DE102015121577B4

DE102015121577B4 - Verfahren zur erkennung eines sich abzeichnenden ausfalls eines halbleiterchips eines halbleitermoduls und halbeitermodulanordnung

Info

Publication number: DE102015121577B4
Application number: DE102015121577.2A
Authority: DE
Inventors: Tilo Poller; Olaf Hohlfeld
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2035-12-12
Also published as: DE102015121577A1

Abstract

Verfahren zur Erkennung eines sich abzeichnenden Ausfalls eines Halbleiterchips (1) eines Halbleitermoduls (100), das ein Modulgehäuse (7) aufweist, in dem der Halbleiterchip (1) und eine Strahlungssensoranordnung (3) zur Früherkennung einer Anschädigung des Halbleiterchips (1) angeordnet sind, wobei das Verfahren aufweist:Erfassen einer von dem Halbleiterchip (1) ausgehenden, elektromagnetischen Strahlung (10), die an einem gleichrichtenden pn- oder Schottky-Übergang des Halbleiterchips (1) entsteht, mittels der Strahlungssensoranordnung (3);Ausgeben eines Signals (S200) als Reaktion darauf, dass festgestellt wird, dass ein Parameter, der auf einer Auswertung eines Spektralteils oder mehrerer Spektralteile der elektromagnetischen Strahlung (10) beruht, einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet oder unterschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft Halbeitermodule, die einen Halbleiterchip enthalten. Ein solches Halbleitermodul kann beispielsweise einen Stromrichter oder einen Teil eines Stromrichters enthalten. Während des Betriebs eines Halbleitermoduls kann es zu einer elektrischen und/oder thermischen Überlastung des Halbleiterchips kommen, durch die der Leistungshalbleiter so angeschädigt wird, dass er zwar noch funktionsfähig ist, die Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall des Halbleiterchips jedoch signifikant ansteigt. Wenn es dann während des weiteren Betriebs des Halbleitermoduls zu einem Ausfall des Halbleiterchips kommt, besteht die Gefahr von Folgeschäden, beispielsweise dass andere Komponenten des Halbleitermoduls und/oder an das Halbleitermodul angeschlossene Komponenten beschädigt werden.
Aus der US 2007 120 571 A1 ist es bekannt, die ordnungsgemäße Funktion von Taktsignalen einer integrierten Schaltung (IC) während deren Herstellung zu beurteilen. Hierzu werden von der integrierten Schaltung ausgehende elektromagnetische Emissionen über eine außerhalb der integrierten Schaltung befindliche Sonde erfasst. Hierbei wird die Sonde mittels eines Roboterarms über die integrierte Schaltung bewegt. Die mit der Sonde erfassten Signale werden mittels eines außerhalb der integrierten Schaltung befindlichen Computersystems ausgewertet.
Die US 2005 002 028 A1 beschreibt die Untersuchung von Chips mittels einer außerhalb des Chips befindlichen Testumgebung. Die Testumgebung regt den jeweiligen Chip an und erfasst die daraufhin von dem Chip abgegebene optische Emission.
In der US 2013 069 658 A1 ist ein Mobiltelefon beschrieben, das einen Akku aufweist, sowie mehrere integrierte Empfangsantennen, die eine von dem Akku ausgehende, elektromagnetische Strahlung erfassen. Anhand der Auswertung der Strahlung soll festgestellt werden, ob eine es sich bei dem Akku um einen Original-Akku oder einen nicht-autorisierten Akku eines Drittherstellers handelt.
Die DE 2 527 858 A1 betrifft ein elektrisches Bauelement aus einem integrierten Schaltkreis und einem Leuchtelement. Das Leuchtelement dient als Indikator für die Funktion des integrierten Schaltkreises.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleitermoduls und ein Halbleitermodulsystem bereitzustellen, mit dem sich die genannten Folgeschäden vermeiden lassen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erkennung eines sich abzeichnenden Ausfalls eines Halbleiterchips eines Halbleitermoduls gemäß Patentanspruch 1 oder 14 bzw. durch eine Halbeitermodulanordnung gemäß Patentanspruch 20 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein erster Aspekt betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines sich abzeichnenden Ausfalls eines Halbleiterchips eines Halbleitermoduls, das ein Modulgehäuse aufweist, in dem der Halbleiterchip und eine Strahlungssensoranordnung zur Früherkennung einer Anschädigung des Halbleiterchips angeordnet sind. Hierzu wird eine an einem gleichrichtenden pn- oder Schottky-Übergang des Halbleiterchips entstehende, elektromagnetische Strahlung mittels einer Strahlungssensoranordnung erfasst. Als Reaktion darauf, dass festgestellt wird, dass ein Parameter, der auf einer Auswertung eines Spektralteils oder mehrerer Spektralteile der elektromagnetischen Strahlung beruht, einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet oder unterschreitet, wird ein Signal ausgegeben.
Ein zweiter Aspekt betrifft eine Halbeitermodulanordnung mit einem Halbleitermodul, das ein Modulgehäuse aufweist, sowie einen Halbleiterchip und eine Strahlungssensoranordnung, die in dem Modulgehäuse angeordnet sind. Die Halbeitermodulanordnung weist außerdem eine Auswerteeinheit auf, und es ist zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt ausgebildet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Die Darstellung in den Figuren ist nicht maßstäblich. Es zeigen:

1 einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines ersten Beispiels einer Halbeitermodulanordnung, die ein Halbleitermodul mit einem Halbleiterchip und eine Strahlungssensoranordnung zur Früherkennung einer Anschädigung des Halbleiterchips aufweist.
2 einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines zweiten Beispiels einer Halbeitermodulanordnung, die ein Halbleitermodul mit einem Halbleiterchip und eine Strahlungssensoranordnung zur Früherkennung einer Anschädigung des Halbleiterchips aufweist.
3 einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines dritten Beispiels einer Halbeitermodulanordnung, die ein Halbleitermodul mit einem Halbleiterchip und eine Strahlungssensoranordnung zur Früherkennung einer Anschädigung des Halbleiterchips aufweist.
4 einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines vierten Beispiels einer Halbeitermodulanordnung, die ein Halbleitermodul mit einem Halbleiterchip und eine Strahlungssensoranordnung zur Früherkennung einer Anschädigung des Halbleiterchips aufweist.
5 einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines fünften Beispiels einer Halbeitermodulanordnung, die ein Halbleitermodul mit einem Halbleiterchip und eine Strahlungssensoranordnung zur Früherkennung einer Anschädigung des Halbleiterchips aufweist.
6 einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines sechsten Beispiels einer Halbeitermodulanordnung, die ein Halbleitermodul mit einem Halbleiterchip und eine Strahlungssensoranordnung zur Früherkennung einer Anschädigung des Halbleiterchips aufweist.
7A ein erstes Beispiel zur Ermittlung des Schädigungsgrades eines Halbleiterchips anhand einer Überwachung der von dem Halbleiterchip emittierten elektromagnetischen Strahlung.
7B ein zweites Beispiel zur Ermittlung des Schädigungsgrades eines Halbleiterchips anhand einer Überwachung der von dem Halbleiterchip emittierten elektromagnetischen Strahlung.
8 eine Strahlungssensoranordnung zur Ermittlung des Schädigungsgrades eines Halbleiterchips zu dem Beispiel gemäß den 7A und 7B.
9 ein drittes Beispiel zur Ermittlung des Schädigungsgrades eines Halbleiterchips anhand einer Überwachung der von dem Halbleiterchip emittierten elektromagnetischen Strahlung.
10 eine Strahlungssensoranordnung zur Ermittlung des Schädigungsgrades eines Halbleiterchips zu dem Beispiel gemäß 9.
11 ein drittes Beispiel zur Ermittlung des Schädigungsgrades eines Halbleiterchips anhand einer Überwachung der von dem Halbleiterchip emittierten elektromagnetischen Strahlung.
12 ein viertes Beispiel zur Ermittlung des Schädigungsgrades eines Halbleiterchips anhand einer Überwachung der von dem Halbleiterchip emittierten elektromagnetischen Strahlung.
13 eine Strahlungssensoranordnung zur Ermittlung des Schädigungsgrades eines Halbleiterchips zu dem Beispiel gemäß 12.
14 eine weitere Strahlungssensoranordnung zur Ermittlung des Schädigungsgrades eines Halbleiterchips zu dem Beispiel gemäß 12.

1 zeigt einen Querschnitt durch ein Halbleitermodul 100 mit einem Modulgehäuse 7, sowie mit einem Schaltungsträger 2, der mit einem oder mehreren im Inneren des Modulgehäuses 7 angeordneten Halbleiterchips 1 bestückt sein kann. Außerdem weist das Halbleitermodul 100 zu seiner internen Verschaltung elektrisch leitende Verbindungselemente 12 wie beispielsweise Bonddrähte, Verbindungsbleche, Stromschienen auf, die im Inneren des Modulgehäuses 7 angeordnet sind, sowie elektrisch leitende Anschlusselemente 4 und optionale, elektrisch leitende Anschlusselemente 5. Die Anschlusselemente 4 und, soweit vorhanden, die Anschlusselemente 5 sind aus dem Inneren des Modulgehäuses 7 herausgeführt, so dass das betreffende Anschlusselement 4, 5 an einem Ende 41, 51 von der Außenseite des Modulgehäuses 7 her elektrisch kontaktiert werden kann. Hierzu kann das Ende 41, 51 des betreffenden Anschlusselement 4, 5 aus dem Modulgehäuse 7 herausragen, bündig mit der Außenseite des Modulgehäuses 7 abschließen, oder in einer an der Außenseite des Modulgehäuses 7 ausgebildeten Vertiefung angeordnet sein.
