DE102022211818A1

DE102022211818A1 - Elektronikbaugruppe und Verfahren zur Herstellung einer Elektronikbaugruppe

Info

Publication number: DE102022211818A1
Application number: DE102022211818.9A
Authority: DE
Inventors: Oliver Rang; Jan Schmäling; Samy Arnaout
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-11-09
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2042-11-10
Also published as: DE102022211818B4; CN118016612A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektronikbaugruppe, umfassend
- mindestens ein Leistungshalbleiterelement (6),
- mindestens einen Temperatursensor (7) und
- mindestens ein Substrat (5), wobei der mindestens eine Temperatursensor (7) und das mindestens eine Leistungshalbleiterelement (6) in voneinander verschiedenen Abschnitten an dem Substrat (5) oder an verschiedenen Substraten (5) befestigt sind, wobei das mindestens eine Leistungshalbleiterelement (6) und der mindestens eine Temperatursensor (7) über mindestens ein thermisches Verbindungselement (8) verbunden sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronikbaugruppe.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronikbaugruppe und ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronikbaugruppe.
Leistungshalbleiterelemente wie beispielsweise IGBT oder MOSFET werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Z.B. werden solche Leistungshalbleiterelemente zur Wechselrichtung einer Gleichspannung eingesetzt, beispielsweise um eine elektrische Antriebsmaschine eines Fahrzeugs zu betreiben.
Leistungshalbleiterelemente sind auf einen vorbestimmten Betriebstemperaturbereich ausgelegt. So darf beispielsweise eine maximal zulässige Betriebstemperatur des Leistungshalbleiterelements nicht überschritten werden, da dann eine Funktionalität des Leistungshalbleiterelements beeinträchtigt werden kann. Um eine Temperaturüberwachung, insbesondere während des Betriebs eines Leistungshalbleiterelements, durchzuführen, werden in bekannter Weise Temperatursensoren eingesetzt.
Aus dem Stand der Technik bekannt ist die US 2014/0233708 A1 , die ein medizinisches Gerät mit einer Leistungseinrichtung und einem Temperatursensor offenbart. Der Temperatursensor ist hierbei außerhalb des Leistungsgeräts, aber in dessen Nähe angeordnet.
Weiter bekannt ist die US 2013/0228890 A1 , die ein Leistungshalbleitermodul und Temperatursensoren offenbart, wobei ein Temperatursensor in elektrisch isolierender Weise auf einem DBC-Substrat gesintert ist.
Weiter bekannt ist die DE 196 30 902 B4 , die eine Einrichtung zur Temperaturüberwachung einer Leistungshalbleiteranordnung offenbart.
Problematisch ist, dass bei den im Stand der Technik bekannten Anordnungen eines Temperatursensors relativ zu einem Leistungshalbleiterelement Störeinflüsse auftreten können und somit eine ungenaue Temperaturmessung eines ausgewählten Leistungshalbleiterelements erfolgt. Beispielsweise kann die Temperaturmessung eines ausgewählten Leistungshalbleiterelements durch die Wärmeabstrahlung anderer Leistungshalbleiterelemente beeinflusst werden. Ferner entsteht durch die Temperatursensoren, die direkt auf einem Substrat angeordnet werden, die Problematik, dass ein großer Bauraumbedarf entsteht, der zusätzlich auch hohe Herstellungskosten bedingt.
Auch nachteilig ist, dass eine Ungenauigkeit in der Temperaturmessung oder -bestimmung höhere Kosten und auch erhöhten Bauraumbedarf verursacht, da Toleranzen bei der Temperaturbestimmung sich auf den Bauraumbedarf des Leistungshalbleiterelements auswirken. Hierbei gilt, dass je höher die Ungenauigkeit, desto höher der Bauraumbedarf und insbesondere der Chipflächenbedarf des Leistungshalbleiterelements auf einem entsprechenden Substrat. Dies ist unerwünscht, da insbesondere ein hoher Chipflächenbedarf, z.B. auf einem SiC-Substrat, zu hohen Herstellungskosten führt.
Es stellt sich daher das technische Problem, eine Elektronikbaugruppe sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronikbaugruppe zu schaffen, die eine möglichst genaue Erfassung der Temperatur eines Leistungshalbleiterelements ermöglichen, wobei insbesondere ein Bauraumbedarf nicht erhöht wird.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird eine Elektronikbaugruppe, umfassend mindestens ein Leistungshalbleiterelement, mindestens einen Temperatursensor und mindestens ein Substrat. Das Leistungshalbleiterelement kann Teil eines Wechselrichters, insbesondere eines Pulswechselrichters, sein. Der Pulswechselrichter wiederum kann zur Bereitstellung einer Betriebs(wechsel)spannung einer elektrischen Maschine dienen, die insbesondere eine Antriebsmaschine eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs sein kann. Somit wird auch ein Wechselrichter mit einer solchen Elektronikbaugruppe sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Wechselrichter bzw. mit einer solchen Elektronikbaugruppe beschrieben. Der mindestens eine Temperatursensor dient zur Erfassung einer Temperatur des Leistungshalbleiterelements, insbesondere während eines Betriebs des Leistungshalbleiterelements. Der Temperatursensor, der zur Erfassung der Temperatur eines ausgewählten Leistungshalbleiterelements dient, kann auch als Temperatursensor bezeichnet werden, der diesem (ausgewählten) Leistungshalbleiterelement zugeordnet ist. Der Temperatursensor kann als Kontakt-Temperatursensor ausgebildet sein, wobei ein Kontaktbereich durch ein thermische Verbindungselement kontaktiert wird. Allerdings ist die Art des Temperatursensors grundsätzlich nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. So kann der Temperatursensor auch als Kaltleiter, Widerstandsthermometer oder Thermoelement ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Temperatursensor als Heißleiter oder sogenanntes NTC-Element ausgebildet.
