DE10024516A1

DE10024516A1 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE10024516A1
Application number: DE10024516A
Authority: DE
Inventors: Michael Kistner; Reinhold Dillig; Sebastian Raith; Manfred Loddenkoetter; Reinhold Bayerer
Original assignee: Siemens AG; EUPEC GmbH
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2000-05-18
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2020-05-19
Also published as: WO2001088983A2; CN100388486C; US6835994B2; CN1498422A; US20030085423A1; DE10024516B4; WO2001088983A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem Leistungsbauteil (1) und einem Sensorikbauteil (2), bei dem das Sensorikbauteil (2) durch ein zusätzliches, gesondertes Substrat (7) von dem auf einem Substrat (3) vorgesehenen Leistungsbauteil (1) elektrisch und/oder mechanisch isoliert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In Leistungshalbleitermodulen sind elektronische Leistungs bauelemente in einem Leistungsbauteil miteinander verschal tet. Solche elektronischen Bauelemente umfassen beispiels weise Leistungstransistoren, IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate), Leistungsdioden usw.

Leistungshalbleitermodule benötigen zunehmend neben Lei stungsbauelementen in einem Leistungsbauteil auch noch ein Sensorikbauteil, welches Sensoren z. B. für Temperaturüberwa chung, Unterspannungsüberwachung, Überspannungsüberwachung usw. umfaßt.

Eine Integration des Sensorikbauteiles mit einem Leistungs bauteil in einem Leistungshalbleitermodul hat sich aber als problematisch erwiesen. Sowohl im Nennbetrieb des Leistungs halbleitermoduls als auch in einem Fehlerfall können in dem Leistungsbauteil derart hohe Spannungen und/oder Ströme auf treten, daß die Elektronik des Sensorikbauteiles beschädigt wird, was insbesondere für einen Fehlerfall gilt. Oder das Meßsignal wird durch Übersprechen in seiner Genauigkeit be einträchtigt ist, was ohne weiteres auch im Nennbetrieb ein treten kann.

Ferner kann es bei thermischer Überlastung zu einem Havarie fall, gegebenenfalls mit einer Explosion von Bauteilen, kom men, wobei dann eine allzu große Nähe des Sensorikbauteiles zum Havarieort zu einer mechanischen Beschädigung der Senso rik führen kann.

Um nun diese Schwierigkeiten zuverlässig zu überwinden, wird beim Stand der Technik das Sensorikbauteil getrennt vom Lei stungsbauteil außerhalb des Leistungshalbleitermoduls unter gebracht. Mit anderen Worten, das Leistungshalbleitermodul besteht lediglich aus dem Leistungsbauteil, während das Sen sorikbauteil extern zu diesem angeordnet ist.

Hierdurch können zwar ohne weiteres die oben aufgezeigten Probleme überwunden werden, denn die Elektronik des Sensorik bauteiles ist vor hohen Spannungen geschützt, das Meßsignal wird infolge der Trennung zwischen Leistungsbauteil und Sen sorikbauteil nicht durch Übersprechen beeinträchtigt und eine mechanische Beschädigung bei einer Havarie ist ebenfalls un wahrscheinlich.

Eine derart getrennte Anordnung von Leistungsbauteil und Sen sorikbauteil hat aber neben einem erhöhten Platzbedarf auch den Nachteil, daß zwischen den Bauelementen des Sensorikbau teiles und den das von diesen gelieferte Meßsignal auswerten den Bauelementen des Leistungsbauteiles ein relativ großer Abstand besteht, was die Meßwerterfassung beispielsweise bei der Temperaturmessung verschlechtert. Mit anderen Worten, für eine genaue Meßwerterfassung sollten Leistungsbauteil und Sensorikbauteil möglichst nahe beieinander angeordnet sein und keine langen Signalwege zwischeneinander beinhalten.

Eine andere Möglichkeit, ein Leistungsbauteil von einem Sen sorikbauteil eines Leistungshalbleitermoduls zu trennen, be steht darin, die Signalübertragung über extern angeordnete Optokoppler zu führen, so daß der Sensorikbauteil galvanisch von dem Leistungsbauteil getrennt ist.

