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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterschaltgerät gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Halbleiterschaltgeräte kommen
dann zur Anwendung, wenn es darum geht, bei Betriebsspannungen von
einigen hundert Volt, Ströme
von mehreren zehn Ampere häufig
und nahezu geräuschlos
zu schalten. Die in solchen Halbleiterschaltgeräten eingesetzten Leistungshalbleitermodule,
wie zum Beispiel Thyristormodule oder IGBT-Module, sind sehr robust
und weisen daher eine sehr hohe Lebensdauer auf.
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Jedes
Halbleiterschaltgerät
ist für
einen bestimmten Betriebsspannungsbereich und Strombereich spezifiziert.
Um diese elektrischen Spezifikationen auch bei hohen Schalthäufigkeiten
einhalten zu können,
muss die, während
des Schaltens im Leistungshalbleitermodul, entstehende Wärme abgeführt werden. Über entsprechend
dimensionierte Kühlkörper wird
die Wärme
abgeführt
und damit eine wesentliche Temperaturerhöhung im Thyristormodul vermieden.
Dadurch können
die, für
das Halbleiterschaltgerät
festgelegten, Spezifikationen eingehalten werden, so dass dessen
sicherer Betrieb gewährleistet
ist.
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Zur
Erfassung der Temperatur sind in Halbleiterschaltgeräten zudem
Temperaturmesssensoren vorgesehen. Temperaturerhöhungen in Größenordnungen,
welche die festgelegten elektrischen Spezifikationen des Halbleiterschaltgerätes einschränken, können so
erkannt werden. Um entsprechend schnell auf eine Temperaturerhöhung reagieren
zu können, muss
die Temperaturmessung möglichst
präzise,
das heißt
genau und zeitnah erfolgen. Zu große Abstände zwischen dem Ort der Temperaturentstehung,
hier in aller Regel der Sperrschicht des Leistungshalbleitermoduls,
und dem Ort des Temperaturmesssensors haben einen großen Wärmeübergangswiderstand zur
Folge. Die daraus resultierende hohe Zeitkonstante wirkt sich negativ
auf eine zeitnahe Auswertung des vom Temperaturmesssensor ermittelten Messsignals
aus. Um die Sperrschichttemperatur zeitnah zu erfassen, muss der
Temperaturmesssensor unmittelbar und damit potentialgebunden am Leistungshalbleiter
angebracht werden Das kann aber dazu führen, dass aufgrund der, an
dem Leistungshalbleitermodul vorhandenen, hohen Spannungspotentiale
das Messsignal mit Störsignalen
beaufschlagt und damit die Auswertung des Messsignals erschwert
wird.
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Derzeit
werden Leistungshalbleitermodule in Halbleiterschaltgeräte im Wesentlichen
mittels der so genannten Bonding-Technologie
aufgebaut. Alternativ dazu kann ein solches Leistungshalbleitermodul auch
mittels so genannter Planar-Technologie
aufgebaut werden. Solch ein planarer Aufbau ist beispielsweise aus
der WO 03/030247 A2 bekannt. Dabei werden auf ein Basissubstrat,
das aus einer Keramikbasis mit beidseitig aufgebrachten Kupferschichten besteht,
Halbleiterbauelemente aufgebracht. Über weitere auf die Oberfläche aufgebrachte
Schichten aus elektrisch isolierenden und elektrisch leitenden Materialien
werden die Halbleiterbauelemente dann flächig und ohne zusätzliche
Drähte
kontaktiert. Durch die Verwendung solcher in Planar-Technologie ausgeführter Leistungshalbleitermodule
können
so in Zukunft Halbleiterschaltgeräte einfacher und kompakter
hergestellt werden. Aber auch hier besteht das Bedürfnis, zur
Einhaltung der, für
das Halbleiterschaltgerät
festgelegten elektrischen Spezifikationen eine möglichst präzise Temperaturmessung durchzuführen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Halbleiterschaltgerät mit einem
in Planar-Technologie ausgeführten
Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, das eine möglichst
präzise Temperaturmessung
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Halbleiterschaltgerät
mit einem in Planar-Technologie ausgeführten Leistungshalb leitermodul,
wobei das Leistungshalbleitermodul ein Basissubstrat, bestehend aus
Keramikbasis mit zumindest einer darauf aufgebrachten Kupferschicht,
und zumindest ein, an einer Oberfläche der Kupferschicht angebrachtes,
Leistungshalbleiterbauelement, und eine, zumindest auf einer freien
Oberfläche
der Kupferschicht und einer freien Oberfläche des Leistungshalbleiterbauelementes,
auflaminierte Isolierfolie aufweist, bei dem in einem Bereich der
auflaminierten Isolierfolie, der die Oberfläche der Kupferschicht umfasst,
ein Temperaturmesssensor an der, der Kupferschicht abgewandten,
Oberfläche
der Isolierfolie angebracht ist.
