DE102017118913A1 - Leistungshalbleiter mit einem Shuntwiderstand - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitermodul, das eine externe elektrische Verbindung und einen Shuntwiderstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Shuntwiderstand in die externe elektrische Verbindung integriert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul, das einen Shuntwiderstand aufweist.
  • Sensorkomponenten werden zunehmend in moderne Leistungshalbleitermodule integriert. Für eine einfache Strommessung werden sogenannte Shuntwiderstände (Konstantwiderstandselemente) verwendet, die auf speziell für sie auf dem keramischen Leistungssubstrat (DCB) vorgesehenen Verbindungszonen, durch Löten montiert werden. Typischerweise wird das tatsächliche Widerstandselement des Shunts aus Manganin® (CuMn12Ni) hergestellt und die Verbindungen werden aus Kupfer hergestellt.
  • Um einen gewissen Unterschied in linearer Ausdehnung zwischen dem keramischen Leistungssubstrat und dem Shunt ausgleichen zu können, werden Shunts in der Regel mit einer U-förmigen Erweiterungsschleife bereitgestellt und auf die Verbindungszonen gelötet.
  • Der Nachteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der Platzbedarf auf dem Leistungssubstrat ungefähr in der Größenordnung eines Leistungshalbleiterchips liegt. Der zusätzliche Platzbedarf einer solchen Lösung kann daher ungefähr 20 % der aktiven Nutzfläche des Substrats betragen.
  • Die Anordnung in dem Leistungshalbleitermodul weist außerdem den Nachteil auf, dass eine gute thermische Verknüpfung mit dem Leistungssubstrat auch die Wärme davon an das Widerstandselement überträgt und Letzteres somit alle thermischen Laständerungen erfährt.
  • Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, das einen kompakten, in das Halbleitermodul integrierten Shuntwiderstand aufweist.
  • Um die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, stellt die Erfindung ein Leistungshalbleitermodul bereit, das die Merkmale von Anspruch 1 aufweist. Die abhängigen Ansprüche repräsentieren vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Die Erfindung schlägt vor, den Shunt in die externen Verbindungen, z. B. die Leadframes im Fall von vergossenen Modulen, Anschlüsse im Fall von gerahmten Modulen oder das Stromschienensystem im Fall von gekapselten Leistungsmodulen, zu integrieren. Daher ist kein zusätzlicher Platz für den Shunt auf dem Leistungssubstrat (DCB) erforderlich. Insbesondere ist es unbedeutend, ob der Shunt in einem Bereich der externen Anschlüsse innerhalb oder außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
  • Gemäß der Erfindung wird eine Verbindung des Shunts mit dem Leadframe, dem Anschluss oder dem Stromschienensystem verbunden, und die zweite Verbindung des Shunts wird auf dem Leistungssubstrat montiert oder mit einem weiteren Leadframe-Abschnitt verbunden. In diesem Fall nimmt diese spezielle Montageposition den gleichen Platz in Anspruch, der sonst von der Montageposition des Leadframes, der Drahtbonds mit den Anschlüssen oder des Sammelschienensystems belegt werden würde. Daher ist die integrierte Version eines Shunts platzneutral und deswegen sehr kostengünstig.
  • Eine besondere Ausgestaltungsvariante betrifft vergossene Leistungsmodule, bei denen ein Leadframe in der Regel an dem DCB mithilfe von Löten angebracht wird. Nachdem die Baugruppe durch Vergießen gekapselt wurde, wird der Leadframe geprägt und gegebenenfalls zur Formgebung gebogen (der sogenannte „Trim & Form-Schritt“). Gemäß der Erfindung wird ein Leistungsverbindungsweg des Leadframes nun derart ausgestaltet, dass das tatsächliche Widerstandselement des Shunts zu einem integralen Teil des Leistungsverbindungsweges des Leadframes wird. Es ist möglich, das Material zu verwenden, aus dem der Leadframe normalerweise gefertigt wird, so dass es als das Widerstandselement des Shunts wirkt. Jedoch wird die Wahl des Leadframe-Materials normalerweise durch elektrische Widerstands- und Härtecharakteristiken diktiert, und es weist daher möglicherweise nicht den niedrigen Temperaturkoeffizienten des Widerstands oder die Langzeitstabilitätscharakteristiken auf, die für ein Shuntwiderstandselement guter Qualität erforderlich sind. Häufig ist es ein Vorteil, ein anderes Material für das Widerstandselement des Shunts zu verwenden. Zu diesem Zweck wird die Hauptverbindung des Shunts stoffschlüssig mit dem Kupfer des Leadframes, z. B. durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder dergleichen, Silbersintern oder Löten, verbunden.