Der Schaltungsträger 2 besitzt einen dielektrischen Isolationsträger 20, der als flaches Plättchen ausgebildet ist und der eine obere Hauptfläche und eine dieser entgegengesetzte untere Hauptfläche aufweist. Auf die obere Hauptfläche des Isolationsträgers 20 ist eine obere Metallisierungsschicht 21 aufgebracht, die optional zu Leiterbahnen und/oder Leiterflächen strukturiert sein kann. Außerdem ist auf die untere Hauptfläche des Isolationsträgers 20 eine optionale untere Metallisierungsschicht 22 aufgebracht, die unstrukturiert ist, alternativ aber auch strukturiert sein kann.
Die Metallisierungsschichten 21 und 22 sind mit dem Isolationsträger 20 fest, flächig und stoffschlüssig verbunden. Insbesondere kann die obere Metallisierungsschicht 21 über ihre gesamte, dem Isolationsträger 20 zugewandte Seite fest und stoffschlüssig mit dem Isolationsträger 20 verbunden sein. Entsprechend kann auch eine untere Metallisierungsschicht 22 über ihre gesamte, dem Isolationsträger 20 zugewandte Seite fest und stoffschlüssig mit dem Isolationsträger 20 verbunden sein.
Der Isolationsträger 20 ist elektrisch isolierend. Er kann beispielsweise Keramik aufweisen oder aus Keramik bestehen. Geeignete Keramiken sind z.B. Aluminiumnitrid (AIN), Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumkarbid (SiC) oder Berylliumoxid (BeO) oder andere dielektrische Keramiken. Die obere Metallisierungsschicht 21 und die untere Metallisierungsschicht 22 können beispielsweise aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Andere elektrisch gut leitende Metalle einschließlich Legierungen können jedoch ebenso eingesetzt werden.
Gemäß einem Beispiel kann es sich bei dem Isoliersubstrat 2 um ein DCB-Substrat (DCB = direct copper bonded) handeln, bei dem die obere Metallisierungsschicht 21 und - sofern vorhanden - die untere Metallisierungsschicht 22 hergestellt werden, indem vorgefertigte Kupferfolien, die oberflächlich oxidiert sind, durch den DCB-Prozess mit einem keramischen Isolationsträger 20, beispielsweise aus Aluminiumoxid, verbunden werden.
Bei einem Halbleiterbauelement 1, mit dem der Schaltungsträger 2 bestückt ist, kann es sich beispielsweise um eine Diode handeln, oder um einen steuerbaren Halbleiterschalter wie z.B. einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), einen MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), oder einen Thyristor (z.B. einen GTO-Thyristor; GTO = Gate Turn-Off) . Insbesondere kann das Halbleiterbauelement 1 auch als so genanntes vertikales Bauelement ausgebildet sein, das an seiner dem Schaltungsträger 2 zugewandten Unterseite, z.B. mittels einer beispielsweise durch Löten (mit bleifreiem oder bleihaltigem Lot), Sintern (z.B. gesintertes Silberpulver) oder elektrisch leitendes Kleben erzeugten Verbindungsschicht 12, stoffschlüssig und elektrisch leitend mit der obere Metallisierungsschicht 21 verbunden ist, so dass beim Betrieb des Elektronikmoduls 100 ein Laststrom durch den Halbleiterchip 1 von dessen dem Schaltungsträger 2 abgewandter Seite durch einen Halbleiterkörper des Halbleiterchips 1 zu der oberen Metallisierungsschicht 21 fließen kann. Ein Halbleiterchip 1 weist an seiner Oberfläche Chipmetallisierungen auf (z.B. eine Source-, Drain-, Anoden-, Kathoden- oder Gate-Metallisierung), die dazu dienen, das Halbleiterbauelement 1 elektrisch anzuschließen, beispielsweise an die obere Metallisierungsschicht 21 und/oder an ein Verbindungselement 5 und/oder an ein Anschlusselement 4. Die Oberfläche einer solchen Chipmetallisierung kann zum Beispiel durch ein Metall gebildet werden, beispielsweise durch Aluminium, Kupfer, Gold oder Silber. oder durch eine Legierung mit zumindest einem dieser Metalle.
Die Verbindungselemente 12 und die Anschlusselemente 4, 5 können ebenfalls aus Metall bestehen, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Gold oder Silber, oder sie können eine Legierung mit zumindest einem dieser Metalle aufweisen oder daraus bestehen.
Weiterhin befindet sich im Inneren des Modulgehäuses 7 eine Strahlungssensoranordnung 3, die in der Lage ist, eine von dem Halbleiterchip 1 ausgehende, elektromagnetische Strahlung 10 zu erfassen, die der Halbleiterchip 1 während des Betriebs des Halbleitermoduls 1 abgibt, und ein von der erfassten elektromagnetischen Strahlung 10 abhängiges Strahlungsinformationssignal S3 auszugeben. Die elektromagnetische Strahlung 10 entsteht an einem gleichrichtenden pn-Übergang, der in einem Halbleiterkörper des Halbleiterchips 1 zwischen eine p-dotierten Gebiet und einem daran angrenzenden n-dotierten Gebiet des Halbleiterkörpers ausgebildet ist, oder an einem gleichrichtenden Schottky-Übergang zwischen einem n-dotierten Gebiet eines Halbleiterkörper des Halbleiterchips 1 und einer Metallisierung, die an das n-dotierte Gebiet angrenzt. Wenn beim Betrieb des Halbleiterchips 1 über den gleichrichtenden pn- oder Schottky-Übergang ein elektrischer Strom in der Durchlassrichtung fließt, so entsteht - wie bei einer Leuchtdiode - eine elektromagnetische Strahlung. Als Halbleitermaterialien für den Halbleiterkörper eignen sich sowohl direkte Halbleitermaterialen (z.B. Se, AIN, hexagonales BN, GaAs, GaN, InAs, InN, InP, InSb, TiO₂, ZnO, ZnS, ZnSe), als auch indirekte Halbleitermaterialien (z.B. AlAs, AlSb, Si, Ge, SiC, GaP 3C).
Da sich das Spektrum und/oder die Intensität der von einem Halbleiterchip 1 emittierten elektromagnetischen Strahlung messbar ändern, wenn der Halbleiterchip 1 beispielsweise durch einen Überstrom und/oder durch eine Übertemperatur und/oder durch Einwirkung einer radioaktiven Strahlung und/oder aufgrund einer langen Einsatzdauer bei normalen Betriebsbedingungen (z.B. bei hohen, aber normalen Betriebstemperaturen) angeschädigt wird, entsteht durch eine Auswertung der von dem Halbleiterchip 1 abgegebenen elektromagnetischen Strahlung mittels einer Auswerteeinheit 200 die Möglichkeit, eine Anschädigung des Halbleiterchips 1 zu erkennen, solange er noch funktionsfähig ist, und geeignete Maßnahmen zu ergreifen, bevor es durch einen Ausfall des Halbleiterchips 1 zu Folgeschäden kommt, bei denen nicht nur der Halbleiterchip 1 zerstört wird, sondern auch weitere Bestandteile des Halbleitermoduls 100 und/oder eine an das Halbleitermodul 100 angeschlossene Einheit wie z.B. eine elektrische Last, die von dem Halbleitermodul 100 mit Energie versorgt wird. Sofern die Auswerteeinheit 200 festgestellt hat, kann sie ein Signal S200 ausgeben, das eine Information darüber enthält, dass ein bestimmter Grad der Anschädigung des Halbleiterchips 1 erreicht oder überschritten wurde. Als Reaktion auf dieses Signal S200 bzw. die Information kann eine geeignete Maßnahme ergriffen werden, was später erläutert wird. Das Signal S200 kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit 200 ein digitales Signal S200 ausgeben, das einen „low“-Pegel (oder alternativ einen „high-Pegel“) aufweist, solange sie keine Anschädigung des Halbleiterchips 1 festgestellt hat, und als Reaktion darauf, dass sie eine Anschädigung des Halbleiterchips 1 feststellt, das Signal S200 auf einen „high“-Pegel (oder alternativ einen „low“-Pegel) umschaltet.
Das Signal S200 und damit die darin enthaltene Information kann beispielsweise einer Ansteuereinheit 300 des Halbleitermoduls 100 zugeführt werden. Die geeignete Maßnahme (z.B. Abschalten des angeschädigten Halbleiterchips 1) kann dann durch die Ansteuereinheit 300 veranlasst werden. Bei sämtlichen Ausgestaltungen der Erfindung kann eine Ansteuereinheit 300 gezeigt außerhalb des Modulgehäuses 7 angeordnet und elektrisch mit dem Halbleitermodul 100 verbunden sein, oder aber innerhalb des Modulgehäuses 7 angeordnet sein. Eine Ansteuereinheit 300 kann ein Signal S300 ausgeben, das zur Ansteuerung eines oder mehrerer Halbleiterchips 1 des Halbleitermoduls 100 dient, beispielsweise über einen jeweiligen Gateanschluss des oder der anzusteuernden Halbleiterchips 1.
Die spektrale Verteilung der von dem Halbleiterchip 1 ausgehenden elektromagnetischen Strahlung 10 hängt insbesondere ab von der Bandlücke eines in dem Halbleiterchip 1 verwendeten Halbleitermaterials, sowie vom Grad der Anschädigung. Eine Anschädigung kann beispielsweise davon herrühren, dass der Halbleiterchip 1 von einem zu hohen Strom durchflossen wurde, und/oder dass er einer zu hohen Temperatur und/oder radioaktiver Strahlung ausgesetzt war. Hierdurch kann es im Kristallgitter des Halbleiterkörpers des Halbleiterchips 1 zur Bildung von Defekten (z.B. Versetzungen im Kristallgitter) kommen, zur Diffusion von bereits im Halbleiterkörper befindlichen Dotierstoffen und damit einhergehend zur Änderung eines ursprünglich eingestellten Dotierungsprofils, oder zur Eindiffusion von anderen Materialen in den Halbleiterkörper wie zum Beispiel von Aluminium aus einer Chipmetallisierung oder einer Leiterbahn. Derartige Veränderungen im Halbleiterkörper können eine Veränderung der Bandstruktur und damit eine Veränderung der spektralen Zusammensetzung bzw. der spektralen Verteilung der von dem Halbleiterchip 1 emittierten elektromagnetischen Strahlung bewirken. Außerdem kann es bei einem Halbleiterchip 1, der eine Zellstruktur mit einer Vielzahl elektrisch parallel geschalteter Transistorzellen aufweist, wie dies beispielsweise bei vielen Dioden, MOS-FETs oder IGBTs der Fall ist, zu einem Ausfall von Transistorzellen kommen. Da nur die funktionierenden, nicht aber die ausgefallenen Transistorzellen elektromagnetische Strahlung emittieren, verringert sich die Intensität der insgesamt von dem Halbleiterchip 1 emittierten elektromagnetischen Strahlung 10. Zusammengefasst bedeutet das, dass sich eine Anschädigung des Halbleiterchips 1 durch eine Veränderung des spektralen Zusammensetzung und/oder durch eine Verringerung der Intensität der insgesamt von dem Halbleiterchip 1 abgegebenen Strahlung bemerkbar machen kann.
