DE102022211819B3

DE102022211819B3 - Elektronikbaugruppe und Verfahren zur Herstellung einer Elektronikbaugruppe

Info

Publication number: DE102022211819B3
Application number: DE102022211819.7A
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: 2024-03-28
Anticipated expiration: 2042-11-10
Also published as: CN118016607A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektronikbaugruppe (1), umfassend
- mindestens ein Leistungshalbleiterelement (6),
- mindestens einen Temperatursensor (7) und
- mindestens ein Substrat (5), wobei das mindestens eine Leistungshalbleiterelement (6) und der mindestens eine Temperatursensor (7) über mindestens ein thermisches Verbindungselement (8) verbunden sind, wobei sich das thermische Verbindungselement (8) durch eine thermische Isolationsschicht (11) zwischen dem Leistungshalbleiterelement (6) und dem Temperatursensor (7) erstreckt oder wobei sich das thermische Verbindungselement (8) in eine thermische Isolationsschicht (11) in der der Temperatursensor angeordnet ist erstreckt, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronikbaugruppe (1).

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 CN 20 2586720 U , die ein IGBT-Modul mit einer keramischen Basisplatte offenbart, wobei eine Silikonschicht und eine Verbindungsschicht an dem Keramiksubstrat befestigt wird. Ein Temperatursensor und das IGBT-Modul sind auf demselben keramischen Substrat angeordnet.
Weiter bekannt ist die EP 3 926 679 A1 , die eine Halbleitermodulanordnung offenbart, wobei diese Anordnung mindestens eine Temperatursensoranordnung umfasst.
Die DE 101 25 694 A1 offenbart ein Halbleitermodul mit mindestens einem Temperatursensor und mit mindestens einem Leistungshalbleiter, das auf einem ersten Träger angeordnet ist.
Die DE 10 2008 056 846 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul, insbesondere ein Leistungshalbleitermodul mit der Fähigkeit zur Temperaturmessung.
Die DE 10 2007 052 630 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul mit Temperatursensor.
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 thermisches 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 können in voneinander verschiedenen Abschnitten an dem Substrat befestigt sein, insbesondere an oder in voneinander verschiedenen Abschnitten der Substratoberfläche, z.B. über ein Ständerelement, was nachfolgend noch näher erläutert wird. 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.
Weiter sind das mindestens eine Leistungshalbleiterelement und der mindestens eine Temperatursensor über mindestens ein thermisches Verbindungselement verbunden. Erfindungsgemäß erstreckt sich das thermische Verbindungselement durch eine thermische Isolationsschicht zwischen dem Leistungshalbleiterelement und dem Temperatursensor. In diesem Fall kann die Elektronikbaugruppe die thermische Isolationsschicht umfassen, die zwischen dem Leistungshalbleiterelement und dem Temperatursensor angeordnet ist. Der Temperatursensor ist hierbei vorzugsweise nicht in der thermischen Isolationsschicht angeordnet. Mit anderen Worten sind das Leistungshalbleiterelement und der Temperatursensor auf voneinander verschiedenen Seiten der thermischen Isolationsschicht angeordnet. Alternativ erstreckt sich das thermische Verbindungselement in eine thermische Isolationsschicht in der der Temperatursensor vollständig oder zumindest teilweise angeordnet, insbesondere eingebettet, ist.
Die thermische Isolationsschicht kann als Luftschicht ausgebildet sein, insbesondere wenn sich das thermische Verbindungselement durch die thermische Isolationsschicht hindurch erstreckt. Es ist jedoch auch möglich, dass die thermische Isolationsschicht aus einem Material, welches von Luft verschieden ist, ausgebildet ist. Insbesondere kann die thermische Isolationsschicht auch aus Moldmaterial ausgebildet sein.