Das Substrat kann insbesondere ein DBC-Substrat sein. Ein solches Substrat kann insbesondere mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere eine Kupferschicht und eine Trägerschicht, beispielsweise eine Keramikschicht, umfassen. Auf dem Substrat können Leiterbahn-Strukturen und Kontaktflächen hergestellt sein, um Bauelemente zu befestigen, insbesondere durch Löten, Sintern oder Kleben, beispielsweise die erläuterten Leistungshalbleiterelemente.
Der mindestens eine Temperatursensor und das mindestens eine Leistungshalbleiterelement sind in voneinander verschiedenen Abschnitten an dem Substrat befestigt, insbesondere an oder in voneinander verschiedenen Abschnitten der Substratoberfläche. Insbesondere ist also der Temperatursensor nicht an dem Leistungshalbleiterelement befestigt. Eine Anordnung in verschiedenen Abschnitten kann insbesondere gegeben sein, wenn das Leistungshalbleiterelement und der diesem Leistungshalbleiterelement zugeordnete Temperatursensor in einer gemeinsamen Projektionsebene, die parallel zu einer Oberfläche des Substrats orientiert sein kann, sich nicht überlappen, also in disjunkter Weise angeordnet sind. Somit können also der Temperatursensor und das Leistungshalbleiterelement am gleichen Träger, nämlich an dem Substrat, befestigt sein. Alternativ können der Temperatursensor und das Leistungshalbleiterelement auch an verschiedenen Substraten befestigt sein.
Erfindungsgemäß sind das mindestens eine Leistungshalbleiterelement und der mindestens eine Temperatursensor, nämlich der dem Leistungshalbleiterelemente zugeordnete Temperatursensor, über mindestens ein thermisches Verbindungselement verbunden. Das thermische Verbindungselement dient zur Übertragung thermischer Energie von dem Leistungshalbleiterelement zum Temperatursensor. Das thermische Verbindungselement besteht insbesondere aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, insbesondere einer Wärmeleitfähigkeit größer als die Wärmeleitfähigkeit von Luft, vorzugsweise größer als die Wärmeleitfähigkeit einer Moldmasse, in die das Leistungshalbleiterelement eingebettet ist, z.B. größer als 0,5, weiter vorzugsweise größer als 1, weiter vorzugsweise größer als 100. Insbesondere kann das thermische Verbindungselement aus einem Metall wie z.B. Kupfer ausgebildet sein. Die Wärmeleitfähigkeit wird hierbei in W/mK angegeben und repräsentiert den Wärmestrom durch ein Material auf Grund der Wärmeleitung. Es ist möglich, dass ein Bauvolumen, in dem das mindestens eine Leistungshalbleiterelement angeordnet ist, mit einer Moldmasse gefüllt ist. Ein angeordnetes Bauvolumen, in dem der Temperatursensor angeordnet ist, kann ebenfalls mit einer Moldmasse gefüllt sein. Dies ist jedoch nicht zwingend. In diesem Fall kann sich das thermische Verbindungselement durch die Moldmasse hindurch erstrecken.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine gute thermische Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiterelement und dem diesem zugeordneten Temperatursensor, der somit die Temperatur des Leistungshalbleiterelements sehr genau erfassen kann. Dies wiederum ermöglicht in vorteilhafter Weise eine genaue Temperaturerfassung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Temperatursensor über ein Ständerelement mit dem Substrat verbunden. Der Temperatursensor oder mehrere Temperatursensoren kann/können an einem freien Ende des Ständerelements angeordnet, insbesondere befestigt, sein, wobei ein weiteres Ende des Ständerelements an dem Substrat, insbesondere an dessen Oberfläche, befestigt wird. Somit kann also ein Ständerelement zur Halterung/Befestigung von einem oder mehreren Temperatursensor(en) am Substrat dienen. Insbesondere kann der Temperatursensor durch die Befestigung an einem Ständerelement in einem Bauvolumen angeordnet werden, das in einer Richtung orthogonal zur Substratoberfläche und von dieser weg orientiert über einem Bauvolumen liegt, in der das Leistungshalbleiterelement angeordnet ist. Das Ständerelement ermöglicht somit eine Anordnung des Temperatursensors mit einem Abstand von dem Substrat, insbesondere der Substratoberfläche, der größer als der Abstand des Leistungshalbleiterelements ist, wobei der Abstand entlang der erläuterten Richtung erfasst werden kann.