In der Praxis treten die Ursachen für derartige Veränderungen häufig über einen längeren Zeitraum hinweg auf, zum Beispiel in Form von mehreren aufeinander folgenden Einzelereignissen, z.B. wenn der Halbleiterchip 1 wiederholt einem Überstrom durch Kurzschluss einer an dem Halbleiterchip 1 angeschlossenen Last ausgesetzt ist, oder in Form einer während des Betriebs kontinuierlich auftretenden Schadensursache, z.B. ein dauernder Betrieb des Halbleiterchips 1 bei zu hohen Temperaturen, weil eine schlechte thermische Kopplung zwischen dem Halbleiterchip 1 und einem zu dessen Kühlung vorgesehenen Kühlkörper vorliegt. Bei solchen Schadensursachen kann - aber muss es sich nicht - um Ursachen handeln, die außerhalb des normalen Betriebs des Halbleiterchips 1 auftreten. So lässt es sich beispielsweise bereits beim normalen, planmäßigen Betrieb eines Halbleiterchips 1 nicht vermeiden, dass dessen Halbleiterkörper eine gegenüber Raumtemperatur (20°C) deutlich erhöhte Temperatur erfährt, die die vorangehend genannten Diffusionsprozesse fördert.
In jedem Fall führen die über einen mehr oder weniger langen Zeitraum auftretenden Ursachen zu im Lauf der Zeit fortschreitenden Veränderungen im Halbleiterkörper des Halbleiterchips 1. Während die Veränderungen zunächst noch tolerierbar sind und der Halbleiterchip 1 funktionsfähig bleibt, steigt mit der Zeit das Risiko für einen Ausfall des Halbleiterchips 1. Durch die Überwachung der von dem Halbleiterchip 1 abgegebenen elektromagnetischen Strahlung 10 kann dafür gesorgt werden, dass ein bevorstehender Ausfall des Halbleiterchips 1 rechtzeitig, d.h. bei noch funktionsfähigem Halbleiterchip 1, erkannt und eine geeignete Maßnahme ergriffen wird. Beispielsweise kann eine solche Maßnahme darin bestehen, dass der Betrieb des Halbleitermoduls 100 eingestellt wird, und/oder dass der betreffende Halbleiterchip 1 oder das Halbleitermodul 100 mit dem betreffenden Halbleiterchip 1 ausgetauscht wird, und/oder dass das Halbleitermodul 100 aber weiter betrieben wird.
Aufgrund der im Lauf der Zeit fortschreitenden Veränderungen im Halbleiterkörper verändern sich also im Lauf der Zeit das Spektrum und/oder die Gesamtintensität der von dem Halbleiterchip 1 emittierten elektromagnetischen Strahlung, so dass durch die Überwachung dieser Strahlung Rückschlüsse auf den Zustand des Halbleiterkörpers möglich sind, z.B. darauf, ob demnächst mit einem Ausfall des Halbleiterchips 1 zu rechnen ist. Zur Überwachung wird, wie bereits erwähnt, eine von dem Halbleiterchip 1 emittierte elektromagnetische Strahlung 10 durch die Strahlungssensoranordnung 3 erfasst. Diese Strahlungssensoranordnung 3 gibt ein auf der erfassten elektromagnetischen Strahlung 10 basierendes Strahlungsinformationssignal S3 aus, das einer Auswerteeinheit 200 zugeführt wird.
Wie ebenfalls bereits erwähnt hängen der Wellenlängenbereich bzw. die spektrale Verteilung der von dem Halbleiterchip 1 emittierten elektromagnetischen Strahlung 10 insbesondere von der Bandlücke ab, die das Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers des Halbleiterchips 1 aufweist. Die emittierte elektromagnetische Strahlung 10 kann einen Anteil im Bereich des sichtbaren Lichts aufweisen, d.h. in einem Wellenlängenbereich von etwa 380 nm bis 780 nm, und/oder im Ultraviolettbereich, d.h. in einem Wellenlängenbereich von weniger als 380 nm, und/oder im Infrarotbereich, d.h. in einem Wellenlängenbereich von mehr als 780 nm. Beispielsweise kann der Halbleiterchip 1 ein Halbleitergrundmaterial mit einer Bandlücke von mehr als 3 eV aufweisen. Grundsätzlich kann jedoch auch ein Halbleitergrundmaterial mit einer Bandlücke von 3 eV oder weniger aufweisen.
Um die von dem Halbleiterchip 1 emittierte elektromagnetische Strahlung erfassen zu können, kann die Strahlungssensoranordnung 3 prinzipiell beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Strahlungssensoranordnung 3 innerhalb des Modulgehäuses 7 angeordnet sein. Einige Beispiele hierfür sind in den 1 bis 6 schematisch dargestellt. In sämtlichen der 1 bis 6 ist gezeigt, dass in das Modulgehäuse 7 optional eine dielektrische Weichvergussmasse 70, beispielsweise ein Silikongel, eingefüllt sein kann, die sich vom Schaltungsträger 2 bis über den Halbleiterchip 1 und optional auch bis über das Verbindungselement 12 hinaus erstrecken kann, so dass zumindest der Halbleiterchip 1 und - jeweils optional - die schaltungsträgerseitigen (d.h. die unteren) Enden der Anschlusselemente 4, die schaltungsträgerseitigen (d.h. die unteren) Enden der Anschlusselemente 5, das Verbindungselement 12 als Ganzes, sowie die Strahlungssensoranordnung 3, in die Vergussmasse 70 eingebettet sind. Sofern eine Vergussmasse 70 vorhanden ist, kann diese bis an den Halbleiterchip 1 heranreichen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Darstellungen in den 1 bis 6 insoweit keine exakten Schnittdarstellung sind, als die Vergussmasse 70 teilweise weggelassen wurde, damit auch Elemente zu erkennen sind, die in der Vergussmasse 70 hintereinander angeordnet sind.
Wie anhand von 1 gezeigt ist, kann die Strahlungssensoranordnung 3 auf einem Schaltungsträger 2 angeordnet und beispielsweise mit einer Leiterbahn 21 des Schaltungsträgers 2 verlötet oder versintert sein. Bei dem Schaltungsträger 2 kann es sich wie gezeigt um denselben Schaltungsträger 2 handeln, auf dem auch der Halbleiterchip 1 angeordnet ist, oder alternativ um einen anderen Schaltungsträger. Die elektromagnetische Strahlung 10 kann auf direktem Weg vom Halbleiterchip 1 zur Strahlungssensoranordnung 3 gelangen.
Wie dargestellt kann die vom Halbleiterchip 1 emittierte und von der Strahlungssensoranordnung 3 empfangene elektromagnetische Strahlung 10 auf ihrem Weg zur Strahlungssensoranordnung 3 die Vergussmasse 70 (sofern vorhanden) durchlaufen. Dazu ist es erforderlich, dass die Vergussmasse 70 zumindest für einen bestimmten Teil des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung 10 transparent ist. Geeignete Vergussmassen 70 sind beispielsweise Silikongele auf der Basis von Polydimethylsiloxan. Deren Transmission liegt bei einer Schichtdicke von 6 mm im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 900 nm bei mehr als 85%. Die Vergussmasse 70 kann optional den gesamten Bereich zwischen dem Halbleiterchip 1 und der Strahlungssensoranordnung 3 ausfüllen, so dass die von der Strahlungssensoranordnung 3 empfangene elektromagnetische Strahlung 10 auf ihrem Weg zur Strahlungssensoranordnung 3 einen Abschnitt der Vergussmasse 70 durchläuft, deren Dicke identisch ist mit dem Abstand d13 zwischen dem Halbleiterchip 1 und der Strahlungssensoranordnung 3.
Wie anhand eines in 2 dargestellten Beispiels eines Leistungshalbleitermoduls 100 gezeigt ist, kann die Strahlungssensoranordnung auch auf ihrem dem Schaltungsträger 2 abgewandten Oberseite elektrisch kontaktiert werden.
Im Übrigen entspricht der Aufbau des Leistungshalbleitermoduls 100 dem bereits anhand von 1 beschriebenen Aufbau.
Wie anhand der Beispiele gemäß den 1 und 2 gezeigt ist, kann die elektromagnetische Strahlung 10 im Wesentlichen aus einer oder mehreren Schmalseiten des Halbleiterchips 1 austreten. Deshalb besitzt die elektromagnetische Strahlung 10 nur eine geringe Intensität. Daher ist es vorteilhaft, den Abstand d13 zwischen dem Halbleiterchip 1 und der Strahlungssensoranordnung 3 klein, beispielsweise kleiner oder gleich 5 mm, zu wählen. Grundsätzlich kann der Abstand d13 jedoch auch größer als 5 mm gewählt werden.
