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DE19549011A1 - Leistungshalbleiter-Modul mit parallelgeschalteten IGBT-Chips - Google Patents

Leistungshalbleiter-Modul mit parallelgeschalteten IGBT-Chips

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DE19549011A1
DE19549011A1 DE19549011A DE19549011A DE19549011A1 DE 19549011 A1 DE19549011 A1 DE 19549011A1 DE 19549011 A DE19549011 A DE 19549011A DE 19549011 A DE19549011 A DE 19549011A DE 19549011 A1 DE19549011 A1 DE 19549011A1
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DE
Germany
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power semiconductor
semiconductor module
igbt chips
chips
conductor track
Prior art date
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Granted
Application number
DE19549011A
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English (en)
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DE19549011C2 (de
Inventor
Walter Zimmermann
Karl-Heinz Dr Sommer
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Siemens AG
EUPEC GmbH
Original Assignee
Siemens AG
EUPEC GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, EUPEC GmbH filed Critical Siemens AG
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleiter-Modul mit mindestens zwei einander parallelgeschalteten IGBT-Chips, mit den Merkmalen:
  • a) einem eine erste und eine zweite Leiterbahn tragenden isolierenden Substrat
  • b) auf der ersten Leiterbahn sind einander be­ nachbart IGBT-Chips angeordnet und über ihre Kol­ lektorkontakte elektrisch und mechanisch mit der ersten Leiterbahn verbunden,
  • c) die Emitterkontakte der IGBT-Chips sind elek­ trisch über erste Verbindungsleitungen mit der zweiten Leiterbahn verbunden.
Solche Leistungshalbleiter-Module sind Stand der Technik und zum Beispiel im US Patent 5,459,356 beschrieben worden. Lei­ stungshalbleitermodule wie das dort beschriebene sind für hohe Ströme in der Größenordnung 1000 A und höher konzipiert. Da IGBT-Chips im allgemeinen eine Stromtragfähigkeit zwischen 50 und 75A haben, müssen in einem Leistungshalbleitermodul viele IGBT-Chips einander parallelgeschaltet werden. Das Prinzip des bekannten Leistungshalbleiter-Moduls ist in Fig. 3 dargestellt. Es enthält ein isolierendes Substrat 1, das im allgemeinen aus Aluminiumoxid Al₂O₃ oder Aluminiumnitrid AlN besteht. Diese Substrate sind mit kupfernen Leiterbahnen versehen. Solche Substrate sind allgemein bekannt und werden DCB (Direct Copper Bonded)-Substrate genannt.
Das Substrat 1 nach Fig. 3 trägt eine erste Leiterbahn 2, auf der IGBT-Chips 3, 4 angeordnet sind. Diese sind über ihre Kollektorkontakte mit der Leiterbahn 2 elektrisch und mecha­ nisch z. B. durch Verlöten verbunden. Benachbart zur Leiter­ bahn 2 liegt eine zweite Leiterbahn 5, die mit den Emitter­ kontakten 8 der IGBT-Chips 3, 4 über Bonddrähte verbunden ist. Die IGBT-Chips sind einander somit durch die Leiterbah­ nen 2, 5 und die Bonddrähte 9 parallelgeschaltet.
Eine weitere Leiterbahn 6 dient dazu, den Kontakt zu den Gate-Anschlüssen der IGBT-Chips herzustellen. Sie kann noch Widerstandschips 10 tragen, die über den Bonddraht 11 mit den Gate-Anschlüssen der IGBT-Chips verbunden sind. Eine vierte Leiterbahn 7 steht über einen Bonddraht mit dem Emit­ terkontakt jedes IGBT-Chips in Verbindung. Sie bildet den so­ genannten Hilfsemitteranschluß. Für die Erfindung sind weder die Leiterbahnen 6, 7, die Widerstandschips noch die Bond­ drähte 11 von Bedeutung. Sie werden lediglich der vollständi­ gen Verschaltung wegen dargestellt. Die Leiterbahn 2 kann über einen Anschluß 16 und die Leiterbahn 5 über einen An­ schluß 15 mit den Gehäuseanschlüssen des Leistungshalbleiter-Moduls verbunden werden.