  • Die zweite Hauptverbindung des Shunts wird dann entweder gleichzeitig mit der anderen Leadframe-Verbindung direkt mit dem Leistungssubstrat, z. B. mithilfe von Löten oder Silbersintern, verbunden oder mit einem weiteren Abschnitt des Leadframes, der über Letzteres mit dem Leistungssubstrat verknüpft ist, auf eine Weise kontaktiert.
  • Im Fall von Leadframe-Verbindungen werden Merkmale, die als „Downsets“ (Versätze nach unten) bekannt sind, häufig verwendet, d. h. eine gestufte Verbindungsanordnung, die einen ausreichenden Isolationsabstand zwischen den vom Leistungssubstrat wegführenden Elementen und zum Beispiel den unter dem Leistungssubstrat angeordneten Kühlvorrichtungen gewährleistet.
  • Die Anordnung des tatsächlichen Widerstandselements des Shunts in dem vertikalen Bereich des Versatzes nach unten ist sehr vorteilhaft für die Integration des Shunts in den Leadframe. Diese Anordnung kann entweder nach dem Prägen des Versatzes nach unten oder vor dem Prägen des Versatzes nach unten implementiert werden.
  • Bevorzugt für die korrekte elektrische Messfunktion wird eine Leadframe-Verbindung ausgewählt, die z. B. den Summenstrom des Leistungsmoduls führt.
  • Entscheidend für die elektrische Messfunktion des Shunts sind die Abtastverbindungen, nämlich die Hilfsverbindungen eines „Vierleitersystems“, die einen ersten Leiter, wo der zu messende Strom in den Shunt fließt, einen zweiten Leiter, wo der zu messende Strom aus dem Shunt fließt, und zwei Hilfsverbindungen, die an jedem Ende des Widerstandselements des Shunts angeordnet sind, umfassen. Diese Verteilung von Leitern ermöglicht ein Abgreifen der über dem Widerstandselement auftretenden Spannung. Die Abtastverbindungen können auch auf diese Weise in den Leadframe integriert werden. Auf der Seite des Leistungssubstrats können diese kleinen Hilfsverbindungen gleichzeitig mit den Hauptverbindungen, z. B. durch Löten oder Silbersintern, verknüpft werden.
  • Eine zweite Ausgestaltungsvariante betrifft die Anordnung des Shunts in einem Lastanschluss eines bondbaren Rahmens von herkömmlichen Leistungsmodulen. In diesem Fall wird ein Teil des Anschlusses durch den integrierten Shunt ausgebildet. Die Verbindung des Anschlusses mit dem Leistungssubstrat kann dann wie üblich mithilfe vieler parallel geführter Drahtbonds vorgenommen werden. Ein Drahtbond nimmt dann den Strompfad der Hilfsverbindung des Shunts auf. Es ist auch denkbar, den integrierten Shunt mithilfe von Ultraschallschweißen oder Laserschweißen an dem Leistungssubstrat zu montieren.
  • Eine dritte Ausgestaltungsvariante betrifft Stromschienensysteme, wie sie typischerweise im Fall von Leistungsmodulen, die sehr hohe Stromführungskapazitäten (600 A bis 1800 A) aufweisen, verwendet werden. Diese Last-Stromschienen sind für die Integration von Shunts in genau der gleichen Weise wie Leadframes geeignet. Das Montieren des Stromschienensystems an dem Leistungssubstrat und das gleichzeitige Montieren der Hauptverbindung und der Hilfsverbindung des Shunts werden dann z. B. mithilfe von Ultraschallschweißen oder Laserschweißen oder Silbersintern durchgeführt.
