DE10125694A1

DE10125694A1 - Halbleitermodul mit mindestens einem Temperatursensor

Info

Publication number: DE10125694A1
Application number: DE2001125694
Authority: DE
Inventors: Roman Tschirbs; Manfred Loddenkoetter; Peter Wallmeier; Thilo Stolze
Original assignee: EUPEC GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2003-01-02

Abstract

Das Halbleitermodul umfasst mindestens einen Temperatursensor (6) und mindestens einen Leistungshalbleiter (1), der auf einem ersten Träger (2) angeordnet ist. Der Temperatursensor (6) ist auf einem zweiten separaten Träger (5) angeordnet und zwischen dem ersten (2) und dem zweiten (5) Träger besteht eine thermische Brücke (3). DOLLAR A Dadurch kann der Temperatursensor außerhalb des im Herstellungsprozess hohen Temperaturen unterliegenden kritischen Hochtemperaturbereichs des Leistungshalbleiters angeordnet werden. Damit kann ein kostengünstiger Temperatursensor verwendet werden, weil an dessen Hochtemperaturfestigkeit keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul mit mindestens einem Temperatursensor und mit mindestens einem Leistungshalbleiter, das auf einem ersten Träger angeordnet ist.

Aus der DE 199 04 575 A1 geht ein Halbleitermodul mit einem Leistungshalbleiterelement und einem Temperatursensor hervor, wobei der Temperatursensor zusammen mit dem Leistungshalbleiterelement in einem Halbleiterkörper integriert ist. Um einen effektiven Schutz vor thermischer Überlastung zu gewährleisten, ist der Temperatursensor bei diesem bekannten Modul in der Nähe der betriebsbedingt heißesten Stelle des Leistungshalbleiterelements vorgesehen. Der Temperatursensor gibt beim Überschreiten eines vorgegebenen Temperaturschwellwertes ein Signal aus, das von einer externen Auswerteschaltung verarbeitet werden und beispielsweise das Abschalten des Leistungshalbleiterelements bewirken kann.

Die Integration des Temperatursensors ist fertigungs- und beschaltungstechnisch vergleichsweise aufwendig und kann bei hohen zu schaltenden Betriebsströmen zu unerwünschten Effekten führen, die nach der DE 199 04 575 A1 durch zusätzliche Maßnahmen (z. B. einen zusätzlichen Ladungsträgerdetektor) unterbunden werden müssen.

Werden diskrete Temperatursensoren in Halbleitermodule integriert, werden die Temperatursensoren durch die Lötprozesse, denen die Leistungshalbleiterelemente unterzogen werden, sehr belastet. Während der Lötprozesse treten nämlich langandauernd hohe Löttemperaturen auf. Deshalb können nur spezielle Temperatursensoren verwendet werden, die z. B. durch Glaspassivierungen geschützt sind. Diese hochtemperaturbeständigen Temperatursensoren sind wesentlich teurer als Standardsensoren, so dass ein derart ausgestaltetes Halbleitermodul insgesamt hohe Herstellungskosten aufweist.

Vor diesem Hintergrund ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Halbleitermoduls, das bei zuverlässiger Temperaturüberwachung preiswert und günstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst durch Halbleitermodul mit mindestens einem Temperatursensor und mindestens einem Leistungshalbleiter, der auf einem ersten Träger angeordnet ist, wobei der Temperatursensor auf einem zweiten Träger angeordnet ist und zwischen dem ersten und dem zweiten Träger eine thermische Brücke besteht.

Da der Temperatursensor bei dem erfindungsgemäßen Halbleitermodul nicht auf dem Schaltungsträger des Leistungshalbleiters oder Leistungshalbleiterelements, sondern in unmittelbarer Nähe auf einem separaten (zweiten) Träger, z. B. einer Schaltungsplatine, angeordnet ist, bleibt der Temperatursensor außerhalb des im Fertigungsprozess thermisch hochbeanspruchten Leistungsteils. Wird darüber hinaus ohnehin eine Platine in das Modul integriert, dann kann der Temperatursensor auch dorthin verlagert werden.