Es hat sich herausgestellt, daß beim Abschalten eines solchen Leistungshalbleitermoduls im Emitter-Kollektorkreis hochfre­ quente Schwingungen mit einer Frequenz von einigen hundert MHZ auftreten können. Diese Schwingungen können die IGBT-Chips zerstören, sie verursachen außerdem elektromagnetische Störungen. Umfangreiche Arbeiten geben Grund zu der Annahme, daß für diese Schwingungen Kreisresonanzen zwischen zwei benachbarten IGBT-Chips verantwortlich sind, die mit den Ausräumvorgängen in den IGBT-Chips beim Abschalten des Leistungshalbleiter-Moduls in Wechselbeziehung treten. Die Kreisresonanzen werden durch die Induktivitäten der Leitun­ gen, durch die Kapazitäten des Substrats und durch die varia­ blen Sperrschichtkapazitäten der Chips bestimmt. Die Aus­ räumvorgänge zeigen ebenfalls ausgeprägte Resonanzerscheinun­ gen. Fällt die Resonanzfrequenz dieses Kreises mit der Frequenz der laufzeitbedingten Ausräumvorgänge zusammen, dann können die erwähnten hochfrequenten Schwingungen auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalb­ leiter-Modul der beschriebenen Art so weiterzubilden, daß die hochfrequenten Schwingungen im Emitter-Kollektorkreis des Mo­ duls verhindert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch mindestens eine weitere Ver­ bindungsleitung, die die Emitterkontakte zweier einander be­ nachbarter IGBT-Chips elektrisch direkt miteinander verbin­ det.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche. Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbei­ spiele in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Leistungshalb­ leitermodul,
Fig. 2 eine Ausführungsform der weiteren Verbindungsleitung und
Fig. 3 ein Leistungshalbleiter-Modul nach dem Stand der Technik.
Das Leistungshalbleiter-Modul nach Fig. 1 stimmt mit dem nach Fig. 3 bezüglich des Aufbaus weitgehend überein. Es un­ terscheidet sich jedoch wesentlich von dem bekannten Modul dadurch, daß zwischen zwei benachbarten IGBT-Chips mindestens eine weitere Verbindungsleitung 14 vorgesehen ist, die die Emitterkontakte 8 der beiden Chips direkt verbindet. "Direkt" heißt hier, daß sie eine unmittelbare Verbindung zwischen den Emitterkontakten der benachbarten IGBT-Chips bildet. Die weitere Verbindungsleitung 14 kann aus jeweils einem oder aus jeweils mehreren Bonddrähten bestehen. Die Verbindungsleitun­ gen können auch, wie in Fig. 2 dargestellt, durch einen Me­ tallstreifen 19 gebildet sein, der die nebeneinander angeord­ neten IGBT-Chips 3 und 4 emitterseitig miteinander verbindet.
Das Leistungshalbleiter-Modul nach Fig. 1 besteht im allge­ meinen aus mehr als zwei einander parallelgeschalteten IGBT-Chips. Auf der linken Seite der Anordnung ist daher ein wei­ teres Paar von IGBT-Chips dargestellt, die ebenfalls durch Verbindungsleitungen 14 emitterseitig direkt miteinander verbunden sind. Entsprechend kann das Leistungshalbleiter-Mo­ dul weitere IGBT-Chips enthalten, die den in Fig. 1 darge­ stellten Chips parallelgeschaltet sind. Auch hier werden je­ weils zwei der einander benachbarten Chips durch weitere Ver­ bindungsleitungen emitterseitig direkt miteinander verbunden.
Messungen haben ergeben, daß das erfindungsgemäße Leistungs­ halbleiter-Modul beim Abschalten die eingangs beschriebenen hochfrequenten Schwingungen im Emitter-Kollektorkreis nicht mehr aufweist.
Das Leistungshalbleiter-Modul hat üblicherweise eine Boden­ platte 18 (Fig. 1, 2), auf der das isolierende Substrat 1 mit den Leiterbahnen durch eine Kupferschicht 20 (Fig. 2) z. B. durch Löten verbunden ist. Die gezeigte Anordnung ist in einem Gehäuse untergebracht, dessen Gehäuseanschlüsse für den Laststrom mit den Zuleitungen 15, 16 elektrisch verbunden sind.

Claims (6)

1. Leistungshalbleiter-Modul mit mindestens zwei einander parallelgeschalteten IGBT-Chips, mit den Merkmalen:
  • a) einem eine erste (2) und eine zweite Leiterbahn (5) tra­ genden isolierenden Substrat (1),
  • b) auf der ersten Leiterbahn (2) sind einander benachbart IGBT-Chips (3, 4) angeordnet und über ihre Kollektorkontakte elektrisch und mechanisch mit der ersten Leiterbahn (2) ver­ bunden,
  • c) die Emitterkontakte (8) der IGBT-Chips sind elektrisch über erste Verbindungsleitungen (9) mit der zweiten Leiterbahn (5) verbunden,
gekennzeichnet durch mindestens eine weitere Verbindungsleitung (14), die die Emitterkontakte (8) zweier einander benachbarter IGBT-Chips elektrisch direkt miteinander verbindet.
2. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Verbindungsleitung (14) ein Bonddraht ist.
3. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Verbindungsleitung (14) aus mehreren Bonddrähten besteht.
4. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die weitere Verbindungsleitung ein Metallstreifen (19) ist.
5. Leistungshalbleiter-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat (1, 2, 20) auf einer metallenen Bodenplatte (18) be­ festigt ist.
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