Auch hier treffen letztlich die für einen extern angeordneten Sensorikbauteil angeordneten Nachteile zu: der Übertragungs weg zwischen Leistungsbauteil und Sensorikbauteil ist immer noch relativ lang, und der zusätzliche Aufwand für die Opto koppler ist nicht zu unterschätzen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lei stungshalbleitermodul zu schaffen, in welches ein Leistungs bauteil und ein Sensorikbauteil integriert sind und bei wel chem Störungen des Sensorikbauteiles durch das Leistungsbau teil und dessen Betrieb besonders zuverlässig vermeidbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeich nenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß das Sensorikbauteil mit einem zu sätzlichen, gesonderten Substrat versehen ist, das neben und/oder auf dem Substrat des Leistungsbauteiles angeordnet ist, so daß zwischen dem Leistungsbauteil und dem Sensorik bauteil eine doppelte elektrische und/oder mechanische Isola tion besteht.

Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul sieht also ein zusätzliches, gesondertes Substrat für das Sensorikbauteil vor. Dieses zusätzliche, gesonderte Substrat für das Senso rikbauteil kann neben und/oder auf das Substrat des Lei stungsbauteiles gelötet oder sonst mit diesem verbunden wer den. Dadurch haben die Bauelemente des Sensorikbauteiles eine doppelte elektrische und/oder mechanische Isolation zu dem Leistungsbauteil. Auf diese Weise ist sogar in einem Fehler fall, wie beispielsweise einem Bruch des Substrates des Lei stungsbauteiles, eine volle Isolation des Sensorikbauteiles durch das zusätzliche, gesonderte Substrat gewährleistet. Durch die mechanische Isolation des Sensorikbauteils vom Lei stungsbauteil wird das Sensorikbauteil für den Fall einer Ha varie mechanisch gegen sich ablösende Modulbestandteile, z. B. im Fall einer Explosion, geschützt, so daß auch im Hava riefall die Aufnahme und Fortleitung von Meßwerten durch das Sensorikbauteil gewährleistet ist.

Das bei dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul vorge sehene zusätzliche, gesonderte Substrat ist auch beispielswei se einem Silikonverguß überlegen, der gelegentlich in beste henden Leistungshalbleitermodulen zur Isolation eines Sen sorikbauteiles eingesetzt wird. Gleiches gilt für den Einsatz von inneren Kunststoffgehäusen um ein solches Sensorikbauteil anstelle von einem Silikonverguß. Jedenfalls bieten weder ein Silikonverguß noch ein inneres Kunststoffgehäuse eine sichere elektrische Trennung und Abschirmung des Sensorikbauteiles von einem Leistungsbauteil in einem Fehlerfall.

Dies gilt aber nicht für das erfindungsgemäße Leistungshalb leitermodul. Bei diesem ist, wie bereits oben erläutert wur de, der Sensorikbauteil mit einem zusätzlichen, gesonderten Substrat versehen, das in bevorzugter Weise aus Metall be steht und gegebenenfalls eine Trennwand aufweisen kann oder sogar ein Metallgehäuse um den Sensorikbauteil bildet. Dieses zusätzliche, gesonderte Substrat kann also beispielsweise die Form eines Bleches haben, das auf das eine Bodenplatte bil dende Substrat des Leistungsbauteiles aufgelötet ist. Das Blech bildet dann eine geerdete Trennwand zwischen dem Senso rikbauteil und dem Leistungsbauteil, welche sowohl im Nennbe trieb ein Übersprechen vermindert als auch in einem Fehler fall wirkungsvoll Kurzschlüsse verhindert.

Bei dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul ist eine große Nähe zwischen dem Sensorikbauteil und dem Leistungsbau teil gewährleistet, so daß eine gute Meßwerterfassung bei gleichzeitiger verstärkter Isolation zur sicheren elektri schen Trennung auch im Fehlerfall gewährleistet ist.

Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist also die Anord nung eines zusätzlichen, gesonderten Substrates für das Sen sorikbauteil, wobei dieses Substrat zur weiteren mechanischen und/oder elektrischen Isolation gegebenenfalls auch minde stens eine, insbesondere leitende, Trennwand zwischen dem Sensorikbauteil und dem Leistungsbauteil beinhalten kann. Besteht das Substrat, das gegebenenfalls eine Trennwand bzw. ein Gehäuseelement umfassen kann, aus Metall, so ist dieses vorzugsweise geerdet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungs gemäßen Leistungshalbleitermoduls weist das Leistungshalblei termodul einen Rand- und/oder Gehäusebereich auf. Dabei ist dann weiterhin vorgesehen, daß das Gehäuseelement des Senso rikbauteiles des Leistungshalbleitermoduls zumindest teil weise mit dem Rand- und/oder Gehäusebereich integriert und/oder mit diesem im wesentlichen einstückig ausgebildet ist.

