CN105261610A - 功率半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率半导体模块，其具有包括第一表面、与第一表面相对的第二表面、第一长侧和与第一长侧相对的第二长侧的功率电子衬底。此外，该功率半导体模块还具有模块框架，该模块框架被如此布置，使得其包围该功率电子衬底，布置在第一长侧处并且穿过模块框架地延伸的至少一个功率连接端，布置在第二长侧处且穿过模块框架地延伸的其他连接端，至少一个功率半导体元器件，其布置在功率电子衬底的第一表面上并且与至少一个功率连接端电性连接，以及具有至少一个电流传感器，该电流传感器构造用于，测量在功率连接端中的电流，其中，该至少一个电流传感器布置在功率连接端上并且具有信号输出端，该信号输出端与其他连接端相连接。

Description

功率半导体模块
技术领域
本发明涉及功率半导体模块领域，尤其涉及带有在外部的负载连接端上的负载电流测量的功率半导体模块。
背景技术
功率半导体模块通常包括功率电子衬底，其上布置有多个功率半导体元器件(例如半导体开关、例如多个IGBT(具有绝缘的栅极的双极型晶体管，英文：绝缘栅双极型晶体管)或者多个MOSFET(金属氧化物半导体场效应管，英文：金属氧化物半导体场效应管))。该功率电子衬底能够直接固定(例如粘贴)在壳部(所谓的模块框架)上。替代地该功率电子衬底也能够固定(例如焊接)在金属底盘上，该金属底盘又布置在模块框架上。这种情况下该底盘实际上构成功率半导体模块的壳底。该模块框架通常由塑料且通过例如以压铸方法制成。
该功率电子衬底尤其能够是DCB衬底(DCB＝双铜键合)、DAB衬底(DAB＝双铝键合)或者AMB衬底(AMB＝活性金属钎焊)，其中绝缘载体大多由陶瓷组成。另一种功率电子衬底为所谓的IMS衬底(IMS＝绝缘金属衬底)，其中金属载体通过薄的绝缘层与金属化绝缘。在该载体(绝缘金属或者陶瓷)的两面布置金属化。顶面的金属化是结构化的且因此具有印制导线(Leiterbahnen)、焊接垫和键合垫等。底面的金属化通常是整面的。
该布置在衬底上的功率半导体元器件通常以其背面(底面)焊接在顶面的金属化上。这些功率半导体元器件通常通过多根键合金属丝与绝缘衬底上的多个金属连接面(键合垫)接触。由连接导线，例如接触销，构成外部连接端，这些外部连接端延伸穿过壳体并且实现外部接触多个连接面。
在运行期间在高电流和电压的情况下半导体模块和尤其是功率半导体模块产生热量，当其未被相应地散发时，这些热量降低模块的功率和寿命。在功率半导体元器件和功率半导体模块中在相当高的功耗的情况下大多使用液体冷却，以保证足够的热量转移。
在直接液体冷却的情况下功率半导体模块在其底面具有热交换器(例如散热器)，其吸收这些部件的热量并且通过与冷却液的直接接触向其传递该热量。因此当冷却液沿着模块的底面流动时该冷却液变暖，其中冷却液的温度逐渐接近模块的运行温度。通常沿着每个散热器相继布置多个功率半导体模块。其中该散热器能够例如是直线延伸的或者是U型的散热器。还已知这些结构，其中在功率半导体的顶面上布置另一个散热器，以增大一倍用于散热的面积。
在很多应用中期望，测量流过至少一个外部连接端的电流。然而由于功率半导体模块紧凑的结构，用于电流测量结构的空间沿着该散热器或者该些散热器而受到限制。此外功率半导体模块和分析电子器件必须电镀分离。因此在已知的结构中电流测量结构在外部通过母线(英文：母线(busbar))与功率半导体模块的相应的连接端连接。在此通过相应的供电线和数据线来实现电流测量结构的电流供给以及向控制模块或者分析模块的数据传输。然而为了测量电流在这种结构中通过附加的电流测量结构需要很多额外的空间。
发明内容
基于本发明的目的在于实现一种功率半导体模块，其中尽量节省空间地应用用于测量至少一根连接导线的电流的电流测量结构。基于本发明的目的由根据权利要求1的功率半导体模块和根据权利要求19的系统来实现。本发明不同的实施方式和改进为从属权利要求的目标。
