(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュール（１０）であって、
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）と、
ワイドバンドギャップスイッチ（１４）と、
ベースプレート（４８）と、
圧力装置（６２）とを備え、
前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）は第１の平坦な端子（１６）と第２の平坦な端子（１８）とを備え、
前記ワイドバンドギャップスイッチ（１４）は第１の平坦な端子（３４）と第２の平坦な端子（３６）とを備え、
前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）と前記ワイドバンドギャップスイッチ（１４）は並列に接続され、並列接続のために前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）の前記第１の平坦な端子（１６）と前記ワイドバンドギャップスイッチ（１４）の第１の平坦な端子（３４）は前記ベースプレートの同一面（４６）に取り付けられ、前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）の前記第２の平坦な端子（１８）と前記ワイドバンドギャップスイッチ（１４）の前記第２の平坦な端子（３６）は導電接続要素（５０）で接続され、
前記圧力装置（６２）は前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）の前記第２の平坦な端子（１８）上に配置され、
前記半導体モジュール（１０）は前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）のゲート（２０）と前記ワイドバンドギャップスイッチ（１４）のゲート（３８）とを接続するための少なくとも１つのゲートパッド（５４）を、前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）の前記ゲート（２０）と前記ワイドバンドギャップスイッチ（１４）の前記ゲート（３８）とを相互接続するためにさらに備え、前記ゲートパッド（５４）は前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）の前記第１の平坦な端子（１６）と前記ワイドバンドギャップスイッチ（１４）の前記第１の平坦な端子（３４）と同じように前記ベースプレート（４８）の面（４６）上に絶縁されて取り付けられる、半導体モジュール（１０）。
【請求項２】
前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）の前記第１の平坦な端子（１６）はコレクタであり、前記ワイドバンドギャップスイッチ（１４）の前記第１の平坦な端子（３４）はドレインである、および／または、
前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）の前記第２の平坦な端子（１８）はエミッタであり、前記ワイドバンドギャップスイッチ（１４）の前記第２の平坦な端子（３６）はソースである、請求項１に記載の半導体モジュール（１０）。
【請求項３】
前記接続要素（５０）はワイヤボンド（５２ａ〜ｃ）およびリボンバンド（５３）のうちの少なくとも１つである、請求項１および２に記載の半導体モジュール（１０）。
【請求項４】
前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）の前記ゲート（２０）および／または前記ワイドバンドギャップスイッチ（１４）の前記ゲート（３８）はワイヤボンド（５８、６０）およびリボンボンドのうちの少なくとも１つで前記ゲートパッド（５４）に接続される、請求項１から３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）はＢＩＧＴまたはＲＣ−ＩＧＢＴである、請求項１から４のいずれかに記載の半導体モジュール（１０）。
【請求項６】
前記ワイドバンドギャップスイッチ（１４）は電圧制御されたユニポーラスイッチであり、および／または前記ワイドバンドギャップスイッチ（１４）はＭＯＳＦＥＴである、請求項１から５のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記ワイドバンドギャップスイッチ（１４）は炭化ケイ素または窒化ガリウムをベースとする、請求項１から６のいずれかに記載の半導体モジュール（１０）。
【請求項８】
前記圧力装置（６２）は少なくとも１つのばね要素（６８）および／または少なくとも１つのプレート要素（７０）を備える、請求項１から７のいずれかに記載の半導体モジュール（１０）。
【請求項９】
前記半導体モジュール（１０）は前記ベースプレート（４８）の前記側面（４６）上に並列して配置された複数の前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）および／または複数の前記ワイドバンドギャップスイッチ（１４）を備える、請求項１から８のいずれかに記載の半導体モジュール（１０）。
【請求項１０】
多数の前記複数の前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）は単一のワイドバンドギャップスイッチ（１４）に接続され、および／または多数の前記複数のワイドバンドギャップスイッチ（１４）は単一の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）に接続される、請求項９に記載の半導体モジュール（１０）。
【請求項１１】
多数の前記複数のワイドバンドギャップスイッチ（１４）はワイヤボンドとリボンボンドのうちの少なくとも１つで相互接続される、請求項９および１０のいずれかに記載の半導体モジュール（１０）。
【請求項１２】
前記ベースプレート（４８）の反対側に配置され、前記圧力装置（６２）を前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）上に固定する導電プレート（７２）をさらに備える、請求項１から１１のいずれかに記載の半導体モジュール（１０）。
