(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
−ハウジング（２）と、
−基板（３）と、
−少なくともその上面に金属配線を備える少なくとも１つのセラミック基板（４）と、
−セラミック基板（４）の上面に通電可能に設けられ、負荷電流接続端子と１つの制御端子とをそれぞれ有する少なくとも２つのスイッチング要素（６）と、
−導入部（９、９’）を介してスイッチング要素の負荷電流接続端子と電気的に接続され、第１の供給電位または第２の供給電位（１１、１２）を有することができ、ハウジングの第１の側（１３）における複数の外部負荷電流接続要素（１０）とから成る半導体素子（１）において、
−２つのスイッチング要素が並列に、それらの導入部が実質的に平行に、そして導入部に属する負荷電流接続端子が隣接して設けられ、
−複数の外部負荷電流接続要素（１０）がハウジング（２）の第１の側（１３）に向かい合っている第２の側（１４）にも設けられ、
−隣接する外部負荷電流接続要素（１０）はそれぞれ相違なる極性を有し、その結果、隣接する導入部（９、９’）がそれぞれ相違なる方向の電流をもたらし、
−第１のスイッチング要素は、第１の供給電位（１１）を有する負荷電流接続端子（１０）とハウジング（２）の第１の側（１３）において接続し、第２の供給電位（１２）を有する負荷電流接続端子（１０）とハウジング（２）の第２の側（１４）において接続し、
−第２のスイッチング要素は、第１の供給電位（１１）を有する負荷電流接続端子（１０）とハウジング（２）の第２の側（１４）において接続し、第２の供給電位（１２）を有する負荷電流接続端子（１０）とハウジング（２）の第１の側（１３）において接続していることを特徴とする半導体素子（１）。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体素子において、
偶数の多数のスイッチング要素（６）が設けられ、それらに属する負荷電流接続端子が第１の側および第２の側（１３、１４）において交互に第１および第２の供給電位（１１、１２）を有することを特徴とする半導体素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体素子において、
スイッチング要素（６）は直列に接続されている２つの半導体スイッチ（１７、１７’）から成り、それら半導体スイッチの負荷電流接続要素（１０）との連結点が、半導体素子の出力部を形成していることを特徴とする半導体素子。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体素子において、
直列に接続される２つの半導体スイッチ（１７、１７’）は第１の側および第２の側（１３、１４）に直角である一直線上に設けられていることを特徴とする半導体素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体素子において、
スイッチング要素（６）はＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする半導体素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体素子を用いて、
３相インバータモジュールの１つの位相を制御することを特徴とする半導体素子の使用方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、ハウジングと、基板と、少なくともその上面に金属配線を備えている少なくとも１つのセラミック基板とから成る半導体素子に関する。さらに、この半導体素子は少なくとも２つのスイッチング要素を有する。これらのスイッチング要素はセラミック基板の上面に通電可能に設けられ、負荷電流接続端子と１つの制御端子とをそれぞれ有する。さらに、第１の側と第１の側に向かい合っている第２の側とに負荷電流接続要素が設けられ、これらは導入部を介してスイッチング要素の負荷電流接続端子と電気的に接続している。その場合、負荷電流接続要素は第１の供給電位または第２の供給電位を有する。
【０００１】