Dies kann besonders vorteilhaft dadurch realisiert werden, daß als Gehäuseelement ein Isolierrahmen vorgesehen ist, wel cher Einsteckelemente aufweist, und daß der Isolierrahmen im Rand- und/oder Gehäusebereich durch Einstecken der Ein steckelemente in dort vorgesehene Ausnehmungen halterbar und/oder dort fixierbar ist. Diese Vorkehrungen ermöglichen eine besonders einfache Montage des Gehäuseelementes des Sen sorikbauteiles in einem gegebenen Rand oder Gehäuse des Lei stungshalbleitermoduls, so daß auch an eine Nachrüstung be reits bestehender Leistungshalbleitermodule gedacht werden kann.

Eine weitere Vereinfachung des erfindungsgemäßen Leistungs halbleitermoduls ergibt sich dann, wenn das Gehäuseelement des Sensorikbauteils mit dem Rand- und/oder Gehäusebereich einstückig ausgebildet ist, insbesondere als angegossener Isolierrahmen. Auch hier kann daran gedacht werden, das Aus bilden des Gehäuseelementes und/oder des Isolierrahmens in den üblichen Produktionsprozeß des Leistungshalbleitermoduls mit aufzunehmen, z. B. indem die Ausbildung des Gehäuses oder des Randes des Leistungshalbleitermoduls, gegebenenfalls in einem Spritzgußverfahren, auf einfache Art und Weise um die Ausbildung des Gehäuseelementes erweitert wird. Ein nachträg liches Aufbringen eines angegossenen Isolierrahmens in bereits schon bestehenden Leistungshalbleitermodulen bzw. in deren Rand- und/oder Gehäusebereichen ist ebenfalls denkbar. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Leistungshalbleitermo dul gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch das Leistungshalbleiter modul von Fig. 1 und

Fig. 3 perspektivische Draufsicht auf ein als Isolier rahmen ausgebildetes Gehäuseelement.

Fig. 1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul aus einer Vielzahl von Leistungstransistoren, IGBTs usw., welches aus einem Lei stungsbauteil 1 und einem Sensorikbauteil 2 besteht. Das Sen sorikbauteil 2 umfaßt beispielsweise einen Temperatursensor, der zur Überwachung der Temperatur des Leistungsbauteiles 1 dient.

Das Leistungsbauteil 1 und das Sensorikbauteil 2 sind auf ei nem Substrat 3, beispielsweise einer Kupferplatte, einem DCB- Substrat oder dergleichen, vorgesehen.

Wie aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, besteht das Lei stungsbauteil 1 aus mehreren Bauelementen 4, die untereinan der mittels Drähten 5, Leiterbahnen usw. verschaltet sind.

Das Sensorbauteil 2 weist einen Sensor 6 auf, der über ein zusätzliches, gesondertes Substrat 7, das mit dem Substrat 3 verbunden ist, von dem Leistungsbauteil 1 elektrisch isoliert ist. Dieses Substrat 7 kann ein DCB-Substrat sein, somit zu mindest teilweise aus Metall bestehen und zusätzlich noch ein geerdetes Trennblech 8 zur zusätzlichen elektrischen und/oder mechanischen Isolation aufweisen.

Anstelle des geerdeten Trennbleches 8 kann der Temperatursen sor 6 auch von einem insbesondere metallischen Gehäuse 9 um geben sein.

Das gesonderte, zusätzliche Substrat 7 braucht nicht notwen dig Metall aufzuweisen. Es kann auch aus einem anderen, ge eigneten Material hergestellt sein, welches eine ausreichende Abschirmung gegenüber dem Leistungsbauteil 1 gewährleistet und/oder einen mechanischen Schutz bietet. Beispiele hierfür sind Keramiksubstrate, z. B. DCB-Substrate (Sandwich Kupfer- Keramik-Kupfer), Kunststoffe oder dergleichen.