【請求項１３】
少なくとも１つのダイオード（４７）をさらに備える、請求項１から１２のいずれかに記載の半導体モジュール（１０）。
【請求項１４】
半導体モジュール（１０、１０ａ、１０ｂ）のスタック配列（１００）であって、
請求項１から１３のいずれかに記載の少なくとも１つの第１の半導体モジュール（１０ａ）と請求項１から１３のいずれかに記載の少なくとも１つの第２の半導体モジュール（１０ｂ）とを備え、前記第２の半導体モジュール（１０ｂ）は前記第１の半導体モジュール（１０ａ）上に、前記第２の半導体モジュール（１０ｂ）の前記ベースプレート（４８）が前記第１の半導体モジュール（１０ａ）の前記圧力装置（６２）に圧力を加え、次いで前記第１の半導体モジュール（１０ａ）の前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（１２）の前記第２の平坦な端子（１８）に圧力を加えるよう配置される、半導体モジュール（１０、１０ａ、１０ｂ）のスタック配列（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は電力半導体エレクトロニクスに関する。特に本発明は電力半導体モジュールおよび電力半導体モジュールのスタック配列に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
ワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）素材、特にたとえば炭化ケイ素（ＳｉＣ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）などのユニポーラ素材をベースとした半導体スイッチは、たとえば高い動作温度における低い電流漏れと低い電流における低い損失などの、これらの素材の固有の利点による低いスイッチ損失をもたらす。それゆえ、そのような半導体スイッチはまた高周波アプリケーションにも適している。
【０００３】
しかしながら、たとえばＳｉＣベースのスイッチはバイポーラシリコン（Ｓｉ）ベースのスイッチと比較してより小さいサイズのチップに現在制限される。たとえば、半導体モジュール内に取り入れられたバイポーラＳｉスイッチのベース領域の典型的な寸法はほぼ１７×１７ｍｍ２であるのに対し、ＳｉＣスイッチは、より高いコストに関連する欠点と歩留まり問題のために多くともこの数値の半分を超えることはない。
【０００４】
さらに、スモールサイズのワイドバンドギャップスイッチはバイポーラＳｉベースのスイッチと比較して、発振行動、高温および高電流における高いオン状態損失、および低い故障電流操作機能などの一定の欠点を有するかもしれない。
【０００５】
ＵＳ２０１４／０１８５３４６  Ａ１は第１および第２の不均等なバンドギャップ半導体素材を含む第１および第２のスイッチ装置を備えるハイブリッド電力装置に関し、スイッチング装置は３またはそれ以上の異なる種類の終局スイッチ装置である。
【０００６】
ＥＰ  ０  ４４３  １５５  Ｂ１はスイッチのオンオフのためのスイッチギアに関し、並列に接続されたＭＯＳ−ＦＥＴ半導体とＩＧＢＴ電力半導体とを切り替えるためのドライバーを有する。
【０００７】
ＵＳ２００４／０１８８７０６Ａ１はＩＧＢＴとワイドバンドギャップダイオードを有する半導体モジュールを開示し、ＩＧＢＴとワイドバンドギャップダイオードはベースプレート上に配置される。
【０００８】
ＥＰ  ０  ６３７  ０８０  Ａ１はＩＧＢＴ構造上に配置された圧力装置を有する圧力接触タイプの電力モジュールを開示する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
発明の説明
ワイドバンドギャップスイッチおよびバイポーラＳｉベースのスイッチを有する半導体モジュールの提供が本発明の目的であり、電力および／または電圧を増加させるためにスタック配列で直列接続されてもよい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は独立請求項の主題によって達成される。さらなる例示的な実施形態は従属請求項および以下の説明から明らかである。
【００１１】
本発明の態様は半導体モジュールに関する。半導体モジュールは特におおむね１０Ａよりも高い電流および／またはおおむね１００Ｖよりも高い電圧を処理するために適合された高電力半導体モジュールでもよい。
【００１２】
本発明の実施形態によれば、半導体モジュールは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、ワイドバンドギャップスイッチ（ワイドバンドギャップトランジスタでもよい）、ベースプレート、および圧力装置を備える。絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは第１の平坦な端子と第２の平坦な端子とを備え、ワイドバンドギャップスイッチは第１の平坦な端子と第２の平坦な端子とを備える。絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとワイドバンドギャップスイッチは並列に接続され、これにより絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第１の平坦な端子とワイドバンドギャップスイッチの第１の平坦な端子が並列な接続の場合にはベースプレートの同一面上に取り付けられる。絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第１の平坦な端子および／またはワイドバンドギャップスイッチの平坦な第１の端子はたとえばベースプレートの面に、はんだづけおよび／または溶接されてもよい。ベースプレートの「面」はベースプレートの外側表面および／または表面領域をここでおよび以下で示してもよい。