Durch diese Anordnung wird in vorteilhafter Weise ein Störeinfluss insbesondere weiterer Leistungshalbleiterelemente auf die Temperaturmessung verringert, da durch das thermische Verbindungselement sichergestellt ist, dass thermische Energie von dem Leistungshalbleiterelement, dem der Temperatursensor zugeordnet ist, an den Temperatursensor übertragen wird, der Abstand des Temperatursensors vom Substrat und somit von weiteren Leistungshalbleiterelementen, die an der Substratoberfläche befestigt sind, jedoch deren Wärmeeintrag reduziert. Gleichzeitig wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass ein Bauraumbedarf auf der Substratoberfläche reduziert wird, da nicht der Temperatursensor, sondern nur sein Ständerelement mit der Substratoberfläche verbunden werden muss. Hierbei kann eine benötigte Befestigungsfläche des Ständerelements geringer sein als eine für den Temperatursensor benötigte Befestigungsfläche. Somit ermöglicht also die Elektronikbaugruppe eine zuverlässige und genaue Temperaturerfassung, wobei gleichzeitig wenig Bauraumbedarf auf einer Substratoberfläche besteht. Ein maximaler Durchmesser des Ständerelements kann insbesondere kleiner als 0,8 mm sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Abstand des Temperatursensors von einer Substratoberfläche größer als der Abstand des mindestens einen Leistungshalbleiterelements. Der Abstand kann hierbei entlang einer Achse gemessen werden, die orthogonal zu einer Oberfläche des Substrats, an der das Leistungshalbleiterelement befestigt ist, und von dieser wegorientiert ist. Mit anderen Worten kann der Temperatursensor in einer oberflächenferneren Ebene oder in einem oberflächenferneren Volumen als das mindestens eine Leistungshalbleiterelement angeordnet sein. Dies wurde vorgehend bereits erläutert. Insbesondere kann der Abstand des Temperatursensors von der Substratoberfläche entlang der genannten Achse größer als 0,16 mm und/oder kleiner als 10 cm sein. Es ist weiter möglich, dass der Abstand des Temperatursensors von dem mindestens einen Leistungshalbleiterelement entlang der genannten Achse größer als 1 mm ist.
Es ist weiter möglich, dass ein minimaler Abstand des Temperatursensors, insbesondere von einem Referenzpunkt wie z.B. einem geometrischen Mittelpunkt des Temperatursensors, von dem mindestens einen Leistungshalbleiterelement, insbesondere einem Referenzpunkt wie z.B. einem geometrischen Mittelpunkt des Leistungshalbleiterelements, in einer gemeinsamen Projektionsebene, die parallel zur Substratoberfläche orientiert ist, größer als 4 cm ist.
Durch einen größeren Abstand des Temperatursensors ergibt sich die vorhergehend bereits erläuterte und zuverlässigere Temperaturerfassung, da der Störeinfluss durch andere Leistungshalbleiterelemente durch die Anordnung mit größerem Abstand reduziert wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Leistungshalbleiterelement und zumindest ein Teil des Ständerelements in einer Moldmasse eingebettet. Die Moldmasse, die insbesondere aus Epoxidharz bestehen kann, dient zur Verkapselung des mindestens einen Halbleiterelements, also zum Schutz vor äußeren Einflüssen. Durch die Einbettung zumindest eines Teils des Ständerelements in die Moldmasse ergibt sich in vorteilhafter Weise eine zuverlässige und stabile Befestigung des Temperatursensors in dem Substrat, da es ebenfalls in der Moldmasse verkapselt wird. Es ist möglich, aber nicht zwingend, dass das gesamte Ständerelement mit dem daran angeordneten Temperatursensor in die Moldmasse eingebettet wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Ständerelement über ein Fixierungselement mit dem Substrat verbunden. Das Fixierungselement kann insbesondere zur Befestigung an dem Substrat ausgebildet sein, wobei diese Befestigung über ein Sintern, ein Löten oder ein Verkleben in anderer Art und Weise erfolgen kann. Hierbei kann das Fixierungselement mindestens eine Befestigungsschnittstelle zur Befestigung des Ständerelements aufweisen oder ausbilden. In diesem Fall können das Ständerelement und das Fixierungselement als separate Elemente ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass das Ständerelement das Fixierungselement ausbildet, womit das Fixierungselement als ein integraler Bestandteil des Ständerelements ist. Das Fixierungselement kann hierbei zur Befestigung genau eines Ständerelements aber auch zur Befestigung mehrerer Ständerelemente dienen. Durch das Vorsehen eines Fixierungselements ergibt sich in vorteilhafter Weise eine zuverlässige mechanische Befestigung des Ständerelements und somit des Temperatursensors an dem Substrat.
