DE102007052630B4 - Leistungshalbleitermodul mit Temperatursensor - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitermodul mit
einer elektrisch und thermisch leitenden Bodenplatte (1),
einem auf der Bodenplatte (1) angeordneten elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Substrat (2),
einer zumindest auf der der Bodenplatte (1) abgewandten Seite des Substrats (2) aufgebrachten Metallisierung (21, 23),
mindestens einem an dem Substrat (2) und/oder der Metallisierung (21, 23) befestigten und mit der Metallisierung (21, 23) elektrisch in Verbindung stehenden Halbleiterbauelement (24),
einem Gehäuse (4), das zusammen mit der Bodenplatte (1) das Substrat (2) und das mindestens eine Halbleiterbauelement (24) zumindest teilweise umschließt und
einem von Gehäuse (4) und Bodenplatte (1) zumindest teilweise umschlossenen Temperatursensor (5), der in einem Block (7) aus einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Masse eingebettet ist, wobei
die Masse ein Polymer aufweist,
der Block (7) mit dem mindestens einen Halbleiterbauelement (24) in thermischem Kontakt steht,
der Block (7) als Kunststoffkörper ausgebildet ist, in den der Temperatursensor (5) durch Eingießen eingebettet ist,
das Halbleiterbauelement (24) außerhalb des Blocks (7) angeordnet ist,
das Gehäuse (4) mit Weichvergussmasse (3) verfüllt und der Block (7) in der Weichvergussmasse (3) vergossen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit Temperatursensor
  • Es sind Leistungshalbleitermodule bekannt, die auf Substraten aufgebrachte Temperatursensoren aufweisen, wobei die Substrate ihrerseits an einer Bodenplatte des Leistungshalbleitermoduls befestigt sind. Die Substrate weisen eine elektrisch isolierende Schicht mit guter thermischer Leitfähigkeit auf, so dass ein thermisch leitender Kontakt zur Bodenplatte besteht. Problematisch ist allerdings die elektrische Isolation in dem über dem Substrat liegenden Raum innerhalb des Leistungshalbleitermoduls, der üblicherweise mit Vergussmasse ausgefüllt ist. Die Vergussmasse bettet dabei den Temperatursensor zumindest teilweise ein. Im Schadensfall kann aufgrund hoher Energieeinträge zu elektrischen Durchlägen in der Vergussmasse kommen. Eine erforderliche sichere elektrische Trennung des Temperatursensors von hohe Spannungen führenden leistungselektronischen Bauteilen ist dann nicht mehr gegeben.
  • Aus der US 2005 / 0 199 999 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einer Bodenplatte bekannt, auf der ein Isolationssubstrat mit einem Halbleiterchip angeordnet ist. Der Halbleiterchip weist Dioden auf, die als Temperatursensoren verwendet werden.
  • Die US 2003 / 0 085 423 A1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul, in dem ein Leistungsteil und ein Sensorteil nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Im Sensorteil ist ein Temperatursensor vorgesehen, der mittels eines weiteren Substrates auf dem gemeinsamen Substrat angeordnet ist. Um den Temperatursensor elektrisch gegenüber dem Leistungsteil abzuschirmen, ist eine geerdete Platte zwischen dem Leistungsteil und dem Sensorteil angeordnet. Alternativ zu einer isolierenden Platte kann der Sensor auch von einem metallischen Gehäuse umschlossen sein.
  • Es ist daher eine bessere elektrische Trennung des Temperatursensors von hohe Spannungen führenden Bauteilen wünschenswert.
