(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導ベースと、
各々が前記熱伝導ベース内で同一平面に沿って隣接して配置された複数の下部回路基板と、
第１の表面を有し、当該第１の表面が前記複数の下部回路基板にマウントされた、第１の表面を有する少なくとも１つの半導体デバイスと、
前記複数の下部回路基板の各々に結合された平面部分を有する共通端子と、
各々が前記複数の下部回路基板のうちの異なる１つに結合された２つの電圧端子と、
前記複数の下部回路基板と電気的に接触し、前記少なくとも１つの半導体デバイスの駆動信号のための外部アクセスを供給するコネクタを含む上部回路基板とを含む整流モジュール。
【請求項２】
内燃機関スタータ／交流発電器回路用のハーフブリッジ整流モジュールであって、
熱伝導ベースと、
各々が前記熱伝導ベース内で同一平面に沿って隣接して配置された複数の下部回路基板と、
第１の表面を有し、当該第１の表面が前記複数の下部回路基板にマウントされた、第１の表面を有する少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスと、
前記複数の下部回路基板の各々に結合された平面部分を有する共通端子と、
各々が前記複数の下部回路基板のうちの異なる１つに結合された２つの電圧端子と、
前記複数の下部回路基板と電気的に接触し、前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスの駆動信号のための外部アクセスを供給するコネクタを含む上部回路基板とを含むハーフブリッジ整流モジュール。
【請求項３】
熱伝導ベースと、
前記熱伝導ベース内に配置された下部回路基板と、
少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスであって、前記下部回路基板にマウントされたドレイン表面である第１の表面と、前記第１の表面の反対側にあり、少なくとも１つのＳ字形ワイヤボンドによって前記下部回路基板に結合された第２の表面であって、前記下部回路基板上の装着点が当該第２の表面上の装着点から角変位された第２の表面とを有する少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスと、
前記下部回路基板に結合された平面部分を有する共通端子と、
各々が前記下部回路基板に結合され、そこから異なる距離に延びた複数の電圧端子と、
前記下部回路基板と電気的に接触し、前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスの駆動信号のための外部アクセスを供給するコネクタを含む上部回路基板とを含む整流モジュール。
【請求項４】
前記２つの電圧端子が前記複数の下部回路基板から異なる距離に延びた請求項１または２に記載のモジュール。
【請求項５】
前記少なくとも１つの半導体デバイスが、前記第１の表面の反対側に配置され少なくとも１つのワイヤボンドによって前記複数の下部回路基板のうちの１つに結合された第２の表面をさらに含む、請求項１に記載のモジュール。
【請求項６】
前記上部回路基板と、前記複数の下部回路基板のうちの１つとの間に電気接触を設けるために使用される少なくとも１つの接触ピンをさらに含む、請求項１または２に記載のモジュール。
【請求項７】
前記接触ピンが弾力性接触部を形成する曲線部分を含む、請求項６に記載のモジュール。
【請求項８】
前記少なくとも１つの半導体デバイスがＭＯＳＦＥＴデバイスであり、前記第２の表面の装着点がソース領域である、請求項５に記載のモジュール。
【請求項９】
前記モジュールがハーフブリッジ整流器を形成する請求項８に記載のモジュール。
【請求項１０】
前記モジュールが４２ボルトの内燃機関スタータ／交流発電機回路内に実装された、請求項２、３、または９に記載のモジュール。
【請求項１１】
前記モジュールの総パッケージインダクタンスが約８．４ナノヘンリー未満である、請求項１、２、または３に記載のモジュール。
【請求項１２】
前記モジュールの総厚さが約０．７５インチ（約１．９ｃｍ）未満である、請求項１、２、または３に記載のモジュール。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスが、前記第１の表面の反対側に配置された第２の表面をさらに含み、前記第２の表面が少なくとも１つのワイヤボンドによって前記複数の下部回路基板のうちの１つのに結合された、請求項２に記載のハーフブリッジ整流モジュール。