Es kann somit ein kostengünstiger, standardmäßiger Temperatursensor verwendet werden, der keine - z. B. durch Glaspassivierung - erhöhte Temperaturbeständigkeit aufweisen muss. Es kann also auf wesentlich kostengünstigere Temperatursensoren zurückgegriffen werden, so dass sich die Herstellungskosten insgesamt reduzieren. Die thermische Kopplung durch die thermische Brücke zwischen dem ersten und dem zweiten Träger gewährleistet dennoch eine zuverlässige Temperaturüberwachung des Leistungshalbleiterelements.

Bevorzugt ist die thermische Brücke durch eine thermisch leitfähige Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Träger realisiert. Vorteilhafterweise kann die Verbindung aus einem metallischen Stift oder Band zwischen dem ersten und dem zweiten Träger bestehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert; es zeigen jeweils im Längsschnitt:
Fig. 1 einen Ausschnitt eines ersten erfindungsgemäßen Halbleitermoduls,
Fig. 2 einen Ausschnitt eines zweiten erfindungsgemäßen Halbleitermoduls,
Fig. 3 einen Ausschnitt eines dritten erfindungsgemäßen Halbleitermoduls und
Fig. 4 einen Ausschnitt eines vierten erfindungsgemäßen Halbleitermoduls.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung sind jeweils einander entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Halbleitermodul mit einem nur andeutungsweise dargestellten, an sich bekannten Leistungshalbleiter 1. Der Leistungshalbleiter entwickelt betriebsbedingt eine erhebliche Verlustleistung, die als Abwärme auftritt. Der Leistungshalbleiter 1 ist auf einem Trägersubstrat angeordnet, das einen ersten Träger 2 bildet.
In unmittelbarer räumlicher Nähe zu dem Leistungshalbleiter 1 ist eine thermische Verbindung 3 zu einem zweiten Träger 5 vorgesehen. Der zweite Träger 5 kann als gedruckte Leiterplatte (PCB) ausgeführt sein und verläuft annähernd planparallel zum Träger 2. Auf dem Träger 5 ist ein Temperatursensor 6 (beispielsweise NTC-Widerstand = Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten) montiert, der über nicht sichtbare Kontakte und Leitungen - z. B. Leiterbahnen auf dem Träger 5 - elektrisch kontaktiert ist. Die thermische Verbindung 3 ist als thermische Brücke in Form eines U-Winkels 7 ausgebildet, der mit jeweils einem Schenkel mit dem ersten Träger 2 bzw. mit dem zweiten Träger 5 thermisch verbunden ist. Der U-Winkel 7 besteht aus thermisch sehr gut leitendem Material, beispielsweise aus Metallband und kann mit dem jeweiligen Träger 2, 5 beispielsweise verlötet oder geklebt oder über eine Wärmeleitpaste verbunden sein. Auf diese Weise herrscht im Bereich der Position des Temperatursensors 6 annähernd die gleiche Temperatur wie am Leistungshalbleiter 1. Dennoch ist der Temperatursensor bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleitermoduls völlig unabhängig montierbar. Durch seine Anordnung auf einem separaten Träger (Leiterplatte) ist der Temperatursensor nicht den hohen und ggf. lang andauernden Löttemperaturen unterworfen, denen der Leistungshalbleiter während des Herstellungs- bzw. Montageprozesses ausgesetzt ist. Die gesamte gezeigte Anordnung kann von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sein.
Fig. 2 zeigt ein Halbleitermodul mit einem nur andeutungsweise dargestellten, an sich bekannten Leistungshalbleiter 1, der wiederum auf einem ersten Träger 2 angeordnet ist. Der Temperatursensor 6 ist wie in Fig. 1 gezeigt auf einem separaten, zweiten Träger 5 angeordnet, der annähernd planparallel zum Träger 2 verläuft. Auf der dem Temperatursensor abgewandten Unterseite des Trägers 5 ist eine gut wärmeleitende Platte 8 (und/oder eine dicke Leiterbahn) vorgesehen. Der Temperatursensor 6 befindet sich zwischen den einen Enden von mehreren metallischen Stiften 10, 11. Die Stifte 10, 11 enden mit ihren anderen Enden ummittelbar neben dem Leistungshalbleiter 1.