In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Signalleitung mit dem Temperatursensor verbunden. Die Signalleitung kann zur Übertragung von Ausgangssignalen, beispielsweise eines Stromsignals, dienen, wobei in Abhängigkeit des Ausgangssignals die Temperatur bestimmt werden kann. Die Signalleitung erstreckt sich hierbei weg vom Temperatursensor als auch weg vom Leistungshalbleiterelement bzw. weg von der Substratoberfläche. Insbesondere kann ein Richtungsanteil einer Erstreckungsrichtung der Signalleitung vom Temperatursensor weg, der parallel zu der Richtung, die orthogonal zur Substratoberfläche und von dieser weg orientiert ist, ungleich Null sein. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass vom Temperatursensor erzeugte oder bereitgestellte Ausgangssignale nicht oder nur in einem sehr reduzierten Maß von weiteren Bauelementen der Elektronikbaugruppe beeinflusst werden, z.B. durch eine Wärmeabstrahlung, wodurch eine zuverlässige und genaue Temperaturbestimmung ermöglicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Elektronikbaugruppe eine Gruppe von mindestens zwei Leistungshalbleiterelementen, wobei dieser Leistungshalbleiterelement-Gruppe mindestens ein Temperatursensor, vorzugsweise eine Gruppe von mindestens zwei Temperatursensoren, zugeordnet ist. Vorzugsweise ist eine Gruppe mit einer Anzahl n Leistungshalbleiterelementen einer Gruppe mit der gleichen Anzahl n Temperatursensoren zugeordnet, wobei jeweils einem Leistungshalbleiterelement der Gruppe jeweils ein Temperatursensor der Gruppe zugeordnet ist. Weiter sind die Leistungshalbleiterelemente der Leistungshalbleiterelement-Gruppe und die Temperatursensoren der ihnen zugeordneten Temperatursensor-Gruppe in voneinander verschiedenen Abschnitten an dem Substrat befestigt bzw. angeordnet. Die Temperatursensoren können hierbei über ein gemeinsames oder jeweils ein Ständerelement in dem Abschnitt an dem Substrat befestigt sein. Hierbei können sich eine Begrenzungslinie der Leistungshalbleiterelement-Gruppe, die alle Leistungshalbleiterelemente der Gruppe einfasst, und eine Begrenzungslinie der Temperatursensor-Gruppe, die alle Leistungshalbleiterelemente der Gruppe einfasst, in einer gemeinsamen Projektionsebene, die parallel zur Substratoberfläche orientiert sein kann, nicht schneiden. Die Begrenzungslinie kann hierbei insbesondere eine Linie mit minimaler Länge sein, die den Bereich begrenzt, in dem alle Leistungshalbleiterelemente der entsprechenden Gruppe angeordnet sind. Gleiches gilt für die Begrenzungslinie der Temperatursensor-Gruppe. Mit anderen Worten können die von diesen Begrenzungslinien umgebenen Bereiche disjunkt in der gemeinsamen Projektionsebene angeordnet sein. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Fertigung der Elektronikbaugruppe, da die Montagearbeiten zur Befestigung der Temperatursensoren nur in einem, nicht aber verschiedenen Bereichen erfolgen müssen.
In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Ständerelemente über ein gemeinsames Fixierungselement mit dem Substrat verbunden. Hierdurch ergibt sich ebenfalls in vorteilhafter Weise eine einfache Fertigung der Elektronikbaugruppe, da nur ein Fixierungselement zur Befestigung mehrerer Ständerelemente genutzt werden muss. Gleichfalls können hiermit Herstellungskosten reduziert werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Temperatursensor mindestens ein Signal-Anschlussbereich für einen Signalanschluss auf. Dieser Signalanschluss kann zur elektrischen Kontaktierung durch die vorhergehend erläuterte Signalleitung dienen. Über den Signal-Anschlussbereich kann insbesondere das vorhergehend erläuterte Ausgangssignal bereitgestellt werden. Weiter weist der Temperatursensor einen Anschlussbereich für das thermische Verbindungselement auf, wobei dieser Anschlussbereich von dem mindestens einen Signalanschlussbereich verschieden ist. Insbesondere können der mindestens eine Signal-Anschlussbereich und der Anschlussbereich für das thermische Verbindungselement elektrisch isoliert voneinander angeordnet bzw. ausgebildet sein. Auch der Anschlussbereich für das thermische Verbindungselement an dem Leistungshalbleiterelement kann von einem elektrischen Anschlussbereich für einen elektrischen (Signal-)Anschluss des Leistungshalbleiterelements verschieden und insbesondere isoliert gegenüber diesem elektrischen Anschlussbereich angeordnet bzw. ausgebildet. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine erhöhte Betriebssicherheit der Elektronikbaugruppe, da das Risiko einer Übertragung elektrischer Energie zwischen Leistungshalbleiterelement und Temperatursensor, die zumindest eines der beiden Elemente beschädigen könnte, reduziert wird.
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronikbaugruppe, wobei mindestens ein Leistungshalbleiterelement, mindestens ein Temperatursensor und mindestens ein Substrat bereitgestellt werden, wobei der mindestens eine Temperatursensor und das mindestens eine Leistungshalbleiterelement in voneinander verschiedenen Abschnitten an dem Substrat oder an verschiedenen Substraten befestigt werden, wobei das mindestens eine Leistungshalbleiterelement und der mindestens eine Temperatursensor über mindestens ein thermisches Verbindungselement verbunden werden. Das Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise die Herstellung einer Elektronikbaugruppe gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen mit den entsprechenden und ebenfalls bereits erläuterten technischen Vorteilen.