Gemäß einer weiteren, anhand der 3 und 4 erläuterten Ausgestaltung muss die von der Strahlungssensoranordnung 3 empfangene elektromagnetische Strahlung 10 nicht notwendigerweise direkt vom Halbleiterchip 1 zur Strahlungssensoranordnung 3 verlaufen, sondern sie kann alternativ oder zusätzlich über einen Spiegel oder einen Strahlungsleiter vom Halbleiterchip 1 zur Strahlungssensoranordnung 3 gelenkt oder geführt werden. In 2 wird hierzu ein Spiegel 71 verwendet, der beispielhaft durch eine dünne Metallisierungsschicht gebildet ist, die auf die Innenseite des Modulgehäuses 7 aufgebracht ist, während bei der Ausgestaltung gemäß 3 ein Strahlungsleiter 9 (z.B. ein Lichtleiter) eingesetzt wird. Ebenso kann der Spiegel auch dadurch gebildet werden, dass eine für die elektromagnetische Strahlung 10 transparente dielektrische Vergussmasse 70 in das Gehäuse 7 eingefüllt ist und bis an das für die elektromagnetische Strahlung 10 nicht transparente Modulgehäuse 7 heranreicht. Hierdurch kommt es an der Grenzfläche zwischen Vergussmasse 70 und Modulgehäuse 7 zu einer Totalreflexion, durch die elektromagnetische Strahlung 10 umgelenkt werden kann.
Zur Herstellung einer einen Spiegel 71 bildenden dünnen Metallisierungsschicht eignen sich beispielsweise Aluminium oder Silber. Die Schichtdicke der dünnen Metallisierungsschicht ist prinzipiell beliebig, sie kann beispielsweise im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm liegen.
Ein Strahlungsleiter 9 kann beispielsweise aus Kunststoff bestehen, z.B. aus einem Polycarbonat (z.B. auf Bisphenol-A-Basis), oder aus einem Glas. Im Fall eines Polycarbonats kann dessen Brechungsindex durch Zugabe von Dihydroxydiphenylsulfid gesteuert werden, so dass sich innerhalb des Strahlungsleiters 9 auch dort ein für die Lichtführung ausreichend kleiner Grenzwinkel der Totalreflexion erreichen lässt, wo der Strahlungsleiter 9 an eine gegebenenfalls vorhandene Vergussmasse 70 angrenzt. In den genannten Bereichen ist der Grenzwinkel der Totalreflexion (bezogen auf eine bestimmte Wellenlänge) durch arcsin(n70/n9) gegeben, wobei n70 der Brechungsindex der Vergussmasse 70 und n9 der Brechungsindex des Strahlungsleiters 9 jeweils bei der bestimmten Wellenlänge ist. Vergussmassen, die als Silikongele auf der Basis von Polydimethylsiloxan ausgebildet sind, besitzen im Bereich des sichtbaren Lichts und bei einer Temperatur von 25◦C einen Brec hungsindex n70 von etwa 1,40. Die Form des Strahlungsleiters 9 ist grundsätzlich beliebig, solange die Strahlungssensoranordnung 3 über den Strahlungsleiter 9 eine zur weiteren Auswertung ausreichende Menge der vom Halbleiterchip 1 emittierten elektromagnetischen Strahlung empfängt. Beispielsweise könnte ein Strahlungsleiter 9 auch die Gestalt eines Prismas oder einer Faser aufweisen, oder eines Faserbündels mit einer Vielzahl von Fasern. Sofern eine Vergussmasse 70 vorhanden ist, könnte sich diese im Fall eines Spielgels 71 (3) bis zu dessen Oberfläche erstrecken. Im Fall eines Strahlungsleiters 9 (4) könnte dieser auch vollständig in die Vergussmasse 70 eingebettet sein.
Noch eine andere Alternative ist in 5 dargestellt. Hier ist die Strahlungssensoranordnung 3 auf einem vom Schaltungsträger 2 verschiedenen Schaltungsträger 6 angeordnet. Bei dem Schaltungsträger 6 kann es sich um eine normale Leiterplatte (PCB) handeln, zum Beispiel um eine Leiterplatte mit einem dielektrischen Träger 50, der eine Glasfaser-Verstärkung (z.B. FR-4 oder FR-5) aufweist, oder mit einem dielektrischen Träger 50 auf Polyimid-oder Keramikbasis. Wie aus dem Beispiel gemäß 5 ebenfalls ersichtlich ist, kann die Strahlungssensoranordnung 3 auf der dem Schaltungsträger 2 abgewandten Seite des Halbleiterschalters 1 angeordnet sein. Bei einer Anordnung gemäß 4 könnte die Strahlungssensoranordnung 3 auch vollständig oder teilweise (zumindest an ihrer strahlungsempfindlichen Seite) in die Vergussmasse 70 eingebettet sein.
Wie weiterhin den 3 bis 5 zu entnehmen ist, kann die von der Strahlungssensoranordnung 3 empfangene elektromagnetische Strahlung 10 auf ihrem Weg vom Halbleiterchip 1 zur Strahlungssensoranordnung 3 auch bei Verwendung eines Spiegels 71 (2), eines Strahlungsleiters 9 (3) oder eines Schaltungsträgers 3 (4) zumindest teilweise durch die Vergussmasse 70 (soweit vorhanden) verlaufen.
Die zur Auswertung des Strahlungsinformationssignals S3 dienende Auswerteeinheit 200 kann, wie in den 1 bis 5 gezeigt, außerhalb des Modulgehäuses 7 angeordnet sein. Die Übertragung des Strahlungsinformationssignals S3 von der Strahlungssensoranordnung 3 an die Auswerteeinheit 200 kann zum Beispiel ausschließlich leitungsgebunden erfolgen (d.h. nicht-drahtlos), z.B. über elektrische Anschlusselemente 5 und/oder optisch (z.B. über einen Optokoppler), alternativ aber auch drahtlos, beispielsweise induktiv. Ebenso ist es jedoch möglich, dass die Auswerteeinheit 200 innerhalb des Modulgehäuses 7 angeordnet ist, was beispielhaft anhand eines Halbleitermoduls 100 gemäß 6 gezeigt ist. Alternativ oder zusätzlich kann sich auch die Ansteuereinheit 300 innerhalb des Modulgehäuses 7 angeordnet sein. Im Übrigen entspricht der Aufbau des Halbleitermoduls 100 gemäß 6 dem anhand von 5 erläuterten Aufbau. Die Auswerteeinheit 200 und/oder die Ansteuereinheit 300 können dabei, wie gezeigt, auf der Leiterplatte 6 angeordnet sein, alternativ aber auch an einer beliebigen anderen Stelle im Inneren des Modulgehäuses 7.
Wie anhand der Beispiele gemäß den 3 bis 6 gezeigt ist, kann die elektromagnetische Strahlung 10 im Wesentlichen aus der dem Schaltungsträger 2 abgewandten oberen Hauptfläche des Halbleiterchips 1 austreten. Deshalb besitzt die elektromagnetische Strahlung 10 eine vergleichsweise hohe Intensität. Daher kann der Abstand d13 zwischen dem Halbleiterchip 1 und der Strahlungssensoranordnung 3 größer gewählt werden, als bei den Anordnungen gemäß den 1 und 2. Beispielsweise kann der Abstand d13 im Bereich von 5 mm bis 10 mm gewählt werden. Abstände d13 kleiner als 5 mm oder größer als 10 mm sind jedoch ebenfalls möglich.
7A zeigt schematisch eine mögliche Veränderung der spektralen Strahlungsintensität I einer von einem Halbleiterchip 1 emittierten Strahlung 10 in Abhängigkeit vom Schädigungsgrad des Halbleiterchips 1. Kurve (a) zeigt die spektrale Strahlungsintensität I des ungeschädigten Halbleiterchips 1, Kurve (b) die spektrale Strahlungsintensität I des geschädigten Halbleiterchips 1, und Kurve (c) die spektrale Strahlungsintensität I des noch stärker geschädigten Halbleiterchips 1. An der Abszisse ist die Wellenlänge λ der elektromagnetischen Strahlung 10 aufgetragen, und an der Ordinate die Intensität I der elektromagnetischen Strahlung 10 in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ.
Gemäß einem Effekt kann sich die das Maximum (d.h. der Maximalwert) der spektralen Strahlungsintensität I der emittierten elektromagnetischen Strahlung 10 mit zunehmender Schädigung des Halbleiterchips 1 verringern. Das Spektrum des ungeschädigten Halbleiterchips 1 (Kurve (a)) besitzt eine spektrale Strahlungsintensität I, deren Maximum Imax_a bei einer Wellenlänge λmax_a liegt. Entsprechend weist die spektrale Strahlungsintensität I der emittierten elektromagnetischen Strahlung 10 des geschädigten Halbleiterchips 1 (Kurve (b)) ihr Maximum Imax_b bei einer Wellenlänge λmax_b auf, und die spektrale Strahlungsintensität I der emittierten elektromagnetischen Strahlung 10 des stärker geschädigten Halbleiterchips 1 (Kurve (c)) besitzt ein Maximum Imax_c bei einer Wellenlänge λmax_c. Wie dargestellt kann sich der Wert, den die spektrale Strahlungsintensität I bei ihrem Maximum aufweist, mit zunehmender Schädigung des Halbleiterchips 1 verringern, d.h. es gilt die Beziehung Imax_a > Imax_b > Imax_c. Die Verringerung kann dabei im mathematischen Sinn monoton oder streng monoton erfolgen.
Gemäß einem weiteren Effekt, der ebenfalls aus 7A ersichtlich ist, kann sich mit zunehmender Schädigung des Halbleiterchips 1 die Wellenlänge, bei der das Maximum der spektralen Strahlungsintensität der emittierten elektromagnetischen Strahlung 10 auftritt, verändern bzw. verschieben. Wie dargestellt kann sich die Lage des Maximums der spektralen Strahlungsintensität I mit zunehmender Schädigung des Halbleiterchips 1 zu größeren Wellenlängen (von λmax_a über λmax_b nach λmax_c) hin verschieben („Rotverschiebung“). Eine solche Veränderung des Spektrums lässt sich darauf zurückführen, dass sich die Struktur des in dem Halbleiterchip 1 verwendeten Halbleitermaterials ändert (z.B. eine Veränderung der Kristallstruktur aufgrund von ein - und/oder mehrdimensionalen Gitterfehlern des Kristallgitters des Halbleitermaterials, und/oder durch Diffusionseffekte, bei denen ein Dotierstoff, mit denen das Halbleitermaterial dotiert ist, in dem Kristallgitter diffundieren).