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Somit
ist der Temperaturmesssensor unmittelbar am, das heißt auf oder
direkt neben dem Leistungshalbleiterbauelement und damit nahe der
Wärmequelle
angebracht. Durch diese Anordnung und die durch die Isolierfolie
bewirkte Potentialtrennung zwischen Temperaturmesssensor und Leistungshalbleiterbauelement
ist eine präzise
Temperaturmessung möglich.
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Die
durch die elektrisch isolierende Isolierfolie bewirkte galvanische
Trennung und die damit erreichte Potentialtrennung zwischen Leistungshalbleitermodulchip
und Temperaturmesssensor ermöglicht eine
potentialfreie Temperaturmessung. Aufwendige Messschaltungen zum
Filtern von, das Temperaturmesssignal beeinflussenden, Spannungspotentialen des
Schaltkreises können
so vermieden werden.
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Ist
der Temperaturmesssensor innerhalb des Bereichs an der Stelle angebracht,
die genau dem Ort des Leistungshalbleiterbauelementes entspricht, so
ist der Temperaturmesssensor nur durch die Isolierfolie von der
zu messenden Wärmequelle,
hier der Sperrschicht des Leistungshalbleitermoduls, getrennt. Der
Wärmeübergangswiderstand
zwischen dem Ort der zu messenden Temperatur und dem Temperaturmesssensor
ist somit im Wesentlichen nur durch die Isolierfolie bestimmt und
damit weitestgehend reduziert. Aufgrund der dadurch resultierenden,
relativ kleinen Zeitkonstante ist eine besonders zeitnahe und präzise Messung
der Temperatur der Sperrschicht möglich. Eine möglicherweise
auftretende Temperaturerhöhung
in der Sperrschicht, welche die Spezifikationen des Halbleiterschaltgerätes beeinflussen
könnte,
kann so bestmöglichst
erkannt werden.
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In
der Regel wird es aber ausreichen, wenn der Temperaturmesssensor
unmittelbar am Leistungshalbleiterbauelement und damit nahe der
Wärmequelle
angebracht ist. So ist bereits dann, wenn der Temperaturmesssensor
direkt neben dem Leistungshalbleiterbauelement, auf der freien Oberfläche der
Kupferschicht, das heißt
dem Teil der Oberfläche der
Kupferschicht, die nicht vom darauf aufgebrachten Leistungshalbleiterbauelement
belegt ist, angebracht ist, eine präzise Temperaturmessung möglich. Durch
die direkte Verbindung des Leistungshalbleiterbauelementes mit der
Kupferschicht wird nämlich die
im Leistungshalbleiterbauelement erzeugte Wärme auch an diese Kupferschicht übertragen,
und kann somit auch durch einen an der Kupferschicht angebrachten
und durch die Isolierfolie von der Kupferschicht getrennten Temperaturmesssensor
noch hinreichend genau erfasst werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungen
und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen derselben werden im
Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 in
seitlicher Darstellung ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Halbleiterschaltgerätes,
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2 in
Draufsicht eine Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls des
Halbleiterschaltgerätes,
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3 zeitliche
Temperaturverläufe
in der Sperrschicht und am Temperaturmesssensor.
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Der
in 1 schematisch dargestellte Aufbau eines Halbleiterschaltgerätes 1 weist
ein in Planar-Technologie ausgebildetes Leistungshalbleitermodul 10 auf.
