專利名稱：小電感的電路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電路結(jié)構(gòu)，尤其是功率級整流器的結(jié)構(gòu)，電路結(jié)構(gòu)也適合于壓力接觸安裝。功率級整流器最好應(yīng)用快速和低損耗開關(guān)的半導(dǎo)體開關(guān)。因此特別合適的電路結(jié)構(gòu)是MOSFET或絕緣-柵-雙極型晶體管(IGBT)和與其反向并聯(lián)的無載工作二極管。這種電路結(jié)構(gòu)和這樣構(gòu)成的整流器必須設(shè)計成小電感的，以避免尤其是在關(guān)斷過程中所出現(xiàn)的電壓峰。這意味著中間電路中連接線上和襯底表面上的雜散電感都必須很小。20nH范圍內(nèi)的雜散電感在低壓-MOSFET情況下已經(jīng)會導(dǎo)致出現(xiàn)可能使半導(dǎo)體開關(guān)損壞的電壓峰。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)對單個開關(guān)和功率半導(dǎo)體模塊采取單獨的結(jié)構(gòu)上的措施來減小寄生電感，這些措施如EP0277546，DE3937045或EP0609528所公開的。
在EP0277546中描述了對單個開關(guān)減小在直流饋線中的寄生電感的一種方法。其中兩根直流饋線緊挨著并且至少部分相互并行排列。這樣在饋線緊挨著排列的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生小的電流環(huán)流面積，從而這些饋線段有小的電感。
在DE3937045中描述了對一個半橋減小在直流饋線中的寄生電感的一種方法。其中兩根直流饋線緊挨著處于正-和負饋線之間的交流饋線，并且至少部分相互并行排列。這同樣在饋線緊挨著排列的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生小的電流環(huán)流面積，從而這些饋線段有相對小的電感。
在EP0609528中也說明了對單個開關(guān)減小在并行和緊挨著的直流饋線中的寄生電感的一種方法。此外在這里半導(dǎo)體元件對稱地排列在襯底上。
現(xiàn)有技術(shù)包括采用壓力接觸工藝(Druckkontakttechnik)的功率半導(dǎo)體膜塊，如DE19630173及DE59306387所述。這種功率半導(dǎo)體模塊由其上涂覆有接觸面的陶瓷襯底組成，半導(dǎo)體元件排列在襯底上。這些半導(dǎo)體元件通過焊接與接觸面連接，并且與其它半導(dǎo)體元件或其它的與第一個接觸面絕緣的、位于襯底上的第二個接觸面有焊接連接。這里印刷連接有兩種不同的連接方式。一方面連接導(dǎo)線電連接到襯底的相應(yīng)接觸面上，另一方面熱連接襯底或整個模塊到一個散熱器上。在這種連接中例如利用由塑料構(gòu)成的壓力傳遞元件，它施加一個由外作用于模塊上的壓力于連接元件和/或襯底上，以形成可靠的電接觸和熱接觸。
所有現(xiàn)有技術(shù)中可獲得低電感電路結(jié)構(gòu)的發(fā)明的共同之處在于，它們僅僅在整個系統(tǒng)中間電路-交流整流器的部分區(qū)域中獲得寄生電感的某種程度上的減小。這樣可取得的整個系統(tǒng)的總電感值目前在最好情況下大于20nH。
在EP0277546中構(gòu)成單個開關(guān)的多個晶體管相互緊挨著，此外電流可在不同的，首先是不同長度的路徑上流過電路結(jié)構(gòu)。由此導(dǎo)致不同的電流環(huán)流面積，從而對于不同的導(dǎo)電路徑有不同的電感。具有這種單個開關(guān)的半橋結(jié)構(gòu)由于其所必需的外部連接而絕不能實現(xiàn)低電感。這導(dǎo)致總性能上整個系統(tǒng)中間電路-交流整流器的寄生電感的有限降低。這樣仍然不能實現(xiàn)減小寄生電感的全部要求。
