DE19630902A1 - Einrichtung zur Temperaturüberwachung in einer leistungselektronischen Anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Temperaturüberwachung in einer leistungselektronischen Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In K. Reinmuth, L. Lorenz, S. Konrad, "A New Generation of IGBT′s and Concepts for their Protection", Power Conversion, June 1994 Proceedings, Seiten 139 bis 147, sind zwei prinzipielle Wege zur Durchführung einer Temperaturüberwachung in ei­ ner leistungselektronischen Anordnung beschrieben. Eine leistungselektronische Anordnung kann beispielsweise ein Leistungshalbleitermodul oder eine Anordnung mehrerer solcher Module sein. Im Aufsatz ist ein Leistungshalbleitermodul darge­ stellt, das eine elektrisch isolierende Trägerplatte aufweist, die elektrisch leitfähige strukturierte Metallisierungsflächen trägt und mit Leistungshalbleiterbauelementen, nämlich IGBT′s bestückt ist.

Die erste beschriebene Methode bezieht sich auf eine indirekte Erfassung von Übertemperaturen, z. B. mittels Anordnung eines temperaturempfindlichen Bauele­ ments auf der Trägerplatte eines Leistungshalbleitermoduls.

Bei der zweiten Methode wird eine möglichst direkte Messung der Temperatur eines Halbleiterbauelements durch enge räumliche Kopplung eines temperaturempfindli­ chen Bauelements mit der Wärmequelle angestrebt. In dem Aufsatz wird zur Durch­ führung der zweiten Methode eine Anordnung beschrieben, bei der ein zur Tempera­ turerfassung dienender Baustein mittels Kleben auf einen Leistungshalbleiterchip aufgebracht ist. Ein noch engerer Kontakt ist durch Integration eines Temperaturer­ fassungsbausteins im Leistungshalbleiterchip erreichbar.

Eine solche enge räumliche Kopplung gemäß der zweiten Methode ist angezeigt, wenn eine sehr kleine Zeitkonstante erforderlich ist, um ein Leistungshalbleiterbau­ element z. B. selektiv abschalten zu können bzw. um auf einen Kurzschlußstrom und eine daraus resultierende plötzliche Erwärmung schnell reagieren zu können. Diese Methode ist aber nicht uneingeschränkt zur Erfassung aller Fehlerarten geeignet und verursacht außerdem relativ hohe Kosten entweder bei der Herstellung speziel­ ler Bausteine mit integrierter Temperaturerfassungseinrichtung oder bei der Monta­ ge von z. B. aufzuklebenden Bausteinen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperaturüberwachung nach der ersten, also indirekten Erfassungsmethode, die beispielsweise geeignet ist, das Versagen eines Kühllüfters in einer leistungselektronischen Anordnung, eine unzulässige Erwär­ mung aufgrund einer Abdeckung von Lüftungsschlitzen eines Gerätes, eine Erhö­ hung der Kühlmitteltemperatur oder eine Überlastsituation zu erkennen. Die für eine solche Oberwachung geforderte Zeitkonstante ist zwar größer als bei einer Kurz­ schlußüberwachung, soll aber trotzdem möglichst klein sein, um Störungen mit nur kurzem Zeitverzug zu erfassen.

Zur Durchführung der indirekten Temperaturüberwachung werden in der Praxis oberflächenmontierte temperaturempfindliche Bausteine (SMD-Bauelemente) in lei­ stungselektronischen Anordnungen verwendet. Nachteilig ist jedoch, daß ein sol­ ches SMD-Bauelement nicht mit seiner gesamten Fläche auf der Trägerplatte auf­ liegt, sondern nur über die elektrischen Anschlüsse ein Wärmekontakt zur Träger­ platte besteht. Dadurch sind Fehler bei der Erfassung der Höhe der Temperatur so­ wie relativ große Zeitkonstanten bedingt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Durchführung der indirekten Erfassung von Temperaturerhöhungen in Leistungshalbleiteranordnungen anzugeben, die mit geringem Aufwand im Rahmen der üblichen Modulfertigung rea­ lisierbar ist und zu einer ausreichend genauen und schnellen Temperaturerfassung führt.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Temperaturüberwachung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, einen Silizium-Chipwiderstand als tempera­ turabhängiges Bauelement auf der Trägerplatte eines Leistungshalbleitermoduls anzuordnen. Solche Silizium-Chipwiderstände finden bereits als Gate-Vorwiderstand für schaltbare Halbleiterkomponenten in der Modultechnik Anwendung. Silizi­ um-Chipwiderstände tragen auf ihrer oberen und unteren Hauptfläche Metallisie­ rungen, die ein Löten, Kleben oder Drahtbonden im Rahmen der zur Modulherstel­ lung benutzten Technologie ermöglicht. Ein zur Temperaturüberwachung auf einer Trägerplatte anzuordnender Silizium-Chipwiderstand erfordert keinen besonderen Herstellungsschritt, da er zusammen mit den übrigen Halbleiterbauelementen be­ stückt und kontaktiert wird.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß es sich beim Silizium-Chipwiderstand um ein sehr ein­ faches und preisgünstiges Siliziumbauelement handelt, dessen Charakteristik, die auch durch einen bestimmten Montageort im Modul beeinflußt wird, auf einfache Weise erfaßbar ist. Die üblicherweise verwendeten komplexen Steuerungen für lei­ stungselektronische Einrichtungen erlauben in der Regel eine Kalibrierung, um den Startwert der Temperatur bzw. die Temperaturabhängigkeit in mehreren Punkten zu erfassen. Der Bezug des Nennwertes zu einer bestimmten Temperatur darf sich deshalb innerhalb eines relativ großen Toleranzfelds bewegen.