Durch das zusätzliche, gesonderte Substrat 7 wird jedenfalls für eine doppelte elektrische und/oder mechanische Isolation des Sensorikbauteiles 2 von dem Leistungsbauteil 1 gesorgt, wobei diese Isolation auch eine Abschirmung gegenüber elek trischen Feldern usw. beinhalten kann.

Gegebenenfalls kann das zusätzliche, gesonderte Substrat 7 anstelle der Trennwand 8 auch ein Gehäuseelement 9 umfassen, welches den Sensor 6 einschließt, so daß dieser, wenn das Ge häuseelement 9 aus Metall besteht, vollständig von Beeinflus sungen durch elektrische Felder abgeschirmt ist. Ein Gehäu seelement 9 schafft auch eine besonders günstige mechanische Isolation oder Separation.

In Fig. 3 ist ein derartiges Gehäuseelement 9 in perspektivi scher Draufsicht gezeigt. Dieses Gehäuseelement 9 ist als Isolierrahmen 9a ausgebildet und weist eine Vorderwand 15a, Seitenwände 15b sowie einen Bodenbereich 15c auf. Der so ge schaffene Isolierrahmen 9a besitzt darüber hinaus im Bereich der rückwärtigen Kanten der Seitenwände 15b Einsteckelemente 11, die so ausgebildet sind, daß sie formschlüssig in Ausneh mungen 12 des Rand- oder Gehäusebereiches 10 des Leistungshalbleitermoduls eingeschoben werden können, um den Isolier rahmen 9a im Rand-/Gehäusebereich 10 zu haltern und zu fixie ren.

Durch den Isolierrahmen der Fig. 3 wird eine besonders gün stige elektrische und mechanische Isolation des im Isolier rahmen 9a aufgenommenen Sensorikbauteiles gegen elektrische Belastungen und mechanische Insultien geschaffen.

Bezugszeichenliste

1

Leistungsbauteil

2

Sensorikbauteil

3

Substrat .

4

Bauelement

5

Verbindungsdrähte

6

Sensor

7

zusätzliches, gesondertes Substrat

8

Trennblech

9

Gehäuseelement

9

a Gehäuserahmen

10

Rand-/Gehäusebereich

11

Einsteckelemente

12

Ausnehmungen

15

a Vorderwand Isolierrahmen

15

b Seitenwand Isolierrahmen

15

c Bodenbereich Isolierrahmen

Claims

1. Leistungshalbleitermodul mit einem Leistungsbauteil (1) und einem Sensorikbauteil (2), bei dem das Leistungsbauteil (1) auf einem Substrat (3) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorikbauteil (2) mit einem zusätzlichen, gesonder ten Substrat (7) versehen ist, das neben und/oder auf dem Substrat (3) des Leistungsbauteils (1) angeordnet ist, so daß zwischen dem Leistungsbauteil (1) und dem Sensorikbauteil (2) eine doppelte elektrische und/oder mechanische Isolation be steht.

2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche, gesonderte Substrat (3) zumindest teil weise aus Metall besteht.

3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche, gesonderte Substrat (3) zumindest teil weise aus Keramik besteht.

4. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche, gesonderte Substrat (3) aus DCB besteht.

5. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche, gesonderte Substrat (3) mindestens eine Trennwand (8) aufweist.

6. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (8) aus Metall besteht.

7. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche, gesonderte Substrat (7) als Gehäuseele ment (9) für das Sensorikbauteil (2) ausgebildet ist.

8. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseelement (9) aus Keramik, Kunststoff und/oder aus Metall besteht.

9. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungshalbleitermodul einen Rand- und/oder Gehäu sebereich (10) aufweist und daß das Gehäuseelement (9) des Sensorikbauteils (2) zumindest teilweise mit dem Rand- und/oder Gehäusebereich (10) inte griert und/oder im wesentlichen einstückig ausgebildet ist.

10. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Gehäuseelement (9) ein Isolierrahmen (9a) vorgesehen ist, welcher Einsteckelemente (11) aufweist, und daß der Isolierrahmen (9a) im Rand- und/oder Gehäusebereich (10) durch Einstecken der Einsteckelemente (11) in dort vor vorgesehene Ausnehmungen (12) halterbar und/oder fixierbar ist.

11. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuselement (9) mit dem Rand- und/oder Gehäusebe reich (10) einstückig ausgebildet ist, insbesondere als ange gossener Isolierrahmen (9a).