  • Dies wird erreicht durch ein Leistungshalbleitermodul, das eine elektrisch und thermisch leitende Bodenplatte, ein auf der Bodenplatte angeordnetes elektrisch isolierendes und thermisch leitendes Substrat, eine zumindest auf der der Bodenplatte abgewandten Seite des Substrats aufgebrachte Metallisierung und mindestens ein an dem Substrat und/oder der Metallisierung befestigtes und mit der Metallisierung elektrisch in Verbindung stehendes Halbleiterbauelement aufweist. Ferner ist ein Gehäuse vorgesehen, das zusammen mit der Bodenplatte das Substrat und das mindestens eine Halbleiterbauelement zumindest teilweise umschließt. Gehäuse und Bodenplatte umschließen dabei zumindest teilweise auch einen Temperatursensor, der in einem Block aus einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Masse eingebettet ist, wobei die Masse ein Polymer aufweist, wobei der Block mit dem mindestens einen Halbleiterbauelement in thermischem Kontakt steht, und wobei das Halbleiterbauelement außerhalb des Blocks angeordnet ist. Das Gehäuse ist mit Weichvergussmasse verfüllt und der Block ist in der Weichvergussmasse vergossen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
    • 1 im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul mit integriertem Temperatursensor nach dem Stand der Technik;
    • 2 im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul mit integriertem Temperatursensor mit Kunststoffkörper und Befestigung in der Bodenplatte;
    • 3 im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul mit integriertem Temperatursensor mit Kunststoffkörper und Verklebung auf der Bodenplatte;
    • 4 im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul mit integriertem Temperatursensor mit Kunststoffkörper und Verklebung auf dem Substrat;
    • 5 im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul mit integriertem Temperatursensor mit Kunststoffkörper und Verschraubung in der Bodenplatte;
    • 6 im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul mit integriertem Temperatursensor mit Kunststoffkörper mit zwei Materialbereichen;
    • 7 im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul mit integriertem Temperatursensor mit Kunststoffkörper und seitlich herausgeführten Anschlussleitern; und
    • 8 im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul mit integriertem Temperatursensor mit Kunststoffkörper und Kühlkörper und nach unten herausgeführten Anschlussleitern.
  • 1 zeigt im Querschnitt ein bekanntes Leistungshalbleitermodul mit integriertem Temperatursensor. Das Leistungshalbleitermodul nach 1 umfasst eine Bodenplatte 1 und ein Substrat 2 mit einer unteren Metallisierung 21, einer isolierenden Zwischenschicht 22 und einer oberen Metallisierung 23. Auf dem Substrat 2 angeordnet und mit diesem verbunden sind ein oder mehrere Halbleiterbauelemente 24 sowie Verbindungsleiter 25. Das Leistungshalbleitermodul nach 1 umfasst weiterhin Silikonvergussmasse 3, ein Gehäuse 4, einen Temperatursensor 5 sowie einen ersten Anschlussleiter 61 und einen zweiten Anschlussleiter 62 des Temperatursensors 5.
  • Gemäß 1 ist auf der Bodenplatte 1 das Substrat 2 angeordnet und mit diesem verbunden, wobei das Substrat 2 üblicherweise für eine Verschaltung der elektronischen Halbleiterbauelemente 24 untereinander und mit den nach außen geführten Signal- und Versorgungsverbindungen, wie zum Beispiel der Verbindungsleiter 25 sorgt. Der Temperatursensor 5 ist dabei auf einem gesonderten Substrat 2' angeordnet und mit diesem zum Beispiel durch eine Löt- und Klebeverbindung verbunden, die Wärme leitet. Die Halbleiterbauelemente 24 und der Temperatursensor 5 sind gemeinsam innerhalb des Gehäuses 4 untergebracht.
  • Die Anordnung des Temperatursensors 5 erfolgt dabei möglichst nahe an den Halbleiterbauelementen 24, deren Temperatur überwacht werden soll, um einen möglichst geringen Temperaturunterschied zwischen dem Temperatursensor 5 und den Halbleiterbauelementen 24 und damit eine hohe Genauigkeit der Temperaturmessung sicher zu stellen. Die Wärmeleitung zum Temperatursensor 5 erfolgt dabei auch über Bodenplatte 1 und Substrat 2.
  • Das Gehäuse 4 ist mit der Bodenplatte 1 verbunden, wodurch der Temperatursensor 5, die Halbleitebauelemente 24, das Substrat 2 und die Verbindungsleiter 25 zwischen Gehäuse 4 und Bodenplatte 1 eingeschlossen werden. Weiterhin umfasst das Leistungshalbleitermodul gemäß 1 eine Weichvergussmasse wie etwa eine Silikonvergussmasse 3, die den durch Gehäuse 4 und Bodenplatte 1 umschlossenen Hohlraum zumindest teilweise ausfüllt und damit den Temperatursensor 5, die Halbleitebauelemente 24, das Substrat 2 und die Verbindungsleiter 25 jeweils zumindest teilweise einbettet. Ein erster Anschlussleiter 61 des Temperatursensors 5 und ein zweiter Anschlussleiter 62 des Temperatursensor 5 werden dabei zur externen Auswertung des Signals des Temperatursensors 5 durch das Gehäuse 4 nach außen geführt.