Eine Wärmeleitfähigkeit des Materials bzw. Mediums der thermischen Isolationsschicht ist hierbei geringer als die Wärmeleitfähigkeit des Materials oder Mediums, welches das Leistungshalbleiterelement umgibt bzw. in welches das Leistungshalbleiterelement eingebettet ist. Die Wärmeleitfähigkeit wird hierbei in W/mK angegeben und repräsentiert den Wärmestrom durch ein Material auf Grund der Wärmeleitung. Z.B. kann die Wärmeleitfähigkeit kleiner als oder gleich der Wärmeleitfähigkeit von Luft sein. Insbesondere kann die Wärmeleitfähigkeit auch kleiner als 1,2 W/mK, vorzugsweise kleiner als 1,0 W/mK, weiter vorzugsweise kleiner als 0,5 W/mK sein. Ist das Leistungshalbleiterelement in einem Moldmaterial eingebettet, so kann die Wärmeleitfähigkeit kleiner als die Wärmeleitfähigkeit dieses Moldmaterials sein.
Sind mehrere Leistungshalbleiterelemente an dem Substrat befestigt, so kann die thermische Isolationsschicht oder ein Teil davon zwischen allen Leistungshalbleiterelementen und dem Temperatursensor bzw. den Temperatursensoren angeordnet sein. Weiter ist es möglich, dass die Elektronikbaugruppe mehrere Temperatursensoren umfasst, wobei jedes Leistungshalbleiterelement über ein thermisches Verbindungselement mit jeweils einem Temperatursensor verbunden ist, wobei sich die thermischen Verbindungselemente durch die mindestens eine thermische Isolationsschicht erstrecken oder wobei sich die thermischen Verbindungselemente in die mindestens eine thermische Isolationsschicht erstrecken, in der die Temperatursensoren angeordnet sind.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine zuverlässige und genaue Erfassung der Temperatur des/der Leistungshalbleiters/e, da diese über das thermische Verbindungselement mit einem Temperatursensor verbunden sind, gleichzeitig aber durch die thermische Isolationsschicht störende Einflüsse, beispielsweise durch Abwärme weiterer Leistungshalbleiterelemente, nicht oder nur in einem sehr reduzierten Maß die Temperaturerfassung durch einen Temperatursensor beeinträchtigen.
In einer weiteren Ausführungsform ist das thermische Verbindungselement von einer thermischen Isolationshülle umgeben. Hierbei kann die Wärmeleitfähigkeit des Materials der thermischen Isolationshülle kleiner als die Wärmeleitfähigkeit des Materials des thermischen Verbindungselements sein. Insbesondere kann zumindest der Abschnitt des thermischen Verbindungselements, der sich vom Leistungshalbleiterelement bis zur thermischen Isolationsschicht erstreckt, von der thermischen Isolationshülle umgeben sein. Es ist jedoch auch möglich, dass das gesamte thermische Verbindungselement von der thermischen Isolationshülle umgeben ist, wobei jedoch selbstverständlich die Enden des thermischen Verbindungselements das Leistungshalbleiterelement und den Temperatursensor derart kontaktieren, dass eine thermische Verbindung zwischen den beiden Bauelementen hergestellt ist. Durch das Vorsehen einer thermischen Isolationshülle wird die Genauigkeit und Robustheit der Temperaturerfassung weiter verbessert, da auch Störeinflüsse auf das thermische Verbindungselement, beispielsweise durch Abwärme von weiteren Leistungshalbleiterelementen, reduziert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Leistungshalbleiterelement in einer ersten Moldmaterialschicht eingebettet. Weiter ist der Temperatursensor in einer weiteren Moldmaterialschicht eingebettet. Die thermische Isolationsschicht ist hierbei zwischen den Moldmaterialschichten eingebettet. Somit kann sich das thermische Verbindungselement von der ersten Moldmaterialsschicht durch die thermische Isolationsschicht hindurch in die weitere Moldmaterialschicht erstrecken. Bei einer derartigen Ausführungsform kann die Wärmeleitfähigkeit der ersten Moldmaterialschicht größer sein als die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Isolationsschicht. Weiter kann die Wärmeleitfähigkeit der weiteren Moldmaterialschicht größer sein als die der thermischen Isolationsschicht. Die Wärmeleitfähigkeit der ersten Moldmaterialschicht kann weiterhin ebenfalls größer sein als die der weiteren Moldmaterialschicht. Allerdings können die Wärmeleitfähigkeiten der Moldmaterialschichten auch gleich sein. Insbesondere ist es vorstellbar, dass die Materialien der beiden Moldmaterialschichten gleich oder voneinander verschieden sind. Alternativ bildet die weitere Moldmaterialschicht die thermische Isolationsschicht. Diese kann unmittelbar an die erste Moldmaterialschicht angrenzen. Bei einer derartigen Ausführungsform ist die Wärmeleitfähigkeit der ersten Moldmaterialschicht größer als die Wärmeleitfähigkeit der weiteren Moldmaterialschicht.