【請求項１４】
前記複数の下部回路基板のうちの１つ上の装着点が前記第２の表面上の装着点から角変位されるように前記少なくとも１つのワイヤボンドがＳ字形である、請求項５または１３に記載のモジュール。
【請求項１５】
前記第２の表面の前記装着点がソース領域である、請求項１４に記載のハーフブリッジ整流モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ブリッジモジュールに関し、詳細には、モジュールがきわめて低いインダクタンスを有する内燃機関スタータ／交流発電機回路用のハイパワー金属酸化膜半導体ハーフブリッジモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の起動と、そのエンジンが稼働すると交流発電機が発生する電圧の整流は、これらの機能をサポートするのに必要な電子回路に高い要求を課す。典型的なスタータ／交流発電機は、その入力端子における最小限の電圧降下と、エンジンを機械的に「クランク」する即時トルク電流を必要とする。電圧降下を最小限にし、即時電流を供給するために、スタータ／交流発電機回路経路は、低抵抗ときわめて高速な電流スルーレート（ｄｉ／ｄｔ）を有しなければならない。この回路は、これらの機能を、一般的な自動車環境に見られるような過酷な温度条件下で実行しなければならない。たとえば、回路は、電流スルーレートが１５００アンペア／マイクロ秒を超える高速になるように、４２ボルトのシステムで−２５ＥＣで６５０アンペアを供給可能でなければならない。
【０００３】
スタータ／交流発電機回路の基本構成要素はハーフブリッジ（ｈａｌｆ  ｂｒｉｄｇｅ）整流器である。ハーフブリッジ整流器は、上述の特性に対応することができなければならない。一般的なハーフブリッジ整流器は、金属酸化膜電界降下トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）デバイスを採用したモジュールとして製造される。所望の性能特性を達成し、デバイス過電圧とアバランシェ条件を回避するために、ＭＯＳＦＥＴデバイスで使用される低電圧シリコンは、２５ＥＣで２ミリオーム未満で、最大モジュールインダクタンスが１２ｎＨの抵抗経路（パス）を備えなければならない。当然ながら、このモジュールはスタータ／交流発電機内に、典型的には自動車のエンジン室内に配置されたバスバーアセンブリの一部として、配置するのに好都合な箇所に装着するのに十分な小さいサイズでなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、モジュールが小型で、インダクタンスがきわめて低く、広い温度範囲で内燃機関を始動させるのに必要な所要出力をサポートすることができるスタータ／交流発電機回路用のハイパワー・ハーフブリッジモジュールを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、熱伝導ベースがある整流モジュールを提供する。複数の下部回路基板を熱伝導ベース内に同一平面に沿って隣接して配置する。少なくとも１つの半導体デバイスが第１の表面を有し、この半導体デバイスの第１の表面を複数の下部回路基板のうちの１つの基板に装着する。共通端子が平面部分を有し、この平面部分を複数の下部回路基板のそれぞれに結合する。上部回路基板が複数の底部回路基板と電気的に接触し、上部回路基板は半導体デバイスの駆動信号のための外部アクセスを供給するコネクタを含む。
【０００６】
本発明のモジュールの他の態様は、少なくとも１つの接触ピンをさらに含む。この接触ピンは、上部回路基板と複数の下部回路基板のうちの１つの下部回路基板との間の電気的接触を設けるために使用される。
【０００７】
本発明のモジュールの他の態様として、接触ピンは、弾力性接触部を形成する曲線部分を含む。
【０００８】
他の態様として、本発明のモジュールは、２つの電圧端子をさらに含み、この２つの電圧端子のそれぞれが複数の下部回路基板のうちの異なる１つに結合される。
【０００９】
本発明のモジュールの他の態様は、２つの電圧端子が複数の下部回路基板から異なる距離に延びるようにする。
【００１０】
