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Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul mit mindestens
einem Temperatursensor und mit mindestens einem
Leistungshalbleiter, das auf einem ersten Träger angeordnet ist.
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Aus der DE 199 04 575 A1 geht ein Halbleitermodul mit einem
Leistungshalbleiterelement und einem Temperatursensor hervor,
wobei der Temperatursensor zusammen mit dem
Leistungshalbleiterelement in einem Halbleiterkörper integriert ist. Um einen
effektiven Schutz vor thermischer Überlastung zu
gewährleisten, ist der Temperatursensor bei diesem bekannten Modul in
der Nähe der betriebsbedingt heißesten Stelle des
Leistungshalbleiterelements vorgesehen. Der Temperatursensor gibt beim
Überschreiten eines vorgegebenen Temperaturschwellwertes ein
Signal aus, das von einer externen Auswerteschaltung
verarbeitet werden und beispielsweise das Abschalten des
Leistungshalbleiterelements bewirken kann.
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Die Integration des Temperatursensors ist fertigungs- und
beschaltungstechnisch vergleichsweise aufwendig und kann bei
hohen zu schaltenden Betriebsströmen zu unerwünschten
Effekten führen, die nach der DE 199 04 575 A1 durch zusätzliche
Maßnahmen (z. B. einen zusätzlichen Ladungsträgerdetektor)
unterbunden werden müssen.
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Werden diskrete Temperatursensoren in Halbleitermodule
integriert, werden die Temperatursensoren durch die Lötprozesse,
denen die Leistungshalbleiterelemente unterzogen werden, sehr
belastet. Während der Lötprozesse treten nämlich
langandauernd hohe Löttemperaturen auf. Deshalb können nur spezielle
Temperatursensoren verwendet werden, die z. B. durch
Glaspassivierungen geschützt sind. Diese hochtemperaturbeständigen
Temperatursensoren sind wesentlich teurer als
Standardsensoren, so dass ein derart ausgestaltetes Halbleitermodul
insgesamt hohe Herstellungskosten aufweist.
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Vor diesem Hintergrund ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung
die Schaffung eines Halbleitermoduls, das bei zuverlässiger
Temperaturüberwachung preiswert und günstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst durch
Halbleitermodul mit mindestens einem Temperatursensor und
mindestens einem Leistungshalbleiter, der auf einem ersten Träger
angeordnet ist, wobei der Temperatursensor auf einem zweiten
Träger angeordnet ist und zwischen dem ersten und dem zweiten
Träger eine thermische Brücke besteht.
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Da der Temperatursensor bei dem erfindungsgemäßen
Halbleitermodul nicht auf dem Schaltungsträger des Leistungshalbleiters
oder Leistungshalbleiterelements, sondern in unmittelbarer
Nähe auf einem separaten (zweiten) Träger, z. B. einer
Schaltungsplatine, angeordnet ist, bleibt der Temperatursensor
außerhalb des im Fertigungsprozess thermisch hochbeanspruchten
Leistungsteils. Wird darüber hinaus ohnehin eine Platine in
das Modul integriert, dann kann der Temperatursensor auch
dorthin verlagert werden.
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Es kann somit ein kostengünstiger, standardmäßiger
Temperatursensor verwendet werden, der keine - z. B. durch
Glaspassivierung - erhöhte Temperaturbeständigkeit aufweisen muss. Es
kann also auf wesentlich kostengünstigere Temperatursensoren
zurückgegriffen werden, so dass sich die Herstellungskosten
insgesamt reduzieren. Die thermische Kopplung durch die thermische
Brücke zwischen dem ersten und dem zweiten Träger
gewährleistet dennoch eine zuverlässige Temperaturüberwachung
des Leistungshalbleiterelements.
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Bevorzugt ist die thermische Brücke durch eine thermisch
leitfähige Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten
Träger realisiert. Vorteilhafterweise kann die Verbindung aus
einem metallischen Stift oder Band zwischen dem ersten und
dem zweiten Träger bestehen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand
einer Zeichnung näher erläutert; es zeigen jeweils im
Längsschnitt:
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Fig. 1 einen Ausschnitt eines ersten erfindungsgemäßen
Halbleitermoduls,
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Fig. 2 einen Ausschnitt eines zweiten erfindungsgemäßen
Halbleitermoduls,
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Fig. 3 einen Ausschnitt eines dritten erfindungsgemäßen
Halbleitermoduls und
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Fig. 4 einen Ausschnitt eines vierten erfindungsgemäßen
Halbleitermoduls.
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In der nachfolgenden Figurenbeschreibung sind jeweils
einander entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen
versehen.
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Fig. 1 zeigt ein Halbleitermodul mit einem nur
andeutungsweise dargestellten, an sich bekannten Leistungshalbleiter 1.
Der Leistungshalbleiter entwickelt betriebsbedingt eine
erhebliche Verlustleistung, die als Abwärme auftritt. Der
Leistungshalbleiter 1 ist auf einem Trägersubstrat angeordnet,
das einen ersten Träger 2 bildet.