在DE3937045中減小寄生電感的目的由于兩個基本原因而沒有達到。首先因為交流連接線排列在兩根直流連接線之間，直流連接線相互間不能以最小間距排列。這樣在直流連接線區(qū)域內(nèi)的電流環(huán)流面積不是最小，從而在此區(qū)域內(nèi)電感也不是最小。其次，第一和第二個功率開關(guān)的功率晶體管相隔較遠地安裝，這也增大了寄生電感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，不僅在連接導(dǎo)線的區(qū)域內(nèi)，而且也在安裝在電絕緣的襯底上的半導(dǎo)體元件的區(qū)域內(nèi)進一步減小電路結(jié)構(gòu)的寄生電感，使得此結(jié)構(gòu)的總電感為1nH的數(shù)量級或者比現(xiàn)有技術(shù)至少低一個數(shù)量級。
上述任務(wù)的解決方案是，通過以下措施整體上減小中間電路從正端到負端的全部電路結(jié)構(gòu)的電流環(huán)流面積·第一和第二功率開關(guān)緊挨著排列在襯底上。
·第一和第二功率開關(guān)串聯(lián)放置并從而盡可能短地相互連接。
·構(gòu)成第一和第二功率開關(guān)的功率晶體管以及可能有的無載工作二極管也緊挨著串聯(lián)放置。
·正-和負-端的連接線為帶狀結(jié)構(gòu)。
·正-和負-端的連接線在其行程中直至襯底附近都是并行排列。
·正-和負-端的連接線僅通過一個絕緣層來分開而緊挨著。
·兩個直流連接中的至少一個的連接帶的一段靠著襯底并行于它安放，并盡可能在功率晶體管上方有最小間距。
·并行于襯底安放的至少一個直流連接的段具有橋形接片(Steg)。這些橋形接片在功率開關(guān)的功率晶體管之間的區(qū)域中向下一直抵達底板，并且相互僅由一個必要的絕緣層隔離。
·采用上述結(jié)構(gòu)也可使用橋形接片作為襯底至散熱器的印刷連接。這樣它至少可部分代替現(xiàn)有技術(shù)中的壓力元件。
通過上述這些措施，不僅在襯底平面上，而且在所有垂直于它的，由連接導(dǎo)線確定的面上都使電感極小化。


下面借助圖1至7所示實施例詳細說明本發(fā)明。實施例的相應(yīng)結(jié)構(gòu)如權(quán)利要求1至7所述。附圖中圖1簡要示出現(xiàn)有技術(shù)對應(yīng)的半橋以及其電流環(huán)流區(qū)域。
圖2示出具有多個功率晶體管的圖1所示半橋，以及此結(jié)構(gòu)的最大電流環(huán)流區(qū)域。
圖3示出現(xiàn)有技術(shù)中的襯底和一個半橋的功率晶體管的結(jié)構(gòu)， 以及在此結(jié)構(gòu)中的最大電流環(huán)流區(qū)域。
圖4示出本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)的一個視圖。
圖5示出現(xiàn)有技術(shù)連接線的電流環(huán)流區(qū)域。
圖6示出本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)的電流環(huán)流區(qū)域。
圖7示出本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)的三維視圖。
實施例詳細描述圖1簡要示出一個半橋。現(xiàn)有技術(shù)下典型結(jié)構(gòu)由一個包括電容器1，正和負連接2、3，以及功率開關(guān)4的中間電路組成。功率開關(guān)可用MOSFET或IGBT實現(xiàn)。在用IGBT實現(xiàn)的情況下必需附加無載工作二極管5。交流連接用6示出。箭頭7表示在開通過程中從正端到負端的電流流向，斜線區(qū)表示這情況下電流環(huán)流面積8。電流環(huán)流面積的大小是對產(chǎn)生的寄生電感的直接量度，該面積形象地構(gòu)成一個一圈的線圈的橫截面。
圖2示出在第一和第二功率開關(guān)分別由多個并聯(lián)的功率晶體管實現(xiàn)的情況下圖1所示電路結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)情況。在此情況下斜線區(qū)8表示最大的電流環(huán)流面積?？梢?，此面積和由此產(chǎn)生的相應(yīng)電感對各個功率晶體管是不相同的。