本发明的第一方面涉及一种功率半导体模块。根据本发明的示例该模块包括功率电子衬底，该功率电子衬底具有第一表面、与该第一表面相对的第二表面、第一长侧和与该第一长侧相对的第二长侧。此外，该功率半导体模块还包括模块框架，该模块框架被如此布置，使得其包围该功率电子衬底，至少一个功率连接端，该功率连接端布置在第一长侧上并且穿过该模块框架地延伸，其他连接端，该其他连接端布置在第二长侧上且穿过该模块框架地延伸，至少一个功率半导体元器件，其布置在该功率电子衬底的第一表面上并且与至少一个功率连接端电性连接，以及至少一个电流传感器，其被构造用于测量功率连接端中的电流，其中，该至少一个电流传感器布置在功率连接端上并且具有与该其他连接端相连接的信号输出端。
本发明的另一方面涉及一种具有至少两个功率半导体模块的系统，其中，该至少两个功率半导体模块具有共同的冷却设备，该冷却设备沿着功率电子衬底的第二表面延伸并且被构造用于，冷却功率电子衬底和布置在其上的功率半导体元器件。
附图说明
以下通过其中示有附图的示例进一步阐述本发明。这些示意图不一定按正确的比例且本发明不仅仅限于所示的方面。更确切地说，其意义在于阐述基于本发明的原理。以下附图中：
图1示出了具有外部连接端的功率半导体模块的示意性的横截面图；
图2示出了具有多个功率连接端和其他连接端的功率半导体模块的示意性顶视图；
图3示出了具有多个功率连接端和布置在第一位置处的电流传感器的功率半导体模块的示意性顶视图；
图4示出了具有多个功率连接端和布置在第二位置处的电流传感器的功率半导体模块的示意性顶视图；
图5示出了具有多个功率连接端和布置在第三位置处的电流传感器的功率半导体模块的示意性顶视图；
图6示出了具有功率连接端的功率半导体模块的示意性的横截面图；
图7示出了具有多个功率连接端和布置在该第三位置处的电流传感器的功率半导体模块的示意性顶视图；
图8示出了具有在该第三位置处的电流传感器的功率连接端的示意性顶视图；
图9示出了具有功率连接端和电流传感器的功率半导体模块的示意性的横截面图；
图10示出了具有功率连接端和在该第三位置处的电流传感器的功率半导体模块的示意性顶视图；
图11示出了具有功率连接端和在该第三位置处的电流传感器的另一功率半导体模块的示意性顶视图；
图12示出了具有在该第三位置处的磁性电流传感器的功率连接端的示意性顶视图；
图13示出了具有在该第三位置处的磁性电流传感器的另一功率连接端的示意性顶视图；
图14示出了具有在该第三位置处的分流电流传感器的功率连接端的示意性顶视图；
图15示出了具有功率连接端和在该第二位置处的电流传感器的功率半导体模块的示意性顶视图；以及
图16示出了具有多个功率连接端和在该第二位置处的多个电流传感器的功率半导体模块的示意性顶视图。
具体实施方式
在这些附图中相同的附图标记表示分别具有相同或相似含义的相同或相似的构件。
首先根据图1和图2中所示的示意图概述功率半导体模块1的示例。模块1包括具有第一表面201和与该第一表面201相对的第二表面202的功率电子衬底20。该功率电子衬底20包括例如电介质绝缘载体，该绝缘载体通常设置有上金属化和下金属化(两者在图1中未示出)。该绝缘载体用于，将上金属化相对于下金属化电性绝缘。功率电子衬底20尤其能够是DCB衬底(DCB＝双铜键合)、DAB衬底(DAB＝双铝键合)或者AMB衬底(AMB＝活性金属钎焊)，其中该绝缘载体大多由陶瓷组成。另一功率电子衬底是所谓的IMS衬底(IMS＝绝缘金属衬底)，其中金属载体通过薄的绝缘层与金属化绝缘。在载体(绝缘金属或陶瓷)的两个面上布置金属化。顶面的金属化是结构化的且因此具有印制导线、焊接垫和键合垫之类。底面的金属化通常是整面的。
该功率电子衬底20通过连接层31(例如焊接层)与基板30的第一表面301连接。该基板30能够具有导电的金属板(例如由铜和铝组成)或者由之类的组成，其可选地能够设置在具有例如由镍组成的薄金属层的表面上，以优化基板30的可焊性。在一种实施方式中基板30能够是3mm厚的铝板。而在另一种实施方式中基板30还能够例如是0.2mm厚的铜板。但是其他的厚度和金属对该基板30来说也是可能的。该功率电子衬底20能够与基板30例如通过锡焊或者通过粘贴方法连接。
冷却设备33通过第二连接层32与基板30的第二表面302连接，其中该第二表面302相对于第一表面301布置。该冷却设备33能够例如是冷却管道，其在其内部由冷却介质或者冷却液穿流。当其沿着功率半导体模块1的底面流动时，该冷却液变热。如图2所示，能够沿着一个冷却设备33布置多个功率半导体模块1。其中该冷却设备33能够例如是纵向延伸的直线型的冷却管道，或者例如具有U型。