  • Als problematisch stellt sich dabei die elektrische Isolation des Temperatursensors 5 in dem Bereich dar, in dem dieser von der elektrisch isolierenden Weichvergussmasse, nämlich der Silikonvergussmasse 3 umgeben ist. Bei Auftreten erhöhter Spannungen können elektrische Durchschläge in der Silikonvergussmasse 3 auftreten, wodurch eine Schädigung oder Zerstörung des Temperatursensors 5 hervorgerufen werden kann. In einem solchen Fall ist eine sichere elektrische Trennung beziehungsweise Isolierung des Temperatursensors 5 gegenüber den unter hohen Spannungen stehenden Halbleiterbauelementen 24 des Leistungshalbleitermoduls nicht mehr zuverlässig gegeben.
  • 2 zeigt im Querschnitt eine beispielhafte Ausführungsform eines Leistungshalbleitermoduls mit integriertem Temperatursensor 5 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Leistungshalbleitermodul nach 2 umfasst wiederum eine Bodenplatte 1 und ein Substrat 2. Weiterhin ist ein Gehäuse 4, ein Temperatursensor 5, ein erster Anschlussleiter 61 und ein zweiter Anschlussleiter 62 des Temperatursensors 5 vorgesehen. Gegenüber 1 umfasst das Leistungshalbleitermodul nach 2 einen den Temperatursensor 5 umgebenden Block wie beispielsweise einem Kunststoffkörper 7, einen einstückig an den Kunststoffkörper 7 angeformten Zapfen 71 sowie eine Öffnung 11 in der Bodenplatte 1. Die weiteren in 2 dargestellten Komponenten entsprechen denen aus 1 und sind daher nicht noch einmal näher bezeichnet.
  • Gemäß 2 ist der Temperatursensor 5 in einen eigenen Kunststoffkörper 7 eingebettet, wobei der Kunststoffkörper 7 direkt in Kontakt steht mit der Bodenplatte 1 und der Silikonvergussmasse 3. Der Zapfen 71 am Kunststoffkörper 7 greift in die Öffnung 11 in der Bodenplatte 1 ein. Der Kunststoffkörper 7 um den Temperatursensor 5 erstreckt sich weiterhin durch das Gehäuse 4 nach außen und isoliert auf diese Weise den nach außen geführten ersten Anschlussleiter 61 und den ebenfalls nach außen geführten zweiten Anschlussleiter 62 des Temperatursensors 5 elektrisch vom Gehäuse 4. Der Temperatursensor 5 ist dabei im Kunststoffkörper 7 so angeordnet, dass er sich möglichst in Nähe zur Bodenplatte 1 befindet, die bedingt durch ihre hohe Wärmeleitfähigkeit einen ausreichenden Anteil der von den Halbleiterbauelementen 24 erzeugten Wärme an den Kunststoffkörper 7 und damit den Temperatursensor 5 überträgt. Dadurch wird eine hohe Genauigkeit der Temperaturmessung erreicht.
  • Das Material des Kunststoffkörpers 7, in den der Temperatursensor 5 etwa durch Eingießen eingebettet ist, weist beispielsweise ein hoch wärmeleitfähiges, jedoch elektrisch gut isolierendes Polymer auf. Ein solches Polymer weist beispielsweise eine thermische Leitfähigkeit auf, die im Bereich von größer 1W/m.K liegt, um auch hierdurch eine hohe Genauigkeit der Temperaturmessung zu gewährleisten. Beispiele für geeignete Polymere sind Thermoplaste wie etwa Polyamide, Polypropylen, Polyphenylensulfide, Flüssigkristalle etc.
  • Die Öffnung 11 in der Bodenplatte 1 dient zur Aufnahme des Zapfens 71 des Kunststoffkörpers 7. Dadurch wird ein guter mechanischer Kontakt zwischen dem Zapfen 71 und der Bodenplatte 1 beziehungsweise eine zuverlässige Verankerung des Kunststoffkörpers 7 in der Bodenplatte 1 erreicht. Darüber hinaus wird auf diese Weise auch eine große Kontaktfläche zwischen dem Kunststoffkörper 7 und der Bodenplatte 1 geschaffen, was wiederum für eine gute Wärmeübertragung von der Bodenplatte 1 auf den Kunststoffkörper 7 und damit den Temperatursensor 5 sorgt.
