(57)【要約】  本発明は、半導体素子としてショットキーダイオードを含む圧入式ダイオードを有する整流器装置に関する。このショットキーダイオードは、ダイオード損失が温度の上昇に伴って増大する動作領域において動作させられる。
2013539208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子としてショットキーダイオードを含む複数のダイオード、殊に圧入式ダイオードを有する整流器装置において、
前記複数のショットキーダイオード（D1−D6）は、ダイオード損失が温度の上昇に伴って増大する動作領域で動作させられる、
ことを特徴とする整流器装置。
【請求項２】
請求項１に記載の整流器装置において、
前記半導体素子の半導体の阻止層と周囲空気との間の熱抵抗は、発電機の高温点における動作時に、あらかじめ設定した値を上回らない、
ことを特徴とする整流器装置。
【請求項３】
請求項２に記載の整流器装置において、
前記半導体の阻止層と周囲空気との間の前記熱抵抗は、前記発電機の高温点における動作時に7K/Wよりも低い、
ことを特徴とする整流器装置。
【請求項４】
請求項２に記載の整流器装置において、
前記半導体の阻止層と周囲空気との間の前記熱抵抗は、前記発電機の高温点における動作時に5K/Wよりも低い、
ことを特徴とする整流器装置。
【請求項５】
請求項２に記載の整流器装置において、
前記半導体の阻止層と周囲空気との間の前記熱抵抗は、前記発電機の高温点における動作時に3K/Wよりも低い、
ことを特徴とする整流器装置。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項に記載の整流器装置において、
ダイオードの最大許容阻止層温度は、関係式
【数１】
2013539208.tif 000007
によって求められる、
ことを特徴とする整流器装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の整流器装置において、
ショットキーダイオードとしてトレンチMOSバリアショットキーダイオード（TMBS）を使用する、
ことを特徴とする整流器装置。
【請求項８】
請求項７に記載の整流器装置において、
ショットキーダイオードとして、溝の深さが１−３μｍであり、溝と溝との間の間隔が０．５−１μｍであるトレンチMOSバリアショットキーダイオード（TMBS）を使用する、
ことを特徴とする、整流器装置。
【請求項９】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の整流器装置において、
ショットキーダイオードとしてトレンチジャンクションバリアショットキーダイオード（TJBS）を使用する、
ことを特徴とする整流器装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の整流器装置において、
ショットキーダイオードとして、溝の深さが１−３μｍであり、溝と溝との間の間隔が０．５−１μｍであるトレンチジャンクションバリアショットキーダイオード（TJBS）を使用する、
ことを特徴とする整流器装置。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれか１項に記載の整流器装置において、
前記ショットキーダイオードは、0.65eVないし0.75eVのショットキーバリアを有するダイオードである、
ことを特徴とする整流器装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイオードを、殊に圧入式ダイオードを有する整流器装置に関する。このような整流器装置は、殊に自動車発電機システムに使用される。
【０００２】
従来の技術
自動車の発電機システムでは、交流ないしは相交流を整流するため、シリコン製のダイオードが使用されることが多い。例えば、６個のダイオードが１つのＢ６整流器ブリッジにまとめて接続される。これらのダイオードは、いわゆる圧入式ダイオードとして構成される。圧入式ダイオードは、片側が整流器の冷却体内に圧入され、これによってこの整流器の冷却体に電気的および熱的に強固かつ持続的に接続されるのである。
【０００３】
整流器動作中、上記のダイオードでは電気的な損出出力Pelが発生し、これは、順方向ないしは導通損失PFと遮断損失PRとからなり、熱に変換される。この熱は、上記の整流器を介して発電機の冷却空気または吸入空気によって冷却される。しかしながら自動車発電機の冷却性能は、発電機回転数が低い場合にはまだ比較的低く、上記の電気的な出力は、発電機回転数の上昇に伴って急速に増大するため、上記のダイオード温度が最大になる（多くの場合に2500〜3500回転／分の範囲にある）回転数が存在する。この動作点を高温点と称する。上記のダイオードの最大許容阻止層温度は少なくとも、この高温点における動作について設計しなければならないのである。