功率半导体模块1的基板30和衬底20通常是垂直的且因此具有两个较长的侧(以下称作长侧L1、L2)和两个较短的侧(以下称作横侧)。方向说明相应地被称作纵向方向和横向方向。但是半导体模块1的几何构型还能够是正方形的。在这种情况下长侧和横侧将是等长的。然而在以下的示例中没有描述正方形的实施方式。
在功率电子衬底20上布置有一个或多个功率半导体芯片21。其中每个功率半导体芯片21能够具有可控的功率半导体开关，例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)或者JFET(结型场效应晶体管)。其中功率半导体开关通常具有负载路线以及控制连接端。然而布置在功率电子衬底20上的功率半导体芯片21的数量和种类是任意的且与各自应用相关。
功率半导体芯片21能够与上金属化例如通过焊接或者烧结机械地且还有导电地连接。
功率半导体芯片21的顶面能够例如在键合金属丝的帮助下与相应的金属化的键合垫电性连接。模块框架60包括功率电子衬底20。模块框架60构成模块壳体的侧壁。其通常由塑料且能够例如以压铸方法制成。功率半导体模块1能够通过壳体盖(未示出)锁闭。这能够例如设置在模块1上。然而模块框架60和壳体盖也能够例如构建为一体。模块1的内部能够以绝缘物或者浇铸物填充。
功率半导体模块1包括若干连接元件50(在横截面中通常为竖直的)，其使得模块1与其他构件、例如电压供给单元或者其他外部电子构件的外部电性连接成为可能。外部在这里意味着“在模块壳体之外”。在模块框架60之内连接元件50具有内段50I，其与第一表面201和/或与一个或者多个功率半导体芯片21连接。该电性连接能够例如通过连接层40制成。连接层40能够例如包括由铜组成的薄层。连接元件50的连接段50v穿过模块框架60地延伸。在模块框架60外连接元件50具有外段50A，其从模块框架60中凸伸出来。该外段50A构成模块1的外部连接端。连接元件50的外段50A能够具有孔，以使得该连接元件50能够与外部的构件连接。连接元件50能够例如是插头触点，其布置于多个槽中，该写槽为此设置在模块框架60中。但是该连接元件50能够例如也已经在制造模块框架60时浇筑在模块壳体中。
在很多应用中设置两个或多个连接元件50作为功率连接端51。这些功率连接端51能够在模块1的外部例如与多个实心的母线(母排)连接，通过该实心的母线引入或引出充电电流。根据非常小的负载电流强度该功率连接端51具有相当大的横截面(例如8mm×1mm)。如图2中所示，该功率连接端51沿着模块1的第一长侧L1布置。也就是说，该功率连接端51在第一长侧L1上并排靠近功率电子衬底20的外部边缘布置并且在第一长侧L1上从模块1中伸出。
除了这些功率连接端51，功率半导体模块1包括其他连接端52，其不是功率连接端且其通常与外部的控制电路板连接。在该控制电路板(未示出)上能够布置微处理器、电平转换器(电平转换器)或者存储元件。其他连接端52并列地沿着第二长侧L2布置。因此该功率连接端51和其他功率连接端52在相对于的模块1的长侧上。在这些附图中功率连接端51和其他连接端52如此示出，即其在侧面通过模块框架60向外延伸。然而这些连接端51、52能够例如也垂直于第一表面201向上从功率半导体模块1中引出。如果这些连接端51、52向上从功率半导体模块1中引出，那么例如外部构件(例如控制电路板)能够直接被置于功率半导体模块1上且与这些连接端接触。为此这些外部构件例如能够具有孔眼，这些连接端51、52能够插入该孔眼中。然而在这种结构中功率半导体模块1的顶侧不再用于设置另一制冷设备。
为了测量功率连接端51中的电流，功率半导体模块1包括电流传感器S。该电流传感器S布置在相应的功率连接端51处或者是其上。其中根据图3中所示的实施方式该电流传感器S布置在功率连接端51的外段51A上的第一位置X处。也就是说，该电流传感器S布置在模块框架60之外。该在模块框架60之外的布置具有以下优点，即传感器S在模块1中不需要空间。然而在第一位置X的布置造成了对传感器S绝缘的问题，因为传感器S的连接导线必须具有到功率连接端51的最小距离。这就必须要更大的传感器S，其由于其尺寸也更贵。