Weitere Einzelheiten zu Anordnungsmöglichkeiten für einen Silizium-Chipwiderstand zur Temperaturüberwachung in einem Leistungshalbleitermodul ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in Fig. 1 gezeigten Ausschnittes einer be­ stimmten Trägerplatte.

Fig. 1 zeigt eine elektrisch isolierende Trägerplatte 1, z. B. eine Keramikplatte, die auf ihrer oberen Hauptfläche eine zu Leiterbahnen strukturierte leitfähige Schicht 2 trägt, die eine Schaltungskonfiguration bildet. Auf Flächen der Schicht 2 sind Halbleiterbauelemente 3, Silizium-Chipwiderstände 4a, 4b und Anschlußelemente 6 pla­ ziert. Mittels Bonddrähten 5 sind elektrische Verbindungen zwischen Chips 3, 4a, 4b und Flächen der Schicht 2 hergestellt.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der mit 4b bezeichnete Silizium-Chipwider­ stand als Gate-Vorwiderstand eingesetzt. Der mit 4a bezeichnete Chipwiderstand ist als Temperatursensor potentialfrei auf einer besonderen Teilfläche 2a befestigt und mittels Bonddrähten jeweils mit weiteren potentialfrei angeordneten Teilflächen (Metallisierungsflächen) 2b, 2c verbunden, die jeweils Anschlüsse 6 tragen. Die bei­ den elektrischen Anschlüsse des Temperatursensors 4a sind also auf diese Weise - ohne elektrische Verbindung zu sonstigen Schaltungsteilen - über zwei Anschlüsse 6 aus einem Modul herausgeführt und für eine Auswertung der temperaturabhängi­ gen Widerstandsänderung in einer externen Auswerteeinrichtung verfügbar.

Es versteht sich, daß abweichend von der beschriebenen Anordnung auch ein An­ schluß eines Silizium-Chipwiderstands 4a zusammen mit anderen Leistungshalblei­ terbauelementen 3 auf der selben Teilfläche der leitfähigen Schicht 2 montiert sein kann und damit das gleiche Potential, z. B. ein Massepotential aufweisen kann.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Temperaturüberwachung einer Leistungshalbleiteranord­ nung, insbesondere eines Leistungshalbleitermodules mit einer elektrisch isolieren­ den Trägerplatte (1), die Metallisierungsflächen (2) aufweist, auf der zumindest ein Leistungshalbleiterbauelement (3) angeordnet ist, und unter Verwendung eines tem­ peraturabhängigen elektrischen Widerstandbauelements (4a) als Temperatursensor, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Widerstandsbauelement ein Silizium-Chipwiderstand (4a) mit Metallisie­ rungen auf seinen oberen und unteren Hauptflächen ist, und
• b) der Silizium-Chipwiderstand (4a) auf einer Metallisierungsfläche (2, 2a) auf der Trägerplatte (1) befestigt ist.

2. Einrichtung zur Temperaturüberwachung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Silizium-Chipwiderstand potentialfrei auf einer eigenen Me­ tallisierungsfläche (2a) der Trägerplatte (1) angeordnet ist und seine elektrischen Anschlüsse über Bonddrähte (5) und Modulanschlüsse (6) aus einem Leistungshalb­ leitermodul potentialfrei herausgeführt sind.

3. Einrichtung zur Temperaturüberwachung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein elektrischer Anschluß des Silizium-Chipwiderstands (4a) zu­ sammen mit wenigstens einem weiteren Halbleiterbauelement (3) auf einer Metalli­ sierungsfläche (2) der Leiterplatte (1) montiert ist und damit das selbe Potential auf­ weist.