特許 7562059 電子モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-27

(45)【発行日】2024-10-07

(54)【発明の名称】電子モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01H 59/00 20060101AFI20240930BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20240930BHJP

   B81B 7/02 20060101ALI20240930BHJP

【ＦＩ】

H01H59/00

B81B3/00

B81B7/02

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022578748

(86)(22)【出願日】2021-05-19

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-08-01

(86)【国際出願番号】 EP2021063309

(87)【国際公開番号】W WO2022002479

(87)【国際公開日】2022-01-06

【審査請求日】2023-02-22

(31)【優先権主張番号】102020208054.2

(32)【優先日】2020-06-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(31)【優先権主張番号】20193548.3

(32)【優先日】2020-08-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】591245473

【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】110003317

【氏名又は名称】弁理士法人山口・竹本知的財産事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100075166

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 巖

(74)【代理人】

【識別番号】100133167

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100169627

【弁理士】

【氏名又は名称】竹本 美奈

(72)【発明者】

【氏名】ラーブ，オリバー

(72)【発明者】

【氏名】シュヴァルツ，マルクス

(72)【発明者】

【氏名】キーフル，シュテファン

【審査官】荒木 崇志

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１４４２６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２２１３７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０１００２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０９５２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２５２８８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第４４９５４６６（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特許第４７９９７３５（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｈ １／００ － １／０４

Ｈ０１Ｈ ９／５４ － １１／０６

Ｈ０１Ｈ ５９／００

Ｂ８１Ｂ １／００ － ７／０４

Ｂ８１Ｃ １／００ － ９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板（１２０）と共に少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ（１１０）を有し、複数の半導体部品（２７０）を有する電子モジュールであって、前記複数の半導体部品（２７０）が、前記基板と共に形成されて、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ（１１０）と共に接続されており、
前記複数の半導体部品（２７０）が、複数のダイオードの直列配置であるか、または複数のダイオードの直列配置を含み、
前記基板が、ＳＯＩウェハおよび／またはＳＯＩ基板から形成されているか、またはＳＯＩウェハおよび／またはＳＯＩ基板と共に形成されており、
前記複数のダイオードが、前記ＳＯＩウェハおよび／またはＳＯＩ基板の表面に堆積された表面メタライゼーション（３２０）を介して互いに電気的に接続される、
電子モジュール。

【請求項2】

前記複数の半導体部品（２７０）が、前記基板（１２０）のドープ処理によって形成されている、請求項１記載の電子モジュール。

【請求項3】

前記ダイオードが、ｐｎダイオードおよび／またはショットキーダイオードまたはＰＩＮダイオードである、請求項１または２記載の電子モジュール。

【請求項4】

前記複数の半導体部品（２７０）が、ダイオードの並列配置であるか、またはダイオードの並列配置を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の電子モジュール。

【請求項5】

前記複数の半導体部品（２７０）が、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ（１１０）のソース端子（２１０）およびドレイン端子（２２０）を接続する、請求項１から４のいずれか１項に記載の電子モジュール。

【請求項6】

前記複数の半導体部品（２７０）が、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ（１１０）のゲート端子（２５０，２６０）を互いに接続する、請求項１から５のいずれか１項に記載の電子モジュール。

【請求項7】

前記複数の半導体部品（２７０）が、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチのソース端子（２１０）および／またはドレイン端子（２２０）および／またはゲート端子（２５０，２６０）へのリード部の一部である、請求項１から６のいずれか１項に記載の電子モジュール。

【請求項8】

前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ（１１０）が屈曲要素（１５０）を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の電子モジュール。

【請求項9】

前記屈曲要素（１５０）が屈曲梁である、請求項８に記載の電子モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

電子モジュールにおいて、ＭＥＭＳスイッチ（ＭＥＭＳ（英語）＝“Micro-Electro Mechanical Systems”）によって電子モジュールのスイッチングをすることは公知である。このタイプのＭＥＭＳスイッチは、好適には、電気的に、特に静電的に作動させることができる微小機械的に製造された可動スイッチング素子を有する。

