
  • Bei dem Halbleitermodul 100 mit der vorstehend beschriebenen Struktur wird jeder der Halbleiterchips 101 angeschaltet, falls eine Steuerspannung zwischen der Gateelektrode und der Sourceelektrode angelegt wird. Dabei erreicht der durch die Drainanschlüsse 3a, 3b und 3c zugeführte Hauptstrom die Sourceanschlüsse 2a, 2b und 2c durch das Basissubstrat 102, einen jeweiligen Halbleiterchip 101, Verbindungsdrähte 105 und die Sourceelektrode 1, in dieser Reihenfolge.
  • Die 3A und 3B beschreiben den Pfad des Hauptstrom bei dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel. In 3B gibt „Sourceanschluss 2" einen willkürlichen Sourceanschluss der Sourceanschlüsse 2a bis 2c an, und ein „Drainanschluss 3" gibt einen willkürlichen Drainanschluss der Drainanschlüsse 3a bis 3c an.
  • Gemäß 3A umfasst das Halbleitermodul bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Drainanschlüssen 3a bis 3c und eine Vielzahl von Sourceanschlüssen 2a bis 2c. Somit weist das Halbleitermodul bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Hauptstromeingangspunkten (Hauptstromzufuhrpunkte) und eine Vielzahl von Hauptstromausgangspunkten auf.
  • Bei der vorliegenden Struktur werden die Hauptströme einer Vielzahl von Halbleiterchips 101a bis 101c von einer Vielzahl von Hauptstromeingangspunkten zugeführt, und sie werden an einer Vielzahl von Hautpstromausgangspunkten ausgegeben. Dabei nimmt der Hauptstrom des jeweiligen Halbleiterchips 101a bis 101c den kürzesten Pfad einer Vielzahl von Pfaden von einem Hauptstromeingangspunkt zu einem Hauptstromausgangspunkt. Der Hauptstrom des Halbleiterchips 101a wird bspw. von dem Drainanschluss 3a zugeführt und an dem Sourceanschluss 2a ausgegeben. Der Hauptstrom des Halbleiterchips 101b wird von dem Drainanschluss 3b zugeführt, und an den Sourceanschluss 2b ausgegeben.
  • Folglich werden die Längen von allen Pfaden des Hauptstroms der Halbleiterchips 101a bis 101c von dem Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss des Halbleitermoduls nahezu gleich. Somit werden die Leiterbahninduktivitäten von allen Halbleiterchips ebenfalls nahezu dieselben.
  • Falls die Leiterbahninduktivitäten von allen Halbleiterchips dieselben sind, werden alle beim Schaltbetrieb (insbesondere zum Abschaltezeitpunkt des MOSFET) erzeugten Stoßspannungen nahezu dieselben. Folglich kann das Problem, bei dem ein bestimmter Halbleiterchip leicht zerstört wird, vermieden werden.
  • Bei einem bekannten Halbleitermodul gemäß 1B werden die Pfade einiger Halbleiterchips lang, und die Induktivitäten der Pfade werden groß. Bei dem Halbleiter des bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß 3A weisen jedoch alle Pfade des Hauptstroms der Halbleiterchips 101a bis 101c die kürzeste Länge auf. Daher wird die Induktivität des jeweiligen Halbleiterchips klein, und die an den jeweiligen Halbleiterchip angelegte Stoßspannung wird gering. Folglich kann das Halbleitermodul bei dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel in dem höheren Eingangsspannungsbereich verwendet werden, selbst falls bekannte Halbleiterchips verwendet werden.
  • Gemäß 3B sind gemäß dem Halbleitermodul bei dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel der Sourceanschluss 2 und der Drainanschluss 3 dicht ausgebildet. Der Sourceanschluss 2 und der Drainanschluss 3 werden bspw. unter Verwendung eines Gehäuses zum Schützen der Halbleiterchips 101a bis 101c isoliert. Dabei sollte die Dicke des Gehäuses ausreichend dünn sein, so dass der Sourceanschluss 2 und der Drainanschluss 3 nahe zueinander angeordnet sind. Dieses Gehäuse wird aus einem Material ausgebildet, welches das Passieren des magnetischen Flusses erlaubt.
  • Die Richtungen des durch den Sourceanschluss 2 und den Drainanschluss 3 fließenden Hauptstroms sind zueinander entgegengesetzt. Aus diesem Grund sind in einem Bereich A1 ein durch den durch den Sourceanschluss 2 fließenden Hauptstrom erzeugtes magnetisches Feld und ein durch den durch den Drainanschluss 3 fließenden Strom erzeugtes magnetisches Feld gegeneinander aufgehoben, und die Induktivität dieses Pfades wird somit angemessen klein. In gleicher Weise heben sich in einem Bereich A2 ein durch den durch die Sourceelektrode 1 fließenden Hauptstrom erzeugtes magnetisches Feld und ein durch den durch das Basissubstrat 102 fließenden Hauptstrom erzeugtes magnetisches Feld gegeneinander auf und die Induktivität dieses Pfades wird somit ebenfalls angemessen klein.