さらに、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第２の平坦な端子とワイドバンドギャップスイッチの第２の平坦な端子は導電接続要素で接続され、圧力装置は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第２の平坦な端子上に配置される。第２の平坦な端子は第１の平坦な端子とは逆のそれぞれのトランジスタの面上にあってもよい。さらに、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのゲートとワイドバンドギャップスイッチのゲートとを相互接続する目的で、半導体モジュールは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのゲートとワイドバンドギャップスイッチのゲートを接続するための少なくとも１つのゲートパッドをさらに備え、ゲートパッドは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第１の平坦な端子およびワイドバンドギャップスイッチの第１の平坦な端子と同じベースプレートの面上に絶縁されて取り付けられる。トランジスタの１つのゲートは、第２の端子を提供するそれぞれのトランジスタの面上にもたらされてもよい、平坦なゲート端子によってもたらされてもよい。
【００１３】
以上に概略されたように、比較的小さいサイズにより、半導体モジュール内に排他的に採用されたワイドバンドギャップスイッチ、すなわちいわゆるフルワイドバンドギャップモジュールは、モジュールの直列接続の簡易化とおおよそ１０００Ａを超える非常に高い電流定格を目標とするそのようなモジュールのスタック配列、すなわちいわゆるそのようなモジュールのプレスパックには適さないかもしれない。小さなワイドバンドギャップスイッチは、短絡不良モード（ＳＣＦＭ）などのプレスパックおよび／またはスタック配列における故障不具合状態保護のためにも不適合であるかもしれない。
【００１４】
一方で、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとワイドバンドギャップスイッチが並列に電気的に接続されることにより、ハイブリッド半導体モジュールが提供されてもよく、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとワイドバンドギャップスイッチの双方の様々な有利な特性からの利点を享受できる。並列配列の主な利点は、低コストとは別に、全体的な電流範囲にわたって低い導電損失、低いスイッチ損失、低い熱抵抗、ソフトターンオフ性能、高いスイッチロバスト性、および改善された障害電流保護である。これはフルバンドギャップモジュールと比較して熱、導電（損失）、スイッチ（損失、柔軟性）、および障害状態性能（電圧サージ、短絡、短絡不良モード（ＳＣＦＭ））、全体的な性能およびコストに関して、半導体モジュール全体の最適な性能に帰着するかもしれない。他方で、圧力装置を大きなサイズの絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第２の端子上にのみ配置することにより、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ上に、ベースプレートの面の表面法線ベクトルに逆行する方向に力を行使することにより、提案された半導体モジュールは直列接続されたモジュールのスタック配列に好適に配列されるかもしれない。
【００１５】
言い換えれば、ワイドギャップスイッチをプレスパックモジュールおよび／またはスタック配列に採用するための以上に述べた欠点を解決するために、ハイブリッドモジュール内で並列に接続されたＳｉベースのスイッチとワイドバンドギャップスイッチの利点の組み合わせにより、本発明はそのようなプレスパック、特にスタック配列にハイブリッドモジュールを採用するためのプレスパック配列を提供するコンセプトを提案する。
【００１６】
以上に述べた利点とは別に、発明の半導体モジュールは大面積絶縁ゲート型バイポーラトランジスタにより改善された保護特性をさらに提供する。他の中で、これは特にたとえば高圧直流（ＨＶＤＣ）およびフレキシブル交流送電システム（ＦＡＣＴＳ）などのグリッドアプリケーションのための高電流および直列接続高圧能力、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタまたはワイドバンドギャップスイッチの不良に関わらない、圧力装置と絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを通じる短絡不良モード、ワイドバンドギャップと比較したとき、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタがより高い短絡（飽和電流）を保障することによりＳｉベースの絶縁ゲート型バイポーラトランジスタによる良好な短絡能力、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのアバランシェブレークダウンがワイドバンドギャップのそれよりも低いことを保障することによる良好なアバランシェ能力、およびたとえばダイオードモードにおける絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの逆流導電である絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの良好なサージ電流能力を含む。
【００１７】