【0003】

そのようなＭＥＭＳスイッチの例が、特許文献１に記載されている。

【0004】

ＭＥＭＳスイッチは、多くの用途に対して、十分な機能性を確保するために、より大きな回路に組み込まなければならない。しかし、これらのＭＥＭＳスイッチは、構造上の制約から、通常、個別の基板上に構築され、これらの基板はウェハとも呼ばれ、ＭＥＭＳスイッチの開閉接点を担持する。これらのＭＥＭＳスイッチを全体回路に組み込むことは、しばしば高コストとなり、占有スペ－スが大きくなる。さらに、ＭＥＭＳスイッチの回路の残りの部分への電気的接続は、たびたび、寄生のインダクタンス、キャパシタンスおよび配線抵抗をもたらし、ＭＥＭＳスイッチの効率的な動作を困難にする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】独国特許出願公開第１０２０１７２１５２３６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

したがって、この背景に対して、本発明の課題は、特に、コストおよび／またはスペースを節減して構成することができ、かつ好ましくは効率的に動作させることができる、改良された電子モジュールを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のこの課題は、請求項１記載の特徴事項を有する電子モジュールによって解決される。好ましい発展形態は、関連する従属請求項、以下の説明及び図面に明記されている。

【0008】

本発明による電子モジュールは、基板と共に少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチを有し、この電子モジュールは、少なくとも１つの半導体部品を有し、前記少なくとも１つの半導体部品は、前記基板と共に形成されて、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチと共に接続されている。

【0009】

このようにして、本発明による電子モジュールは、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチのウェハが、同時に、少なくとも１つの半導体部品を提供するために使用されるので、よりコンパクトにコスト効率よく構成することができる。しかも、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチと少なくとも１つの半導体部品との間の相互の接続が、それ自体公知の方法で、基板の表面メタライゼーションによって容易に実現できるので、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチと少なくとも１つの半導体部品との複雑な相互接続は必要でない。その結果、外部の半導体部品に接続する必要がなくなり、したがって、寄生のインダクタンス、キャパシタンスおよび配線抵抗を容易に回避することができる。本発明による電子モジュールでは、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチは、好ましくは、前記基板の少なくとも１つのメタライゼーションによって、前記少なくとも１つの半導体部品と共に形成される。

【0010】

有利には、本発明による電子モジュールよれば、ＭＥＭＳスイッチによって簡単なスイッチング機能を提供することができるだけでなく、少なくとも１つの半導体部品によって追加の機能を容易に可能にすることができる。特に、このような付加的な機能は、特に過渡過電圧に対する保護機能、またはコンバータ用途におけるフリーホイール機能であり得る。

【0011】

それと違って、公知の電子モジュールの場合、ＭＥＭＳスイッチは、単純なスイッチング機能のみを有し、一方、付加的機能は、通常、外部の部品を使用して実現されなければならない。

【0012】

本発明による電子モジュールにおいて、前記少なくとも１つの半導体部品は、前記基板にドープ処理をすることによって形成されていることが好ましい。

【0013】

本発明による電子モジュールは、この発展形態において、有利に簡単に製造することができる。したがって、前記少なくとも１つの半導体部品は、本来のＭＥＭＳスイッチの製造前に、基板上に、次によって形成ことができる。すなわち、基板内に必要なドーピングゾーン（すなわち、特に以下ではｐドーピング領域およびｎドーピング領域と呼ぶｐゾーンおよびｎゾーン）を、それ自体公知の方法で、ドーピングすることによって、形成することができる。そのために、前記基板は、シリコンウェハとして、特にバルクシリコンを用いたシリコンウェハまたはバルクシリコンからなるシリコンウェハとして、またはＳＯＩウェハ（ＳＯＩ＝“Silicon-on-Insulator”）として実現することができる。ウェハは、基本的には、非ドープおよび／またはｐドープおよび／またはｎドープの処理をして製造に使用することができる。

【0014】

ドープゾーンは、それ自体公知の方法で、例えばＣＭＯＳ技術において慣例的な方法を用いて、特に酸化および／またはフォトリソグラフィおよび／またはイオン注入および／または拡散によって、基板に導入することができる。前記少なくとも１つの半導体部品のタイプおよびパラメータは、ドーパント濃度および／またはドーピングプロファイルおよび／またはドーピング濃度によって容易に調整することができる。前記少なくとも１つの半導体部品の接触は、ウェハのメタライゼーション、特に半導体メタライゼーションによって存在することが好ましく、基本的には、ドープ処理後、特にＭＥＭＳスイッチの製造中に形成されるとよい。