Weiter beschrieben wird ein Verfahren zur Messung einer Temperatur von mindestens einem Leistungshalbleiterelement einer Elektronikbaugruppe gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen. Hierbei wird ein Ausgangssignal des mindestens einen Temperatursensors, der über ein thermisches Verbindungselement mit dem Leistungshalbleiterelement verbunden ist, erfasst, wobei in Abhängigkeit des Ausgangssignals eine Temperatur des Leistungshalbleiterelements bestimmt wird. Das Bestimmen der Temperatur kann hierbei mittels einer Auswerteeinrichtung, die einen Mikrocontroller oder eine integrierte Schaltung umfassen oder als solche(r) ausgebildet sein kann, durchgeführt werden. Diese kann mit dem Temperatursensor beispielsweise über die mindestens eine Signalleitung verbunden sein. Es ist weiter möglich, dass bei der Bestimmung eine Fehlerkorrektur durchgeführt wird. Insbesondere kann die Korrektur zur Kompensation der abstandsbedingten Verluste bei der Übertragung von thermischer Energie von dem Leistungshalbleiterelement zum Temperatursensor über das thermische Verbindungselement durchgeführt werden. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine genaue Bestimmung der Temperatur.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die einzelnen Figuren zeigen:

1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe in einer ersten Ausführungsform;
2 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe in einer weiteren Ausführungsform;
3 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe in einer weiteren Ausführungsform;
4 eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Elektronikbaugruppe in einer weiteren Ausführungsform;
5a eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe in einer weiteren Ausführungsform;
5b eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe in einer weiteren Ausführungsform;
5c eine schematische Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe in einer weiteren Ausführungsform; und
6 eine schematische Draufsicht auf mehrere Elektronikbaugruppen.

Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Elektronikbaugruppe 1 umfasst ein Substrat 5 mit einer Trägerschicht 2, insbesondere einer Keramik-Trägerschicht, welche beispielsweise aus Al₂O₃ oder Si₃N₄ ausgebildet sein kann. Auf einer Oberseite der Trägerschicht 2 ist eine erste leitfähige Schicht 3, beispielsweise eine Kupferschicht, angeordnet, wobei an einer gegenüberliegenden Seite, also einer Unterseite, der Trägerschicht 2 eine weitere leitfähige Schicht 4, beispielsweise ebenfalls eine Kupferschicht, angeordnet ist. In ihrer Gesamtheit bilden die Trägerschicht 2 und die leitfähigen Schichten 3, 4 ein Substrat. An einer Oberseite des Substrats 5, insbesondere in einer Ausnehmung der erste leitfähigen Schicht 3 und an der hierdurch freigelegten Oberfläche der Trägerschicht 2, ist ein Leistungshalbleiterelement 6 angeordnet und befestigt, beispielsweise durch Löten oder Sintern.
Weiter umfasst die Elektronikbaugruppe 1 einen Temperatursensor 7, der ebenfalls an der Substratoberfläche, nämlich der Oberfläche der Trägerschicht 2 in einer weiteren Ausnehmung in der ersten leitfähigen Schicht 3, befestigt ist, insbesondere ebenfalls durch Löten oder Sintern. Dargestellt ist, dass der Temperatursensor 7 und das Leistungshalbleiterelement 6 in voneinander verschiedenen Abschnitten an dem Substrat 5, insbesondere der Substratoberfläche, befestigt sind.
Weiter dargestellt ist ein thermisches Verbindungselement 8, welches sich vom Leistungshalbleiterelement 6 zum Temperatursensor 7 erstreckt. Ein erstes Ende des thermischen Verbindungselements 8, welches beispielsweise als Kupferdraht ausgebildet sein kann, kontaktiert das Leistungshalbleiterelement 6 in einem Kontaktbereich bzw. Kontaktabschnitt. Ebenfalls kontaktiert ein weiteres Ende des thermischen Verbindungselements 8 den Temperatursensor 7 in einem entsprechenden Kontaktbereich. Die Kontaktbereiche können elektrisch isoliert gegenüber weiteren Bereichen des Leistungshalbleiterelements 6 bzw. des Temperatursensors 7 angeordnet bzw. ausgeführt sein. Das thermische Verbindungselement 8 kann aus Aluminium, Kupfer oder einem anderen thermisch leitfähigen Material ausgebildet sein. Auch kann das thermische Verbindungselement als Heatpipe ausgebildet sein.
Weiter dargestellt ist eine Signalleitung 9 zur elektrischen Kontaktierung des Temperatursensors 7. Diese Signalleitung 9 dient zur Übertragung insbesondere eines Stromsignals, wobei in Abhängigkeit des Stromsignals eine Temperatur des Temperatursensors 7 und somit des Leistungshalbleiterelements 6 ermittelt werden kann, beispielsweise durch eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung. Weiter ist dargestellt, dass sich die Signalleitung 9 vom Temperatur 7 als auch von der Substratoberfläche weg erstreckt.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe 1 in einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Temperatursensor 7 über ein Ständerelement 10 mit dem Substrat 5 verbunden. Das Ständerelement 10 wird hierbei über ein Fixierungselement 11 an der Substratoberfläche, insbesondere in einer Ausnehmung der leitfähigen Schicht 3 an einer Oberfläche der Trägerschicht 2, befestigt. Insbesondere ist ein erstes Ende des Ständerelements 10 am Fixierungselement 11 befestigt. Das Fixierungselement 11 und das Ständerelement 10 können hierbei separat voneinander ausgebildete Elemente sein. Es ist jedoch auch möglich, dass das Fixierungselement 11 integraler Bestandteil des Ständerelements 10 ist.
An einem freien, nicht befestigten Ende, weist das Ständerelement 10 einen Befestigungsabschnitt 12 für den Temperatursensor 7 auf. Dieser Befestigungsabschnitt 12 kann plattenförmig ausgebildet sein, wobei der Temperatursensor 7 auf einer Oberfläche des Abschnitts 11 befestigt ist, insbesondere in stoffschlüssiger Weise wie z.B. durch Kleben.