Das mindestens eine Leistungshalbleiterelement kann insbesondere in einer Moldmaterialschicht eingebettet sein, wobei die Moldmaterialschicht durch die thermische Isolationsschicht begrenzt wird. Durch das Vorsehen von Moldmaterialschichten können sowohl das Leistungshalbleiterelement als auch der mindestens eine Temperatursensor gekapselt und somit vor äußeren Einflüssen geschützt als auch in ihrer Position fixiert werden. Somit wird also eine stabile und geschützte Anordnung von Leistungshalbleiterelement und Temperatursensor sowie die Zuverlässigkeit des Betriebs dieser Elemente gewährleistet.
Ist das mindestens eine Leistungshalbleiterelement in einer Moldmaterialschicht eingebettet, so kann auch zumindest ein Teil der thermischen Isolationshülle in der Moldmaterialschicht eingebettet sein. Sind sowohl das Leistungshalbleiterelement als auch der Temperatursensor in (verschiedenen) Moldmaterialschichten eingebettet, so kann die gesamte thermische Isolationshülle in den Moldmaterialschichten und gegebenenfalls auch in der thermischen Isolationsschicht gebettet sein. Die Einbettung des Leistungshalbleiterelements in eine Moldmaterialschicht kann insbesondere durch ein Vergießen erfolgen. Somit kann auch die thermische Isolationshülle mit vergossen werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Elektronikbaugruppe ein Gehäuse, wobei zumindest ein Teil der Gesamtheit aus der mindestens einen Moldmaterialschicht und der thermischen Isolationsschicht zumindest teilweise in dem Gehäuse angeordnet ist. Es ist möglich, dass die erste Moldmaterialschicht und die thermische Isolationsschicht vollständig in dem Gehäuse angeordnet sind. Ist eine weitere Moldmaterialschicht vorhanden, so kann diese weitere Moldmaterialschicht ebenfalls vollständig in dem Gehäuse angeordnet sein. Allerdings ist es auch möglich, dass nur ein Teil der thermischen Isolationsschicht bzw. der weiteren Moldmaterialschicht in dem Gehäuse angeordnet ist. Durch das Vorhandensein eines Gehäuses ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Herstellung der Elektronikbaugruppe. Insbesondere kann das Gehäuse als Gussform oder-werkzeug dienen. In Gussform können das mindestens eine Leistungshalbleiterelement und der Temperatursensor sowie das thermische Verbindungselement angeordnet werden. Hierfür kann beispielsweise das Leistungshalbleiterelement und das Gehäuse an der Substratoberfläche befestigt werden. Der Temperatursensor kann an dem Gehäuse gehaltert werden. Alternativ oder kumulativ kann der Temperatursensor von dem thermischen Verbindungselement in seiner Position gehaltert werden. Hiernach kann ein Vergießen erfolgen, wobei z.B. zuerst das Moldmaterial zur Herstellung der ersten Moldmaterialschicht in das Gehäuse eingegossen wird. Hiernach, insbesondere nach dem Aushärten, kann das Material der thermischen Isolationsschicht in das Gehäuse eingegossen werden. Hiernach, insbesondere nach einem Aushärten, kann das Material der weiteren Moldmaterialschicht in das Gehäuse eingegossen werden.