【0015】

本発明による電子モジュールにおいて、ウェハは、特にシリコンを有する１つ以上の半導体からまたは１つ以上の半導体を用いて形成されていること、および／またはＳＯＩ（シリコン・オン・インスレータ）基板からまたはＳＯＩ基板を用いて形成されていることが好ましい。

【0016】

本発明による電子モジュールにおいて、前記少なくとも１つの半導体部品は、好適には、ダイオード、またはショットキーダイオードやＰＩＮダイオードまたはそのようなダイオードなどのダイオード類似部品を有する。

【0017】

ダイオードは、過電圧保護配置としてＭＥＭＳスイッチに接続されていることが有利であり、また、特に交流電圧用途においても、電圧パルスから保護するために異なる端子間に設けられていることが好ましい。

【0018】

本発明による電子モジュールでは、前記少なくとも１つの半導体部品は、ダイオードの直列配置であるか、またはそのような直列配置を有することが適切である。

【0019】

ダイオードの直列配置、すなわちダイオードの直列回路は、ダイオードの耐圧を増大させることができる。

【0020】

これに代えてまたはこれに加えて、また、同様に有利に、本発明による電子モジュールでは、前記少なくとも１つの半導体部品は、ダイオードの並列配置であるか、またはそのような並列配置を有する。

【0021】

ダイオードの並列配置、すなわちダイオードの並列回路は、有利に、ダイオードの電流容量を有利に増大させることができる。

【0022】

本発明による電子モジュールでは、前記少なくとも１つの半導体部品は、ＭＥＭＳスイッチのソース端子およびドレイン端子を互いに接続する。

【0023】

前記半導体部品は、特にドレイン端子およびソース端子に並列または逆並列に接続されているダイオードであることが特に好ましい。本発明のこの発展形態において、前記半導体部品は、過電圧保護装置として、特にフリーホイールダイオードの形態で、有利に働くことができる。

【0024】

これに代えてまたはこれに加えて、また、同様に有利に、本発明による電子モジュールでは、前記少なくとも１つの半導体部品は、ＭＥＭＳスイッチのゲート端子を互いに接続する。

【0025】

これに代えてまたはこれに加えて、また、同様に有利に、本発明による電子モジュールでは、前記少なくとも１つの半導体部品は、ソース端子および／またはドレイン端子および／またはゲート端子へのリード部の一部である。

【0026】

本発明のこの発展形態において、前記半導体部品は、好適にはまたダイオードであり、したがって、本発明による電子モジュールを用いて有利にステップアップコンバータまたは１つのコンバータの他のコンバータ／部分が実現可能である。

【0027】

本発明による電子モジュールでは、前記半導体部品はダイオードであり、ＭＥＭＳモジュールのゲート端子とソース端子とを接続すること、および／またはＭＥＭＳモジュールのゲート端子とドレイン端子とを接続することが好ましい。

【0028】

本発明による電子モジュールでは、ＭＥＭＳスイッチは、屈曲要素を有することが好ましい。

【0029】

本発明による電子モジュールにおいて、前記屈曲要素は屈曲梁であることが好ましい。

【0030】

以下において、図面に示された実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】図１は、ＭＥＭＳスイッチと半導体部品とを有する本発明による電子モジュールを概略的に平面図で示す。

【図2】図２は、図１による電子モジュールの等価回路図を概略的に原理図で示す。

【図3】図３は、ＭＥＭＳスイッチと負荷側における直列の半導体部品とを有する本発明による電子モジュールの他の実施例を概略的に平面図で示す。

【図4】図４は、図３による電子モジュールの等価回路図を概略的に原理図で示す。

【図5】図５は、ＭＥＭＳスイッチと、該ＭＥＭＳスイッチの制御側における半導体部品とを有する本発明による電子モジュールの他の実施例を概略的に平面図で示す。

【図6】図６は、図５による電子モジュールの等価回路図を概略的に原理図で示す。

【図7】図７は、ＭＥＭＳスイッチと半導体部品とを有する本発明による電子モジュールの他の実施例を概略平面図で示す。

【図8】図８は、図７による電子モジュールの等価回路図を概略的に原理図で示す。

【発明を実施するための形態】

【0032】

図１に示すＭＥＭＳスイッチ１１０は、それ自体公知の方法で、シリコンウェハを用いて、図示の実施例では、シリコン・オン・インシュレータ・ウェハ（ＳＯＩウェハ）１２０を用いて形成されている。特には示されていない他の実施例では、ＭＥＭＳスイッチ１１０は、代わりに、全体がシリコンで形成されたウェハを用いて形成することもできる。