本発明のモジュールの他の態様として、少なくとも１つの半導体デバイスは、第１の表面の反対側にある第２の表面をさらに含み、この第２の表面は少なくとも１つのワイヤボンドによって複数の下部回路基板のうちの１つと結合される。
【００１１】
本発明のモジュールの他の態様として、少なくとも１つのワイヤボンドは、１つの下部回路基板上の接続点が第２の表面上の接続点から角変位されるように、Ｓ字形になっている。
【００１２】
本発明の他の態様は、少なくとも１つの半導体デバイスがＭＯＳＦＥＴデバイスであり、第２の表面の接続点がソース領域であるモジュールを提供する。
【００１３】
本発明の他の態様として、モジュールはハーフブリッジ整流器を形成する。
【００１４】
本発明の他の態様として、モジュールは４２ボルトの内燃機関スタータ／交流発電機回路内に実装される。
【００１５】
本発明は、他の態様として、モジュールの総パッケージインダクタンスが約８．４ナノヘンリー未満になるようにする。
【００１６】
本発明のモジュールの他の態様として、電圧端子の１つは負端子であり、モジュールは負端子と共通端子との間に並列配置構成で接続された抵抗器とキャパシタとをさらに含む。
【００１７】
本発明の他の態様は、モジュールの総厚みが約０．７５インチ（約１．９ｃｍ）未満になるようにする。
【００１８】
本発明は、内燃機関スタータ／交流発電機回路で使用され、熱伝導ベースを有するハーフブリッジ整流モジュールを提供する。熱伝導ベース内に同一平面に沿って複数の下部回路基板が隣接して配置されている。少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスが第１の表面を有し、ＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスの第１の表面が複数の下部回路基板の１つにマウントされる。共通端子が、複数の下部回路基板の各々に結合された平面部分を有する。上部回路基板が複数の下部回路基板と電気的に接触し、ＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスの駆動信号のための外部アクセスを供給するコネクタを含む。
【００１９】
他の態様として、本発明は、熱伝導ベースがある整流モジュールを提供する。熱伝導ベース内に下部回路基板が配置される。少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスが、下部回路基板に装着されたドレイン表面である第１の表面と、第１の表面の反対側にあり、少なくとも１つのＳ字形ワイヤボンドによって下部回路基板に結合された第２の表面とを有し、下部回路基板上の接続点が第２の表面上の接続点から角変位されている。共通端子が平面部分を有し、この平面部分は下部回路基板に結合されている。複数の電圧端子が下部回路基板に結合され、そこから異なる距離に延びている。上部回路基板が下部回路基板と電気的に接触し、上部回路基板は、ＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスの駆動信号のための外部アクセスを提供するコネクタを含む。
【００２０】
本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照しながら本発明の以下の説明を読めば明らかになろう。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明を例示するために、現在のところ好ましい態様を図に示すが、本発明は図示されているのと全く同じ配置構成および手段には限定されないものと理解されたい。
【００２２】
最初に、異なる図面の同様の参照番号は同様の要素を指すことに留意されたい。図１に示すように、本発明による低インダクタンスハーフブリッジモジュール２の一例が、ベース４と、２つのＭＯＳＦＥＴ回路基板６および８と、上部プリント回路基板（図４に参照番号４２として図示）と、カバー（図５に参照番号４８として図示）とによって組み立てられている。ＭＯＳＦＥＴ回路基板６と８は、互いに隣接し、互いに長手方向に平面の位置関係で配置されるようにベース４内に、配置されている。ＭＯＳＦＥＴ回路基板６には負電圧端子１０がマウントされている。ＭＯＳＦＥＴ回路基板８には、正電圧端子１２がマウントされている。共通端子１４が、両方の回路基板と電気的に接触するように装着されている。各ＭＯＳＦＥＴ回路基板６および８に複数のＭＯＳＦＥＴデバイス１６がマウントされている。ベースとカバーは、ＡｌＳｉＣなどの任意の頑丈な熱伝導材料で作ることができる。ＭＯＳＦＥＴ回路基板６および８はそれぞれ、ソースバス１８、ドレインバス２０、ゲート接続パッド２２、およびソースセンスパッド２４を画定するようにパターン形成されている。さらに、ＭＯＳＦＥＴ回路基板８は、温度感知のためにサーミスタ接触パッド２６にマウントされたサーミスタ（図示せず）をサポートするようにパターン形成されている。