Wie anhand des Beispiels gemäß 7A gezeigt wurde, kann mit zunehmender Schädigung des Halbleiterchips 1 eine Verringerung des Maximums der spektralen Strahlungsintensität I der emittierten elektromagnetischen Strahlung 10 in Kombination mit einer Verschiebung der Wellenlänge auftreten, bei der die spektrale Strahlungsintensität I ihr Maximum aufweist.
Allerdings ist dies nicht zwingend der Fall. Beispielsweise kann es auch sein, dass mit zunehmender Schädigung des Halbleiterchips 1 zwar eine Verringerung des Maximums der spektralen Strahlungsintensität I einhergeht, allerdings ohne dass es zu einer Verschiebung der Wellenlänge λmax kommt, bei der die spektrale Strahlungsintensität I ihr Maximum aufweist. Ein Beispiel hierfür ist in 7B gezeigt. Kurve (a) zeigt wiederum die spektrale Strahlungsintensität I des ungeschädigten Halbleiterchips 1, Kurve (b) die spektrale Strahlungsintensität I des geschädigten Halbleiterchips 1, und Kurve (c) die spektrale Strahlungsintensität I des noch stärker geschädigten Halbleiterchips 1. Wie zu erkennen ist, kann sich der Wert, den die spektrale Strahlungsintensität I bei ihrem Maximum aufweist, mit zunehmender Schädigung des Halbleiterchips 1 verringern, d.h. es gilt die Beziehung Imax_a > Imax_b > Imax_c. Die Verringerung kann dabei im mathematischen Sinn monoton oder streng monoton erfolgen. Eine derartige Veränderung der spektralen Strahlungsintensität I ohne Verschiebung der Wellenlänge λmax, bei der die spektrale Strahlungsintensität I ihr Maximum aufweist, kann beispielsweise darauf zurückzuführen sein, dass der Halbleiterchip 1 eine Zellstruktur mit einer Vielzahl von elektrisch parallel geschalteten Bauelementzellen aufweist (z.B. Transistorzellen), von denen mit zunehmender Schädigung des Halbleiterchips 1 immer mehr ausfallen und/oder gezielt abgeschaltet werden, so dass sie zu der elektromagnetischen Strahlung 10 keinen oder keinen signifikanten Beitrag mehr liefern.
Gemäß noch einem anderen, ebenfalls in den 7A und 7B veranschaulichten Effekt kann sich das Integral der spektralen Strahlungsintensität I der emittierten elektromagnetischen Strahlung 10 über die Wellenlänge λ in einem Integrationsintervall von λ = 0 bis ∞ mit zunehmender Schädigung des Halbleiterchips 1 verringern. In den 7A und 7B ist dieses Integral für Kurve (a) mit A_a bezeichnet, für Kurve (b) mit A_b, und für Kurve (c) mit A_c. Es gilt also: A_a > A_b > A_c.
Es versteht sich, dass die erläuterten Effekte und Schadensszenarien in beliebigen Kombinationen miteinander auftreten und sich demgemäß überlagern können.
Die genannten Effekte können nun genutzt werden, um den Schädigungsgrad eines Halbleiterchips 1 festzustellen, und, sofern ein vorgegebener Mindest-Schädigungsgrad festgestellt wird, eine geeignete Maßnahme wie z.B. das Abschalten oder Austauschen des Halbleiterchips 1 zu veranlassen.
Eine Möglichkeit, den Schädigungsgrad eines Halbleiterchips 1 festzustellen, besteht darin, die zeitliche Entwicklung des Integrals der Intensität I der emittierten elektromagnetischen Strahlung 10 über die Wellenlänge λ zu überwachen. Das Integrationsintervall muss dabei nicht von λ = 0 bis ∞ verlaufen. Vielmehr ist es ausreichend, wenn die Integration nur über ein Wellenlängenintervall erfolgt, das die Wellenlänge λmax_a bei der Spitzenintensität I-max_a des ungeschädigten Halbleiterchips 1 enthält, und der ausreichend breit ist, um einen Schädigungsgrad zu ermitteln, bei dem eine geeignete Maßnahme wie z.B. das Abschalten oder Austauschen des Halbleiterchips 1 ergriffen werden soll. Beispielsweise kann das Wellenlängenintervall zumindest ein Integrationsintervall [λmax_a - 10%·Δλa; λmax_a + 1 0%·Δλa] umfassen, wobei Δλa die FWHM-Breite ist, die das Spektrum des ungeschädigten Halbleiterchips 1 (Kurve (a)) bei der Wellenlänge der Spitzenintensität λmax_a besitzt. Die FWHM-Breite (FWHM = Full Width at Half Maximum) ist die volle Breite, die der Peak des Spektrums im Bereich der Spitzenintensität λmax_a bei der Hälfte der Spitzenintensität Imax_a aufweist, also bei 0,5·Imax_a.
Das Überwachen der zeitlichen Entwicklung des Integrals der Intensität I der emittierten elektromagnetischen Strahlung 10 über der Wellenlänge λ kann beispielsweise so erfolgen, dass dieses Integral bei einem fertig gestellten Halbleitermodul 100, bei dem der Halbleiterchip 1 noch unversehrt ist, unter Verwendung der in dem Halbleitermodul 100 befindlichen Strahlungssensoranordnung 3 ermittelt wird. Der ermittelte Wert entspricht einem Ausgangswert. Bei dem Beispiel gemäß den 7A und 7B ist dieser Ausgangswert durch A_a gegeben. Wenn das Integral während des Betriebs des Halbleitermoduls 100 kontinuierlich oder in diskreten zeitlichen Abständen ermittelt und dabei festgestellt wird, dass der aktuelle Wert des Integrals (z.B. A_c in den 7A und 7B) einen vorgegebenen Grenzwert (z.B. auf weniger als ein bestimmter Bruchteil des Ausgangwerts A_a, beispielsweise auf weniger als 90 % des Ausgangswerts A_a) erreicht oder unterschritten hat, kann darauf geschlossen werden, dass ein bestimmter Mindest-Schädigungsgrad des Halbleiterchips 1 vorliegt, und es kann eine geeignete Maßnahme eingeleitet werden, durch die verhindert wird, dass es durch eine noch stärkere Schädigung des Halbleiterchips 1 zu Folgeschäden an dem Halbleitermodul 100 und/oder einer an dem Halbleitermodul 100 angeschlossenen Komponente (z.B. eine Spannungsquelle zur elektrischen Versorgung des Halbleitermoduls 100, oder eine elektrische Last, die durch das Halbleitermodul 100 angesteuert wird) kommt. Um feststellen zu können, ob das Integral den vorgegebenen Grenzwert unterschritten hat, können der ermittelte Ausgangswert und/oder der daraus berechnete Grenzwert in der Auswerteeinheit 200 dauerhaft gespeichert werden, so dass der Ausgangswert bzw. der daraus berechnete Grenzwert auch dann noch zur Verfügung steht, wenn das Halbleitermodul 100 zwischenzeitlich außer Betrieb war.
8 veranschaulicht das Prinzip einer Strahlungssensoranordnung 3, mittels der die Auswerteeinheit 200 die zeitliche Entwicklung des Integrals der Intensität I der emittierten elektromagnetischen Strahlung 10 über der Wellenlänge λ erfassen kann. Die Strahlungssensoranordnung 3 weist ein strahlungsempfindliches Element 31 mit einem strahlungsempfindlichen Bereich auf, beispielsweise eine Fotodiode, einen Fototransistor, ein CCD-Element, ein CMOS-Element, oder ein anderes geeignetes strahlungsempfindliches Element, mittels dem sich die Intensität der von dem Halbleiterchip 1 emittierten und auf den strahlungsempfindlichen Bereich einfallenden elektromagnetischen Strahlung 10 ermitteln lässt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn sich die im Allgemeinen wellenlängenabhängige Empfindlichkeit des strahlungsempfindlichen Elements 31 in dem Wellenlängenbereich, in dem genannten Integrationsintervall nicht allzu stark (im Idealfall überhaupt nicht) verändert.
Eine weitere Möglichkeit, den Schädigungsgrad eines Halbleiterchips 1 festzustellen, besteht darin, die zeitliche Entwicklung der Intensität I zu überwachen, die die emittierte elektromagnetische Strahlung 10 bei einer vorgegebenen Wellenlänge λ0 aufweist. Ein Beispiel hierfür zeigt 9 exemplarisch für die bereits anhand von 7A erläuterten Kurven (a), (b) und (c). Bei dem noch unbeschädigten Halbleiterchip 1 (Kurve (a)) weist die Intensität I bei der Wellenlänge λ0 einen Anfangswert I_a auf, bei angeschädigtem Halbleiterchip 1 (Kurve (b)) einen Wert I_b, und bei noch stärker angeschädigtem Halbleiterchip 1 (Kurve (c)) einen Wert I_c. Die Überwachung der Intensität I muss dabei schmalbandig im Bereich der Wellenlänge λ0 erfolgen.
Wenn die Intensität I bei der Wellenlänge λ0 während des Betriebs des Halbleitermoduls 100 kontinuierlich oder in diskreten zeitlichen Abständen ermittelt und dabei festgestellt wird, dass der aktuelle Wert der Intensität (z.B. I2 in 9) einen vorgegebenen Grenzwert über- oder unterschritten hat, kann darauf geschlossen werden, dass ein bestimmter Mindest-Schädigungsgrad des Halbleiterchips 1 vorliegt, und es kann eine geeignete Maßnahme eingeleitet werden, durch die verhindert wird, dass es durch eine noch stärkere Schädigung des Halbleiterchips 1 zu Folgeschäden kommt.