【０００４】
例えばＢ６ブリッジの場合のような対称型整流器装置に対し、上記の平均電気順方向損失PFは、ダイオードの温度依存の導通電圧UF(T)と、導通電流または順方向電流の算術平均IFAVとの積から得られ、
PF ＝ IFAV・UF(T)      （１）
となる。
【０００５】
自動車用ダイオードでは、上記の導通電圧UF(T)は一般的に上記の温度と共に減少する。関連する電流領域において、上記の温度係数TKUFは、例えば、約-1mV/Kである。
【０００６】
一般的なpnダイオードの代わりに導通電圧UFの低いショットキーダイオードを使用する場合には順方向損失PFを低減することができる。このショットキーダイオードの導通損失が比較的低いことにより、上記の発電機の効率および出力性能が増大する。殊に有利には、逆電圧に依存しない逆電流を有するいわゆる高効率ダイオード（HED）を使用する。HEDは、例えば、トレンチMOSバリアショットキーダイオード（TMBS）またはトレンチジャンクションバリアショットキーダイオード（TJBS）である。このようなダイオードは、例えば、DE 694 28 996 T2およびDE 10 2004 053 761 A1に記載されている。
【０００７】
通常のpnダイオードで上記の阻止損失はほとんどの場合に無視できるが、ショットキーダイオードまたはHEDでは、高い温度において導通電圧が低いことにより、かなりの阻止損失が発生する。平均的な阻止損失PRに対し、ほぼ上記の発電機電圧に相応する阻止電圧URにおいて、
PR ＝ 0.5・IR(T)・UR    （２）
が成り立つ。
【０００８】
与えられた阻止電圧URにおいて阻止電流IR(T)は温度にも依存する。この阻止電流は、温度に伴って急速に増大する。この阻止電流は、関連する温度領域において２つの定数IooおよびEaを用いて表すことができる。ここでIooは、無限に高い温度における電流をアンペアで表し、Eaは活性化エネルギをケルビンで表す。ここでは
【数１】
2013539208.tif 000003
が成り立つ。
【０００９】
図１では、所与の依存関係で、導通電流IFAV=50Aおよび逆電圧UR=14VにおけるHEDの平均全体損失出力P(W)の線図が、阻止層温度Tjについて示されている。ここではパラメタIoo＝4・107ΑおよびEa=9300Kを有するダイオードを選択した。
【００１０】
低い温度では上記の遮断損失は、順方向損失に比べて無視することができる。導通電圧は、負の温度係数に起因して温度の上昇に伴って減少するため、このシステムは熱的に安定している。比較的高い温度では、遮断損失PRは増大し、最終的には順方向損失PFをも上回る。その後、全体損失出力P(W)は、温度の上昇に伴って増大する。図１においてこの全体損失出力が温度に伴って増大する箇所を転回点Ａとして示している。転回点Ａの阻止層温度をTAで示している。図示の例では、TA ＝ 200℃である。
【００１１】
阻止層温度TjがTAにおけるこの転回点を上回ると、熱的な不安定状態の危険性がある。それは、温度上昇に伴う逆電流の増大に起因してこの逆電流がさらに上昇し続ける可能性があるからである。これは、上記の逆電流のフィードバック作用が発生したことによる熱放出に相応する。
【００１２】
上記のような理由から、圧入式ダイオードとして実現されるショットキーダイオードを含む整流器装置はつねに上記の転換点Ａよりも下にある動作領域で、すなわち、上記のダイオード損失が温度上昇に伴って減少する動作領域で動作させられるのである。
【００１３】
発明の開示
請求項１に記載した特徴的構成を有する整流器装置では、この整流器装置の上記の動作領域が拡大される。これは実質的につぎようにして得られる。すなわち、温度上昇に伴ってダイオード損失が減少する動作領域においてこの整流器装置を動作させるだけでなく、温度上昇に伴ってこのダイオード損失が増大する領域においても動作させることによって得られるのである。ここでは、以下でさらに説明する設計ルールにより、温度上昇に伴って上記のダイオード損失が再度増大する領域においても上記の整流器装置が確実に動作できるようにすることによって達成される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】HEDの平均全体損失出力P(W)を阻止層温度Tjについて示す線図である。