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Elektronikbaugruppe ein erstes und ein weiteres Gehäuse, wobei zumindest ein Teil der ersten Moldmaterialschicht in dem ersten Gehäuse und zumindest ein Teil der thermischen Isolationsschicht und/oder zumindest ein Teil der weiteren Moldmaterialschicht in dem weiteren Gehäuse angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass zumindest ein Teil der ersten Moldmaterialschicht in dem ersten Gehäuse und zumindest ein Teil der weiteren Moldmaterialschicht in dem weiteren Gehäuse angeordnet ist, wobei zwischen den Gehäusen die thermische Isolationsschicht angeordnet ist. Weiter kann in dem ersten Gehäuse das mindestens eine Leistungshalbleiterelement und in dem weiteren Gehäuse der mindestens eine Temperatursensor angeordnet sein. Das thermische Verbindungselement kann sich von dem ersten zum weiteren Gehäuse erstrecken. Insbesondere können die Gehäuse Öffnungen für das thermische Verbindungselement aufweisen. In diesem Fall kann das weitere Gehäuse an dem ersten Gehäuse befestigt sein, insbesondere derart, dass zwischen den Gehäusen die thermische Isolationsschicht vollständig oder zumindest teilweise gebildet wird. Beispielsweise können sich Befestigungsstege von einer Außenseite des ersten Gehäuses zu einer Außenseite des weiteren Gehäuses erstrecken. Durch die beschriebene Anordnung der Schichten (sowie des Leistungshalbleiterelements und des Temperatursensors) in verschiedenen Gehäusen ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Herstellung der Elektronikbaugruppe.
Es ist jedoch nicht zwingend, dass die Elektronikbaugruppe ein Gehäuse umfasst. So ist es auch möglich, die Moldmaterialschichten in einer Gussform bereitzustellen, die nach Aushärten der Schichten wieder entfernt wird.
In einer weiteren Ausführungsform weist das mindestens eine Leistungshalbleiterelement mindestens einen Anschlussbereich für einen Anschluss des thermischen Verbindungselements auf, wobei ein Emissionsgrad des Anschlussbereichs für Wärmestrahlung geringer ist als ein Emissionsgrad eines weiteren Bereichs des Leistungshalbleiterelements, der von einem Moldmaterial, insbesondere der ersten Moldmaterialschicht, kontaktiert ist, insbesondere im vorhergehend erläuterten eingebetteten Zustand. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass eine Kühlung des Leistungshalbleiterelements durch den Anschluss des thermischen Verbindungselements nur im möglichst geringen Maß beeinflusst wird, da die Bereiche mit hohem Emissionsgrad weiterhin zur Kühlung genutzt werden können während der Bereich mit im Vergleich niedrigerem Emissionsgrad zur Übertragung von thermischer Energie zum Temperatursensor und somit nur noch zum Teil zur Kühlung dient. Dies wiederum ermöglicht einen zuverlässigen Betrieb des Leistungshalbleiterelements.
In einer weiteren 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. Weiter kann der Abstand des Temperatursensors von einer Substratoberfläche größer als der Abstand des mindestens einen Leistungshalbleiterelements sein. 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. Weiter kann das mindestens eine Leistungshalbleiterelement und zumindest ein Teil des Ständerelements in einer Moldmasse, insbesondere der ersten Moldmaterialschicht, eingebettet sein. Ein weiterer Teil des Ständerelements kann in der thermischen Isolationsschicht und/oder einer weiteren Moldmaterialschicht eingebettet sein. Weiter kann mindestens eine Signalleitung mit dem Temperatursensor verbunden sein. 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.