  • Dabei können der Zapfen 71 und die Öffnung 11 zum Beispiel mit rundem Querschnitt ausgeführt werden, wobei auch andere einander entsprechende Querschnitte, wie zum Beispiel quadratische oder sechseckige etc. möglich sind. Bei einer im Querschnitt runden Ausführungsform von Zapfen 71 und Öffnung 11 kann der Zapfen 71 im Durchmesser zum Beispiel geringfügig größer ausgeführt werden als die zugehörige Öffnung 11 in der Bodenplatte 1. Da das Material beziehungsweise die Vergussmasse des Kunststoffkörpers 7 typischerweise ein gewisses Maß an Elastizität aufweist, zum Beispiel bei Verwendung von Polymeren, kann der Zapfen 71 als Presspassung in die Bohrung 11 eingesetzt und mechanisch sicher darin gehalten werden.
  • Alternativ zu einer Presspassung können der Zapfen 71, die Öffnung 11 und die weiteren Kontaktflächen des Kunststoffkörpers 7 mit der Bodenplatte 1 auch unter Anwendung von Klebetechniken mit der Bodenplatte 1 verbunden werden. In einem solchen Fall kann der Zapfen 71 in seinen Abmessungen zum Beispiel geringfügig kleiner ausgeführt werden als die Öffnung 11, um ein Klebemittel für die Klebeverbindung gut zwischen den aneinander angrenzenden Klebeflächen aufzunehmen. Zum Beispiel wird in einem solchen Fall, auch wenn die Klebeschicht üblicherweise sehr dünn ausgeführt wird, ein Klebemittel verwendet, das ebenfalls eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist.
  • Ein weiterer Vorteil des Kunststoffkörpers 7 gemäß 2 besteht darin, dass der Kunststoffkörper 7 zusammen mit dem eingegossenen Temperatursensor 5 in einem Vorfertigungsschritt getrennt vom Leistungshalbleitermodul hergestellt werden kann. Dabei kann herkömmliche Kunststoffspritztechnik zum Einsatz kommen, wodurch eine kostengünstige und rationelle Herstellung ermöglicht wird. Der so vorgefertigte, den Temperatursensor 5, den ersten Anschlussleiter 61 und den zweiten Anschlussleiter 62 umfassende Kunststoffkörper 7 wird dann entsprechend mit dem Zapfen 71 in die Bodenplatte 1 des Leistungshalbleitermoduls eingesetzt beziehungsweise mit dieser verklebt. Im Anschluss daran werden der Kunststoffkörper 7 und die weiteren bestückten Komponenten des Leistungshalbleitermoduls gemeinsam mit der Silikonvergussmasse 3 vergossen.
  • 3 zeigt im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul mit einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines integrierten Temperatursensors. Das Leistungshalbleitermodul nach 3 umfasst wiederum eine Bodenplatte 1, ein Substrat 2, ein Gehäuse 4, einen Temperatursensor 5, einen Kunststoffkörper 7 sowie die Anschlussleiter 61 und 62. Die weiteren in 3 dargestellten Komponenten entsprechen wiederum denen gemäß 1 und 2. Das Material des Kunststoffkörpers 7, in das der Temperatursensor 5 eingebettet ist, umfasst wiederum ein hoch wärmeleitfähiges, elektrisch isolierendes Polymer. Im Unterschied zu 2 ist der Kunststoffkörper 7 hier jedoch ohne Zapfen ausgeführt. Dementsprechend ist auch keine Öffnung 11 in der Bodenplatte 1 zur Aufnahme des Zapfens vorgesehen. Die mechanische und wärmeleitfähige Verbindung zwischen dem Kunststoffkörper 7 und damit auch des Temperatursensors 5 und der Bodenplatte wird bei dem Leistungshalbleitermodul gemäß 3 durch eine Klebeverbindung 72 hergestellt. Es wird dabei wiederum ein Klebemittel verwendet, das eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Ein wesentlicher Vorteil der Ausführungsform gemäß 3 besteht darin, dass der Kunststoffkörper 7 in seiner geometrischen Form vereinfacht ist (kein Zapfen 71) und auch keine Öffnung 11 in der Bodenplatte 1 vorgesehen werden muss. Damit lässt sich sowohl der Kunststoffkörper 7 als auch die Bodenplatte 1 einfacher und kostengünstiger herstellen.