【図２】Ｂ６ブリッジの形態で接続された全部で６個のショットキーダイオードを有する整流器装置を示す図である。
【図３】圧入式ダイオードの構造を説明する概略図である。
【図４】トレンチMOSバリアショットキーダイオードを説明する図である。
【図５】本発明による整流器装置の動作領域を説明する線図である。
【００１５】
以下では本発明を図２ないし５に基づいて詳しく説明する。
【００１６】
図２には、Ｂ６ブリッジの形態で互いに接続された全部で６個のショットキーダイオードＤ１からＤ６を有する整流器装置が示されている。この整流器ブリッジ回路は、３相自動車発電機用に設けられている。Ｕ，Ｖ，Ｗによってこのブリッジ回路の相端子を示しており、Ｂ＋によってこのブリッジ回路の正の直流源を示している。当然のことながら、例えば５，６または７相などの別の相数を有する整流器装置も可能である。
【００１７】
図２に示した整流器装置の整流器ダイオードは、圧入式ケーシングに取り付けられている。これらの整流器ダイオードは、例えば、半導体素子として少なくとも１つのショットキーダイオードを含む圧入式ダイオードすることが可能である。
【００１８】
図３には、一般的に使用されている圧入式ダイオード１００の構造を説明する概略図が示されており、この圧入式ダイオードは、部分断面図で示されている。ダイオード１００は、ベース底部１０１を有するベース１０２を有する。ベース１０２には一体で台座１０３が接続されており、この台座それ自体の上には、例えば半田付け（半田１０５ｂ）により、半導体チップが取り付けられている。半導体チップ１０４それ自体は、例えば、やはり半田（半田１０５ａ）により、ヘッド円柱１０６およびヘッド円錐体１０７を介してヘッドワイヤ１０８に接続されている。有利にはセンタリングして配置される台座１０３は、周囲を取り囲む壁部１０９と、壁部１０９および台座１０３によって構成される溝１１０とによって包囲されている。台座１０３側から見ると壁部１０９の向こう側にはプレス領域１１１があり、このプレス領域は、縁部領域１１１ａに続いており、この縁部領域には、整流器ダイオード１００を圧入する際に半導体チップ１０４の面に対して垂直に力が加わり得る。ヘッド円錐体１０７と、ヘッド円柱１０６と、半導体チップ１０４と、台座１０３とは、パッキング１１３によって包囲されており、このパッキングは保護スリーブ１１２に囲まれている。台座１０３およびヘッド円柱１０６は、半導体チップに向かって面取り部を有する。この面取り部は、例えば、半田で充填することができる。さらにこのチップの縁部にはパッシベーション部１１４が取り付けられており、このパッシベーション部は、上記のチップおよび半田をチップ縁部においてシーリングしている。さらに台座１０３は、パッキング１１３に突出する斜めのエッジ１２０を備えた円形の肩部１１５を有する。
【００１９】
図３に示した整流器ダイオード１００では、半導体チップ１０４は、壁部１０９によって取り囲まれておりかつ高さが高くなった台座１０３に固定されている。このようにして形成される溝１１０は、壁部１０９の高さの２倍の長さを有する。こうすることの利点は、この構成が、この整流器ダイオードを圧入する際の変形に対して殊に頑強であることである。台座と壁部／溝との組み合わせにより、意図的に構成される壁部１０９のない構成に比べ、チップ載置面における一層均一かつ一層小さい曲げ応力が保証される。別の利点は、チップのセンタリングがクリティカルにならないことである。有利には上記の壁部は、台座よりも低くする。これは、殊にこのダイオードを作製する際およびパッシベーションの際にチップへのアクセスが損なわれないようにするためである。
【００２０】
図３によれば、整流器ダイオード１００は、そのベース１０２に、例えば台座１０３の周囲に肩部１１５を有する。この肩部は、上記のパッキングとベースとの形状結合を形成するために使用される。第１には機械的な安定性が得られ、上記のベースは、ある程度上記のパッキング１１３に引っ掛けられる。第２には、例えば注型樹脂ペーストとして実施されるパッキングは、作製時に乾燥させる際に上記のダイオードのヘッド部分と共に半導体チップを上記のベースに押し付けるのである。これにより、全体として安定した構成が得られるのである。ここで肩部１１５は、斜めのエッジ１２０を有しており、これによって外部の機械的な負荷が加わった際、また熱負荷が加わった際にも上記のパッキングにおける機械的な応力の発生およびひび割れの発生を回避することができる。ここでこれらの負荷は、上記の肩部が尖っている場合には発生し得る負荷である。