【0033】

ＭＥＭＳスイッチ１１０は、表面メタライゼーションの形態の２つの開閉接点１３０，１４０を有し、これらの接点は、それ自体公知の方法で、ＳＯＩウェハの表面に配置されている。両開閉接点１３０，１４０は、互いに離間されており、１つの可動開閉接点により互いに導電接続可能であり、すなわち相互接続可能である。可動開閉接点は、ＭＥＭＳスイッチ１１０の屈曲要素に、図示の実施例では、屈曲梁１５０に配置されている。前記可動開閉接点は、ＳＯＩウェハ１２０の残りの部分に固定された屈曲梁１５０の固定端から屈曲梁１５０の長手方向に延びている屈曲梁１５０の自由端１６０に配置されている。前記可動開閉接点は、屈曲梁１５０の自由端のたわみの結果として可動である。

【0034】

屈曲梁１５０は、基本的には、特許文献１に記載されているようにＳＯＩ基板から減算製造法により製造されている。

【0035】

ＳＯＩウェハ１２０に配置された開閉接点１３０，１４０は、それぞれリード部１７０，１８０に導電結合されおり、これらのリード部は、互いに屈曲梁１５０の長手方向延長線に対して垂直な方向に続き、それぞれ、接続領域１９０，２００において、端子で終端し、すなわちソース端子２１０およびドレイン端子２２０で終端する。リード部１７０，１８０は、開閉接点１３０，１４０と前記端子との間で、それぞれ顕微鏡的寸法、すなわち１０から５０マイクロメータの間の寸法から、前記顕微鏡的寸法の何倍もある肉眼的に管理可能な寸法まで広がる。前記端子は、ＭＥＭＳスイッチ１１０のソース端子２１０およびドレイン端子２２０を形成する。

【0036】

ＭＥＭＳスイッチ１１０は、静電的に制御され、すなわち、切り替えられる。この目的のために、ＭＥＭＳスイッチ１１０は、ＭＥＭＳスイッチ１５０の屈曲梁１５０上に制御接点を有し、この制御接点は、ＳＯＩウェハ１２０の残りの部分において他の制御接点と向かい合っている。反対極の制御接点に電圧が印加されると、ＭＥＭＳスイッチ１１０の屈曲梁１５０が、ＳＯＩウェハ１２０の残りの部分に引き付けられ、したがって、ＭＥＭＳスイッチ１１０の閉位置に制御される。制御接点２３０、２４０が同じ極性で通電されると、ＭＥＭＳスイッチ１１０が開かれる。

【0037】

制御接点２３０，２４０は、それぞれ肉眼的に管理可能な寸法を有するリード部２４４，２４６において、ＭＥＭＳスイッチ１１０のゲート端子２５０，２６０を形成する端子と導電接続されている。ゲート端子２５０，２６０は、同様に接続領域１９０，２００内にある。したがって、この配置によって、ＭＥＭＳスイッチ１１０により、ゲート端子２５０，２６０を用いた制御によって、ソース端子２１０とドレイン端子２２０との間の電流の流れを制御することができる。

【0038】

ＭＥＭＳスイッチ１１０は、ダイオード２７０の形態の半導体部品と相互に接続されている。そのために、リード部１７０，１８０にダイオード端子２８０，２９０が形成されており、これらのダイオード端子２８０，２９０は、それぞれＳＯＩウェハ１２０の表面メタリゼーションを形成し、かつ屈曲梁１５０の長手方向延長線の方向においてこれから離れる方向に延びている。