Das Verfahren zur Ausbildung von Leistungshalbleitermodulen in Planar-Technologie, wie
beispielsweise des nachfolgend beschriebenen Thyristormoduls 10,
kann der WO 03/030247 entnommen werden.
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Ein
nach diesem Verfahren ausgebildetes Leistungshalbleitermodul 10,
weist ein Basissubstrat auf. Dieses besteht im Wesentlichen aus
einer Keramikbasis 110 mit beidseitig angebrachten Kupferschichten 120 und 130.
Auf einer Oberfläche 131 des Basissubstrats 110–130 ist
ein Leistungshalbleitermodulchip 140 aufgebracht.
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Ist
der Leistungshalbleitermodulchip 140 ein Thyristorchip,
dann ist dieser mit einer nicht dargestellten, dem Basissubstrat
zugewandten Kontaktfläche
auf die Kupferschicht 130 des Basissubstrats aufgebracht.
Dieser Kontaktfläche
gegenüberliegend befinden
sich, an der dem Basissubstrat abgewandten Oberfläche des
Leistungshalbleitermodulchips 140, weitere (auch nicht
näher dargestellte)
Kontaktflächen.
Der Thyristorchip 140 kann somit so auf die Kupferschicht 130 aufgelötet werden,
dass sein Anoden-Anschluss direkt auf der Kupferschicht 130 und sein
Kathoden-Anschluss auf der, der Kupferschicht 130 abgewandten
Seite zum Liegen kommt. Der Thyristorchip kann so mit seinem Anoden-Anschluss über die
Kupferschicht 130 direkt und mit seinem Kathoden-Anschluss über weitere
in Planar-Technologie ausgebildete Schichten mit weiteren Bauelementen
und/oder Anschlusssystemen im Halbleiterschaltgerät 10 verbunden
werden.
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Zumindest
auf Teile der Oberfläche 111 und 131 des
Basissubstrats 110–130 und
auf die Oberfläche 141 des
auf das Basissubstrat gelöteten
Leistungshalbleitermodulchips 140 ist eine Isolierfolie 150 auflaminiert.
Diese Isolierfolie 150 kann aus beliebigen Thermoplasten
und Duroplasten, wie beispiels weise Kunststoffmaterialen auf Polyamid-
oder Epoxidbasis, bestehen und weist vorzugsweise eine Dicke von
10 bis 500μm
auf.
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Das
in 1 dargestellte Halbleiterschaltgerät 1 weist
neben dem zuvor beschriebenen Leistungshalbleitermodul 10 ein
Gehäuse 30 sowie
einen Kühlkörper 40 auf.
Das als Thyristormodul ausgebildete Leistungshalbleitermodul 10 ist
dabei vom Gehäuse 30 umschlossen.
Auf der Oberfläche 121 des Basissubstrats 110–130,
die der Oberfläche 111 mit aufgebrachtem
Thyristorchip 140 gegenüberliegt,
ist der Kühlkörper 40 so
angebracht, dass er zumindest teilweise aus dem Gehäuse 30 herausragt.
Dieser Kühlkörper dient
zur Wärmeabfuhr
der beim Schalten im Thyristormodul 10 entstehenden Wärme. Zur
besseren Wärmeabfuhr
ragt der Kühlkörper 40 dabei
zumindest teilweise aus dem Gehäuse 30 heraus.
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Um
eine möglichst
präzise
Temperaturmessung im Gehäuse 30 des
Halbleiterschaltgerätes 10, insbesondere
am Ort der Wärmequelle,
zu erzielen, ist nun erfindungsgemäß in einem Bereich 151' der auflaminierten
Isolierfolie 150, der durch die Oberfläche 131 der Kupferschicht 130 bestimmt
ist, ein Temperaturmesssensor 20 an der, der Kupferschicht 130 abgewandten,
Oberfläche 151 der
Isolierfolie 150 angebracht. Durch den daraus resultierenden
geringen Abstand zwischen dem angebrachten Temperaturmesssensor 20 und
der Wärmequelle,
nämlich
der Sperrschicht des Leistungshalbleitermodulchips 140, ist
nun eine zeitnahe und durch die isolierenden Eigenschaften der Isolierfolie 150 zudem
eine genaue und damit präzise
Temperaturmessung möglich.