Bei dem Beispiel gemäß 9 geht die zunehmende Anschädigung des Halbleiterchips 1 mit einer Verschiebung des Spektrums zu größeren Wellenlängen („Rotverschiebung“) einher. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn die Wellenlänge λ0, bei der die Überwachung der Intensität I erfolgt, kleiner oder gleich der Wellenlänge λmax_a gewählt wird, an der das Spektrum des ungeschädigten Halbleiterchips 1 den Spitzenwert Imax_a aufweist. Dadurch kann erreicht werden, dass sich die bei der Wellenlänge λ0 gemessene Intensität I mit zunehmender Anschädigung des Halbleiterchips 1 monoton oder streng monoton verringert, bei dem Beispiel gemäß 9 vom Ausgangswert I_a zunächst um ΔI = ΔI1 auf I_b und schließlich um ΔI = ΔI2 auf I_c.
Grundsätzlich könnte man die Wellenlänge λ0, bei der die Überwachung der Intensität I erfolgt, auch größer wählen, als die Wellenlänge λmax_a, bei der das Spektrum des ungeschädigten Halbleiterchips 1 den Spitzenwert Imax_a aufweist, zum Beispiel bei einer Wellenlänge λ0'. Dann aber würde sich die ermittelte Intensität beim Übergang von Kurve (a) über Kurve (b) nach Kurve (c) nicht mehr zwingend kontinuierlich erhöhen oder kontinuierlich verringern. So wäre bei dem gezeigten Beispiel die Intensität bei der Wellenlänge λ0' sowohl für Kurve (a) als auch für Kurve (c) geringer, als für Kurve (b).
Um feststellen zu können, ob und wie stark sich die Intensität I bei der überwachten Wellenlänge λ0 verschoben hat, muss die Messung der Intensität I im Vergleich zur Breite des Emissionsspektrums schmalbandig erfolgen. Ein Beispiel für eine hierzu geeignete Strahlungssensoranordnung 3 zeigt 10 in Verbindung mit 9. Die Strahlungssensoranordnung 3 gemäß 10 entspricht der Strahlungssensoranordnung 3 gemäß 8 mit dem Unterschied, dass sie zusätzlich einen schmalbandigen Bandpassfilter F(λ0) aufweist, dessen maximale Transmission T_max bei der Wellenlänge λ0 liegt. In 9 ist ergänzend die Transmissionskurve (t0) des Bandpassfilters F(λ0) in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ dargestellt. Die zugehörige rechte Ordinate gibt die Transmission T des Bandpassfilters F(λ0) an. Die Transmissionscharakteristik (t0) des Bandpassfilters F(λ0) kann beispielsweise eine FWHM-Breite Δλ0 (d.h. Filterbandbreite des Bandpassfilters F(λ0)) von kleiner oder gleich 50 nm aufweisen (FWHM = Full Width at Half Maximum). Die FWHM-Breite ist die Breite, die die Transmissionskurve (t0) bzw. der Bandpassfilter F(λ0) bei der Hälfte der maximalen Transmission T_max aufweist. Der Bandpassfilter F(λ0) lässt also diejenigen Anteile der auf ihn einfallenden elektromagnetischen Strahlung 10 am besten passieren, die die Wellenlänge λ0 aufweisen, während diejenigen Anteile mit Wellenlängen kleiner λ0 und größer als λ0 weniger gut durchgelassen werden. Der Bandpassfilter F(λ0) filtert demgemäß die elektromagnetische Strahlung 10, so dass im Wesentlichen nur diejenigen Anteile der elektromagnetischen Strahlung 10 auf das strahlungsempfindliche Element 31 treffen, deren Wellenlängen sich nicht oder nicht allzu stark von λ0 unterscheiden.
Das Überwachen der zeitlichen Entwicklung der Intensität I(λ0), d.h. der Intensität, die die emittierte elektromagnetische Strahlung 10 bei der Wellenlänge λ0 aufweist, kann beispielsweise so erfolgen, dass diese Intensität I(λ0) bei einem fertig gestellten Halbleitermodul 100, bei dem der Halbleiterchip 1 noch unversehrt ist, unter Verwendung der in dem Halbleitermodul 100 befindlichen Strahlungssensoranordnung 3 ermittelt wird. Der ermittelte Wert entspricht einem Ausgangswert. Bei dem Beispiel gemäß 9 ist dieser Ausgangswert durch I_a gegeben. Wenn die Intensität I(λ0) während des Betriebs des Halbleitermoduls 100 kontinuierlich oder in diskreten zeitlichen Abständen ermittelt und dabei festgestellt wird, dass der aktuelle Wert des Integrals (z.B. I_c in 9) einen vorgegebenen Grenzwert (z.B. auf weniger als ein bestimmter Bruchteil des Ausgangwerts I_a, beispielsweise auf weniger als 90 % des Ausgangswerts I_a) unterschritten hat, kann darauf geschlossen werden, dass ein bestimmter Mindest-Schädigungsgrad des Halbleiterchips 1 vorliegt, und es kann eine geeignete Maßnahme eingeleitet werden, durch die verhindert wird, dass es durch eine noch stärkere Schädigung des Halbleiterchips 1 zu Folgeschäden kommt. Um feststellen zu können, ob die Intensität I(λ0) den vorgegebenen Grenzwert unterschritten hat, kann der ermittelte Ausgangswert und/oder der daraus berechnete Grenzwert in der Auswerteeinheit 200 für einen späteren Vergleich dauerhaft gespeichert werden, so dass der Ausgangswert I_a bzw. der daraus berechnete Grenzwert auch dann noch zur Verfügung steht, wenn das Halbleitermodul 100 zwischenzeitlich außer Betrieb war.
Eine weitere Möglichkeit, den Schädigungsgrad eines Halbleiterchips 1 festzustellen, besteht darin, die zeitliche Entwicklung der Wellenlänge λ zu überwachen, bei der die emittierte elektromagnetische Strahlung 10 ihr Maximum aufweist. Um dies zu veranschaulichen, sind in 11 nochmals die bereits anhand von 7A erläuterten Kurven (a), (b) und (c) dargestellt.
Bei dem noch ungeschädigten Halbleiterchip 1 (Kurve (a)) weist besitzt die elektromagnetische Strahlung ihre maximale Intensität I bei der Wellenlänge λmax_a, bei angeschädigtem Halbleiterchip 1 (Kurve (b)) bei der Wellenlänge λmax_b, und bei noch stärker angeschädigtem Halbleiterchip 1 (Kurve (c)) bei einer Wellenlänge λmax_c. Hieraus ist ersichtlich, dass sich die Lage des Emissionsmaximums mit zunehmender Anschädigung des Halbleiterchips zu höheren Wellenlängen λ verschiebt.
Um die Lage des Emissionsmaximums zu ermitteln, können die Intensitäten I ermittelt werden, die die elektromagnetische Strahlung 10 im Bereich mehrerer diskreter Wellenlängen aufweist. Ein Beispiel hierzu wird unter Bezugnahme auf die 12 und 13 erläutert. 12 zeigt die vergrößert dargestellte Kurve (c) gemäß 11. Im Bereich diskreter Wellenlängen λ1, λ2, λ3, λ4, λ5 und λ6 wird für die emittierte elektromagnetische Strahlung 10 jeweils die Intensität ermittelt. Hierzu kann die Strahlungssensoranordnung 3 für jede der Wellenlängen λ1, λ2, λ3, λ4, λ5 und λ6 ein strahlungsempfindliches Element 31 aufweisen, auf das im Wesentlichen nur derjenige Anteil der elektromagnetischen Strahlung fällt, dessen Wellenlänge im Bereich der zu messenden Wellenlänge λ1, λ2, λ3, λ4, λ5 bzw. λ6 liegt. Hierzu lassen sich beispielsweise Bandpassfilter F(λ1 ), F(λ2), F(λ3), F(λ4), F(λ5) bzw. F(λ6) einsetzen, die im Wesentlichen nur elektromagnetische Strahlung der betreffenden Wellenlänge λ1, λ2, λ3, λ4, λ5 bzw. λ6 passieren lassen. Der von dem jeweiligen Bandpassfilter F(λ1), F(λ2), F(λ3), F(λ4), F(λ5) bzw. F(λ6) hindurchgelassene Anteil der elektromagnetischen Strahlung 10 fällt auf jeweils eines der strahlungsempfindlichen Elemente 31, wodurch die Intensität I(λ1), I(λ2), I(λ3), I(λ4), I(λ5) bzw. I(λ6) des Anteils der elektromagnetischen Strahlung 10 bei der betreffenden Wellenlänge λ1, λ2, λ3, λ4, λ5 bzw. λ6 ermittelt werden kann. In 12 sind die Transmissionskurven (t1), (t2), (t3), (t4), (t5) und (t6) der Bandpassfilter F(X1), F(λ2), F(λ3), F(λ4), F(λ5) bzw. F(λ6) dargestellt. Diese besitzen bei ihrer halben maximalen Transmission T_max jeweils eine FWHM-Breite Δλ1, Δλ2, Δλ3, Δλ4, Δλ5 bzw. Δλ6. Diese kann jeweils beispielsweise kleiner oder gleich 50 nm sein. Optional können die FWHM-Breiten Δλ1, Δλ2, Δλ3, Δλ4, Δλ5 bzw. Δλ6 sämtlicher (hier lediglich beispielhaft sechs) Bandpassfilter F(X1), F(λ2), F(λ3), F(λ4), F(λ5) bzw. F(λ6) gleich gewählt werden. Jeder der Bandpassfilter F(X1), F(λ2), F(λ3), F(λ4), F(λ5) bzw. F(λ6) definiert also ein Band, für das eine Intensität I(λ1 ), I(λ2), I(λ3), I(λ4), I(λ5) bzw. I(λ6) ermittelt wird. Die Anzahl der Bänder ist grundsätzlich beliebig, sie kann beispielsweise - wie dargestellt - wenigstens sechs betragen, oder gar wenigstens neun.
Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass die in 12 dargestellten Transmissionskurven (t1), (t2), (t3), (t4), (t5) und (t6) der Einfachheit halber so dargestellt sind, dass sie dieselbe maximale Transmission T_max aufweisen. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, d.h. die Transmissionskurven (t1), (t2), (t3), (t4), (t5) und (t6) könnten auch unterschiedliche maximale Transmissionen T_max aufweisen. Durch eine einfache Kalibrierung können die mit Hilfe der strahlungsempfindlichen Elemente 31 ermittelten Messwerte unter Berücksichtigung der Filtercharakteristika der Bandpassfilter F(X1), F(λ2), F(λ3), F(λ4), F(λ5) bzw. F(λ6), d.h. unter Berücksichtigung der Transmissionskurven (t1), (t2), (t3), (t4), (t5) und (t6), auf die tatsächliche Intensität I umgerechnet werden, die die elektromagnetische Strahlung 10 im Bereich der betreffenden Wellenlänge λ1, λ2, λ3, λ4, λ5 bzw. λ6 aufweist. Durch Auswertung der so durch Umrechnung ermittelten Intensitäten lässt sich in guter Näherung die Wellenlänge λmax_a, λmax_b, λmax_c (11) feststellen, bei der die elektromagnetische Strahlung 10 ihre maximale Intensität aufweist. Die zur Kalibrierung erforderlichen Parameter können zum Beispiel in der Auswerteeinheit 200 dauerhaft gespeichert werden.
Entsprechendes gilt auch für eventuelle Korrekturen bzw. Korrekturfaktoren, die dadurch erforderlich werden, dass ein Spiegel 7, wie er anhand von 3 erläutert wurde, ein Strahlungsleiter 9, wie er anhand von 4 erläutert wurde, oder eine Vergussmasse 70, wie sie anhand der 1 bis 6 erläutert wurde, für unterschiedliche Wellenlängen λ der elektromagnetischen Strahlung 10 unterschiedliche Reflexions- bzw. Transmissionskoeffizienten aufweisen.
Die Genauigkeit der Lage der maximalen Intensität der elektromagnetischen Strahlung 10 kann durch eine Vergrößerung der Anzahl der verschiedenen diskreten Wellenlängen λ1, λ2, λ3, λ4, λ5 bzw. λ6 (genauer: der zu den diskreten Wellenlängen gehörenden Bänder) erhöht werden. Bei dem gezeigten Beispiel beträgt diese Anzahl sechs, allerdings kann die Anzahl beispielsweise auch wenigstens neun betragen.
Die Genauigkeit der Lage der maximalen Intensität der elektromagnetischen Strahlung 10 kann außerdem dadurch erhöht werden, dass anhand der durch Umrechnung ermittelten tatsächlichen Intensitäten der elektromagnetischen Strahlung 10 bei den (hier lediglich beispielhaft sechs) verschiedenen Wellenlängen λ1, λ2, λ3, λ4, λ5 und λ6 der Verlauf der Kurve (im Beispiel der Kurve (c)) ermittelt wird, die im Idealfall durch sämtliche Wertepaare verläuft, von denen jedes aus einer der Wellenlängen λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6 und einer der zu der betreffenden Wellenlänge λ1, λ2, λ3, λ4, λ5 und λ6 gehörenden tatsächlichen Intensität der elektromagnetischen Strahlung 10 besteht. Da die grundsätzliche Form der Intensitätsverteilung der emittierten elektromagnetischen Strahlung 10 bekannt ist (im Beispiel gemäß 12 also die Form der Kurve (c)), lässt sich durch ein (z.B. nicht-lineares) Interpolationsverfahren die Lage der maximalen Intensität der elektromagnetischen Strahlung 10 (im Beispiel bei λmax_c) mit einer Genauigkeit ermitteln, die höher ist, als der Abstand der Wellenlängen (im Beispiel gemäß 12 der Abstand der Wellenlängen λ3 und λ4), zwischen denen sich die maximale Intensität befindet.
Wenn die Wellenlänge λmax_a, λmax_b, λmax_c, bei der die emittierte elektromagnetische Strahlung 10 ihre maximale Intensität I aufweist, während des Betriebs des Halbleitermoduls 100 kontinuierlich oder in diskreten zeitlichen Abständen ermittelt und dabei festgestellt wird, dass die Abweichung Δλmax des aktuellen Werts (im Beispiel gemäß 11 der Wert λmax_c) von einem Ausgangswert (im Beispiel gemäß 11 der Wert λmax_a) größer ist, als ein vorgegebener Grenzwert, so kann darauf geschlossen werden, dass ein bestimmter Mindest-Schädigungsgrad des Halbleiterchips 1 vorliegt, und es kann eine geeignete Maßnahme eingeleitet werden, durch die verhindert wird, dass es durch eine noch stärkere Schädigung des Halbleiterchips 1 zu Folgeschäden kommt. Bei dem Ausgangswert λmax_a kann es sich um einen Wert handeln, der bei dem noch nicht geschädigten Halbleiterchip 1 ermittelt wurde. Die Ermittlung das Ausgangswerts λmax_a kann zum Beispiel bei der Inbetriebnahme des Halbleitermoduls 100 erfolgen. Der Ausgangswert λmax_a und der Grenzwert können dauerhaft in der Auswerteeinheit 200 abgespeichert werden.
Bei den erwähnten Bandpassfiltern F(λ0), F(λ1), F(λ2), F(λ3), F(λ4), F(λ5), F(λ6) kann es sich beispielsweise um Interferenzfilter handeln. Prinzipiell können jedoch auch ein oder mehrere dispersive Elemente (z.B. Dispersionsprisma, Beugungsgitter, Reflexionsgitter) verwendet werden, die die elektromagnetische Strahlung 10 räumlich so aufspalten, dass unterschiedliche Wellenlängen auf unterschiedliche Stellen innerhalb des Modulgehäuses 7 abgebildet werden. Ein Beispiel für eine solche Anordnung zeigt 14 mit einem dispersiven Element 32, das lediglich beispielhaft als Dispersionsprisma ausgebildet ist.
Um die Intensität bei einer oder mehreren Wellenlänge (in 12 z.B. bei den Wellenlängen λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6 zu ermitteln, ist an der jeweiligen Stelle ein strahlungsempfindliches Element 31 platziert, dessen Abmessungen so gewählt sind, dass es im Wesentlichen nur Strahlung mit der gewünschten Wellenlänge erfasst.
Ausgenommen bei der Variante, bei der, wie unter Bezugnahme auf die 7A, 7B und 8 erläutert, mittels eines strahlungsempfindlichen Elements 31 das Integral der Intensität I der emittierten elektromagnetischen Strahlung 10 über die Wellenlänge λ ermittelt wird, kann die Messung der Intensität I der emittierten elektromagnetischen Strahlung 10 mit einer spektralen Auflösung erfolgen, die beispielsweise wenigsten sechs oder gar wenigstens neun Bänder aufweist, von denen jedes eine FWHM-Breite von höchstens 50 nm aufweist. Die Lage der Bänder kann dabei optional so gewählt werden, dass sich keine der Bänder innerhalb ihrer FWHM-Breiten überlagern.
Die wellenlängenaufgelöste Ermittlung des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung 10 muss wie erläutert nicht zwingend unter Verwendung von Interferenzfiltern erfolgen. Grundsätzlich lassen sich auch beliebige dispersive Elemente einsetzen. Beispielsweise kann die emittierte elektromagnetische Strahlung 10 mittels eines Dispersionsprismas räumlich aufgespalten und auf eine Zeile mit strahlungsempfindlichen Elementen 31 (z.B. auf eine CCD-Sensorzeile) gelenkt werden, dass jedes der strahlungsempfindlichen Elemente 31 einen anderen, sehr schmalbandigen Wellenlängenbereich erfasst, wie dies anhand von 14 erläutert wurde.
Die vorliegende Erfindung kann grundsätzlich bei beliebigen Halbleitermodulen eingesetzt werden, insbesondere bei einem Umrichter wie zum Beispiel einem Gleich- oder Wechselrichter (z.B. für Solaranlagen, Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen, etc.), oder eine Motorsteuerung. Das Halbleitermodul kann beispielsweise eine Halbbrücke enthalten, und der Halbleiterchip 1 kann einen steuerbaren Halbleiterschalter oder eine Freilaufdiode der Halbbrücke darstellen.
Der Halbleiterchip 1 kann z.B. ein Spannungssperrvermögen von wenigstens 60 V, von wenigstens 150 V, von wenigstens 300 V, von wenigstens 600 V oder von wenigstens 1200 V aufweisen, und/oder er kann dazu ausgebildet ist, dauerhaft einen Strom von wenigstens 60 A zu tragen, ohne dass er dadurch zerstört wird.
Um Fehlmessungen, Fehlalarme, Fehlabschaltungen eines Halbleiterchips oder des Halbleitermoduls etc. zu vermeiden, ist bei einer Strahlungssensoranordnung 3 darauf zu achten, dass deren zu erwartende Lebensdauer größer ist, als die des oder der mit ihr zu überwachenden Halbleiterchips 1. Hierzu können die strahlungsempfindlichen Elemente 31 vor deren Einbau in das Modulgehäuse 7 verkapselt werden. Dazu kann das bzw. können die strahlungsempfindlichen Elemente 31 auf einem Leiterrahmen („Leadframe“) montiert und dann mit einer Kunststoffmasse vergossen oder umspritzt werden.
Da ein Halbleiterchip 1 nur dann elektromagnetische Strahlung 10 emittiert, wenn er (d.h. eine Laststrecke des Halbleiterchips 1, z.B. eine Emitter-Kollektor-Strecke, eine Source-Drain-Strecke oder eine Anoden-Kathoden-Strecke) von einem elektrischen Laststrom durchflossen wird, und da die Intensität der von dem Halbleiterchip 1 emittierten elektromagnetischen Strahlung 10 von der Stärke dieses Laststroms abhängt, ist es vorteilhaft, wenn sämtliche Messungen zur Ermittlung der Intensitäten I im Bereich der Wellenlänge λ0 bzw. in den Bereichen der Wellenlängen λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6 oder zur Ermittlung der Integrale A_a, A_b, A_c bei demselben Laststrom (nachfolgend auch als „Messstrom“ bezeichnet) durchgeführt werden (dieser kann beispielsweise wenigstens 5 A betragen, was kleiner oder gleich dem Nennstrom typischer Halbleiterchips 1 ist). Hierzu kann ein Stromsensor verwendet werden, mit dem der Strom durch die Laststrecke gemessen wird. Zur Durchführung der Intensitäts- oder Integralmessungen kann dann durch die Ansteuerelektronik 300 des Halbleitermoduls 100 immer derselbe Laststrom durch die Laststrecke eingestellt und die Messung durchgeführt werden.
