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DE19708653A1 - Verfahren zur Bestimmung der Junktion-Temperatur von gehäusten Halbleiterbauelementen - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Junktion-Temperatur von gehäusten Halbleiterbauelementen

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DE19708653A1
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Description

Da die Funktionsfähigkeit von Halbleiterbauelementen einer Schaltungsanord­ nung von ihren thermischen Eigenschaften abhängt, muß die für die aktiven (schaltbaren) Komponenten eines Halbleiterbauelements maßgebende Tempe­ ratur im Innern des Halbleiterbauelements (die sog. Junktion-Temperatur) zur Gewährleistung der Bauelementeeigenschaften und zum Schutz des Halbleiter­ bauelements überwacht werden. Oftmals werden die Halbleiterbauelemente zum Abführen der Verlustleistung - insbesondere Leistungs-Halbleiterbauele­ mente mit einer hohen Verlustleistung - darüber hinaus mittels eines Träger­ körpers auf einem Kühlkörper angeordnet bzw. von einem Kühlmedium um­ flossen.
Die Überwachung der Junktion-Temperatur ist jedoch mit Schwierigkeiten ver­ bunden, da insbesondere bei gehäusten Halbleiterbauelementen eine Bestim­ mung der Junktion-Temperatur durch direkte Messung aufgrund der geome­ trischen Gegebenheiten nicht möglich ist. Temperaturmessungen zur Bestim­ mung der Junktion-Temperatur werden daher in der Regel durch Messung der Temperatur des Kühlmediums und/oder der Temperatur des Kühlkörpers durchgeführt. Da jedoch zwischen der Junktion-Temperatur und der Umge­ bungstemperatur eine Temperaturdifferenz auftritt, die u. a. von der Verlust­ leistung, dem thermischen Widerstand, dem Montageort und der Art der Mon­ tage des Halbleiterbauelements abhängt (diese Temperaturdifferenz kann ins­ besondere bei Leistungs-Halbleiterbauelementen recht groß werden), ist diese (zeitlich verzögerte) Temperaturmessung wenig aussagekräftig und weist ei­ nen Fehler (eine Ablage) auf, der von der thermischen Ankopplung des Halb­ leiterbauelements an das Kühlmedium bzw. den Kühlkörper und den Umge­ bungsbedingungen abhängt; nachteilig ist dies insbesondere dann, wenn bei der Temperaturmessung die thermische Ankopplung des Halbleiterbauele­ ments an das Kühlmedium bzw. den Kühlkörper und die Verlustleistung des Halbleiterbauelements nicht berücksichtigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem diese Nachteile vermieden werden und das eine aussagekräftige Bestimmung bzw. Messung der Junktion- Temperatur von gehäusten Halbleiterbauelementen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Halbleiterbauelemente der Schaltungsanordnung werden auf einen Träger­ körper aus einem Material mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit (bsp. eine Leiterplatte aus Epoxid) aufgebracht (bsp. aufgelötet) und mit ihren elektri­ schen Anschlußpins mit einer Leitbahnanordnung kontaktiert; das jeweilige Halbleiterbauelement, dessen Junktion-Temperatur bestimmt werden soll (im folgenden das zu überwachende Halbleiterbauelement genannt) wird über ei­ nen Anschlußpin mittels einer speziell ausgeformten Verbindungsleiterbahn elektrisch leitend mit einem auf dem Trägerkörper (vorzugsweise auf der glei­ chen Oberflächenseite wie das zu überwachende Halbleiterbauelement) ange­ ordneten Temperatursensor in gutem Wärmekontakt direkt verbunden. Diese Verbindungsleiterbahn wird vorzugsweise so ausgeformt, daß die Verlustlei­ stung (Wärme) des zu überwachenden Halbleiterbauelements durch eine Art "Temperaturfalle" auf den Temperatursensor geführt wird; d. h. durch die spe­ ziell geformte Verbindungsleiterbahn ist der (geometrisch entfernte) Tempera­ tursensor thermisch gut an den Anschlußpin (Lötanschluß) des zu überwachen­ den Halbleiterbauelements gekoppelt, ohne daß sich die bei einem zu gerin­ gem Abstand zwischen dem zu überwachen den Halbleiterbauelement und dem Temperatursensor ergebenden Montageprobleme auswirken können. Ins­ besondere wird zur Realisierung eines möglichst großen Wärmeübergangs vom zu überwachenden Halbleiterbauelement zum Temperatursensor die Ver­ bindungsleiterbahn entsprechend der Temperaturverteilung der Verlustwär­ me (den auftretenden Isothermen) ausgebildet.