この種の半導体素子は、例えば、自動車において、少なくとも１つのバッテリーに依存する低電圧車載電源とそれぞれのバッテリーのためのスタータないしは充電装置としてのスタータージェネレータとの間において使われる。この種の半導体素子は、自動車のオーバーランモードにおいて、発電機として作動するスタータージェネレータの電圧および出力を、補充電されなければならないそれぞれのバッテリーの所定の作動データに適合させるために用いられ、それぞれのバッテリーを用いてモータとして作動するスタータージェネレータをスタートさせるときに、適切な大きさの発進電流によって十分なスタートトルクを確保するために用いられる。
【０００２】
そのような回路構成の基本的な構成部品としては、特に出力ユニットとして若干数の半導体ハーフブリッジ、若干数の中間回路素子、特にコンデンサ、そして若干数の制御素子、特にドライバステージがある。そのような半導体素子は、例えば、電動モータ制御用としてＤＥ１９６４５６３６Ｃ１において公知である。
【０００３】
上記の半導体素子はスイッチング要素として多くがＭＯＳＦＥＴを用いる。ＭＯＳＦＥＴ素子はソース接点とゲート接点との間に印加される制御電圧により通過ないしは遮断が起こるように接続される。実際には、制御電圧はソース端子とゲート端子との間に印加される。ソース接点に至るワイヤは自己インダクタンスを有する。この自己インダクタンスは、ＭＯＳＦＥＴのオンまたはオフ時に時間的に変化する負荷電流が、スイッチングを遅らせるために、制御電圧に対抗するインダクタンス電圧を誘導するように作用する。もし、複数のＭＯＳＦＥＴを平行に接続し、それらＭＯＳＦＥＴを単独電源で共に制御するならば、上記のインダクタンスは、制御回路において不可避の素子公差により、ＭＯＳＦＥＴを破壊しうる周波数の高周波振動が発生する結果をもたらす。この振動周波数は主としてソース端子のインダクタンスにより、そして同時に他の寄生ネットワーク・素子パラメータにより決定される。ソース端子のインダクタンス作用の欠点を無くすために、ＥＰ０２６５８３３Ｂ１において、ソース端子に接続される導体トラックをＭＯＳＦＥＴの一方の側に、そして制御のための導体トラックをＭＯＳＦＥＴの他の側に設けることが提案されている。これにより、半導体素子のソース端子から制御回路の十分な磁気減結合（magnetische Entkopplung des Ansteuerkreises ）が生じる。
【０００４】
その結果、１つまたは複数の半導体スイッチの負荷電流接続端子への導入部は漏れインダクタンスが支配し、それは特に非常に高い電流上昇率（ｄＩ／ｄｔ）のときトラブルを、すなわち過電圧を発生させる。それ故、この過電圧の相殺のために大きなコンデンサならびに抵抗が必要となる。しかし、それらは半導体素子のスイッチング挙動にマイナスの影響を及ぼしうる。これらの欠点を回避するために、実際には、巧妙に構成される、すなわち、短い導体トラックガイドにより導入部におけるインダクタンスを減らすことが試みられている。
【０００５】
従って、本発明の課題は、漏れインダクタンスの不利な影響を有さない、簡単な方法で製造できる半導体素子を提供することにある。
【０００６】
この課題は以下の構成要素を特徴とする半導体素子により解決される：
−ハウジングと、
−基板と、
−少なくともその上面に金属配線を備える少なくとも１つのセラミック基板と、
−セラミック基板の上面に通電可能に設けられ、負荷電流接続端子と１つの制御端子とをそれぞれ有する少なくとも２つのスイッチング要素と、
−導入部を介してスイッチング要素の負荷電流接続端子と電気的に接続され、ハウジングの第１の側および第１の側に向かい合っている第２の側における複数の外部負荷電流接続要素、なお、これらの負荷電流接続要素は第１の供給電位または第２の供給電位を有することができ、
２つのそれぞれのスイッチング要素は、それぞれの導入部が２つ有する負荷電流接続要素に向かって平行に延出し、隣接する負荷電流接続要素は相異なる極性を有している。
【０００７】
換言すれば、２つの隣接するスイッチング要素の導入部は、導入部において発生する磁界が負荷電流接続要素の逆極性によって相殺され、それにより有効なインダクタンスが減殺されるように設けられるということである。
【０００８】
さらに優れた構成が従属請求項において明らかにされる。
【０００９】