Es besteht außerdem die Möglichkeit, mittels einer Strahlungssensoranordnung 3 zwei oder mehr Halbleiterchips 1 eines Halbleitermoduls 100 zu überwachen, indem jeweils die Laststrecke von nur genau einem der zu überwachenden Halbleiterchips 1 mit dem jeweiligen Messstrom beaufschlagt und die Intensitäts- oder Integralmessung durchgeführt wird, während die Laststrecken der anderen zu überwachenden Halbleiterchips 1 von keinem Strom durchflossen werden und während der Messung auch sonst keine elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, die das Messergebnis verfälschen könnte. Auf entsprechende Weise können nacheinander auch die anderen zu überwachenden Halbleiterchips 1 vermessen werden. Die Messströme der zu überwachenden Halbleiterchips 1 können dabei gleich oder verschieden sein. Beispielsweise können die Messströme jeweils wenigstens 2,5 A betragen.

Claims

Verfahren zur Erkennung eines sich abzeichnenden Ausfalls eines Halbleiterchips (1) eines Halbleitermoduls (100), das ein Modulgehäuse (7) aufweist, in dem der Halbleiterchip (1) und eine Strahlungssensoranordnung (3) zur Früherkennung einer Anschädigung des Halbleiterchips (1) angeordnet sind, wobei das Verfahren aufweist: Erfassen einer von dem Halbleiterchip (1) ausgehenden, elektromagnetischen Strahlung (10), die an einem gleichrichtenden pn- oder Schottky-Übergang des Halbleiterchips (1) entsteht, mittels der Strahlungssensoranordnung (3); Ausgeben eines Signals (S200) als Reaktion darauf, dass festgestellt wird, dass ein Parameter, der auf einer Auswertung eines Spektralteils oder mehrerer Spektralteile der elektromagnetischen Strahlung (10) beruht, einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet oder unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Parameter durch die Intensität (I0, I1, I2) gegeben ist, die die elektromagnetischen Strahlung (10) selektiv im Bereich einer festgelegten Wellenlänge (λ0) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Strahlungssensoranordnung (3) ein strahlungsempfindliches Element (31) aufweist, mittels dem die Intensität (10, 11, I2) der elektromagnetischen Strahlung (10) selektiv im Bereich einer festgelegten Wellenlänge (λ0) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Strahlungssensoranordnung (3) einen Bandpassfilter (F(λ0)) aufweist, der die elektromagnetische Strahlung (10) auf ihrem Weg vom Halbleiterchip (1) zu dem strahlungsempfindlichen Element (31) filtert, wobei der Bandpassfilter (F(λ0)) seine maximale Transmission (T_max) bei der festgelegten Wellenlänge (λ0) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Bandpassfilter (F(λ0)) eine Transmissionscharakteristik ((t0)) mit einer FWHM-Filterbandbreite (Δλ0) von kleiner oder gleich 50 nm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Strahlungssensoranordnung (3) ein dispersives Element (32) aufweist, mittels dem ein die festgelegte Wellenlänge (λ0) enthaltender, schmalbandiger Spektralteil der elektromagnetischen Strahlung (10) selektiv auf das strahlungsempfindliche Element (31) gelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Parameter durch die Intensitäten (I(λ1), I(λ2), I(λ3), I(λ4), I(λ5), I(λ6)) gegeben ist, die die elektromagnetischen Strahlung (10) selektiv jeweils im Bereich von mehreren festgelegten Wellenlängen (λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Strahlungssensoranordnung (3) mehrere strahlungsempfindliche Elemente (31) aufweist, mittels denen jeweils die Intensität erfasst wird, die die elektromagnetische Strahlung (10) selektiv im Bereich des Spektralteils der betreffenden festgelegten Wellenlänge (λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Strahlungssensoranordnung (3) für jede der festgelegten Wellenlängen (λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6) ein zugehöriges strahlungsempfindliches Element (31) aufweist, sowie einen zugehörigen Bandpassfilter (F(X1), F(λ2), F(λ3), F(λ4), F(λ5), F(λ6)), der die elektromagnetische Strahlung (10) auf ihrem Weg vom Halbleiterchip (1) zu dem zugehörigen strahlungsempfindlichen Element (31) filtert, wobei der Bandpassfilter (F(X1), F(λ2), F(λ3), F(λ4), F(λ5), F(λ6)) seine maximale Transmission (T_max) bei der zugehörigen, festgelegten Wellenlänge (λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem jeder der Bandpassfilter (F(X1), F(λ2), F(λ3), F(λ4), F(λ5), F(λ6)) eine Transmissionscharakteristik ((t0)) mit einer FWHM-Filterbandbreite (Δλ1, Δλ2, Δλ3, Δλ4, Δλ5, Δλ6) von kleiner oder gleich 50 nm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Strahlungssensoranordnung (3) ein dispersives Element (32) aufweist, mittels dem der Spektralteil der elektromagnetischen Strahlung (10) selektiv auf das betreffende strahlungsempfindliche Element (31) gelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das dispersive Element (32) zumindest eines der folgenden Elemente aufweist: ein Prisma; ein Beugungsgitter; ein Reflexionsgitter.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Parameter durch die Wellenlänge (Xmax_a, λmax_b, λmax_c) gegeben ist, bei der die elektromagnetische Strahlung (10) ihre maximale Intensität aufweist.
Verfahren zur Erkennung eines sich abzeichnenden Ausfalls eines Halbleiterchips (1) eines Halbleitermoduls (100), das ein Modulgehäuse (7) aufweist, in dem der Halbleiterchip (1) und eine Strahlungssensoranordnung (3) zur Früherkennung einer Anschädigung des Halbleiterchips (1) angeordnet sind, wobei das Verfahren aufweist: Erfassen einer von dem Halbleiterchip (1) ausgehenden, elektromagnetischen Strahlung (10), die an einem gleichrichtenden pn- oder Schottky-Übergang des Halbleiterchips (1) entsteht, mittels der Strahlungssensoranordnung (3); Ausgeben eines Signals (S200) als Reaktion darauf, dass festgestellt wird, dass ein Integral der Intensität (I) der elektromagnetischen Strahlung (10) über die Wellenlänge (λ) einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der vorgegebene Grenzwert durch einen Bruchteil des Integrals der Intensität (I) der elektromagnetischen Strahlung (10) über die Wellenlänge (λ) des ursprünglichen, noch ungeschädigten Halbleiterchips (1) gegeben ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterchip (1) ein Spannungssperrvermögen von wenigstens 60 V, von wenigstens 150 V, von wenigstens 300 V, von wenigstens 600 V oder von wenigstens 1200 V aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterchip (1) dazu ausgebildet ist, dauerhaft einen Strom von wenigstens 60 A zu tragen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterchip (1) ein steuerbarer Halbleiterschalter oder eine Freilaufdiode einer in dem Halbleitermodul (100) enthaltenen Halbbrücke ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem als Reaktion auf die Ausgabe des Signals (S200) der Betrieb des Halbleitermoduls (100) eingestellt wird; oder der Halbleiterchip (1) dauerhaft deaktiviert und das Halbleitermodul (100) weiter betrieben wird.
Halbeitermodulanordnung mit einem Halbleitermodul (100), das ein Modulgehäuse (7) aufweist, sowie einen Halbleiterchip (1) und eine Strahlungssensoranordnung (3), die in dem Modulgehäuse (7) angeordnet sind, wobei die Halbeitermodulanordnung weiterhin eine Auswerteeinheit (200) aufweist und zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Halbeitermodulanordnung nach Anspruch 20, bei der die Auswerteeinheit (200) in dem Modulgehäuse (7) angeordnet ist.
Halbeitermodulanordnung nach Anspruch 20, bei der die Auswerteeinheit (200) außerhalb des Modulgehäuses (7) angeordnet ist.
Halbeitermodulanordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei der der Halbleiterchip (1) ein Halbleitergrundmaterial mit einer Bandlücke von mehr als 3 eV aufweist.
Halbeitermodulanordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, bei der die Strahlungssensoranordnung (3) einen der folgenden Sensoren aufweist: einen CCD-Sensor; einen CMOS-Sensor; eine Fotodiode; einen Fototransistor.
Halbeitermodulanordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, bei der das Halbleitermodul (100) eine dielektrische Weichvergussmasse (70) aufweist, die in das Modulgehäuse (7) eingefüllt ist, die für die zu erfassende elektromagnetische Strahlung (10) transparent ist und die die zu erfassende elektromagnetische Strahlung (10) auf ihrem Weg vom Halbleiterchip (1) zu der Strahlungssensoranordnung (3) durchläuft.
Halbeitermodulanordnung nach Anspruch 25, bei der ein Abschnitt der dielektrischen Weichvergussmasse (70) zwischen dem Halbleiterchip (1) und der Strahlungssensoranordnung (3) angeordnet ist.
Halbeitermodulanordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, bei der das Modulgehäuse (7) auf seiner Innenseite eine Verspiegelung (71) aufweist, so dass die zu erfassende elektromagnetische Strahlung (10) auf ihrem Weg vom Halbleiterchip (1) zu der Strahlungssensoranordnung (3) an der Verspiegelung (71) gespiegelt wird.
Halbeitermodulanordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 27, bei der das Halbleitermodul (100) einen Strahlungsleiter (9) aufweist, der in dem Modulgehäuse (7) angeordnet ist und den die zu erfassende elektromagnetische Strahlung (10) auf ihrem Weg vom Halbleiterchip (1) zu der Strahlungssensoranordnung (3) durchläuft.