Ebenfalls dargestellt ist das thermische Verbindungselement 8, welches das Leistungshalbleiterelement 6 und den Temperatursensor 7 thermisch verbindet. Aus dem Vergleich der Ausführungsformen in 1 und 2 ergibt sich, dass das thermische Verbindungselement 8 gekrümmt, aber auch geradlinig ausgebildet sein kann.
Ersichtlich ist, dass der Abstand des Temperatursensors 7 von einer Substratoberfläche, insbesondere eine Oberfläche der Trägerschicht 2 bzw. eine Oberfläche der ersten leitfähigen Schicht 3, größer ist als der Abstand des mindestens einen Leistungshalbleiterelements 6, wobei der Abstand entlang einer z-Richtung z gemessen werden kann, die in 2 durch einen Pfeil symbolisiert ist. Der Abstand kann eine Distanz zwischen einer der Substratoberfläche zugewandten Seite (Unterseite) des Temperatursensors 7/des Leistungshalbleiterelements 6 oder die Distanz zwischen einem Referenzpunkt, z.B. einem geometrischen Mittelpunkt, des jeweiligen Elements und der Substratoberfläche bezeichnen. Ebenfalls dargestellt ist eine x-Richtung x, die orthogonal zur z-Richtung z orientiert ist und parallel zu einer Ebene der Substratoberfläche orientiert ist. Nicht dargestellt ist eine Querrichtung, die orthogonal zur x-Richtung x und zur z-Richtung z orientiert sein kann und die mit der x-Richtung x eine Ebene aufspannt, die parallel zur Substratoberfläche orientiert ist. Entlang der z-Richtung kann ein Abstand zwischen Temperatursensor 7 und Substratoberfläche beispielsweise größer als 1 cm sein. Entlang der x-Richtung x kann ein Abstand zwischen dem Leistungshalbleiterelement 6 und dem Temperatursensor 7 insbesondere größer als 4 cm sein.
Durch eine Strichlinie eingefasst dargestellt ist ein erstes Bauvolumen 13, in dem das Leistungshalbleiterelement 6 und zumindest ein Teil des Ständerelements 7 angeordnet ist. Dieses erste Bauvolumen 13 kann mit einer Moldmasse gefüllt werden. Weiter dargestellt ist ein ebenfalls durch eine Strichlinie umfasstes zweites Bauvolumen 14, in dem der verbleibende Teil des Ständerelements 10 und der Temperatursensor 7 angeordnet sind. Dieses zweite Bauvolumen 14 ist entlang der z-Richtung z über/nach dem ersten Bauvolumen 13 angeordnet.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe gemäß einer weiteren Ausführungsform. Dargestellt ist, dass das Fixierungselement 11 über eine Verbindungsschicht 15, beispielsweise eine Klebeschicht oder eine Sinterschicht, an der Substratoberfläche, die in dem Befestigungsabschnitt für das Ständerelement 10 von der Trägerschicht 2 ausgebildet wird, befestigt ist.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Elektronikbaugruppe 1 in einer weiteren Ausführungsform. Dargestellt sind sechs Leistungshalbleiterelemente 6 und diesen Leistungshalbleiterelementen 6 jeweils zugeordnete Temperatursensoren 7, die jeweils auf Ständerelementen 10 angeordnet sind. Ebenfalls dargestellt ist, dass alle Ständerelemente 10 an einem gemeinsamen Fixierungselement 11 befestigt sind.
Ebenfalls dargestellt sind thermische Verbindungselemente 8, die jeweils ein Leistungshalbleiterelement 6 mit jeweils einem Temperatursensor 7 thermisch verbinden. Ebenfalls dargestellt ist das Substrat 5, an dem sowohl die Leistungshalbleiterelemente 6 als auch die Temperatursensoren 7 über die Ständerelemente 10 befestigt sind. Der Übersichtlichkeit halber ist nur ein Ständerelement 10 und Signalleitungen 9 eines Signalleitungspaars zum Anschluss eines Temperatursensors 7 mit einem Bezugszeichen versehen.
Die Leistungshalbleiterelemente 6 bilden Elemente einer Leistungshalbleiterelement-Gruppe. Genauso bilden die Temperatursensoren 7 die Elemente einer Temperatursensor-Gruppe. Ersichtlich ist, dass die Leistungshalbleiterelemente 6 der Gruppe und die Temperatursensoren 7 der Gruppe in jeweils verschiedenen Bereichen der Substratoberfläche angeordnet bzw. in verschiedenen Bereichen der Substratoberfläche an dieser befestigt sind.
5a zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe 1 mit einem Substrat 5, an dem Temperatursensoren 7 und Leistungshalbleiterelemente 6 befestigt sind. Dargestellt sind ebenfalls thermische Verbindungselemente 8, die jeweils ein Leistungshalbleiterelement mit einem Temperatursensor 7 thermisch verbinden. Weiter ist dargestellt, dass der jeweils einem Leistungshalbleiterelement 6 zugeordnete Temperatursensor 7 räumlich neben dem Bereich des entsprechenden Leistungshalbleiterelements 6 an der Substratoberfläche befestigt ist. Hierbei ist dargestellt, dass die Temperatursensoren 7 jeweils einzeln über ein Ständerelement 10 und ein Fixierungselement 11 in voneinander verschiedenen Bereichen an der Substratoberfläche befestigt sind, wobei der Abstand zwischen einem Leistungshalbleiterelement 6 und dem diesem zugeordneten Temperatursensor 7 kleiner ist als jeder der Abstände zwischen dem Temperatursensor 7 und den verbleibenden Leistungshalbleiterelementen 6.