Der thermisch mit dem zu überwachenden Halbleiterbauelement gekoppelte Temperatursensor kann bsp. als PTC-Element (SMD-Kaltleiter) oder NTC-Element realisiert werden, und mit einem beliebigen Anschlußpin (Lötanschluß) des zu überwachenden Halbleiterbauelements verbunden werden, bsp. dem Emitter eines als Leistungstransistor ausgebildeten Halbleiterbauelements.
Die Vorteile des vorgestellten Verfahrens bestehen darin, daß
  • - der Temperatursensor als einfaches, kostengünstiges (Standard-)Bauele­ ment ausgebildet werden kann und bsp. als SMD-Bauelement realisier­ bar ist,
  • - eine gute thermische Kopplung des Temperatursensors an die Junktion- Temperatur des zu überwachenden Halbleiterbauelements gegeben ist und es daher dynamisch gute Überwachungseigenschaften aufweist,
  • - nur ein geringer Meßfehler (eine geringe thermische Ablage) auftritt, da der thermische Widerstand vom Temperatursensor zum zu überwa­ chenden Halbleiterbauelement hin (zur Junktion-Temperatur) klein und zur Umgebung hin (zum Trägerkörper) groß ist.
Das Verfahren soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben werden. Die Figur zeigt hierbei einen Aus­ schnitt einer als "Intelligentes Power Modul" (IPM) realisierten Schaltungsan­ ordnung.
Die Schaltungsanordnung des IPM ist auf einem schlecht wärmeleitenden, bsp. als (Epoxy-)Leiterplatte ausgebildeten Trägerkörper 1 aufgebracht und weist als aktive Halbleiterbauelemente bsp. 12 als IGBT-Transistoren ausgebildete gehäu­ ste Leistungs-Halbleiterbauelemente 4 auf, die auf der Unterseite 11 der Leiter­ platte 1 bestückt werden und über auf der Oberseite 11 der Leiterplatte 1 an­ geordnete Leiterbahnen 7 miteinander verbunden sind; die Anschlußpins 5 der IGBT-Transistoren 4 sind bsp. mittels Lötverbindungen mit den Leiterbahnen 7 elektrisch verbunden. Zur Wärmeabfuhr der Verlustleistung der IGBT-Transisto­ ren 4 ist ein bsp. aus Aluminium bestehender, als Kühl-/Montageplatte ausgebil­ deter Kühlkörper 2 vorgesehen, der über eine (gut wärmeleitende) Isolations­ schicht 3 an die Gehäuse der IGBT-Transistoren 4 gekoppelt ist. Bsp. wird durch die IGBT-Transistoren 4 eine vom Kühlkörper 2 abzuführende gesamte Verlust­ leistung von 20 W erzeugt, wodurch die Junktion-Temperatur der IGBT-Transi­ storen 4 auf eine um 60 K höhere Temperatur gegenüber der Temperatur des Kühlkörpers 2 ansteigen kann.
Zur Bestimmung der Junktion-Temperatur bei einem IGBT-Transistor 4 (als zu überwachender IGBT-Transistor 4 bezeichnet) ist ein als PTC-Element ausgebilde­ ter Temperatursensor 6 vorgesehen, der in unmittelbarer Nähe des zu überwa­ chenden IGBT-Transistors 4 auf der gleichen Oberflächenseite der Leiterplatte 1 (d. h. auf der Unterseite 12 der Leiterplatte 1) angeordnet ist und mit einem Anschlußpin 5 (bsp. dem Emitter-Anschlußpin) des IGBT-Transistors 4 über eine speziell ausgeformte Verbindungsleiterbahn 8 elektrisch verbunden ist; bsp. besitzt die aus Kupfer bestehende Verbindungsleiterbahn 8 eine den auftre­ tenden Isothermen der Verlustwärme nachempfundene "tropfenförmige" Ge­ stalt und eine Länge von bsp. 5 mm, wobei der Abstand zwischen dem An­ schlußpin 5 des IGBT-Transistors 4 und dem Temperatursensor 6 bsp. 3 mm be­ trägt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung der Junktion-Temperatur mindestens eines auf einem Trägerkörper (1) angeordneten gehäusten Halbleiterbauelements (4) ei­ ner Schaltungsanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - auf dem eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Trägerkörper (1) be­ nachbart zum gehäusten Halbleiterbauelement (4) ein Temperatursensor (6) aufgebracht wird, und
  • - der Temperatursensor (6) mit einem Anschlußpin (5) des gehäusten Halblei­ terbauelements (4) mittels einer speziell ausgeformten Verbindungsleiter­ bahn (8) elektrisch leitend verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gehäuste Halbleiterbauelement (4) und der Temperatursensor (6) auf der gleichen Ober­ flächenseite (12) des Trägerkörpers (1) aufgebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbin­ dungsleiterbahn (8) den Isothermen der Verlustwärme des gehäusten Halblei­ terbauelements (4) nachgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) als Leiterplatte ausgebildet wird.
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