【００２１】
当然のことながら圧入式ダイオードの別の変形実施形態も可能である。
【００２２】
図４には、本発明にしたがい、整流器装置に有利な使用されるトレンチMOSバリアショットキーダイオード（TMBSダイオード）を説明する概略図が示されている。
【００２３】
このようなTMBSダイオードは、ｎ＋基板１、ｎエピ層２、このｎエピ層にエッチングによって実現される少なくとも２つの溝（トレンチ）６、チップの前面４側のアノード電極としての金属層およびチップの背面５側のカソード電極としての金属層、および、溝６とこれらの金属層との間の酸化物層７から構成される。
【００２４】
電気的にみると、TMBSダイオードは、MOS構造（金属層、酸化物層７およびｎエピ層２）と、ショットキーダイオード（アノードとしての金属層と、カソードとしてのｎエピ層２との間のショットキーバリア）との組み合わせである。
【００２５】
導通方向には電流は、溝６間のメサ領域を通って流れる。溝６それ自体は、電流導通には使用されない。
【００２６】
TMBSダイオードの利点は、逆電流が低減されることである。遮断方向には上記のMOS構造でもショットキーダイオードでも共に空間電荷領域が形成される。これらの空間電荷領域は、電圧の上昇に伴って広がり、上記のTMBSの降伏電圧よりも低い電圧において、上記の隣り合う溝６間の領域の中央でぶつかる。これによって大きな逆電流を調整するショットキー作用が遮られて逆電流が低減される。この遮蔽作用は、構造パラメタＤｔ（溝の深さ）と、Ｗｍ（溝間の間隔）と、Ｗｔ（溝の幅）と、Ｔｏ（上記の酸化物層の厚さ）とに大きく依存する。
【００２７】
ダイオード、殊に圧入式ダイオードを有する整流器では、例えば、発電機の上記の高温点で動作する際に発生するこの整流器の熱抵抗は、すべての動作時間にわたって安定して所定の値以下に維持することができる。それは、上記の頑強な圧入接触接続の熱特性は実質的に変化しないからである。
【００２８】
電気的な逆電流IR(T)によって形成される損失出力は、熱として上記の整流器を介して排出される。すなわち、各ダイオードの電気的な損失出力Pelは、熱出力Pthermとして上記の整流器を介して周囲の空気に排出されるはずである。ここでPthermは、温度差分dTと、熱抵抗Rthとの商に等しく、ここでこの温度差分dTは、阻止層温度Tjと、周囲温度または冷却空気温度Taとの間の温度差分であり、また熱抵抗Rthは、阻止層と周囲空気との間の熱抵抗である。この熱抵抗は、発電機回転数と共に変化し、したがってここでは上記の高温点における動作時に発生する熱抵抗を表す。ダイオードは以下が成り立つ限りは安定である。すなわち、
【数２】
2013539208.tif 000004
が成り立つ限りは安定である。
【００２９】
ダイオードの順方向損失PFは、負の温度係数を有するため、この順方向損失は式（４）において無視することができる。式（３）の逆電流依存性から、
【数３】
2013539208.tif 000005
が成り立つ場合、式（４）により、高温時に熱放出なしに確実な動作が可能になる。
【００３０】
図５には、本発明による整流器装置の動作領域を説明する線図が示されている。この図では、図１と同様に横軸に沿って温度Tj（℃）が、また縦軸に沿って全体損失出力P(W)がプロットされている。この実施例では、整流器のダイオードに対し、このダイオードの阻止層と冷却空気との間の５ケルビン／ワットの熱抵抗Rthが、逆電圧UR＝14Vおよび導通電流IFAV＝50Aに対して示されている。このダイオードは、慣用の阻止層温度境界を大きく上回って動作させることができる。図示した例において、200℃の最大阻止層温度TAは、ほぼ250℃の温度TBにまで広げられている。このことが意味するのは、上記のショットキーダイオードを動作させることの可能な動作領域が、上記のダイオード損失が温度の上昇に伴って再度増大する温度領域にも伸びることを意味している。
【００３１】
上記の半導体の阻止層と周囲空気との間の熱抵抗は、上記の発電機の高温点における動作時に、あらかじめ設定した値を上回らない。例えば、上記の熱抵抗は、7K/Wよりも小さく、有利には5K/Wよりも小さく、殊に3K/Wよりも小さい。
【００３２】
ダイオードの最大許容阻止層温度は、（すでに上で説明したように）つぎの関係式、すなわち、
【数４】
2013539208.tif 000006
によって求められる。
【００３３】
ショットキーダイオードとして（すでに上で説明したように）有利にはトレンチMOSバリアショットキーダイオードが使用され、その溝の深さは１μｍから３μｍであり、その溝と溝との間の間隔は、０．５μｍから１μｍである。