5b zeigt eine weitere schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe 1. Dargestellt sind sechs Leistungshalbleiterelemente 6, die jeweils über thermische Verbindungselemente 8 mit jeweils einem Temperatursensor 7 verbunden sind, wobei jeweils 3 Temperatursensoren 7 über ein gemeinsames Fixierungselement 11 (siehe z.B. 4) an der Substratoberfläche befestigt sind. Einer ersten Leistungshalbleiterelement-Gruppe mit drei Leistungshalbleiterelementen 6 ist eine erste Temperatursensor-Gruppe mit drei Temperatursensoren 7 zugeordnet, wobei die Leistungshalbleiterelemente 6 dieser ersten Leistungshalbleiterelement-Gruppe jeweils über thermische Verbindungselemente 8 mit den Temperatursensoren 7 dieser ersten Temperatursensor-Gruppe verbunden sind und diese Temperatursensoren 7 über Ständerelemente 10 an einem gemeinsamen Fixierungselement 11 befestigt sind, wobei das gemeinsame Fixierungselement 11 wiederum an der Substratoberfläche befestigt ist.
Eine zweite Leistungshalbleiterelement-Gruppe umfasst ebenfalls drei Leistungshalbleiterelemente 6, die jeweils über ein thermisches Verbindungselement 8 mit Temperatursensoren 7 einer zweiten Temperatursensor-Gruppe, die ebenfalls drei Temperatursensoren 7 umfasst, thermisch verbunden sind. Diese Temperatursensoren 7 sind über Ständerelemente 10 an einem weiteren gemeinsamen Fixierungselement 11 befestigt, wobei das weitere gemeinsame Fixierungselement 11 wiederum an der Substratoberfläche befestigt ist. Alle Temperatursensoren 7 und Leistungshalbleiterelemente 6 der entsprechenden Gruppen sind in verschiedenen Bereichen der Substratoberfläche an dieser befestigt.
Es ist ersichtlich, dass die Anordnung von Leistungshalbleiterelementen 6 einer Gruppe und den diesen zugeordneten Temperatursensoren 7 derart erfolgt, dass die Abstände zwischen den Leistungshalbleiterelementen 6 (einer ausgewählten Gruppe) und den diesen zugeordneten Temperatursensoren 7 kleiner sind als die Abstände zwischen den weiteren Leistungshalbleiterelementen (der verbleibenden Gruppe(n)) und diesen Temperatursensoren 7. Auch ersichtlich ist, dass die Leistungshalbleiterelemente 6 einer Gruppe und die diesen zugeordneten Temperatursensoren 7 derart angeordnet sind, dass ein thermisches Verbindungselement 8, welches ein ausgewähltes Leistungshalbleiterelement 6 mit einem Temperatursensor 7 verbindet, nicht über ein weiteres Leistungshalbleiterelement 6 geführt wird
5c zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe 1 in einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 5b dargestellten Ausführungsform erfolgt die Anordnung von Leistungshalbleiterelementen 6 einer Gruppe und den diesen zugeordneten Temperatursensoren 7 derart, dass ein thermisches Verbindungselement 8, welches ein ausgewähltes Leistungshalbleiterelement 6 mit einem Temperatursensor 7 verbindet, über ein weiteres Leistungshalbleiterelement 6 geführt wird.
6 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht von mehreren Elektronikbaugruppen 1, die jeweils ein Substrat 5 sowie sechs Halbleiterelemente 6 umfassen. Eine erste Elektronikbaugruppe 1a dieser mehreren Elektronikbaugruppen 1 umfasst achtzehn Temperatursensoren 7, die jeweils über Ständerelemente 10 an einer Substratoberfläche des Substrats 5 dieser ersten Elektronikbaugruppe 1a befestigt sind. Der Übersichtlichkeit halber ist nur ein Temperatursensor 7, ein Ständerelement 10 und ein Fixierungselement 11 mit einem Bezugszeichen versehen. Dargestellt ist, dass eine erste Gruppe von sechs Temperatursensoren 7 über ein erstes Fixierungselement 11 an der Substratoberfläche des Substrats 5 der ersten Elektronikbaugruppe 1a befestigt sind, wobei die Temperatursensoren 7 dieser ersten Temperatursensor-Gruppe Leistungshalbleiterelementen 6 einer zweiten Elektronikbaugruppe 1 b zugeordnet sind und über thermische Verbindungselemente 8 mit jeweils einem Leistungshalbleiterelement 6 dieser zweiten Elektronikbaugruppe 1b verbunden sind, wobei die Leistungshalbleiterelemente 6 der zweiten Elektronikbaugruppe 1b an einem Substrat 5 der zweiten Elektronikbaugruppe befestigt sind (welches vom Substrat 5 der ersten Elektronikbaugruppe 1 a verschieden ist). Weiter dargestellt ist eine zweite Gruppe von Temperatursensoren 7, die über ein zweites Fixierungselement 11b mit der Substratoberfläche des Substrats 5 der ersten Elektronikbaugruppe 1a verbunden sind und die den Leistungshalbleiterelementen 6 einer dritten Elektronikbaugruppe 1c zugeordnet sind, wobei diese Temperatursensoren 7 jeweils über ein thermisches Verbindungselement 8 mit einem dieser Leistungshalbleiterelemente 6 thermisch verbunden sind. Die Leistungshalbleiterelemente 6 der dritten Elektronikbaugruppe 1c sind an einem Substrat 5 der dritten Elektronikbaugruppe 1c befestigt sind (welches vom Substrat 5 der ersten Elektronikbaugruppe 1a und vom Substrat 5 der zweiten Elektronikbaugruppe 1b verschieden ist).