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronikbaugruppe gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen. Hierbei wird mindestens ein Leistungshalbleiterelement, mindestens ein Temperatursensor und mindestens ein Substrat bereitgestellt. Weiter werden das mindestens eine Leistungshalbleiterelement und der mindestens eine Temperatursensor über mindestens ein thermisches Verbindungselement verbunden, wobei erfindungsgemäß zwischen dem mindestens einen Leistungshalbleiterelement und dem mindestens einen Temperatursensor eine thermische Isolationsschicht angeordnet wird. Weiter wird das thermische Verbindungselement durch die thermische Isolationsschicht geführt. Alternativ wird das thermische Verbindungselement in die thermische Isolationsschicht geführt, in der auch der Temperatursensor angeordnet ist.
Das Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise die Herstellung einer Elektronikbaugruppe gemäß den in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen mit den ebenfalls beschriebenen Vorteilen.
In einer weiteren Ausführungsform werden das mindestens eine Leistungshalbleiterelement und der mindestens eine Temperatursensor in einem Gehäuse oder in verschiedenen Gehäusen angeordnet. Entsprechende Vorteile wurden vorhergehend bereits beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform werden das mindestens eine Leistungshalbleiterelement und der mindestens eine Temperatursensor in einer Gussform angeordnet. Die Gussform kann das vorhergehend erläuterte Gehäuse sein, welches nach Herstellung der Elektronikbaugruppe Bestandteil dieser Elektronikbaugruppe ist. Allerdings kann die Gussform nach dem Vergießen des mindestens einen Moldmaterials und des Materials der thermischen Isolationsschicht wieder entfernt werden.
Weiter werden das Leistungshalbleiterelement in einer ersten Moldmaterialschicht und der Temperatursensor in eine weitere Moldmaterialschicht eingegossen bzw. eingebettet, wobei die thermische Isolationsschicht zwischen den Moldmaterialschichten angeordnet wird oder wobei die weitere Moldmaterialschicht die thermische Isolationsschicht bildet. Dies und entsprechende Vorteile wurden vorhergehend bereits erläutert. Insbesondere kann das mindestens eine Leistungshalbleiterelement in die erste Moldmaterialschicht eingegossen werden. Dann kann die thermische Isolationsschicht in dem Gehäuse angeordnet werden, insbesondere durch Eingießen des entsprechenden Materials. Soll der Temperatursensor in der Isolationsschicht angeordnet werden, so kann er in diesem Material vergossen werden. Ist eine weitere Moldmaterialschicht vorhanden, so kann der mindestens eine Temperatursensor in diese weitere Moldmaterialschicht eingegossen werden.
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;
2 eine schematische Detailansicht einer erfindungsgemäßen Elektronikbaugruppe;
3 eine weitere schematische Detailansicht einer erfindungsgemäßen Elektronikbaugruppe;
4 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe mit Gehäuse;
5 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe mit mehreren Gehäusen;
6 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe in einer weiteren Ausführungsform,
7 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe in einer weiteren Ausführungsform und
8 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe in einer weiteren Ausführungsform.

Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe 1. 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, sind Leistungshalbleiterelemente 6 angeordnet und befestigt, beispielsweise durch Löten oder Sintern. Weiter umfasst die Elektronikbaugruppe 1 Temperatursensoren 7 und thermische Verbindungselemente 8, welche sich von jeweils einem Leistungshalbleiterelement 6 zum dem Temperatursensor 7 erstrecken, der dem jeweiligen Leistungshalbleiterelement 6 zugeordnet ist. 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.
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.
Weiter dargestellt ist eine erste Moldmaterialschicht 10, in die das Substrat 5, die Leistungshalbleiterelemente 6 und ein Abschnitt der thermischen Verbindungselemente 8 eingebettet ist. Weiter dargestellt ist eine thermische Isolationsschicht 11, die zwischen den Leistungshalbleiterelementen 6 und den Temperatursensoren 7 angeordnet ist, wobei sich die thermischen Verbindungselemente durch die thermische Isolationsschicht 11 hindurch erstrecken. Weiter dargestellt ist eine weitere Moldmaterialschicht 12, in die die Temperatursensoren 7 und ein weiterer Abschnitt der thermischen Verbindungselemente 8 eingebettet ist. Die weitere Moldmaterialschicht 12 dient zur Halterung der Temperatursensoren 7.