然而如图4所示，传感器S也能够布置在第二位置Y处，或者布置在功率连接端51的连接段51V处。也就是说，该传感器S在所有侧面上由模块框架60包围。传感器S能够例如在制造模块框架60时一起注入到模型框架60中。如果例如以压铸方法制造该模块框架60，那么能够通过两个步骤进行该压铸方法。这样例如能够在第一步中浇铸模块框架60的第一部分，其稳定功率半导体模块1中除了传感器S之外的组件。传感器S在制造模块框架60的第一部分之后才在第二步中被安装在功率连接端51中。在该第二步中还制造对传感器S来说必需的电性连接。接着在第三步中还重铸该传感器S，从而也将该传感器S和其电性连接稳定并将其在其每个位置进行保持。
该模块框架60能够在将传感器S布置在第二位置Y处时具有例如凸起61，该凸起61完全包围该传感器S。当模块框架60仅仅具有与传感器S的尺寸相比来说相对小的厚度时能够例如设置该凸起61。通过凸起61的附加材料能够在所有侧面以足够的材料包围该传感器S。其中不必要的是，提高模块框架60在其总周长上的厚度。因此仅仅需要最少的附加材料来形成该凸起61。电流传感器S在第二位置Y处根据功率连接端51的导热性具有与功率电子衬底20的热耦合且因此具有与冷却设备33的热耦合。电流传感器S与冷却设备33的良好的热耦合能够是有利的，因为其能够在各种使用中带来局部升高的电流密度。此外传感器S在第二位置Y处，因为其在此被模块框架60的材料包围，也被保护以防机械影响。通过布置在模块框架60中该传感器S也不需要在功率电子衬底20上的额外空间。此外保证了传感器S的良好绝缘。通常出现在具有高电位(例如500V或者10kV)的构件、例如功率连接端50，和具有低电位(例如5V或者42V)的构件、例如电流传感器S的连接端之间的爬电距离(kriechstrecke)小的问题。通过在第二位置Y处以模块框架60的材料喷注该传感器S能够减小该问题。该爬电距离通常被限定为沿着绝缘表面测量的在两个传导部件之间的最短路径。
如图5中所示，传感器S也能够布置在功率连接端51的内段51I的第三位置Z处。也就是说，该电流传感器S布置在模块框架60之内。将传感器S布置在模块框架60之内具有以下优点，即穿过处于模块1的内部的浇注材料的爬电距离小的问题被减小。此外该传感器S处于与功率电子衬底20紧密接触的状态。通过接近功率电子衬底20由布置在模块1的底面上的冷却设备33实现有效冷却。因此该传感器S在过高的温度时能够得以很好地保护，该过高的温度例如能够在过电流状态出现。此外通过布置在壳体的内部能够保护该传感器S以防外力影响。外力能够例如在安装模块1时在使用过程中(例如在将功率连接端51与母线连接时)出现。
于是在出现外力时能够基本上尤其产生特定的问题，当该传感器S通过中间绝缘层(例如玻璃板或陶瓷板)被功率连接端51绝缘时。这种中间绝缘层是非常脆弱的，从而能够造成用于破碎和撕裂的小的机械作用，这能够是电压降或者降低的绝缘的寿命的原因。不利地是，该传感器S需要在功率电子衬底20上的空间。
如其在图4中所示，当该传感器S布置在第三位置Z处时，也能够例如设置凸起61。在该情况下通过设置凸起61也能够实现功率连接端51的更优的稳定性。
图6中示出了具有功率连接端51的功率半导体模块1的示意性的横截面。其中示出了该电流传感器S在内段51I上、在连接段51V上和在外段51A上的三个可能的位置X、Y、Z。
如果该电流传感器S布置在第三位置Z处，那么该功率连接端51的内段51I能够具有接触段54。具有这种接触段54的功率半导体模块1如图7中所示。该接触段54能够例如是正方形的或者长方形的段。其通过接片(Steg)53与功率连接端51连接。该接触段54能够如功率连接端51的内段51I一样通过连接层与功率电子衬底20连接。因此该接触段54扩大了功率连接端51的支撑面，从而提高了其稳定性。接片53代表功率连接端51变窄。