  • 4 zeigt im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul mit einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines integrierten Temperatursensors. Das Leistungshalbleitermodul nach 4 umfasst wiederum eine Bodenplatte 1, ein Substrat 2, ein Gehäuse 4, einen Temperatursensor 5, einen Kunststoffkörper 7 sowie die Anschlussleiter 61 und 62 auf. Die weiteren in 3 dargestellten Komponenten entsprechen denen gemäß 1 bis 3 und sind daher nicht nochmals näher bezeichnet.
  • Gemäß 4 ist der Kunststoffkörper 7 des Temperatursensors 5 dabei im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 3 nicht auf der Bodenplatte 1 angeordnet, sondern direkt auf dem Substrat 2. Die mechanische und wärmeleitfähige Verbindung zwischen dem Kunststoffkörper 7 des Temperatursensors 5 und dem Substrat 2 wird gemäß 4 durch eine Befestigung in einem Bereich 231 der oberen Metallisierung 23 (vgl. 1) des Substrats 2 ausgeführt. Diese Befestigung kann dabei wiederum als Klebeverbindung ausgeführt werden. Auch hier wird ein Klebemittel verwendet, das eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Ein Vorteil der Ausführungsform gemäß 4 besteht darin, dass der Kunststoffkörper 7 des Temperatursensors 5 näher an den Halbleiterbauelementen 24 des Leistungshalbleitermoduls angeordnet ist, wodurch sich eine noch weiter verbesserte Wärmeleitung von den Halbleiterbauelementen 24 zum Kunststoffkörper 7 und damit zum Temperatursensor 5 ergibt.
  • In den Ausführungsbeispielen gemäß 2 und 3 umfasst die Wärme leitende Strecke von den Halbleiterbauelementen 24 zu dem Temperatursensor 5 das Substrat 2 (bestehend aus der oberen Metallisierung 23, der isolierenden Zwischenschicht 22 und der unteren Metallisierung 21), die Bodenplatte 1 und den Kunststoffkörper 7. Demgegenüber umfasst in 4 die Wärme leitende Strecke von den Halbleiterbauelementen 24 zu dem Temperatursensor 5 lediglich die obere Metallisierung 23 und den Kunststoffkörper 7, wodurch sich ein geringerer Temperaturabfall zwischen den Halbleiterbauelementen 24 und dem Temperatursensor 5 ergibt.
  • 5 zeigt im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, die weitgehend der Ausführungsform gemäß 2 gleicht mit dem Unterschied, dass der Kunststoffkörper 7 einen mit einem Außengewinde ausgebildeten Zapfen 73 aufweist. Dabei ist die Öffnung 11 in der Bodenplatte 1 mit einem entsprechenden Innengewinde ausgeführt, so dass der Kunststoffkörper 7 in der Bodenplatte 1 verschraubt werden kann, um die erwünschte mechanische Festigkeit der Verbindung und die erwünschte Wärmeleitung zwischen Bodenplatte 1 und Kunststoffkörper 7 zu erzielen. Auch bei dieser Ausführungsform kann zusätzlich gut Wärme leitendes Klebemittel zwischen den aneinander grenzenden Flächen des Kunststoffkörpers 7 und der Bodenplatte 1 beziehungsweise der Öffnung 11 verwendet werden, um die mechanische Stabilität und die Wärmeübertragung weiter zu verbessern.
  • 6 zeigt im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul mit einem einen Gewindezapfen 73 aufweisenden Kunststoffkörper 7, einen Temperatursensor 5, einer Bodenplatte 1 und Halbleiterbauelementen 24. Dabei ist ein erster Bereich 74 des Kunststoffkörpers 7, ein zweiter Bereich 75 des Kunststoffkörpers 7 vorgesehen. Die Besonderheit des Kunststoffkörpers 7 nach 6 besteht darin, dass dieser Kunststoffkörper nicht homogen und durchgängig aus dem gleichen Material hergestellt ist, sondern dass Bereich 74 und Bereich 75 aus unterschiedlichen Materialien, also zum Beispiel aus unterschiedlichen Polymeren hergestellt sind.