Weiter dargestellt ist eine dritte Gruppe von Temperatursensoren 7, die über ein drittes Fixierungselement 11c mit der Substratoberfläche des Substrats 5 der ersten Elektronikbaugruppe 1a verbunden sind und die den Leistungshalbleiterelementen 6 der ersten Elektronikbaugruppe 1 a zugeordnet und jeweils über ein thermisches Verbindungselement 8 mit diesen verbunden sind. Die Leistungshalbleiterelemente 6 der ersten Elektronikbaugruppe 1a sind an einem Substrat 5 der ersten Elektronikbaugruppe 1a befestigt.
Aus der Zusammenschau von 5a, 5b und 5c und auch 6 ergibt sich, dass eine Anzahl und Anordnung der Temperatursensoren 7 bzw. Temperatursensor-Gruppen frei gewählt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Elektronikbaugruppe
2: Trägerschicht
3: erste leitfähige Schicht des Substrats
4: zweite leitfähige Schicht des Substrats
5: Substrat
6: Leistungshalbleiterelement
7: Temperatursensor
8: thermisches Verbindungselement
9: Signalleitung
10: Ständerelement
11: Fixierungselement
12: Befestigungsabschnitt
13: erster Volumenbereich
14: zweiter Volumenbereich
15: Verbindungsschicht
z: z-Richtung
x: x-Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20140233708 A1 [0004]
US 20130228890 A1 [0005]
DE 19630902 B4 [0006]

Claims

Elektronikbaugruppe, umfassend - mindestens ein Leistungshalbleiterelement (6), - mindestens einen Temperatursensor (7) und - mindestens ein Substrat (5), wobei der mindestens eine Temperatursensor (7) und das mindestens eine Leistungshalbleiterelement (6) in voneinander verschiedenen Abschnitten an dem Substrat (5) oder an verschiedenen Substraten (5) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Leistungshalbleiterelement (6) und der mindestens eine Temperatursensor (7) über mindestens ein thermisches Verbindungselement (8) verbunden sind.
Elektronikbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (7) über ein Ständerelement (10) mit dem Substrat (5) verbunden ist.
Elektronikbaugruppe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Temperatursensors (7) von einer Substratoberfläche größer ist als der Abstand des mindestens einen Leistungshalbleiterelements (6) von der Substratoberfläche.
Elektronikbaugruppe nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Leistungshalbleiterelement (6) und zumindest ein Teil des Ständerelements (10) in einer Moldmasse eingebettet sind.
Elektronikbaugruppe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ständerelement (10) über ein Fixierungselement (11) mit dem Substrat (5) verbunden ist.
Elektronikbaugruppe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Signalleitung (9) mit dem Temperatursensor (7) verbunden ist, wobei die mindestens eine Signalleitung (9) sich weg vom Temperatursensor (7) als auch weg vom Leistungshalbleiterelement (6) erstreckt.
Elektronikbaugruppe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikbaugruppe (1) eine Gruppe von mindestens zwei Leistungshalbleiterelementen (6) umfasst, wobei dieser Leistungshalbleiterelement-Gruppe mindestens ein Temperatursensor (7) zugeordnet ist, wobei die Leistungshalbleiterelemente (6) der Leistungshalbleiterelement-Gruppe und die Temperatursensoren (7) der Temperatursensor-Gruppe in voneinander verschiedenen Abschnitten an dem Substrat (5) befestigt sind.
Elektronikbaugruppe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ständerelemente (10) über ein gemeinsames Fixierungselement (11) mit dem Substrat (5) verbunden sind.
Elektronikbaugruppe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (7) mindestens einen Signal-Anschlussbereich für einen Signalanschluss aufweist, wobei ein Anschlussbereich für das thermische Verbindungselement (8) von dem mindestens eine Signal-Anschlussbereich verschieden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Elektronikbaugruppe (1), wobei mindestens ein Leistungshalbleiterelement (6), mindestens ein Temperatursensor (7) und mindestens ein Substrat (5) bereitgestellt werden, wobei das mindestens eine Leistungshalbleiterelement (6) und der mindestens eine Temperatursensor (7) in voneinander verschiedenen Abschnitten an dem Substrat (5) oder an verschiedenen Substraten (5) befestigt werden, wobei das mindestens eine Leistungshalbleiterelement (6) über mindestens ein thermisches Verbindungselement (8) mit dem Temperatursensor (7) verbunden wird.