ゲートパッドはたとえば導電ストリップ、ストラップ、バー、テープ、ストライプおよび／またはプレートを備えてもよい。ゲートパッドはベースプレートの絶縁されたエリアに配置および／または取付けられてもよく、たとえばベースプレートとゲートパッドとの間の絶縁層、絶縁フィルム、および／または絶縁スペーサの配置による。ゲートパッドはベースプレートの側面上および／またはベースプレートの様々な他の部分上に配置されてもよい。しかしながら、ゲートパッドは半導体モジュール内でベースプレートと別々に配置されてもよい。ゲートパッドは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのゲートとワイドバンドギャップスイッチのゲートを相互接続する共通のゲートパッドである。これは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとワイドバンドギャップスイッチをゲートパッドに印加される単一のゲート制御信号によって同時に制御することを可能とし、次にモジュールの全体的な制御を簡素化し、モジュールそれ自体をレイアウトおよび／または構築の点において簡素化し、これにより潜在的に製造コストを低減するかもしれない。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第１の平坦な端子はコレクタ（すなわちコレクタ端子）であり、ワイドバンドギャップスイッチの第１の平坦な端子はドレイン（すなわちドレイン端子）である。さらに、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第２の平坦な端子はエミッタ（すなわちエミッタ端子）であり、ワイドバンドギャップスイッチの第２の平坦な端子はソース（すなわちソース端子）である。こうして、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとワイドバンドギャップスイッチを並列に接続するために、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのコレクタとワイドバンドギャップスイッチのドレインはベースプレートの面に取り付けられ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのエミッタとワイドバンドギャップスイッチのソースは接続要素によって接続される。しかしながら、エミッタおよびソースをベースプレートの面に取り付け、コレクタとドレインとを接続要素で接続することもまた気づくかもしれない。
【００１９】
本発明の実施形態によれば、接続要素はワイヤボンドとリボンボンドのうちの少なくとも１つである。そのような種類のボンドは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタおよび／またはワイドバンドギャップスイッチのそれぞれの端子に、それらがベースプレートに取り付けられた後に容易に取り付けられてもよい。これはモジュールのアセンブリおよび／または製造プロセスをメンテナンス同様に簡素化し、モジュールの製造コストを低減するかもしれない。さらに、これはたとえば、ワイヤボンドおよび／またはリボンボンドの配置および／取付けにおける固有の柔軟性により、モジュールの電気回路などのモジュールの構成要素のレイアウトおよび／またはセットアップの柔軟性をもたらす、および／または増すかもしれない。
【００２０】
本発明の実施形態によれば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのゲートおよび／またはワイドバンドギャップスイッチのゲートは、ワイヤボンドおよびリボンボンドの少なくとも１つによりゲートパッドに接続される。これはモジュールのアセンブリ、製造プロセスおよび／またはメンテナンスをさらに簡素化するかもしれず、モジュールの構成要素のレイアウトおよび／またはセットアップの柔軟性をさらに増すかもしれない。
【００２１】
本発明の実施形態によれば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは２モード絶縁ゲートトランジスタ、ＢＩＧＴまたは逆導電性絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、ＲＣ−ＩＧＢＴである。そのような種類のトランジスタは全体的な性能、電力定格、および／または寿命に関して利点をもたらす。
【００２２】
発明の実施形態によれば、ワイドバンドギャップスイッチは電圧制御されたユニポーラスイッチおよび／またはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）である。「電圧制御されたスイッチ」という用語は、その出力特性がゲートに適用される電圧に依存する電界によって決定および／または制御されるスイッチおよび／または半導体装置に関してもよい。たとえばＭＯＳＦＥＴ、接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、および／または高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）はワイドバンドギャップスイッチとして活用されてもよい。
【００２３】
本発明の実施形態によれば、ワイドバンドギャップスイッチは炭化ケイ素または窒化ガリウムをベースとする。たとえば、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴおよび／またはＧａＮ  ＨＥＭＴがワイドバンドギャップスイッチとして活用されてもよい。そのようなスイッチは低電流における低損失を特にもたらすかもしれない。
【００２４】
本発明の実施形態によれば、圧力装置は少なくとも１つのばね要素および／または少なくとも１つのプレート要素を備える。一般的に、圧力装置は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタにベースプレートに向かって、トランジスタを損傷することなく一定の力を行使するために適合されてもよい。この目的のために圧力装置はばね要素を備えてもよく、弾性要素は少なくとも部分的に弾性変形可能および／または一定程度圧縮可能である。ばね要素は、たとえば、ねじればね、合成ばね、平ばねおよび／またはたとえばゴムまたはシリコン要素などの他の弾性要素を備えてもよい。さらに、圧力装置は極端なまたは過度の変形に対する一定の安定性がもたらされてもよく、それはプレート要素によって提供されてもよい。
【００２５】