  • Dabei umfasst der erste Bereich 74 beispielsweise ein Polymermaterial, das eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie zum Beispiel PVC mit einer Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung von kleiner als 0,2 W/mK. Der zweite Bereich 75 umfasst ein Polymermaterial, das die Eigenschaft einer möglichst hohen Wärmeleitfähigkeit aufweist, zum Beispiel ein Kunststoff mit einer Wärmeleitfähigkeit größer 1 W/m.K Beispiele für geeignete Polymere sind Thermoplaste wie etwa Polyamide, Polypropylen, Polyphenylensulfide, Flüssigkristalle etc. Dadurch wird zwischen dem ersten Bereich 74 und dem zweiten Bereich 75 des Kunststoffkörpers 7 eine Grenzfläche 76 ausgebildet, die in 6 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.
  • Der Temperatursensor 5 ist dabei in dem zweiten Bereich 75 mit hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet, und zwar möglichst nahe zu einer Grenzfläche 77 hin, von der die Wärmeleitung in den Kunststoffkörper 7 erfolgt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 6 befindet sich diese Grenzfläche 77 zwischen Kunststoffkörper 7 und Bodenplatte 1. Dabei kann die Grenzfläche 77 zur Wärmeeinleitung in den Kunststoffkörper 7, wie aus 4 zu ersehen, zum Beispiel auch die obere Metallisierung 23 des Substrats 2 sein.
  • Durch die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit der in dem ersten Bereich 74 und dem zweiten Bereich 75 verwendeten Materialien wird die Grenzfläche 76 gebildet, an der eine weitere Ableitung der über den zweiten Bereich 75 in den Kunststoffkörper 7 eintretenden Wärme in den ersten Bereich 74 stark abgeschwächt wird. Bei einem über den gesamten Körper hinweg homogen ausgeführten Kunststoffkörper 7, wie etwa in den Beispielen gemäß den 2 bis 5, fällt die in den Kunststoffkörper 7 eintretende Wärme vom Eintrittsort weg über den gesamten Kunststoffkörper 7 hinweg gleichmäßig ab.
  • Demgegenüber staut sich die in den Kunststoffkörper 7 an der Grenzfläche 77 eingeleitete Wärme bei der Ausführungsform nach 7 an der Grenzfläche 76. Dies bedeutet, dass der zweite Bereich 75, in dem der Temperatursensor 5 angeordnet ist, auf eine höhere Temperatur erwärmt wird, die damit näher an der zu messenden Temperatur der Halbleiterbauelemente 24 liegt. Das heißt, dass der Temperaturabfall über die Übertragungsstrecke hin zum Temperatursensor 5 geringer ausfällt, wodurch die Genauigkeit der Temperaturmessung erhöht wird.
  • 7 zeigt im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul mit wiederum einer Bodenplatte 1, einem Substrat 2, einem Gehäuse 4, einem Temperatursensor 5 sowie Anschlussleiter 61, 62 des Temperatursensors 5. Weiterhin umfasst das Leistungshalbleitermodul nach 7 Halbleiterbauelemente 24, ein Substrat 2, Siliconvergussmasse 3, einen Kunststoffkörper 7 mit Zapfen 71 sowie eine Öffnung 11 in der Bodenplatte 1. Die weiteren in 8 dargestellten Komponenten entsprechen denen gemäß den 1 bis 7 und sind daher nicht nochmals näher bezeichnet.
  • Die Öffnung 11 in der Bodenplatte 1 dient wiederum zur Aufnahme des Zapfens 71. Die Ausführungsform des Kunststoffkörpers 7 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 2 dadurch, dass der erste Anschlussleiter 61 und der zweite Anschlussleiter 62 nicht nach oben durch das Gehäuse 4 nach außen geführt werden, sondern durch eine Seitenwand des Gehäuses 4. Auch wird, wie in den Ausführungsformen nach den 2 bis 6, durch Vergießen des Temperatursensors 5 in einem massiven elektrisch isolierenden Block, dem Kunststoffkörper 7 mit hoher thermischer Leitfähigkeit eine sehr gute elektrische Isolierung des Temperatursensors 5 von anderen Komponenten, wie zum Beispiel den Halbleiterbauelementen 24 erreicht.