【００３４】
これとは択一的にショットキーダイオードとしてトレンチジャンクションバリアショットキーダイオード（TJBSダイオード）が使用され、その溝の深さは、１μｍから３μｍであり、その溝と溝との間の間隔は、０．５μｍから１μｍである。
【００３５】
有利には上記のショットキーダイオードは、0.65eVから0.75eVのショットキーバリアを有するダイオードである。
【図１】
2013539208.tif 000008
【図２】
2013539208.tif 000009
【図３】
2013539208.tif 000010
【図４】
2013539208.tif 000011
【図５】
2013539208.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成25年4月8日(2013.4.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子としてショットキーダイオードを含む複数のダイオードを有する整流器装置を備えた発電機であって、
該発電機は、発電機回転数に依存して前記ダイオードの温度が最大になる高温点を有する、発電機において、
前記半導体素子の半導体の阻止層と周囲空気との間の熱抵抗（Rth）が、前記発電機の前記高温点における動作時に、あらかじめ設定した値を上回らず、
前記ダイオードの最大許容阻止層温度が少なくとも、前記高温点における前記動作に対して設定されており、
前記複数のショットキーダイオード（D1−D6）は、ダイオード損失が温度の上昇に伴って増大する動作領域で動作させられる、
ことを特徴とする発電機。
【請求項２】
請求項１に記載の発電機において、
前記高温点における前記ダイオードの前記最大許容阻止層温度Ｔは関係式
【数１】
2013539208.tif 000013
を満たし、ただし、
Rthは、前記熱抵抗であり、
URは、逆電圧であり、
IR(T)は、逆電流であり、
Tは、前記阻止層の温度であり、
Ｅａは、活性化エネルギである、
ことを特徴とする発電機。
【請求項３】
請求項１または２に記載の発電機において、
前記半導体の阻止層と周囲空気との間の前記熱抵抗は、前記発電機の高温点における動作時に7K/Wよりも低い、
ことを特徴とする発電機。
【請求項４】
請求項１または２に記載の発電機において、
前記半導体の阻止層と周囲空気との間の前記熱抵抗は、前記発電機の高温点における動作時に5K/Wよりも低い、
ことを特徴とする発電機。
【請求項５】
請求項１または２に記載の発電機において、
前記半導体の阻止層と周囲空気との間の前記熱抵抗は、前記発電機の高温点における動作時に3K/Wよりも低い、
ことを特徴とする発電機。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項に記載の発電機において、
ショットキーダイオードとしてトレンチMOSバリアショットキーダイオード（TMBS）を有する、
ことを特徴とする発電機。
【請求項７】
請求項６に記載の発電機において、
ショットキーダイオードとして、溝の深さが１−３μｍであり、溝と溝との間の間隔が0.5−１μｍであるトレンチMOSバリアショットキーダイオード（TMBS）を有する、
ことを特徴とする、発電機。
【請求項８】
請求項１から５までのいずれか１項に記載の発電機において、
ショットキーダイオードとしてトレンチジャンクションバリアショットキーダイオード（TJBS）を有する、
ことを特徴とする発電機。
【請求項９】
請求項８に記載の発電機において、
ショットキーダイオードとして、溝の深さが１−３μｍであり、溝と溝との間の間隔が0.5−１μｍであるトレンチジャンクションバリアショットキーダイオード（TJBS）を有する、
ことを特徴とする発電機。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項に記載の発電機において、
前記ショットキーダイオードは、0.65eVないし0.75eVのショットキーバリアを有するダイオードである、
ことを特徴とする発電機。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれか１項に記載の発電機において、
前記ダイオードは、圧入式ダイオードである、
ことを特徴とする発電機。
【国際調査報告】
2013539208.tif 000014
2013539208.tif 000015
2013539208.tif 000016
2013539208.tif 000017