本発明の実施形態によれば、半導体モジュールはベースプレートの面上に並列して配置された複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタおよび／または複数のワイドバンドギャップスイッチを備える。このようにして、モジュールの電力、ロバスト性および／またはコンパクト性は促進され得る。複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタおよびワイドバンドギャップスイッチはいくつかの列および／または無作為なパターンでベースプレート上に配置されてもよい。たとえば、ワイドバンドギャップスイッチはベースプレートの面の中央領域に配置されてもよく、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタベースプレートの面の縁部または境界領域に配置されてもよい。
【００２６】
本発明の実施形態によれば、多数の複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは単一のワイドバンドギャップスイッチに接続され、および／または多数の複数のワイドバンドギャップスイッチは単一の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタに接続される。これはモジュールのレイアウトおよび／または制御を簡素化しモジュールの全体的なコストを低減するかもしれない。
【００２７】
本発明の実施形態によれば、多数の複数のワイドバンドギャップスイッチはワイヤボンドとリボンボンドの少なくとも１つで相互接続される。これはモジュールのワイドバンドギャップスイッチの制御をさらに簡素化するかもしれない。
【００２８】
本発明の実施形態によれば、半導体モジュールは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ上に圧力装置を固定するベースプレートの反対側に配置された導電プレートをさらに備える。プレートは圧力装置のさらなる表面と対向する圧力装置の外側表面上にこうして配置され、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第２の端子と接触および／またはその上に配置されてもよく、圧力装置はプレートと絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第２の端子との間に配置される。そのような配置は互いの上に発明のいくつかの半導体モジュールの積み重ねを促進するかもしれず、隣り合うモジュールを順番に容易に相互接続することを許容する。導電プレートおよびベースプレートはモジュールの（非導電）ハウジングによって機械的に接続されてもよい。
【００２９】
本発明の実施形態によれば、半導体モジュールは少なくとも１つのダイオードをさらに備える。ダイオードはたとえばＳｉ、ＳｉＣ、Ｇｅおよび／またはＧｎをベースとしてもよい。さらに、ダイオードはたとえばベースプレートなどの半導体モジュールの要素に固着されてもよく、半導体モジュールの他の要素と、たとえばワイヤボンドおよび／またはリボンボンドを介して電気的に接続されてもよい。ダイオードはワイドバンドギャップスイッチおよび統合されたゲートバイポーラトランジスタのうちの少なくとも１つの集積された内部ダイオードとして形成されてもよい。さらに、ダイオードはＰＩＮダイオードまたはバイポーラダイオードでもよく、ダイオードは順方向または逆導通でもよい。一般的に、ダイオードはサージ電流または過電流運搬機能をもたらしおよび／または半導体モジュールのためのさらなる導通機能をもたらす。
【００３０】
発明の他の態様は半導体モジュールのスタック配列に関する。スタック配列は以上および以下に述べられる少なくとも１つの第１の半導体モジュールと少なくとも１つの第２の半導体モジュールとを備える。その中で、第２の半導体モジュールは第１の半導体モジュール上に配置され、第２の半導体モジュールのベースプレートは第１の半導体モジュールの圧力装置上を押し、順に第１の半導体モジュールの絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第２の平坦な端子を押す。このようにして、基本的に任意の数の半導体モジュールはスタック配列の電力を増すためにコンパクトな方法で積み重ねられ直列接続されてもよい。
【００３１】
本発明のこれらおよび他の態様は以下に説明される実施形態を参照して明らかとなり詳述される。
【００３２】
図面の簡潔な説明
本発明の主題は添付の図面で説明された例示的な実施形態を参照して以下のテキストでより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１Ａ】本発明の実施形態による半導体モジュールのための絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとワイドバンドギャップスイッチの構造図を示す。
【図１Ｂ】本発明の実施形態による半導体モジュールの回路図を示す。
【図１Ｃ】本発明のさらなる実施形態による半導体モジュールの回路図を示す。
【図２】本発明の実施形態による半導体モジュールを示す。
【図３】本発明の実施形態による半導体モジュールの上面図を示す。
【図４】本発明の実施形態による半導体モジュールのスタック配列を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図面内で使用された参照符号およびその意味は、参照符号のリスト内に要約された形式で記載される。特に、同一の部分に図面内で同一の参照符号が提供される。
【００３５】
例示的な実施形態の詳細な説明
図１Ａは半導体モジュール１０（図２および図３参照）のための逆導電絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＲＣ−ＩＧＢＴ）の形態の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ１２とＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの形態のワイドバンドギャップスイッチ１４を示す。図１Ｂはモジュール１０のための回路図を示す。
【００３６】