【0039】

ダイオード端子２８０，２９０は、ダイオード２７０を形成するＳＯＩウェハ１２０のドープ領域３００，３１０に繋がっている。その際に、ダイオード端子２８０は、リード部１７０とＳＯＩウェハ１２０のｎドープ領域３００とに電気的に接触する。ダイオード端子２９０は、リード部１８０とＳＯＩウェハ１２０のｐドープ領域３１０とに接触し、そのｐドープ領域３１０は、該ＳＯＩウェハのｎドープ領域３００を取り囲み、すなわちｎドープ領域３００は、ＳＯＩウェハ１２０の表面の二次元方向において、ｐドープ領域３１０によって完全に取り囲まれている。さらに、ｐドープ領域３１０は、ＳＯＩウェハ１２０の深さ方向において、ｐドープ領域３１０がｎドープ領域３００とＳＯＩウェハ３１０の残りの部分との間にあることによって、ｎドープ領域３００をＳＯＩウェハ１２０の残りの部分から完全に区切る。

【0040】

その結果、ｐドープ領域３１０とｎドープ領域３００の間にｐｎ接合が形成され、これがダイオード２７０の形態の電流バルブを形成する。図１に示された実施例において、ダイオード２７０は、ソース端子２１０とドレイン端子２２０とを互いに接続する。

【0041】

同じＳＯＩウェハ１２０上に形成されたＭＥＭＳスイッチ１１０およびダイオード２７０の装置は、本発明による電子モジュールを形成し、図２に等価回路図で示されている。

【0042】

図３および図４に示す本発明による電子モジュールの第２の実施例は、基本的には、図１および図２に示す第１の実施例と同様に構成されている。

【0043】

第２の実施例の違いは、図３に示されているように、単一のダイオード２７０の代わりに、直列に接続された４つのダイオード２７０が存在していることである。ダイオード２７０は、ダイオード端子２８０，２９０の間において屈曲梁１５０の方向に開いたＵ字形内に配置されており、それらのダイオード端子に接触している。ダイオード２７０は、それ自体公知の方法でＳＯＩウェハ１２０の表面に形成されている表面メタライゼーション３２０を介して、互いに電気的に接続されている。４つのダイオード２７０の直列配置は、単一のダイオード２７０と比較して耐電圧を増加させる。

【0044】

図４は、図３に示す配置に対する等価回路図を示す。

【0045】

さらに、基本的にはこれまでに説明した実施例に対応する本発明による電子モジュールの第３の実施例では、ダイオード２７０が、ソース端子２１０およびドレイン端子２２０を互いに接続するのではなくて、むしろゲート端子２５０，２６０を接続する。そのために、ダイオード端子２８０，２９０は、リード部１７０，１８０から形成されているのではなくて、むしろダイオード端子２８０，２９０は、ゲート端子２５０，２６０のリード部２４４，２４６の一部を形成し、屈曲梁１５０から屈曲梁１５０の長手方向延長線の方向にこれから離れる方向に延びている。ダイオード２７０は、図示の実施例では、これまでに説明した実施例におけるダイオード２７０のように構成されている。

【0046】

この構成のための等価回路図が第５図に示されている。

【0047】

図７に示す第４の実施例において、ダイオード２７０は、上述の実施例とは異なり、ドレイン端子２２０のリード部１７０の一部である。そのために、上述の実施例のダイオード２７０と同一に構成されているダイオード２７０が、表面メタライゼーション３２０によって、ドレイン端子２２０およびリード部１７０の残りの部分とに接続されている。

【0048】

この配置のための等価回路図が第８図に示されている。

【0049】

基本的には、ダイオード２７０は、特には示されていない他の実施例においては、過電圧保護として、ＭＥＭＳスイッチの１つのゲート端子２５０，２６０を、ＭＥＭＳスイッチ１１０のソース端子２１０に、またはＭＥＭＳスイッチ１１０のドレイン端子２２０に接続することができる。

【符号の説明】

【0050】

１１０ ＭＥＭＳスイッチ
１２０ ＳＯＩウェハ（基板）
１３０ 開閉接点
１４０ 開閉接点
１５０ 屈曲梁
１７０ リード部
１８０ リード部
１９０ 接続端子領域
２００ 接続端子領域
２１０ ソース端子
２２０ ドレイン端子
２４４ リード部
２４６ リード部
２５０ ゲート端子
２６０ ゲート端子
２７０ 半導体部品（ダイオード）
２８０ ダイオード端子
２９０ ダイオード端子
３００ ｎドープ領域
３１０ ｐドープ領域
３２０ 表面メタリゼーション

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】