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3 zeigt
beispielhaft den ermittelten zeitlichen Temperaturverlauf in der
Sperrschicht und in einem Temperaturmesssensor, der an zwei verschiedenen
Orten auf dem Basissubstrat angeordnet ist. Ausgehend von einer
typischerweise 100μm
dicken Isolierfolie auf Epoxidharzbasis wurde ein Thyristorchip
einem Verlustleistungssprung von circa 65 Watt ausgesetzt.
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Die
Kennlinie TS zeigt den daraus resultierenden zeitlichen Verlauf
der Sperrschichttemperatur. Die Kennlinie TE zeigt den ermittelten
zeitlichen Temperaturverlauf am Temperaturmesssensor, wenn dieser
unmittelbar auf dem Halbleiterbauelement 140 angeordnet
ist. Zum Vergleich zeigt der Temperaturverlauf TN den zeitlichen
Verlauf, wenn der Temperaturmesssensor weiter weg von der Wärmequelle,
das heißt
außerhalb
des Bereichs 151',
der die Oberfläche 131 der
Kupferschicht 130 umfasst, angeordnet ist.
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Der
auf dem Thyristorchip angebrachte Temperatursensor misst bereits
nach knapp 3 Sekunden die Sperrschichttemperatur mit einem Fehler
kleiner 10 % und ist damit ausreichend schnell für einen Überlastschutz des Leistungshalbleiters,
wie sie beispielsweise für
Sanftstarteranwendungen benötigt werden.
Wird zusätzlich
die Anstieggeschwindigkeit des vom Temperatursensor gemessenen Temperaturverlaufs
ausgewertet, lässt
sich die Ansprechzeit des Überlastschutzes
noch einmal deutlich verkürzen.
So kann bereits nach ca. 0,5 Sekunden ein deutlicher Temperaturanstieg
mit dem Temperatursensor gemessen und, sofern dieser Temperaturanstieg
einen vorgegebenen Wert übersteigt,
das Halbleiterschaltgerät
abgeschaltet werden. Der Temperaturverlauf TN zeigt dagegen ein
deutlich trägeres
Ansprechverhalten und zudem, dass die Thyristorchipendtemperatur überhaupt
nicht erreicht wird.
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Werden,
wie in 2 dargestellt, auf der, der Kupferschicht 130 abgewandten
Oberfläche 151 der Isolierfolie 150 ein
oder mehrere Kontaktflächen 161, 162 aus
einem elektrisch leitenden Material auf die Isolierfolie 150 aufgebracht,
so kann ein als SMD-Bauelement, insbesondere als SMD-Temperaturwiderstand,
ausgebildeter Temperaturmesssensor 20 direkt auf diese
Kontaktflächen 161, 162 aufgelötet werden.
Die Kontaktflächen 161 und 162 sind
dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass sie nicht nur zum Auflöten des
SMD-Temperaturwiderstandes, sondern auch zur Weiterführung des
Messsignals, dienen. So können
die Kontaktflächen 161 und 162 beispielsweise,
so wie in
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2 dargestellt,
bis zum Rand des Basissubstrats 110 geführt werden, um dort eine entsprechende
Auswerteschaltung zum Auswerten des Messsignals anzuschließen.
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Insgesamt
kann gesagt werden, dass sich mit der vorliegenden Erfindung ein
besonders einfacher und kompakter Aufbau eines Halbleiterschaltgeräts 1 ergibt,
bei dem durch eine geeignete Temperaturmessung eine Temperaturerhöhung, insbesondere
im Leistungshalbleiterbauelement, und damit eine Einschränkung der
spezifizierten elektrischen Parameter des Halbleiterschaltgerätes erkannt
werden können.
Damit erhält
man ein, für
die spezifizierten Spannungen und Ströme, sicheres Halbleiterschaltgerät.