ＲＣ−ＩＧＢＴ１２は第１の端部上に、コレクタである第１の平坦な端子１６を備え、ＲＣ−ＩＧＢＴ１２は第１の端部の反対の第２の端部上に、エミッタである第２の平坦な端子を備える。図１Ａは１つの金属酸化膜半導体セル１９ａ（ＭＯＳセル）のみを示す。ＲＣ−ＩＧＢＴ１２は複数のそのようなセル１９ａで構成される。さらに、第２の平坦な端子１８に隣接して、ＲＣ−ＩＧＢＴ１２はＲＣ−ＩＧＢＴ１２を制御するためのゲート２０を備える。ゲート２０の隣に、ＲＣ−ＩＧＢＴ１２はｎ＋ドープされた領域２２とｐドープされた領域２４を備え、それらはｎベース層２６に少なくとも部分的に埋め込まれる。ｎベース層２６はｎバッファ層２８と接触し、ｎバッファ層は次にｎバッファ層２８と第１の平坦な端子１６との間に配置されたｐドープされた領域３０とｎドープされた領域３２に接触し、これにより、ＲＣ−ＩＧＢＴの逆伝導ダイオードを提供する。
【００３７】
ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ１４は第１の端部上に、ドレインである第１の平坦な端子３４を備え、第１の端部の反対側の第２の端部上に、ソースである第２の平坦な端子３６とを備える。図１Ａは１つの金属酸化膜半導体セル１９ｂ（ＭＯＳセル）のみを示す。ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ１４は複数のそのようなセル１９ｂで構成される。ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ１４はＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ１４を制御するための、第２の平坦な端子３６に隣接したゲート３８をさらに備える。ゲート３８の隣に、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ１４は、ｎベース層４４に少なくとも部分的に埋め込まれたｎ＋ドープされた領域４０とｐドープされた領域４２とを備える。ｎベース層４４と第１の平坦な端子３４との間に、ｎ＋ドープされた層４５が配置される。
【００３８】
図１Ｂの回路図に描写されたように、ＲＣ−ＩＧＢＴ１２はＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ１４と並列に接続され、それぞれの第１の平坦な端子１６、３４と第２の平坦な端子１８、３６は相互接続される。より正確にするために、ＲＣ−ＩＧＢＴ１２のコレクタはＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ１４のドレインと接続され、ＲＣ−ＩＧＢＴ１２のエミッタはＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ１４のソースと接続される。
【００３９】
図１Ｃは本発明のさらなる実施形態による半導体モジュール１０の回路図を示す。特に別に述べられない限り、図１Ｃの半導体モジュール１０は図１Ｂの半導体モジュール１Ｂと同一の要素および特徴を備えうる。
【００４０】
ワイドバンドギャップスイッチ１４と並列に接続された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ１２に加えて、図１Ｃの半導体モジュール１０はダイオード４７を備える。ダイオード４７は逆導電でもよく、サージ電流または過電流の運搬能力をもたらしてもよく、および／または半導体モジュールにさらなる導電能力をもたらしてもよい。たとえば、ダイオード４７は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ１２のエミッタ端子１８とワイドバンドギャップスイッチ１４のソース端子３６から絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ１２のコレクタ端子１６とワイドバンドギャップスイッチ１４のドレイン端子３４への導電路を提供してもよい。ダイオード４７は、たとえば半導体モジュール１０のベースプレート４８（図２参照）に取り付けられてもよく、たとえばワイヤボンドおよび／またはリボンボンドによって電気的に接続されてもよい。しかしながら、半導体モジュール１０内に配置された複数のダイオードが提供されてもよい。さらに、ダイオード４７はたとえばＰＩＮダイオードまたは内部バイポーラダイオードなどの、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ１２および／またはバンドギャップスイッチ１４の内部に集積されたダイオードであってもよい。
【００４１】
図２は本発明の実施形態による半導体モジュール１０を示す。半導体モジュール１０はたとえばＲＣ−ＩＧＢＴ、ＢＩＧＴまたは共通のＩＧＢＴでもよい絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）１２と、たとえばＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴでもよい電圧制御されたユニポーラワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）スイッチ１４とを備える。別々のＳｉおよび／またはＷＢＧダイオードもまた必要とされてアプリケーションに依存するときに含まれてもよいが、好ましくはＲＣ−ＩＧＢＴまたはＢＧＴの使用および／または内部ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの活用によらない。
【００４２】
ＩＧＢＴ１２とＷＢＧスイッチ１４の双方はベースプレート４８の面４６に取り付けられる。面４６はこの文脈ではベースプレート４８の外側平坦面を意味する。より詳細には、ＩＧＢＴ１２とＷＢＧスイッチ１４双方はそれぞれの第１の平坦な端子１６、３４でベースプレート４８の面４６に取り付けられる。たとえば第１の平坦な端子１６、３４は面４６に、ベースプレート４８を介して電気的に接続されるよう溶接および／またははんだづけされてもよい。この目的のためにベースプレートは金属および／または適切な合金などの導電素材から製造されてもよい。図２に示されたＩＧＢＴ１２の第１の平坦な端子１６はＩＧＢＴ１２のコレクタまたはコレクタ端子であり、ＷＢＧスイッチ１４の第１の平坦な端子３４はドレインまたはドレイン端子である。