2 zeigt eine schematische Detailansicht einer erfindungsgemäßen Elektronikbaugruppe 1. Dargestellt ist ein Leistungshalbleiterelement 6, ein thermisches Verbindungselement 8, ein Temperatursensor 7 sowie eine erste Moldmaterialschicht 10 und eine thermische Isolationsschicht 11 und eine weitere Moldmaterialschicht 12. Weiter dargestellt ist, dass das thermische Verbindungselement 8 von einer thermischen Isolationshülle 13 umgeben ist, welche das thermische Verbindungselement 8 thermisch gegenüber der ersten Moldmaterialschicht 10, der thermischen Isolationsschicht 11 und der weiteren Moldmaterialschicht 12 isoliert.
3 zeigt eine weitere Detailansicht einer erfindungsgemäßen Elektronikbaugruppe 1. Dargestellt ist ein Leistungshalbleiterelement 6 und ein thermisches Verbindungselement 8, welches von einer thermischen Isolationshülle 13 umgeben ist. Weiter dargestellt ist ein Anschlussbereich 14, in dem das thermische Verbindungselement 8 mit der Isolationshülle 13 thermisch an das Leistungshalbleiterelement 6 angeschlossen ist, insbesondere diesen mechanisch kontaktiert. Hierbei ist ein Emissionsgrad dieses Anschlussbereichs 14 für Wärmestrahlung geringer als ein Emissionsgrad von weiteren Bereichen des Leistungshalbleiterelements 6, die von einer ersten Moldmaterialschicht 10 und nicht von dem thermischen Verbindungselement 8 kontaktiert sind.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Elektronikbaugruppe 1 in einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst die Elektronikbaugruppe 1 ein Gehäuse 15, wobei die beiden Moldmaterialschichten 10, 12 und die thermische Isolationsschicht 11 in dem Gehäuse 15 angeordnet sind. Hierbei ist dargestellt, dass das Gehäuse 15 noch oben zu einer dem Substrat 5 abgewandten Seite hin geöffnet ist. Es ist aber auch möglich, dass das Gehäuse 15 vollständig geschlossen ist.
Das Gehäuse 15 kann zum Vergießen der dargestellten Bauelemente, insbesondere der Leistungshalbleiterelemente 6, der thermischen Verbindungselemente 8 und der Temperatursensoren 7 dienen, wobei auch eine thermische Isolationshülle 13 mit vergossen werden kann. Als Gußmaterialien dienen die Materialien der ersten Moldmaterialschicht 10, der Isolationsschicht 11 und der weiteren Moldmaterialschicht 12, die nacheinander in das Gehäuse eingegossen oder eingespritzt werden können.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe 1 in einer weiteren Ausführungsform. Dargestellt ist, dass das Substrat 5 mit den daran befestigten Leistungshalbleiterelementen 6 in einem ersten Gehäuse 15 angeordnet ist, welches mit einer ersten Moldmaterialschicht 10 gefüllt ist. Weiter dargestellt ist, dass die Temperatursensoren 7 in einem weiteren Gehäuse 16 angeordnet sind, welches mit einer weiteren Moldmaterialschicht 12 gefüllt ist. Zwischen den Gehäusen 15, 16 ist die thermische Isolationsschicht 11 angeordnet, die beispielsweise eine Luftschicht sein kann. Nicht dargestellt sind Halterungselemente zur mechanischen Halterung des weiteren Gehäuses 16. Das weitere Gehäuse 16 mit den darin angeordneten Temperatursensoren kann als extern angebrachtes Zusatzbauteil zu dem Substrat 5 mit den daran befestigten Leistungshalbleiterelementen 6 vorgesehen sein und z.B. an dem ersten Gehäuse 15 befestigt werden, insbesondere mittels Abstandshalterelementen.