圖3示出現(xiàn)有技術(shù)中一個半橋的襯底的實現(xiàn)。為清楚起見，輔助連接，如柵極，基極或輔助極未示出。在陶瓷襯底9上排列有用于正連接11，負連接10及交流連接12的敷銅面。在正連接敷銅面上有作為第一功率開關(guān)的第一功率晶體管13和無載工作二極管14，功率晶體管的發(fā)射極用焊線15與交流連接的敷銅面12連接。在此敷銅面上排列著第二功率晶體管及相應(yīng)的無載工作二極管。此第二功率晶體管借助于焊線與負連接敷銅面連接。引入中間電路的正連接線17，負連接線16和交流連接線18同樣設(shè)置在與其極性對應(yīng)的敷銅面上。現(xiàn)有技術(shù)中典型的這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)是正和負連接線緊挨著排列了，至少在襯底上直至一個小的間距。箭頭7在這里也表示最大的電流環(huán)流面積。此面積確定該電路結(jié)構(gòu)的寄生電感。采用這種電路結(jié)構(gòu)，襯底面上典型的電感達到20至50nH的范圍內(nèi)。
圖4示出本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)的一個視圖，其中連接線是結(jié)構(gòu)的集成組成部分，以在襯底區(qū)域內(nèi)得到最小的電感。此圖中同樣為了清楚起見沒有示出必要的輔助連接。在襯底9上按照現(xiàn)有技術(shù)排列有用于正連接12，負連接10和交流連接11的敷銅面。本發(fā)明的思路在于以下兩個特征的組合。
為了極小化寄生電感，首先第一功率晶體管13(例如MOSFET)必須盡可能緊挨第二功率晶體管19，并且第一和第二功率晶體管串聯(lián)排列。
第二，正連接線20和負連接線21連接線以帶狀結(jié)構(gòu)引入電流，為了說明清楚，這兩根連接線被分成幾段(參見圖6)。
段“A”從中間電路連接抵達襯底表面附近，段“B”走向并行于襯底表面，此外段“C”連接于并行走向的段并且典型地垂直連接到襯底表面上相應(yīng)的敷銅面上。兩根直流連接線中至少一根是如此結(jié)構(gòu)的。段B具有決定本發(fā)明思路的特征，它不僅僅呈帶狀并行于襯底表面安置，而且在串聯(lián)排列的第一和第二功率晶體管之間的區(qū)域內(nèi)至少有一個并行走向的橋形接片。此橋形接片一直抵達襯底表面上，并且與相應(yīng)另一個導(dǎo)線的敷銅面僅通過一個薄絕緣層隔離。
正連接線20在段“A”并行于負連接線21排列，并且在此段中相互通過一個絕緣層隔離。段“B”僅示出橋形接片23，帶狀走在橋形接片上面并連接橋形接片的部分圖中未示出。并行的橋形接片在襯底表面的斜線區(qū)中并通過一個薄絕緣層與那里的負連接10和交流連接11的敷銅面隔離。在平面示出的區(qū)域內(nèi)橋形接片實在地或可拆卸地與敷銅面連接。類似地這也適用于交流連接線。這里箭頭7同樣表示最大的電流環(huán)流面積。在襯底平面上的電流環(huán)流面積被這種結(jié)構(gòu)極小化了。此外，由于這種結(jié)構(gòu)的對稱性，對所有功率晶體管有相等的電流負載和相等的寄生電感。
這種電路結(jié)構(gòu)中在襯底平面上的電感達到1nH的數(shù)量級和更小。
交流連接線22以與正連接線20相同的方式實現(xiàn)， 即帶狀地用橋形接片抵達DCB-陶瓷。
圖5示出現(xiàn)有技術(shù)中的一個由連接導(dǎo)線確定的垂直于襯底9的平面。在此襯底9上排列有用于正連接12， 負連接10和交流連接11的敷銅面。在正-連接敷銅面上有第一功率晶體管13。第二功率晶體管19在交流連接敷銅面11上。第一功率晶體管13的發(fā)射極用焊線15與交流連接敷銅面11連接。第二功率晶體管的發(fā)射極同樣借助于焊線15與負-連接敷銅面10連接。在此平面上被電流環(huán)流的面積24在正連接線之下一直延伸到襯底的表面，并且在直至其焊接連線的范圍內(nèi)。
圖6示出本發(fā)明在由連接線確定的垂直于襯底9的平面。連接線的三段“A”，“B”和“C”在此圖中被示出。通過本發(fā)明一直抵達襯底上表面的橋形接片23，在正連接線帶狀部分之下的這個區(qū)域不再被電流環(huán)繞?，F(xiàn)在至敷銅面12的電流直接在襯底表面上流過，其它至負連接線的電流在襯底以及在具有通過它的焊接連接的段中流過。這樣得到三個有意義的電流環(huán)流面積負和正連接線之間的區(qū)域26以及向上被焊線限制，向下被本發(fā)明橋形接片23的下側(cè)所限制的兩個區(qū)域25。與圖5對比可以看出明顯減小了電流環(huán)流面積，從而減小了本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)的寄生電感。為了得到足夠低電感的電路結(jié)構(gòu)，中間電路電容必須直接安放在直流導(dǎo)線上。