具有接触段54的功率连接端51在图8中以放大细节的方式示出(图7中的片段A)。在功率连接端51的外段51A显示了孔，通过该孔(例如通过螺钉)能够制造例如与外部母线的连接。在该结构中该传感器S能够布置在接片53上。功率连接端51的内段51I能够通过连接层40机械地与功率电子衬底20连接。然而该内段51I在该情况下不具有电功能，而是仅用作接触面(“锚”)，以保护接片53不受力影响，例如通过外段51A。该功率连接端51通过该“锚”紧紧地与该功率电子衬底20连接且因此更好地保护该功率连接端51不受机械负载。此外其优化接片53的冷却，在其上增加这些通量线，因为该在接片53的区域内产生的散发热量能够向功率电子衬底20的两个侧面导入。因此相比于在该第二位置Y处布置电流传感器S时的热阻，该热阻能够被减半。在图8中通过箭头表示这些通量线。该接触层54通过键合金属丝91、92、…、9n与印制导线70连接。流过该功率连接端51的电流流过接触段54从其或者是流向印制导线70。该印制导线70能够连接该功率连接端51例如与布置在功率电子衬底20上的功率半导体开关21的负载线路连接端连接。键合金属丝基本上适用于电和热连接该接触段54和印制导线70。在这些结构中，其中该接触段54例如是实心冲压件(例如具有8mm×1mm的横截面)且该印制导线70由在功率电子衬底20的顶面上的基本上更薄的金属化层(例如具有200μm的厚度)组成，有利地能够是印制导线。但是也有可能的是，该印制导线70直接通过足够传导性的连接层与该接触段54连接。
具有内段51I、接片53和接触段54的功率连接端51能够，如图6中标记已经阐述的通过连接层40(例如焊层)直接与功率电子衬底20连接。但是该功率连接端51也能够与功率电子衬底20间隔距离布置，如图9中示意性地所示。于是该功率连接端51能够再次，如关于图8所述，通过键合金属丝91、92、…、9n与印制导线70连接，其布置在功率电子衬底20上。通过该方式在该内段51I、该接片53和接触段54以下的空间能够被利用，以在此例如布置其他的部件或者印制导线。
为了稳定该功率连接端51该接触段54还能够具有“下锚”55，其由该接触段54插入模块框架60中且浇铸在其中。其中示范性地在图10中所示的接触段54具有这种下锚55的结构。具有接片、接触段54和下锚55的整个功率连接端51能够一体成型。其中该功率连接端51能够，如图10中所示，示范性地在该俯视图中构造为U型。印制导线70，其与该接触段54通过键合金属丝91、92、…、9n连接能够例如沿着该模块1的横侧在功率电子衬底20上延伸。
然而该功率连接端51也能够例如布置在模块1的角上。这种结构示例性地示出在图11中。此外其中该功率连接端51在第一长侧L1上从该模块框架60中突出。如同接片53一样，该功率连接端51的内段51I能够在模块1的横面方向对角线地延伸。相邻的接触段54能够例如构造为正方形或者长方形且具有下锚55，该下锚55深入到模块框架60中的横面上且浇注到其中。该印制导线70能够例如平行于第一长侧L1延伸。然而这些所示的结构仅仅是示例。根据应用和在功率电子衬底20上已有的空间该功率连接端51也能够具有任意其他的形状且布置在模块1中的其他位置处。
该电流传感器S能够例如是磁性电流传感器(例如霍尔传感器)或者分流电流传感器。磁性电流传感器直接通过由其产生的磁场测量电流。因此该测量电路与待测量的电流直流解耦。其中在现有技术中已知具有磁流加载的芯子的不同的电流传感器，以及不同的无芯电流传感器。在后者的情况下磁场传感器能够靠近边缘或者豁口布置。不仅具有芯子的传感器，而且不具有芯子的传感器使得导线横截面渐窄。于是出现电流密度过高和由此造成的磁场，该磁场能够由这种磁场传感器测量。如果这些几何尺寸是已知的，那么能够通过校正因子来确定该待确定的电流。
分流电流传感器通过电导体(测量电阻)测量该电压降，当该电导体被电流流过时。为此该传感器和该待测的电流的直流耦合是必须的。然而在使用分流电流传感器时代表该测量电流的数据能够例如通过电感耦合向分析电路发送，从而该分析电路与该待测的电流直流解耦。分流电流传感器本身也是由现有技术已知的。其中通过良好的传导性材料(例如铜合金或者铝合金)和该功率连接端51的(例如功率连接端的部分的)几何形状能够代表该测量电阻。在该情况下该电流传感器S能够具有温度传感器。于是具体电阻的温度特性曲线能够通过合适的算法确定。然而还可能的是，由材料(例如特殊的合金)制造功率连接端51(或者是功率连接端的部分)，其电导率基本上不具有温度关系。
如果磁性传感器S被用于测量功率连接端51的电流，那么在接片53上布置传感器S带来以下优点，即该磁场的变窄尤其严重，因为在此该通量线增多。其中该传感器S能够通过相比于电流传感器S大的绝缘层56与接片53连接。其中该绝缘层56能够例如通过接片53延伸出来且也盖住功率电子衬底20的、内段51I的和接触段54的部件。该绝缘层56能够例如被粘贴或者焊接。为了焊接该绝缘层56能够例如在其面向功率电子衬底20的侧面上具有由铜组成的细条纹。该传感器S同样能够例如粘贴或者焊接在该绝缘层56上。该绝缘层56也能够在其顶面具有由铜组成的细条纹，以焊接该传感器S。其中能够如此选择该绝缘层56的大小，使得在传感器S和该功率连接端51之间的爬电距离尽可能地大。