すなわち、１つのスイッチング要素を２つの導入部と接続することが提案される。その場合、それらの導入部はハウジングの第１の側と第２の側との間に拡がり、一方の導入部は第１の供給電位を有し、他方の導入部は第２の供給電位を有する。
【００１０】
さらにまた、一方のハウジング側にあり、２つの隣接するスイッチング要素に属する負荷電流接続要素に、第１の供給電位ないしは第２の供給電位による作用を加えることが提案される。その結果、最小の漏れインダクタンスを実現するためには、少なくとも２つの隣接するスイッチング要素を設け、それらスイッチング要素の、一方のハウジング側に隣接する負荷電流接続要素が相異なる極性を有することが必要となる。本発明の利点は、各偶数のスイッチング要素により実現されうる。優れた構成としては、多数の偶数のスイッチング要素が一直線上に隣り合わせに設けられることである。負荷電流接続要素と順次配置されているスイッチング要素の負荷電流接続端子との間の導入部は上記の一直線にほぼ直角に推移するという優れた構成となっている。そのため、所属せしめられる負荷電流接続要素は、交互に第１の供給電位と第２の供給電位とを有する。その結果、低い漏れインダクタンスの他に、非常にコンパクトな半導体素子の構造が実現されうる。適切な導体トラックガイドないしは導入部に対しては僅かのスペースしか要らなくなり、それはコスト的に好ましい構造を実現する。
【００１１】
特に優れた構成としては、スイッチング要素が２つの互いに直列に接続された半導体スイッチから成り、それら半導体スイッチの連結点は１つの負荷電流接続要素に連結し、そして半導体素子の１つの出力部を形成していることである。直列に接続される２つの半導体スイッチは第１の側ないしは第２の側に対してほぼ直角である一直線上に設けられている点が優れた構成である。公知の通り、そうすることによってハーフブリッジが形成される。
【００１２】
さらにまた、半導体素子の電流負荷耐性を高めるために、多数のスイッチング要素ないしはハーフブリッジまたはそれらの一部が金属配線および／またはボンディングワイヤにより平行に接続されることが考えられうる。これにより、大きい出力領域の採用が可能となる。
【００１３】
スイッチング要素としては、特にＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴが用いられる。しかし、基本的にはあらゆる制御可能な半導体スイッチが使用可能である。特に、本発明は３相インバータモジュールの１つの位相を制御するために用いられる点が優れている。そうした場合、この半導体素子は非常に低インダクタンスのハーフブリッジとなる。
【００１４】
本発明を１枚だけの図面により詳しく説明する。
【００１５】
本発明の半導体素子１は図面において平面図で示される。半導体素子１は基板３に連結されているハウジング２を有する。基板３には、例えば、３つのセラミック基板４が配置されていて、それらはハウジング内部に向かって設けられている。セラミック基板を１つだけ用いることもできるであろう。セラミック基板４はそれぞれ（図示されていない）金属配線を備えていて、その金属配線には偶数のスイッチング要素６が載置されている。本図では、左のセラミック基板４と中央のセラミック基板４とがそれぞれ４つのスイッチング要素６を有する。各スイッチング要素６は２つの半導体スイッチ１７、１７’から構成される。これらの半導体スイッチは、ハウジング２の両方の長い側１３、１４に対してほぼ直角に設けられている一直線上に配置されている。半導体スイッチ１７、１７’は、例えば、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴとして構成することができる。
【００１６】