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Elektronikbaugruppe 1 in einer weiteren Ausführungsform. Dargestellt ist ein Leistungshalbleiterelement 6, welches an einem Substrat 5 befestigt ist. Weiter dargestellt ist ein Temperatursensor 7, der über ein thermisches Verbindungselement 8 mit dem Leistungshalbleiterelement 6 thermisch verbunden ist. Weiter dargestellt ist eine erste Moldmaterialschicht 10, in die das Leistungshalbleiterelement 6 eingebettet ist. Ebenfalls dargestellt ist eine weitere Moldmaterialschicht 12, in die der Temperatursensor 7 eingebettet ist. Zwischen den Schichten angeordnet ist die thermische Isolationsschicht 11. Es ist dargestellt, dass der Temperatursensor 7 über ein Ständerelement 17 an dem Substrat 5, insbesondere an einer freigelegten Oberfläche der Trägerschicht 2, befestigt ist. Das Ständerelement 10 kann über ein Fixierungselement 18 an der Substratoberfläche, insbesondere in einer Ausnehmung der leitfähigen Schicht 3 an einer Oberfläche der Trägerschicht 2, befestigt sein. Insbesondere ist ein erstes Ende des Ständerelements 10 am Fixierungselement 18 befestigt. Das Fixierungselement 18 und das Ständerelement 10 können hierbei separat voneinander ausgebildete Elemente sein. Es ist jedoch auch möglich, dass das Fixierungselement 18 integraler Bestandteil des Ständerelements 10 ist. An einem freien, nicht befestigten Ende, weist das Ständerelement 10 einen Befestigungsabschnitt 19 für den Temperatursensor 7 auf. Dieser Befestigungsabschnitt 19 kann plattenförmig ausgebildet sein, wobei der Temperatursensor 7 auf einer Oberfläche des Abschnitts 19 befestigt ist, insbesondere in stoffschlüssiger Weise wie z.B. durch Kleben. 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 6 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.
7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe 1 in einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform sind von den Rändern der ersten Moldmaterialschicht 10, der thermischen Isolationsschicht 11 und der weiteren Moldmaterialschicht 12 ausgebildete Entformungsschrägen dargestellt, die die Herstellung der Elektronikbaugruppe 1 mit einem Gießwerkzeug, welches nach dem Vergießen entfernt werden kann, ermöglicht. Mit anderen Worten verlaufen die Ränder der Schichten 10, 11, 12 schräg, um eine Entformung der Baugruppe 1 von einem Gießwerkzeug zu vereinfachen.
8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe 1 in einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 4 dargestellten Ausführungsform umfasst die Elektronikbaugruppe 1 keine thermische Isolationsschicht 11. Insbesondere sind die Leistungshalbleiterelemente 6 in einer ersten Moldmaterialschicht 10 eingebettet, wobei die Temperatursensoren 7 in einer weiteren Moldmaterialschicht 12 eingebettet sind. Eine Wärmeleitfähigkeit der weiteren Moldmaterialschicht 12 ist jedoch geringer als die Wärmeleitfähigkeit der ersten Moldmaterialschicht 10.