如图12中所示，该传感器S能够直接通过键合金属丝Z10、Z11、…、Z1n接触。通过这些键合金属丝Z10、Z11、…、Z1n该传感器S能够与键合垫Z1、Z2、…、Zn连接，其布置在功率电子衬底20上。通过键合垫Z1、Z2、…、Zn能够导致印制导线例如在功率电子衬底20上平行于模块1的横面直至相对的第二长侧L2。通过该方式该具有至少一个其他连接端52(例如见图2)的传感器S能够被连接在该第二长侧L2上。这些其他连接端52中的一个能够例如从该传感器S接收代表该测量的电流的信号且为了进一步分析将其向相应的分析单元发送。
然而不必要的是，该传感器S直接通过键合金属丝Z10、Z11、…、Z1n与功率电子衬底20上的这些键合垫Z1、Z2、…、Zn连接。这些键合垫Z1、Z2、…、Zn能够例如也将这些键合垫Z1、Z2、…、Zn与绝缘层56上的薄的印制导线连接。这在图13中示意性地示出，其中这些薄的印制导线由于视野的原因而省略。在该绝缘层56上这些印制导线能够通向传感器S。该传感器S能够与这些印制导线例如通过所谓的倒装芯片安装(例如通过焊接)连接。通过该方式该传感器S的有效表面，其具有这些组成元件与磁场传感器，面向接片53。这具有以下优点，即在该具有这些键合金属丝的接片53与这些磁场传感器之间的距离减小且这些传感器能够每安培电流测量更高的磁场。然而该传感器S也能够通过其他的键合金属丝(图13中未示出)与在绝缘层56上的印制导线连接。这具有以下优点，即这些键合金属丝Z10、Z11、…、Z1n能够比在直接接触传感器S的情况下更短。这些更短的键合金属丝Z10、Z11、…、Z1n更少地高出于该功率电子衬底，从而需要壳体内绝缘胶的罐装高度更小。因此该功率电子模块1的花费能够降低。
如果使用分流电流传感器，那么对此不需要接片53以产生尽可能大的磁场，而是以调节该传感器S的阻值。通过接片53与该阻值成比例的电压下降。该电压降能够例如直至1mV或者直至10mV。该传感器S能够通过第一测量线W10与接片53的第一侧面且通过第二测量线W11与接片53的第二侧面连接。从而该电压降能够通过接片53由传感器S采集(所谓的四导线测量)。分流电流传感器通常包括多个构建例如分流器(在此为接片53)、这些测量线W10、W11以及传感器模块，其包括这些分析电子器件。然而此外在分流电流传感器的情况下仅具有电子器件的传感器模块被称作传感器S。图14中示例性地示出了这种结构。为了将待测电流直流解耦和制造该具有分析电子器件的传感器S该传感器S具有例如两个半导体芯片，其限定高压侧和低压侧。数据能够在两个芯片之间例如通过变压器(“无芯变压器”)传递。通过该方式例如也能够在这两个芯片之间传递能量。
该传感器S能够再次直接通过键合金属丝Z10、Z11、…、Z1n接触。该传感器S能够例如布置在接触段54上。将分析电子器件布置在接片53上带来传感器S和接片53的良好的温度耦合的优点，因此由于接片53的导电率的温度关系能够更好地校正可能的测量错误。在将传感器S布置在接触段54上时到键合垫Z1、Z2、…、Zn的距离小于在布置在接片53上时。然而还可能的是，如关于图13中所示，越过绝缘层56上的印制导线接触传感器S以及在绝缘层56和键合垫之间设置键合金属丝。
如前已述，该传感器S也能够布置在第二位置Y处且被模块框架60包围。在图15中示意性地示出了这种模块1的截面。该模块框架60具有凸起61，功率连接端51的连接段51V延伸穿过该凸起61。在将该传感器S布置在该第二位置Y处时，接片53能够布置在功率连接端51的连接段51V中。于是接片53位于凸起61的区域中且被模块框架60的材料包围。该传感器S能够布置在接片53上。如果使用磁性电流传感器S，那么在接片的区域中这些通量线再次增多，因此磁场增强。分流电流传感器S也能够布置在接片53的区域中或者，如关于图14所示，例如也能够布置在接触段54的区域中。该传感器S能够通过大的绝缘层(例如由玻璃或者尼龙组成)与功率连接端51连接。然而在图15中由于视野的原因未示出该绝缘层。