【００２３】
ＭＯＳＦＥＴ回路基板６は、ＭＯＳＦＥＴ回路基板６のソース接触バス１８が負端子１０と電気的に接触するように配置されている。同じ回路基板のドレイン接触バス２０は、共通端子１４と電気的に接触している。同様に、ＭＯＳＦＥＴ回路基板８のドレイン接触バス２０は正端子１２と電気的に接触し、同じ回路基板のソース接触バス１８は共通端子１４と電気的に接触している。負端子１０と正端子１２は、モジュール２内に互いに近接して配置することができるように、非電気接触領域内に絶縁材料で積層することができる。正端子と負端子の近接した配置により、空間が節約されるとともに、モジュールの総誘導が低くなるので有利であることが判明している。
【００２４】
本発明のＭＯＳＥＴ回路基板８を図２に示す。ＭＯＳＦＥＴ回路基板８とＭＯＳＦＥＴ回路基板６は、ＭＯＳＦＥＴ回路基板８上にサーミスタ接触パッド２６が付加されている点を除けば同じにパターン形成されている。したがって、ＭＯＳＦＥＴ回路８の説明は、ＭＯＳＦＥＴ回路基板６も説明するものである。当然ながら、ＭＯＳＦＥＴ回路基板６とＭＯＳＦＥＴ回路基板８とは、単一の回路基板として製造することも可能である。
【００２５】
各ＭＯＳＦＥＴデバイス１６は、ドレイン接触子（図示せず）がドレイン接触バス２０と電気接触するようにＭＯＳＦＥＴ回路基板８にマウントされている。各ＭＯＳＦＥＴデバイス１６のソース接触子２８は、複数のワイヤボンド３０によってソース接触バス１８に接続されている。各ワイヤボンド３０は、ソース接触バス１８上の接触点がＭＯＳＦＥＴデバイス１６上の接触点と正反対ではなく、わずかにずれるように、すなわち角変位するような形状になっており、それによってワイヤボンドがＳ字形の形状をとる。直線のワイヤボンドを使用することもできるが、オフセット接触マウンティングの方が直線ワイヤボンドよりも誘導が低くなる。たとえば、Ｓ字形状の結果、総モジュール誘導が１ナノヘンリー減少することが、試験により、予期せずに判明している。
【００２６】
各ＭＯＳＦＥＴデバイス１６のゲート接触子３２はワイヤボンド３４を介してそれぞれのゲート接続パッド２２に接続され、さらにソース接触子２８はワイヤボンド３６を介してそれぞれのソースセンスパッド２４に接続されている。これによって、ＭＯＳＦＥＴデバイス１６をスイッチさせるのに必要なゲート−ソース電圧を確立するための好都合な方法が可能になる。
【００２７】
図３に、本発明の共通端子１４の透視図を示す。共通端子１４は、上部４０の下に配置されたより短い形状の平面部分３８を有するように構成されることが好ましい。このより短い形状の平面部分３８により、回路基板６および８との物理的および電気的接触が設けられる。端子１４の短形状部分３８は、上部４０の下に配置された接触領域と組合わさって、より長い端子や、ベースが上部の外側に配置された端子、すなわちＳ字形の端子よりも、誘導を低減することがわかっている。また、モジュール２がバスバーアセンブリの一部である場合、負端子１０と正端子１２の二重の高さすなわち長さによって、完全積層バスが可能になる。これは、組立て時に、負端子１０と正端子１２がそれぞれのＭＯＳＦＥＴ回路基板６および８から異なる長さに延びるようにして行うことができる。
【００２８】
図４に、カバーのないモジュールの側面図を示す。具体的には、上部回路基板４２が、接触ピン４４によってＭＯＳＦＥＴモジュール６および８に電気接続されている様子が図示されている。接触ピン４４は、ゲート接続パッド２２およびソースセンスパッド２４から上部回路基板４２への電気経路を設けるために使用される。接触ピン４４は、弾力性接触圧力が与えられるように曲線状として図示されているが、直線とすることもできる。上部回路基板には外部コネクタ４６がマウントされ、ＭＯＳＦＥＴのゲートとソースセンスの外部接続点となっている。