Bezugszeichenliste

1: Elektronikbaugruppe
2: Trägerschicht
3: erste leitfähige Schicht des Substrats
4: zweite leitfähige Schicht des Substrats
5: Substrat
6: Leistungshalbleiterelement
7: Temperatursensor
8: Verbindungselement
10: erste Moldmaterialschicht
11: thermische Isolationsschicht
12: weitere Moldmaterialschicht
13: thermische Isolationshülle
14: Abschnitt
15: Gehäuse
16: weiteres Gehäuse
17: Ständerelement
18: Fixierungselement
19: Befestigungsabschnitt

Claims

Elektronikbaugruppe, umfassend - mindestens ein Leistungshalbleiterelement (6), - mindestens einen Temperatursensor (7) und - mindestens ein Substrat (5), wobei das mindestens eine Leistungshalbleiterelement (6) und der mindestens eine Temperatursensor (7) über mindestens ein thermisches Verbindungselement (8) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich das thermische Verbindungselement (8) durch eine thermische Isolationsschicht (11) zwischen dem Leistungshalbleiterelement (6) und dem Temperatursensor (7) erstreckt oder wobei sich das thermische Verbindungselement (8) in eine thermische Isolationsschicht (11) in der der Temperatursensor angeordnet ist erstreckt.
Elektronikbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Verbindungselement (8) von einer thermischen Isolationshülle (13) umgeben ist.
Elektronikbaugruppe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterelement (6) in einer ersten Moldmaterialschicht (10) und der Temperatursensor (7) in einer weiteren Moldmaterialschicht (12) eingebettet ist, wobei die thermische Isolationsschicht (11) zwischen den Moldmaterialschichten (10, 12) angeordnet ist oder wobei die weitere Moldmaterialschicht (12) die thermische Isolationsschicht (11) bildet.
Elektronikbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikbaugruppe (1) ein Gehäuse (15) umfasst, wobei zumindest ein Teil der Gesamtheit aus der mindestens einen Moldmaterialschicht (10, 12) und der thermischen Isolationsschicht (11) zumindest teilweise in dem Gehäuse (15) angeordnet ist.
Elektronikbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikbaugruppe (1) ein erstes und ein weiteres Gehäuse (15, 16) umfasst, wobei zumindest ein Teil der ersten Moldmaterialschicht (10) in dem ersten Gehäuse (15) und zumindest ein Teil der thermischen Isolationsschicht (11) und/oder der weiteren Moldmaterialschicht (12) in dem weiteren Gehäuse (16) angeordnet ist.
Elektronikbaugruppe nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Leistungshalbleiterelement (6) mindestens einen Anschlussbereich (14) für einen Anschluss des thermischen Verbindungselements (8) aufweist, wobei ein Emissionsgrad des Anschlussbereichs (14) für Wärmestrahlung geringer ist als ein Emissionsgrad eines weiteren Bereichs des Leistungshalbleiterelements (6), der von einem Moldmaterial kontaktiert ist.
Elektronikbaugruppe nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (7) über ein Ständerelement (17) mit dem Substrat (5) verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Elektronikbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens ein Leistungshalbleiterelement (6), - mindestens einen Temperatursensor (7) und - mindestens ein Substrat (5) bereitgestellt wird, wobei das mindestens eine Leistungshalbleiterelement (6) und der mindestens eine Temperatursensor (7) über mindestens ein thermisches Verbindungselement (8) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Leistungshalbleiterelement (6) und dem mindestens einen Temperatursensor (7) eine thermische Isolationsschicht (11) angeordnet wird und das thermische Verbindungselement (8) durch die thermische Isolationsschicht (11) geführt wird oder das thermische Verbindungselement (8) in die thermische Isolationsschicht (11) geführt wird in der der Temperatursensor (7) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Leistungshalbleiterelement (6) und der mindestens eine Temperatursensor (7) in einem Gehäuse (15) oder in verschiedenen Gehäuse (15, 16) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Leistungshalbleiterelement (6) und der mindestens eine Temperatursensor (7) in einer Gussform angeordnet werden, wobei das Leistungshalbleiterelement (6) in eine erste Moldmaterialschicht (10) und der Temperatursensor (7) in eine weitere Moldmaterialschicht (12) eingegossen werden, wobei die thermische Isolationsschicht (11) zwischen den Moldmaterialschichten (10, 12) angeordnet wird oder wobei die weitere Moldmaterialschicht (12) die thermische Isolationsschicht (11) bildet.