为了接触该传感器S将传感器连接端布置在凸起61中。该传感器连接端能够例如布置在电路板上。该传感器S通过键合金属丝Y10、Y11、…、Yn与传感器连接端连接，其中为此该传感器连接端能够具有键合垫Y1、Y2、…、Yn，以形成键合连接。然而该传感器S也能够例如通过焊接方法或者粘合方法与这些传感器连接端连接。在两者被注入到模块框架60中以前，该传感器S能够与这些传感器连接端连接。模块框架60中的这些传感器连接端60能够通过其他的键合与功率电子衬底20上的印制导线V1、V2、….、Vn连接。在该功率电子衬底20上这些印制导线V1、V2、….、Vn能够例如平行于该横面延伸至两个长侧L2，在此其与至少一个其他的连接端52(例如通过键合连接)连接。
然而也可能的是，模块框架60内的电路板62上的印制导线W1、W2、Wn通向第二长侧L2，如图16中所示。为此该模块框架60能够越过相应的长度，尤其越过长侧L1、L2的一部分以及越过整个横侧，更宽地实施以容纳具有印制导线W1、W2、Wn的电路板62。如果希望在超过一个功率连接端51中测量电流，则能够例如将多个功率连接端51与电路板62连接。该电路板62具有例如L形状且从第一长侧L1处的功率连接端51开始越过这些横侧延伸到第二长侧L2(图16中未示出)的其他连接端52。通过在模块框架60中的电路板62上实现印制导线W1、W2、Wn，为此不需要功电子衬底20上的额外空间。
电路板62能够例如是多层PCB(PCB＝印刷电路板)。其中这些印制导线能够制作在PCB的表面上，然而其也能够处于PCB之内的层上。如果这些印制导线处于PCB之内，那么其与在第一长侧L1上越过PCB延伸的功率连接端51良好地绝缘。然而这些印制导线也能够构造在面向功率连接端51的PCB的面(例如底面)上，从而提供甚至更好的与越过PCB延伸的功率连接端51的绝缘。这些功率连接端51在一种实施方式中例如通过焊接与电路板62连接。通过该方式这些功率连接端51的机械稳定性得以提高。其中焊接点例如处于接片53的两端。能够如此布置这些焊接点，使得总电流流过接片53且这些焊接点在测量时不造成误差。
电路板62能够完全被浇注在模块框架60中。然而也可能的是，仅与这些功率连接端51或者至少一个其他连接端52建立连接的电路板62的区域被模块框架60包围且电路板62中印制导线延伸的其他部分不被模块框架60包围。在PCB中每个单元面积能够比在功率电子衬底20中布置更多的印制导线。因此在该方案中比在将这些印制导线布置在功率电子衬底20上的情况下需要更少的额外空间，例如参考图15所述。在所有所描述的结构中冷却设备在模块1的底面(以及可选地是表面，沿着第一表面201)上的延伸不被削弱。其中在电路板62上也可选择布置无源的元器件、例如电阻或者电容。由此这些无源的元器件放置在电流传感器S附近。

Claims (21)

1.功率半导体模块(1)，其具有：
功率电子衬底(20)，所述功率电子衬底(20)具有第一表面(201)、与所述第一表面(201)相对的第二表面(202)、第一长侧(L1)和与所述第一长侧(L1)相对的第二长侧(L2)；
模块框架(60)，所述模块框架(60)被如此布置，使得所述模块框架包围所述功率电子衬底(20)；
至少一个功率连接端(51)，所述至少一个功率连接端布置在第一长侧(L1)处并且所述至少一个功率连接端穿过所述模块框架(60)地延伸；
其他连接端(52)，所述其他连接端布置在第二长侧(L2)处并且所述其他连接端穿过所述模块框架(60)地延伸；
至少一个功率半导体元器件(21)，所述至少一个功率半导体元器件布置在所述功率电子衬底(20)的所述第一表面(201)上并且与至少一个功率连接端(51)电连接；以及
至少一个电流传感器(S)，所述至少一个电流传感器被构造用于，测量在功率连接端(51)中的电流，其中，所述至少一个电流传感器(S)布置在所述功率连接端(51)上并且具有信号输出端，所述信号输出端与所述其他连接端(52)相连接。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其中，所述至少一个功率连接端(51)具有在所述模块框架(60)之内延伸的内段(51I)、在所述模块框架(60)之外延伸的外段(51A)以及穿过所述模块框架(60)地延伸的连接段(51V)。