【００２９】
図５に、モジュール２の組立てを示す。カバー４８が、ベース４と対向し、負端子１０、正端子１２、共通端子１４、および外部コネクタ４６への外部アクセスを可能にするように配置される。
【００３０】
モジュールのインダクタンスは、共通端子１４から負端子および正端子までの経路が可能な限り短く維持される場合に、最小限になる。図１および図２に示すように、本発明の装置における経路の長さは、２対の３ＭＯＳＦＥＴデバイス１６を使用しながら、内燃機関を始動させるのに必要な電流伝搬機能が得られるようにすることによって最小限にされる。モジュールのインダクタンスは、本発明のデバイスにおいて、ゲート接続パッド２２とソースセンスパッド２４を互いにできるだけ近接して配置し、ワイヤボンドの長さをできるだけ短く維持することによって、さらに少なくなる。
【００３１】
モジュール２は以下のように組み立てられる。まず、ＭＯＳＦＥＴ回路基板６および８にＭＯＳＦＥＴデバイス１６を装着する。この時点で、ＭＯＳＦＥＴ回路基板にはサーミスタなどの追加のデバイス（図示せず）も装着される。次に、ＭＯＳＦＥＴデバイス１６からＭＯＳＦＥＴ回路基板６および８上のそれぞれの接触点へのワイヤボンド３０、３４、および３６を形成する。組み立てられたＭＯＳＦＥＴ回路基板６および８を試験して適切な動作を保証した後、ベース２に装着する。端子１０、１２、および１４を上部回路基板４２と共に（接触ピン４４を介して）、組立て済みＭＯＳＦＥＴ回路基板６および８に装着する。ベースにカバー４８を取り付けて、モジュールをポッティングする（ｐｏｔｔｅｄ）。
【００３２】
図６に示すように、本発明の上述の実施形態を試験し、約８．４ナノヘンリーの最大総パッケージインダクタンスになることがわかった。図６では、モジュールが、３７００アンペア／マイクロ秒を超える電流スルーレートをサポートすることができることが示されている。この低インダクタンスは、過酷な高頻度スイッチング期間中のデバイスにおける過電圧短絡を少なくするのに必要である。さらに、本発明のモジュールは、１７キロワットの電力伝達を行い、始動モード時に３６ボルトで４００アンペア（すなわち過渡電圧降下が１０ボルト未満）、交流発電機モード時に５２ボルトで４００アンペアをサポート可能であることが試験で確認された。したがって、本発明のモジュールは、４２ボルトの環境、より具体的には４２ボルトの内燃機関スタータ／交流発電機回路での使用に適合する。
【００３３】
本発明のハーフブリッジモジュール２は、インダクタンスがきわめて低い、コンパクトな（モジュールの上述の実施形態の総高さ、すなわち厚さは０．７５インチ（約１．９ｃｍ）未満である）高性能デバイスを実現する。この低インダクタンスにより、モジュール２は、内燃機関スタータ／発電機回路において適切に動作するのに必要な電流および電流スルーレートをサポートすることができる。エンジン始動中のモジュールにおける過渡電圧降下は最小限に抑えられる。
【００３４】
本発明についてその特定の実施形態に関して説明したが、他の多くの変形態様および変更と他の用途も、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の低インダクタンスハーフブリッジモジュールを示す上面図である。
【図２】本発明のＭＯＳＦＥＴ回路基板を示す透視図である。
【図３】本発明の共通端子を示す透視図である。
【図４】低インダクタンスハーフモジュールを示す側面図である。
【図５】低インダクタンスハーフブリッジモジュールを示す組立て図である。
【図６】モジュールの誘導特性を示すグラフを表す図である。
【符号の説明】
２  ハーフブリッジモジュール
４  ベース
６  ＭＯＳＦＥＴ回路基板
８  ＭＯＳＦＥＴ回路基板
１０  負電圧端子
１２  正電圧端子
１４  共通端子
１６  ＭＯＳＦＥＴデバイス
１８  ソースバス
２０  ドレインバス
２２  ゲート接続パッド
２４  ソースセンスパッド
２８  ソース接触子
３２  ゲート接触子
３４  ワイヤボンド
３６  ワイヤボンド
４２  上部プリント回路基板
４４  接触ピン
４６  外部コネクタ
４８  カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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