  • Da die im Kunststoffkörper 7 isolierten Anschlussleiter 61 und 62 seitlich aus dem Gehäuse herausgeführt sind, kann eine insgesamt geringere Baugröße des Kunststoffkörpers 7 realisiert werden. Damit verringert sich die thermische Kapazität des Kunststoffkörpers 7 und der darin eingeschlossene Temperatursensor 5 wird schneller erwärmt, so dass die Messung insbesondere bei Temperaturschwankungen genauerer wird, das heißt, die Reaktionszeit des vom Temperatursensor 5 im Kunststoffkörper 7 auf Temperaturschwankungen wird herabgesetzt.
  • Darüber hinaus ermöglicht diese Ausführungsform auch eine vergrößerte Grenzfläche 77 zur Wärmeeinleitung von der Bodenplatte 1 in den Kunststoffkörper 7, wodurch ebenfalls eine raschere Wärmeübertragung von der Bodenplatte 1 auf den Kunststoffkörper 7 und damit den Temperatursensor 5 gegeben ist. Zusätzlich dazu können der erste und zweite Anschlussleiter 61 und 62 weiter entfernt von Spannung führenden Leistungsbauteilen wie den Halbleiterbauelementen 24 angeordnet werden, wodurch die erwünschte sichere Trennung beziehungsweise Isolierung erreicht wird.
  • 8 zeigt im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul mit integriertem Temperatursensor, der die aus den vorhergehenden Figuren bekannten Komponenten wie etwa Bodenplatte 1, Gehäuse 4, Kunststoffkörper 7, Zapfen 71, Temperatursensor 5, Bodenplatte 1 mit Öffnung 11 sowie Anschlussleiter 61 und 62 aufweist. Weiterhin umfasst das Leistungshalbleitermodul einen Kühlkörper 8 mit Kühlkörperrippen 82 und einer Öffnung 81. Der Kühlkörper 8 ist dabei mit der Bodenplatte 1 des Leistungshalbleitermoduls verbunden. Ein solcher Kühlkörper 8 wird beispielsweise eingesetzt, um überschüssige Wärme vom Leistungshalbleitermodul abzuführen und über die Kühlrippen 82 an die umgebende Luft zu übertragen. Die Kühlrippen 82 bieten dabei eine große Oberfläche zur Ableitung unerwünschter Wärme. Gemäß 8 werden die Anschlussleiter 61 und 62 des Temperatursensors 5 durch den Zapfen 71 des Kunststoffkörpers und die Öffnung 11 in der Bodenplatte 1 aus dem Leistungshalbleitermodul nach außen geführt. Wie aus 8 weiter zu ersehen ist, ergibt sich dadurch wie gemäß 7 eine verringerte Baugröße des Kunststoffkörpers 7, die ebenfalls die bei 7 beschriebenen Vorteile verringerter thermischer Kapazität, kürzerer Reaktionszeit auf Temperaturänderungen in den Halbleiterbauelementen 24 und sicherer Trennung beziehungsweise Isolierung von den Halbleiterbauelementen 24 bietet.
  • Wird das Leistungshalbleitermodul, wie in 8 gezeigt, mit einem an der Bodenplatte 1 befestigten Kühlkörper 8 ausgeführt, kann dieser ebenfalls eine entsprechende Öffnung 81 haben, um die Anschlussleiter 61 und 62 des Temperatursensors 5 nach außen zu führen. Die Öffnung 81 im Kühlkörper 8 wird dazu bei der Montage entsprechend auf die Öffnung 11 in der Bodenplatte 1 ausgerichtet. Der Zapfen 71 des Kunststoffkörpers 7 ist dabei beispielsweise nur so lang, dass er sich nicht über die Öffnung 11 in der Bodenplatte 1 hinaus in die Öffnung 81 des Kühlkörpers 8 erstreckt. Beispielsweise erstreckt sich der Zapfen 71, wie in 8 gezeigt, nur zu einem Teil in die Öffnung 11 der Bodenplatte 1, um eine Verfälschung der Messung durch den Kühlkörper 8 so gering wie möglich zu halten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Bodenplatte
    11
    Öffnung in der Bodenplatte
    2
    Substrat
    21
    untere Metallisierung des Substrats
    22
    isolierende Zwischenschicht
    23
    obere Metallisierung des Substrats
    231
    Befestigungsbereich in oberer Metallisierung
    24
    Halbleiterbauelemente
    25
    Verbindungsleiter
    3
    Silikonvergussmasse
    4
    Gehäuse
    5
    Temperatursensor
    61
    erster Anschlussleiter des Temperatursensors
    62
    zweiter Anschlussleiter des Temperatursensors
    7
    Kunststoffkörper des Temperatursensors
    71
    Zapfen
    72
    Klebeverbindung
    73
    Gewindezapfen
    74
    erster Bereich des Kunststoffkörpers