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In unmittelbarer räumlicher Nähe zu dem Leistungshalbleiter 1
ist eine thermische Verbindung 3 zu einem zweiten Träger 5
vorgesehen. Der zweite Träger 5 kann als gedruckte
Leiterplatte (PCB) ausgeführt sein und verläuft annähernd
planparallel zum Träger 2. Auf dem Träger 5 ist ein
Temperatursensor 6 (beispielsweise NTC-Widerstand = Widerstand mit
negativem Temperaturkoeffizienten) montiert, der über nicht
sichtbare Kontakte und Leitungen - z. B. Leiterbahnen auf dem
Träger 5 - elektrisch kontaktiert ist. Die thermische Verbindung
3 ist als thermische Brücke in Form eines U-Winkels 7
ausgebildet, der mit jeweils einem Schenkel mit dem ersten
Träger 2 bzw. mit dem zweiten Träger 5 thermisch verbunden
ist. Der U-Winkel 7 besteht aus thermisch sehr gut leitendem
Material, beispielsweise aus Metallband und kann mit dem
jeweiligen Träger 2, 5 beispielsweise verlötet oder geklebt
oder über eine Wärmeleitpaste verbunden sein. Auf diese Weise
herrscht im Bereich der Position des Temperatursensors 6
annähernd die gleiche Temperatur wie am Leistungshalbleiter
1. Dennoch ist der Temperatursensor bei der Herstellung des
erfindungsgemäßen Halbleitermoduls völlig unabhängig
montierbar. Durch seine Anordnung auf einem separaten Träger
(Leiterplatte) ist der Temperatursensor nicht den hohen und
ggf. lang andauernden Löttemperaturen unterworfen, denen der
Leistungshalbleiter während des Herstellungs- bzw.
Montageprozesses ausgesetzt ist. Die gesamte gezeigte
Anordnung kann von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sein.
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Fig. 2 zeigt ein Halbleitermodul mit einem nur
andeutungsweise dargestellten, an sich bekannten Leistungshalbleiter 1,
der wiederum auf einem ersten Träger 2 angeordnet ist.
Der Temperatursensor 6 ist wie in Fig. 1 gezeigt auf einem
separaten, zweiten Träger 5 angeordnet, der annähernd
planparallel zum Träger 2 verläuft. Auf der dem Temperatursensor
abgewandten Unterseite des Trägers 5 ist eine gut
wärmeleitende Platte 8 (und/oder eine dicke Leiterbahn) vorgesehen.
Der Temperatursensor 6 befindet sich zwischen den einen Enden
von mehreren metallischen Stiften 10, 11. Die Stifte 10, 11
enden mit ihren anderen Enden ummittelbar neben dem
Leistungshalbleiter 1.
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Die Stifte 10, 11 bilden somit eine thermische Brücke 13 und
thermische Verbindung zwischen dem ersten Träger 2 und dem
zweiten Träger 5.
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Bei dem Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 bildet ein erster,
den Leistungshalbleiter 1 tragender Träger 14 mit einem
zweiten Träger 15 (z. B. PCB = Printed Circuit Board) einen
rechten Winkel. Auf dem zweiten Träger 15 ist der
Temperatursensor 6 angeordnet. Von der linken Seite des ersten Trägers 14
aus erstreckt sich ein sehr gut wärmeleitendes Band 20 (oder
Stifte), das einen Teil einer als thermische Verbindung 23
fungierenden thermischen Brücke bildet. Die thermische
Verbindung umfasst weiter eine auf der Unterseite 26 des Trägers
15 angeordnete Metallplatte 27. Das Band 20 und die Platte 27
treffen rechtwinklig aufeinander und gewährleisten eine gute
Wärmeleitung von der Position des Leistungshalbleiters 1 bis
zur Position des Temperatursensors 6.
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Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiels unterscheidet
sich von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 dadurch, dass
ein L-Winkel 30 die Funktionen des Bandes 20 und der Platte
23 vereint. Dazu ist der L-Winkel mit je einem Schenkel mit
dem Träger 14 und 15 bzw. mit einer darunter befindlichen
Platte 32 thermisch gut leitend verbunden.
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Erfindungsgemäß wird also der Temperatursensor beispielsweise
als SMD-Bauteil (SMD = Surface Mounted Device) separat auf
einem Schaltungsträger, z. B. einer Platine (PCB), montiert
und über eine geeignete Wärmebrücke mit dem Bereich thermisch
verbunden, in dem der Abwärme generierende Leitungshalbleiter
positioniert ist. Durch diese nur thermische Kopplung kann
der Temperatursensor außerhalb des im Herstellungsprozess
hohen Temperaturen unterliegenden kritischen
Hochtemperaturbereichs des Leistungshalbleiters verbleiben. Damit kann ein
kostengünstiger Temperatursensor verwendet werden, weil an
dessen Hochtemperaturfestigkeit keine hohen Anforderungen
gestellt werden müssen.
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Üblicherweise werden auf dem Substrat bzw. dem Träger der
Leistungshalbleiter nur diese selbst und keine weiteren
Bauteile (z. B. SMD-Bauteile) wie etwa Temperatursensoren
vorgesehen, da das Bestücken insbesondere von SMD-Bauteilen nicht
mit dem Prozessablauf der Leistungshalbleiterbestückung
kompatibel ist und somit hohe zusätzlicher Aufwand notwendig
wäre. Auf der Platine verursacht die Bestückung eines
zusätzlichen Bauteils jedoch nur einen geringen zusätzlichen Aufwand,
insbesondere wenn diese ohnehin bestückt werden muss.
Bezugszeichenliste
1 Leistungshalbleiter
2 erster Träger
3 thermische Verbindung
5 zweiter Träger
6 Temperatursensor
7 U-Winkel
8 Platte
10, 11 Stifte
13 thermische Brücke
14 erster Träger
15 zweiter Träger
20 Band
23 thermische Verbindung
26 Unterseite 26
27 Metallplatte
30 L-Winkel
32 Platte