圖7示出本發(fā)明想法的一個三維視圖。這里分別示出了第一功率晶體管13和第二功率晶體管19。此圖中沒有示出所有輔助連接以及連接線的帶狀部分，這一部分在襯底上面橋形接片之上，并且僅在必要時被斷開，以引入輔助連接用的連接線。正連接線12，負連接線10和交流連接線11的橋形接片23除了使得在連接線中的電感最小之外還可作為壓力元件用于壓力接觸連接結(jié)構(gòu)，每一根上述連接線具有經(jīng)過橋形接片直接與為其設(shè)置的敷銅面的連接，并且在壓力接觸結(jié)構(gòu)中不僅用于連接的電接觸，而且也用作襯底在散熱器上的熱印刷接觸。熱印刷接觸也可由一根連接線的每個橋形接片在不是為它設(shè)置的敷銅面上實現(xiàn)，因為它們之間僅通過一個絕緣層，典型地是一塑料薄膜，而被隔離。
權(quán)利要求
1.具有小的寄生電感的電路結(jié)構(gòu)，它由其上具有相互絕緣的金屬連接線的一個電絕緣襯底(9)，安裝于襯底上的串行連接的第一和第二功率開關(guān)，以及直流-(20，21)和交流連接線(22)組成，功率開關(guān)分別由多個并聯(lián)的第一(13)和第二(19)功率晶體管組成，其特征在于，各個第一(13)和第二(19)功率晶體管緊挨著并且串行排列，直流連接線(20，21)在第一段中呈帶狀緊挨著并行排列直到襯底表面(9)附近或與襯底接觸，而且至少一根直流連接線(20)具有其上安裝有橋形接片(23)的與襯底表面(9)平行的第二個帶狀段，其中橋形接片(23)僅通過一個絕緣層與襯底隔離，且具有至少一個與襯底表面(9)的接點(12)。
2.如權(quán)利要求1或3所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，橋形接片(23)安裝于功率晶體管(13、19)之間，并且至少一根直流連接線(20)被設(shè)計為壓力傳遞元件用于建立模塊的壓力接觸。
3.如權(quán)利要求1或4所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，第一和第二功率開關(guān)由兩行對稱于襯底的中軸線安裝的功率晶體管構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，功率晶體管是IGBT或MOSFET。
5.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，除晶體管外還有一個或多個無載工作的二極管構(gòu)成功率開關(guān)，并且它們與其對應(yīng)的功率晶體管排列在一行中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有小的寄生電感的電路結(jié)構(gòu),它由其上具有相互絕緣的金屬連接線的一個陶瓷襯底,襯底上分別由多個并聯(lián)的第一(13)和第二功率晶體管(19)構(gòu)成的串行連接的第一和第二功率開關(guān),以及直流－和交流－連接線組成,它在結(jié)構(gòu)上也適合于壓力接觸結(jié)構(gòu)。正－(12),負－(10)及交流連接線(11)的流過電流的橋形接片(23)如此安置在第一和第二功率晶體管之間,它們一直抵達襯底平面,并且與它僅由一絕緣層隔離。這樣最小化電流環(huán)流面積,從而減小電路結(jié)構(gòu)的寄生電感。此半導(dǎo)體功率模塊在連接線區(qū)域及襯底區(qū)域的寄生電感總和達到1nH數(shù)量級或更小。
文檔編號H02M7/00GK1336689SQ0112504
公開日2002年2月20日 申請日期2001年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月1日
發(fā)明者保羅·毛利克 申請人:塞米克朗電子有限公司