Die Stifte 10, 11 bilden somit eine thermische Brücke 13 und thermische Verbindung zwischen dem ersten Träger 2 und dem zweiten Träger 5.
Bei dem Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 bildet ein erster, den Leistungshalbleiter 1 tragender Träger 14 mit einem zweiten Träger 15 (z. B. PCB = Printed Circuit Board) einen rechten Winkel. Auf dem zweiten Träger 15 ist der Temperatursensor 6 angeordnet. Von der linken Seite des ersten Trägers 14 aus erstreckt sich ein sehr gut wärmeleitendes Band 20 (oder Stifte), das einen Teil einer als thermische Verbindung 23 fungierenden thermischen Brücke bildet. Die thermische Verbindung umfasst weiter eine auf der Unterseite 26 des Trägers 15 angeordnete Metallplatte 27. Das Band 20 und die Platte 27 treffen rechtwinklig aufeinander und gewährleisten eine gute Wärmeleitung von der Position des Leistungshalbleiters 1 bis zur Position des Temperatursensors 6.
Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 dadurch, dass ein L-Winkel 30 die Funktionen des Bandes 20 und der Platte 23 vereint. Dazu ist der L-Winkel mit je einem Schenkel mit dem Träger 14 und 15 bzw. mit einer darunter befindlichen Platte 32 thermisch gut leitend verbunden.
Erfindungsgemäß wird also der Temperatursensor beispielsweise als SMD-Bauteil (SMD = Surface Mounted Device) separat auf einem Schaltungsträger, z. B. einer Platine (PCB), montiert und über eine geeignete Wärmebrücke mit dem Bereich thermisch verbunden, in dem der Abwärme generierende Leitungshalbleiter positioniert ist. Durch diese nur thermische Kopplung kann der Temperatursensor außerhalb des im Herstellungsprozess hohen Temperaturen unterliegenden kritischen Hochtemperaturbereichs des Leistungshalbleiters verbleiben. Damit kann ein kostengünstiger Temperatursensor verwendet werden, weil an dessen Hochtemperaturfestigkeit keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen.
Üblicherweise werden auf dem Substrat bzw. dem Träger der Leistungshalbleiter nur diese selbst und keine weiteren Bauteile (z. B. SMD-Bauteile) wie etwa Temperatursensoren vorgesehen, da das Bestücken insbesondere von SMD-Bauteilen nicht mit dem Prozessablauf der Leistungshalbleiterbestückung kompatibel ist und somit hohe zusätzlicher Aufwand notwendig wäre. Auf der Platine verursacht die Bestückung eines zusätzlichen Bauteils jedoch nur einen geringen zusätzlichen Aufwand, insbesondere wenn diese ohnehin bestückt werden muss. Bezugszeichenliste 1 Leistungshalbleiter
2 erster Träger
3 thermische Verbindung
5 zweiter Träger
6 Temperatursensor
7 U-Winkel
8 Platte
10, 11 Stifte
13 thermische Brücke
14 erster Träger
15 zweiter Träger
20 Band
23 thermische Verbindung
26 Unterseite 26
27 Metallplatte
30 L-Winkel
32 Platte

Claims

1. Halbleitermodul mit
mindestens einem Temperatursensor (6) und
mindestens einem Leistungshalbleiter (1), der auf einem ersten Träger (2) angeordnet ist,
wobei der Temperatursensor (6) auf einem zweiten separaten Träger (5) angeordnet ist und
wobei zwischen dem ersten (2) und dem zweiten (5) Träger eine thermische Brücke (3) besteht.

2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die thermische Brücke (3) durch eine thermisch leitfähige Verbindung realisiert ist.

3. Gehäuse nach Anspruch 2, wobei die Verbindung zwischen dem ersten (2) und dem zweiten Träger (5) einen Stift (10, 12) und/oder ein Band (20) umfasst.