    75
    zweiter Bereich des Kunststoffkörpers
    76
    Grenzfläche
    77
    Grenzfläche
    8
    Kühlkörper
    81
    Öffnung im Kühlkörper
    82
    Kühlkörperrippe

Claims (13)

  1. Leistungshalbleitermodul mit einer elektrisch und thermisch leitenden Bodenplatte (1), einem auf der Bodenplatte (1) angeordneten elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Substrat (2), einer zumindest auf der der Bodenplatte (1) abgewandten Seite des Substrats (2) aufgebrachten Metallisierung (21, 23), mindestens einem an dem Substrat (2) und/oder der Metallisierung (21, 23) befestigten und mit der Metallisierung (21, 23) elektrisch in Verbindung stehenden Halbleiterbauelement (24), einem Gehäuse (4), das zusammen mit der Bodenplatte (1) das Substrat (2) und das mindestens eine Halbleiterbauelement (24) zumindest teilweise umschließt und einem von Gehäuse (4) und Bodenplatte (1) zumindest teilweise umschlossenen Temperatursensor (5), der in einem Block (7) aus einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Masse eingebettet ist, wobei die Masse ein Polymer aufweist, der Block (7) mit dem mindestens einen Halbleiterbauelement (24) in thermischem Kontakt steht, der Block (7) als Kunststoffkörper ausgebildet ist, in den der Temperatursensor (5) durch Eingießen eingebettet ist, das Halbleiterbauelement (24) außerhalb des Blocks (7) angeordnet ist, das Gehäuse (4) mit Weichvergussmasse (3) verfüllt und der Block (7) in der Weichvergussmasse (3) vergossen ist.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die Masse eine thermische Leitfähigkeit größer 1W/mK aufweist.
  3. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Gehäuse (4) eine Öffnung aufweist und der Block (7) so ausgebildet und angeordnet ist, dass er durch die Öffnung hindurch aus dem Gehäuse (4) hinausragt.
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, bei dem der aus dem Gehäuse (4) hinausragende Teil elektrische Anschlüsse (61, 62) für den Temperatursensor (5) aufweist.
  5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, bei dem die Anschlüsse (61, 62) von der Bodenplatte (1) weggerichtet aus dem Gehäuse (4) ragen.
  6. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, bei dem die Anschlüsse (61, 62) in Richtung parallel zur Bodenplatte (1) aus dem Gehäuse (4) ragen.
  7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, bei dem die Bodenplatte (1) eine Öffnung (11) aufweist und die Anschlüsse (61, 62) durch die Öffnung (11) hindurch aus dem Gehäuse (4) ragen.
  8. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Block (7) zumindest über die Bodenplatte (1) mit dem mindestens einen Halbleiterbauelement (24) in thermischem Kontakt steht.
  9. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Block (7) zumindest über das Substrat (2) und/oder dessen Metallisierung (21, 23) mit dem mindestens einen Halbleiterbauelement (24) in thermischem Kontakt steht.
  10. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Bodenplatte (1) eine Öffnung (11) und der Block einen Zapfen (71) aufweist, wobei der Zapfen eine Presspassung bildend sich in die Öffnung (11) der Bodenplatte (1) erstreckt.
  11. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Bodenplatte (1) eine Öffnung (11) mit Gewinde und der Block (7) einen Zapfen (73) mit entsprechendem Gegengewinde aufweist, wobei der Zapfen (7) eine Schraubverbindung bildend in die Öffnung (11) der Bodenplatte (1) eingedreht ist.
  12. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Block (7) mittels einer Klebeverbindung an der Bodenplatte (1), dem Substrat (2) oder dessen Metallisierung (21, 23) befestigt ist.
  13. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Block (7) zwei Bereiche (74, 75) mit unterschiedlicher thermischer Leitfähigkeit aufweist, von denen der Bereich (75) mit höherer thermischer Leitfähigkeit sich näher zur Bodenplatte (1) hin befindet und den Temperatursensor (5) umschließt.
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