  • Falls die Leiterbahninduktivität des jeweiligen Halbleiterchips klein wird, wird die beim Schaltbetrieb der Halbleiterchips (insbesondere zum Abschaltzeitpunkt des MOSFET) erzeugte Stoßspannung klein. Folglich kann das Halbleitermodul gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem höheren Eingangsspannungsbereich verwendet werden, selbst falls bekannte Halbleiterchips verwendet werden.
  • Die Sourceelektrode 1 und die Sourceanschlüsse 2a bis 2c können aus einem Stück einer Metallplatte monolithisch ausgebildet werden. Dabei werden die Sourceanschlüsse 2a bis 2c durch einen Biegevorgang ausgebildet. Das Biegen ist leicht und die Verwindung ist gering, weil die zu biegenden Abschnitte (die Sourceanschlüsse 2a bis 2c) voneinander geteilt sind.
  • Obwohl bei dem vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel sowohl der Sourceanschluss als auch der Drainanschluss in zwei oder mehr Teile unterteilt sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Struktur beschränkt. Es ist bspw. gemäß 4 eine Struktur akzeptabel, bei der ein Drainanschluss nicht unterteilt wird. Auch bei diesem Fall ist es jedoch wünschenswert, dass eine Vielzahl von Hauptstromeingangspunkten in dem Drainbereich ausgebildet werden. Auf dieselbe Weise ist eine Struktur akzeptabel, bei der der Sourcanschluss nicht unterteilt wird. Aber auch in diesem Fall ist es wünschenswert, dass eine Vielzahl von Hauptstromausgangspunkten in dem Sourceanschluss ausgebildet werden.
  • Ferner kann gemäß dem Halbleitermodul des vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiels eine Sourceelektrode in zwei oder mehr Teile unterteilt werden. Dabei wird jede geteilte Sourceelektrode mit einem oder mehr Sourcebereichen der Halbleiterchips durch Verbindungsdrähte verbunden.
  • Obwohl bei dem vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Halbleiter als MOSFET angenommen wurde, kann die erfindungsgemäße Struktur unabhängig von der Art der Halbleitervorrichtung ausgewählt werden. Es kann bspw. ein IGBT, ein GTO, ein Bipolartransistor, ein Thyristor usw. verwendet werden.
  • Gemäß vorstehender Beschreibung wird die Leiterbahninduktivität von allen Halbleitervorrichtungen homogen und klein, und somit werden allen Stoßspannungen gering, da die Längen der Pfade des Hauptstroms von allen Halbleitervorrichtungen homogen und kurz werden. Folglich wird die obere Grenze der Eingangsspannung erweitert, die an ein Halbleitermodul angelegt werden kann. Falls die Stoßspannung klein wird, ist eine Schutzschaltung wie etwa eine Dämpfungsschaltung usw. nicht erforderlich, oder das Ausmaß einer derartigen Schutzschaltung kann reduziert werden. Demzufolge kann ein Halbleitermodul selbst miniaturisiert werden.

Claims (5)

  1. Halbleitermodul mit einer Vielzahl von Halbleiterchips (101a, 101b, 101c), die in einer geraden Linie in einer ersten Richtung auf einem leitenden Substrat (102) angeordnet sind, dass angepasst ist, um als Elektrode für die Zufuhr eines Hauptstroms an die Halbleiterchips zu arbeiten; einem Hauptstromeingabeanschluss (3a, 3b, 3c), der mit dem leitenden Substrat verbunden und parallel zu der ersten Richtung ausgebildet ist; und einem Hauptstromausgabeanschluss (2a, 2b, 2c), der auf einer isolierenden Schicht (106) auf dem leitenden Substrat bereitgestellt ist, und mit jedem einer Vielzahl von Hauptstromausgabebereichen der Vielzahl von Halbleiterchips verbunden ist, und parallel zu der ersten Richtung ausgebildet ist, wobei ein Endabschnitt von zumindest dem Hauptstromeingabeanschluss oder dem Hauptstromausgabeanschluss, der zur Verbindung an eine externe Schaltung angepasst ist, in eine Vielzahl von separaten Teilen (2a, 2b, 2c, 3a, 3b, 3c) entlang der ersten Richtung unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige der separaten Teile des unterteilten Endabschnitts benachbart zu jeweiligen der Vielzahl von Halbleiterchips bereitgestellt sind, und Leiterverbindungen jeden Halbleiterchip mit dem Anschluss in dem Bereich des nächsten separaten Teils verbinden.
  2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Längen des Hauptstromeingabeanschlusses und des Hauptstromausgabeanschlusses dieselben wie eine Gesamtlänge einer Konfiguration der auf dem leitenden Substrat angeordneten Vielzahl von Halbleiterchips ist.
  3. Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei, falls der Endabschnitt des Hauptstromeingabeanschlusses (3a, 3b, 3c) unterteilt ist, jedes abgeteilte Teil zur Verbindung mit einer jeweiligen externen Schaltung angepasst ist.
  4. Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei, falls der Endabschnitt des Hauptstromausgabeanschlusses (2a, 2b, 2c) unterteilt ist, jedes abgeteilte Teil zur Verbindung mit einer jeweiligen externen Schaltung angepasst ist.
  5. Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei der Hauptstromeingabeanschluss und der Hauptstromausgabeanschluss nahe beieinander angeordnet sind.
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