【００４３】
ベースプレート４８の反対側のＩＧＢＴ１２の端部上で、ＩＧＢＴは、エミッタまたはエミッタ端子である第２の平坦な端子を備える。ＩＧＢＴ１２の第２の平坦な端子１８は、ＷＢＧスイッチ１４のソースまたはソース端子であるＷＢＧスイッチ１４の第２の平坦な端子３６と導電接続要素で電気的に接続される。ＩＧＢＴ１２のコレクタをベースプレート４８を介してＷＢＧスイッチ１４のドレインに接続することにより、またＷＢＧスイッチ１４のソースをＩＧＢＴ１２のエミッタに接続することにより、ＩＧＢＴ１２とＷＢＧスイッチ１４は電気的に並列に接続される。図２に示された接続要素５０はＷＢＧスイッチ１４のソースとＩＧＢＴ１２のエミッタを接続する複数のワイヤボンド５２ａ、５２ｂ、５２ｃを備える。代替的にまたは追加的に、接続要素５０はＷＢＧスイッチ１４とＩＧＢＴ１２の第２の平坦な端子１８、３６をそれぞれ接続するためのリボンボンドを備えてもよい。
【００４４】
しかしながら、これらの要素の並列な接続を採用するために、ＩＧＢＴ１２のエミッタ１２とＷＢＧスイッチ１４のソースをベースプレート４８の面４６に取り付け、ＷＢＧスイッチ１４のドレインとＩＧＢＴ１２のコレクタとを接続要素５０で接続することもまた可能である。
【００４５】
ＩＧＢＴ１２とＷＢＧスイッチ１４の第１の平坦な端子１６、３４と第２の平坦な端子１８、３６はそれぞれ、最適な電気接続をもたらすために導電素材のパッドを備えてもよく、すなわちエミッタパッド、コレクタパッド、ソースパッドおよび／またはドレインパッドがＩＧＢＴ１２および／またはＷＢＧスイッチ１４の第１の平坦な端子１６、３４および／または第２の平坦な端子１８、３６それぞれに提供されてもよい。
【００４６】
半導体モジュール１０は、ベースプレート４８の面４６に、ＩＧＢＴ１２とＷＢＧスイッチ１４に並列しておよび／またはＩＧＢＴ１２とＷＢＧスイッチ１４との間に絶縁して取り付けられる、ゲートパッド５４をさらに備える。ゲートパッド５４とベースプレート４８との間に、ゲートパッド５４とベースプレート４８とを絶縁するよう適合された絶縁層５６が配置される。絶縁層５６は、たとえば絶縁素材のフィルムおよび／または絶縁スペーサでもよい。絶縁層５６はベースプレート４８に、たとえば接着され、溶接されおよび／またははんだづけされてもよく、ゲートパッド５４は絶縁層５６に、たとえば接着され、溶接されおよび／またははんだづけされてもよい。ゲートパッド５４はＷＢＧスイッチ１４のゲート３８に第１のゲート接続要素５８で電気的に接続される。ゲートパッド５４はＩＧＢＴ１２のゲート２０に第２のゲート接続要素６０でさらに接続される。こうして、ゲートパッド５４はＷＢＧスイッチ１４のゲート３８とＩＧＢＴ１２のゲート２０とを相互に接続する。この文脈において、ゲートパッド５４はＷＢＧスイッチ１４とＩＧＢＴ１２双方をそれぞれのゲート２０，３８を介して同時に制御することを可能にする共通のゲートパッドとして設計される。しかしながら、ＩＧＢＴ１２とＷＢＧスイッチ１４のゲート３８のために別々のゲートパッドの活用もまた可能である。ゲート接続要素５８、６０は、ワイヤボンドおよびリボンボンドのうちの少なくとも１つであり得る。
【００４７】
半導体モジュール１０はＩＧＢＴ１２の第２の平坦な端子１８すなわちＩＧＢＴ１２のエミッタ上に第１の端部６４が配置された圧力装置６２をさらに備える。圧力装置６２は少なくとも１つの弾性変形可能なばね要素６８および／または機械的安定のための少なくとも１つのプレート要素７０を備えてもよい。圧力装置６２は任意の形状でもよく、すなわちたとえば円筒形状、立方体形状、長方形形状を有してもよい。さらに、圧力装置６２は、たとえば円形、多角形状、三角形、長方形などの任意の断面を有してもよい。図２に示されるように、第２の平坦な端子１８がまた接続要素５０を介してＷＢＧスイッチ１４の第２の平坦な端子３６に接続される必要があるので、圧力装置６２は、ＩＧＢＴ１２の第２の平坦な端子の一部のみを覆う。言い換えれば、ＩＧＢＴ１２、より正確にはＩＧＢＴ１２の第２の平坦な端子１８は、圧力装置６２のためにささげられた第１の領域６１と、ＩＧＢＴ１２の第２の平坦な端子１８をＷＢＧスイッチ１４の第２の平坦な端子３６に電気的に接続するための第２の領域の２つの領域を備える。第１および第２の領域６１、６３は等しいサイズにされてもよく、第１の領域６１は第２の領域６３よりもサイズにおいて大きくてもよい。
【００４８】
圧力装置６２はＩＧＢＴ１２の第２の平坦な端子１８上にのみ配置されるという事実により、圧力装置６２によって行使されるおよび／または圧力装置６４によって伝達される任意の力または圧力は主に大型ＩＧＢＴ１２上に作用する。これにより、圧力装置６２によって行使されおよび／または伝達される力はベースプレート４８の面４６の表面法線ベクトルに逆平行の方向を有し、すなわち力はベースプレート４８の面４６に向けられる。こうして、電力を増すために基本的に任意の数の半導体モジュール１０は互いにその上面に積み重ねられるか、直列接続される。それとは別に、圧力装置６２は短絡能力をさらに提供してもよい。
【００４９】
半導体モジュール１０は第１の端部６４の反対側の圧力装置６２の第２の端部６６上に配置された導電プレート７２をさらに備える。プレート７２はこうしてベースプレート４８の反対側に平行に配置される。こうして、圧力装置６２とＩＧＢＴ１２はプレート７２とベースプレート４８との間に配置される。プレート７２は金属および／または合金などの導電素材から製造される。一般的に、プレート７２は圧力装置６２をＩＧＢＴ１２上に圧力装置６２の長手方向に固定するために採用される。それとは別に、プレート７２は様々な半導体モジュール１０を互いにその上面に積み重ね、隣接するモジュールを直列接続することを許容および／または支持および／または単純化してもよい。
【００５０】
図３は本発明の実施形態による半導体モジュール１０の上面図を示す。他に説明がなければ、図３の半導体モジュール１０は図２の半導体モジュール１０と同一の特徴および要素を備えてもよい。