両半導体スイッチ１７、１７’は，それぞれボンディングワイヤ１６を介して金属配線と接続している。さらに、各半導体スイッチ１７、１７’は導入部９を介して負荷電流接続要素１０と接続している。導入部９は、例えば、ボンディングワイヤとして構成できるが、個別のワイヤとして構成することもできる。導入部９は両半導体スイッチ１７、１７’の一直線の近くに設けられている。負荷電流接続要素１０は、本図ではハウジング内側のいわゆる案内要素１５に取り付けられている。この機械的な構成は、スイッチング要素６が導入部９を通じて外部に向かって接続しうる様態の１つのバリエーションを示すだけである。あらゆる他のバリエーションが考えられうるのは当然である。最上端の左の負荷電流接続要素１０は、例えば、グラウンド電位となるかもしれない第１の供給電位と接続している。これに対し、その右に隣接している負荷電流接続要素１０は、第２の供給電位１２による作用を受ける。この負荷電流接続要素は第２のスイッチング要素６に所属している。図において示唆されるように、負荷電流接続要素１０はハウジング２の第１の側１３において第１の供給電位１１と第２の供給電位１２とにより交互に作用を受ける（左から右へと）。第２の側１４では負荷電流接続要素１０は（左から右へと）まず第２の供給電位１２により、次に第１の供給電位１１により交互に作用を受ける。現在の技術に比べ、本発明による半導体素子によってインダクタンスは５０ｎＨから５ｎＨに低減することができる。
【００１７】
以下の例では半導体スイッチ１７、１７’はＭＯＳＦＥＴであると仮定される。ＭＯＳＦＥＴ１７、１７’のソース接点は上側に設けられ、他方、ドレイン接点は裏側にあって、金属配線と電気的ならびに物理的に接続している。そうなると、スイッチング要素６が全て左に設けられている場合、以下の負荷電流経路が上から下へと生じる。すなわち、負荷電流接続要素１０における第１の供給電位１１−導入部９’−半導体スイッチ１７’のソース（半導体スイッチの上側）−半導体スイッチ１７’のドレイン（半導体スイッチの下側）−金属配線−ボンディングワイヤ１６−半導体スイッチ１７のソース接点（半導体スイッチの上側）−半導体スイッチ１７のドレイン接点（半導体スイッチの下側）−金属配線−導入部９−第２の供給電位に接続されている負荷電流接続要素１０。
【００１８】
その右側に隣接しているスイッチング要素６の場合、電流経路は上から下へ全く逆の順序で生じる。すなわち、負荷電流接続要素１０の第２の供給電位１２−導入部９−半導体スイッチ１７のドレイン接点−半導体スイッチ１７のソース接点−金属配線へのボンディングワイヤ−半導体スイッチ１７’のドレイン接点−半導体スイッチ１７’のソース接点−導入部９−第１の供給電位に接続されている負荷電流接続要素１０（基準電位）。
【００１９】
はじめに述べたケースでは、下から上に流れる負荷電流が生まれ、第２のケースでは負荷電流は上から下へと流れる。電流の流れにより導入部に発生する磁界は相異なる方向の電流により補償される。これにより、有効インダクタンスが低下する。
【００２０】
電流負荷耐性を高めるために、（図示されない）金属配線および／またはボンディング結合により、図示の８つのスイッチング要素を互いに平行に接続することが可能である。８個の全てのスイッチング要素６において同一の半導体スイッチ１７、１７’を使用する場合、全ての電流経路において平行に接続を行えば同じ大きさの電流が生じる。これにより、発生する磁界の理想的な補償が実現される。負荷電流接続要素とのハーフブリッジ出力の金属配線ないしは配線の明示は、本発明の重要な要素ではないので省いた。
【００２１】
ハウジング２の右に配置されるセラミック基板４には、例えば、過電圧をさらに減らすためにコンデンサを設けることができる。これらのコンデンサは現在の技術に比べはるかに少なくてすむので、コスト的に有利に寸法設計をおこなうことができる。また同様に、右に設けられているセラミック基板４に半導体スイッチ１７、１７’の制御部を設けることも考えられる。しかし、それは半導体素子の外側に置くこともできる。
【００２２】
本発明による半導体素子は上記の形態ではハーフブリッジである。それ故、同サイズの３つの本発明の半導体素子の使用により、３相インバータモジュールを制御することができる。このモジュールは自動車に用いることができるので有利であり、例えば、発電機やスタータの替りになる三相モータを制御できる。１２Ｖの車載電源にも４２Ｖの車載電源にも使用が可能である。
【００２３】
本発明は高い電流上昇率をもつあらゆる用途において効果的に用いることができる。例えば、周波数変換器技術への使用が考えられうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る半導体素子を示す平面図である。
【図１】
0003675403.tif 000002