3.根据权利要求2所述的功率半导体模块(1)，其中，所述电流传感器(S)与所述功率连接端(51)的所述内段(51I)直接连接。
4.根据权利要求2所述的功率半导体模块(1)，其中，所述电流传感器(S)与所述功率连接端(51)的所述外段(51A)直接连接。
5.根据权利要求2所述的功率半导体模块(1)，其中，所述电流传感器(S)与所述功率连接端(51)的连接段(51V)直接连接。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的功率半导体模块(1)，其中，所述功率连接端(51)具有接片(53)，所述接片(53)将所述功率连接端(51)与接触段(54)相连接。
7.根据权利要求6所述的功率半导体模块(1)，其中，所述接片(53)至少部分地穿过所述模块框架(60)地延伸。
8.根据权利要求6所述的功率半导体模块(1)，其中，所述接片(53)与所述功率连接端(51)的所述内段(51I)相连接并且在所述模块框架(60)的内部延伸。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的功率半导体模块(1)，其中，所述电流传感器(S)布置在所述接片(53)上。
10.根据权利要求9所述的功率半导体模块(1)，其中，所述电流传感器(S)为磁性电流传感器，所述磁性电流传感器被构造用于借助于由所述电流所产生的磁场来测量在所述功率连接端(51)中的电流。
11.根据权利要求11所述的功率半导体模块(1)，其中，所述电流传感器(S)是分流电流传感器，所述分流电流传感器被构造用于测量在所述接片(53)上的电压降并且由此确定在所述功率连接端(51)中流过的电流。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的功率半导体模块(1)，其中，在所述电流传感器(S)和所述功率电子衬底(20)之间布置绝缘层(56)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体模块(1)，其还具有印制导线，所述印制导线被构造用于，将所述电流传感器(S)与所述其他连接端(52)相连接。
14.根据权利要求13所述的功率半导体模块(1)，其中，所述电流传感器通过键合金属丝(Y10、Y11、Yn)与所述印制导线相连接。
15.根据权利要求13或14所述的功率半导体模块(1)，其还具有至少一个横侧，其中，所述第一长侧(L1)和所述第二长侧(L2)通过所述至少一个横侧连接，并且其中，印制导线从所述第一长侧(L1)向所述第二长侧(L2)延伸。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的功率半导体模块(1)，其中，所述功率电子衬底(20)上的所述印制导线从所述第一长侧(L1)向所述第二长侧(L2)延伸。
17.根据权利要求13至15中任一项所述的功率半导体模块(1)，其中，在电路板上的所述模块框架(60)之内的所述印制导线从所述第一长侧(L1)向所述第二长侧(L2)延伸。
18.具有至少两个根据权利要求1至18中任一项所述的功率半导体模块(1)的系统，其中，至少两个功率半导体模块(1)具有共同的冷却设备(33)，所述冷却设备(33)沿着功率电子衬底(20)的第二表面(202)延伸并且被构造用于，冷却所述功率电子衬底(20)和布置在其上的功率电子元器件(21)。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，在所述功率电子衬底(20)和所述冷却设备(33)之间布置金属基板(30)。
20.根据权利要求18或19所述的系统，其中，所述冷却设备(33)包括冷却管道，所述冷却管道被构造用于，使得冷却液在所述冷却管道的内部流动。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的系统，其中，所述至少两个功率半导体模块(1)具有第二共同的冷却设备，所述第二共同的冷却设备沿着所述功率电子衬底的第一表面(201)延伸。
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