【００５１】
半導体モジュール１０は複数の６つのＩＧＢＴ１２と６つのＷＢＧスイッチ１４とを備える。ＩＧＢＴ１２はそれぞれベースプレート４８の縁部または境界領域にある３つのＩＧＢＴの２列に配置され、ＷＢＧスイッチ１４はベースプレート４８の中間領域に３つのＷＢＧスイッチ１４の２列で配置される。それぞれのＩＧＢＴ１２の第２の平坦な端子は、ワイヤボンド５２ａ、５２ｂ、５２ｃとリボンボンド５３の少なくとも１つである接続要素５０でＷＢＧスイッチ１４の第２の平坦な端子３８に電気的に接続される。
【００５２】
しかしながら、任意の数のまたはすべての複数のＩＧＢＴ１２を単一のＷＢＧスイッチ１４へ接続することおよび／または任意の数のまたはすべての複数のＷＢＧスイッチ１４を単一のＩＧＢＴ１２へ接続することもまた可能である。さらに、複数またはすべてのＷＢＧスイッチ１４はワイヤボンドおよびリボンボンドの少なくとも１つで相互接続されてもよい。
【００５３】
半導体モジュール１０はＩＧＢＴ１２とＷＢＧスイッチ１４との間に配置された２つのゲートパッド５４をさらに備える。したがって、１つのゲートパッド５４は２つのＩＧＢＴ１２と２つのＷＢＧスイッチ１４のゲート２０、３８をそれぞれ相互接続し、１つのゲートパッド５４は、４つのＩＧＢＴ１２と４つのＷＢＧスイッチ１４のゲート２０、３８をそれぞれ相互接続する。半導体モジュールのすべてのＩＧＢＴ１２とＷＢＧスイッチ１４を相互接続するベースプレート４８上にただ１つのゲートパッド５４を配置することまたは２より多いゲートパッド５４を配置することもまた可能である。
【００５４】
図４は本発明の実施形態による半導体モジュール１０ａ、１０ｂのスタック配列１００を示す。スタック配列１００は、ハウジング１０１を備え、その中で半導体モジュール１０ａ、１０ｂが配置されるおよび／または互いにその上面に積み重ねられ、モジュール１０ａ、１０ｂは任意に固定手段によって機械的に固定されるハウジング１０１を備える。
【００５５】
図４のスタック配列１００において、第１の半導体モジュール１０ａと第２の半導体モジュール１０ｂが示されるが、スタック配列１００は図４においてドットによって示されるように基本的に任意の数の半導体モジュール１０、１０ａ、１０ｂを備える。
【００５６】
見られるように、第１の半導体モジュール１０ａはスタック配列１００のハウジング１０１内に配置され、面４６と対向するベースプレート４８のさらなる面はハウジング１０１の内面に面する。第２の半導体モジュール１０ｂは第１の半導体モジュール１０ａ上に配置され、第２の半導体モジュール１０ｂのベースプレート４８は第１の半導体モジュール１０ａの圧力装置６２上に圧力を加え、ついで、第１の半導体モジュール１０ａの第２の平坦な端子１８に圧力を加える。この目的のために、第２の半導体モジュール１０ｂのベースプレート４８は第１の半導体モジュール１０ａの圧力装置６２の第２の端部６６上に直接配置されてもよい。代替的に、それは第１の半導体モジュール１０ａのプレート７２上に配置されてもよい。このようにして、第１および第２の半導体モジュール１０ａ、１０ｂはプレスパックの形態で電気的に直列に接続され、第２の半導体モジュール１０ｂのＩＧＢＴ１２の第１の平坦な端子１６は第２の半導体モジュール１０ｂのベースプレート４８および／またはプレート７２を介して圧力装置６２と第１の半導体モジュール１０ａのＩＧＢＴ１２の第２の平坦な端子１８と接続される。
【００５７】
本発明は図面および以上の説明により詳細に図示されて説明されたが、そのような図示および説明は説明的または例示的であって制限的ではないと考えられるべきであり、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。当業者によって図面、本開示および添付の請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が理解および実行可能である。請求項において「備える」という用語は他の要素または特徴を除外するものではなく、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数を除外するものではない。互いに異なる従属請求項に一定の手段が記載されるという単なる事実はこれらの手段の組み合わせを有利に使用することができないということを示すものではない。請求項における任意の参照符号は範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【００５８】
参照符号のリスト
【符号の説明】
【００５９】
１０  半導体モジュール；１２  絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ；１４  ワイドバンドギャップスイッチ；１６  ＩＧＢＴの第１の端子；１８  ＩＧＢＴの第２の端子；１９ａ  ＩＧＢＴのＭＯＳセル；１９ｂ  ＷＢＧスイッチのＭＯＳセル；２０  ＩＧＢＴのゲート；２２  ｎ＋ドープされた領域；２４  ｐドープされた領域；２６  ｎベース層；２８  ｎバッファ層；３０  ｐドープされた領域；３２  ｎドープされた領域；３４  ＷＢＧスイッチの第１の端子；３６  ＷＢＧスイッチの第２の端子；３８  ＷＢＧスイッチのゲート；４０  ｎ＋ドープされた領域；４２  ｐドープされた領域；４４  ｎベース層；４５  ｎ＋ドープされた領域；４６  ベースプレートの面；４７  ダイオード；４８  ベースプレート；５０  接続要素；５２ａ、ｂ、ｃ  ワイヤボンド；５３  リボンボンド；５４  ゲートパッド；５６  絶縁層；５８、６０  ゲート接続要素；６１  第１の領域；６２  圧力装置；６３  第２の領域；６４  圧力装置の第１の端部；６６  圧力装置の第２の端部；６８  ばね要素；７０  プレート要素；７２  プレート；１００  スタック配列；１０１  ハウジング。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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