  • Daher stellt die Erfindung ein Leistungshalbleitermodul bereit, das eine externe elektrische Verbindung und einen Shuntwiderstand aufweist, wobei der Shuntwiderstand in die externe elektrische Verbindung integriert ist.
  • Insbesondere ist das Leistungshalbleitermodul derart ausgestaltet, dass die elektrische Verbindung einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, die aus einem elektrisch leitfähigen ersten Material gefertigt sind, und einen Shuntwiderstandsabschnitt, der den ersten und den zweiten Abschnitt verbindet und aus einem leitfähigen zweiten Material gefertigt ist, umfasst. Der erste Abschnitt des elektrisch leitfähigen ersten Materials, der Shuntwiderstandsabschnitt und der zweite Abschnitt des elektrisch leitfähigen ersten Materials werden auf eine sequenzielle Weise aufeinander folgend angeordnet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden/wird der erste Abschnitt und/oder der zweite Abschnitt mit dem Shuntwiderstand mithilfe einer formschlüssigen Verbindung verbunden. Die formschlüssige Verbindung ist vorzugsweise eine Schwalbenschwanzverbindung.
  • Wie vorstehend erwähnt, ist die externe elektrische Verbindung Teil eines Leadframes, der als ein Anschluss ausgestaltet ist oder als eine Stromschiene ausgestaltet ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Shuntwiderstand mindestens eines von Manganin® (CuMn12Ni), Constantan® oder Isotan® (Legierung aus 55 % Kupfer, 44 % Nickel und 1 % Mangan) und Isabellin® (Legierung aus 84 % Kupfer, 13 % Mangan und 3 % Aluminium).
  • Weiterhin werden ein erster Abtastdraht und ein zweiter Abtastdraht bereitgestellt, wobei der erste Abtastdraht mit dem ersten Abschnitt elektrisch gekoppelt ist und der zweite Abtastdraht mit dem zweiten Abschnitt, jeweils benachbart zu dem Shuntwiderstandsabschnitt, elektrisch gekoppelt ist.
  • Um ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis bereitzustellen, sind die beiden Abtastdrähte auf derselben Seite der externen elektrischen Verbindung in Bezug auf ihre Längsachse angeordnet.
  • Im Fall des Bereitstellens eines Leadframes, der den integrierten Shuntwiderstand aufweist, wird schließlich ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Leistungshalbleitermoduls bereitgestellt, wobei der Shuntwiderstand in die externe elektrische Verbindung des Leadframes vor oder nach einem Prägen von Versätzen nach unten als Teil des Leadframes integriert wird. Der Shuntwiderstand wird vorzugsweise in einem vertikalen Bereich des Versatzes nach unten angeordnet.
  • Die Erfindung wird ausführlicher in Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben, die in den begleitenden Figuren dargestellt ist. Es zeigen:
    • 1 eine Draufsicht auf eine erste bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung;
    • 2 eine Draufsicht auf eine zweite bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung;
    • 3 eine Draufsicht auf eine dritte bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung;
    • 4 eine perspektivische Ansicht einer vierten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
    • 5 eine fünfte bevorzugte Ausführungsform einer elektrischen Verbindung, die einen Shuntwiderstand umfasst;
    • 6 einen Querschnitt eines vergossenen Leistungshalbleitermoduls, das einen Shuntwiderstand aufweist, der in dem Downset-Bereich eines Leadframe-Abschnitts angeordnet ist;
    • 7 ausgewählte Teile eines Moduls, das eine Stromschiene gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst; und
    • 8 eine Draufsicht auf eine weitere bevorzugte Ausführungsform.
  • 1 zeigt die Allgemeinstruktur einer ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung in einer Draufsicht. Insbesondere zeigt 1 ein Leistungshalbleitermodul 10, das eine elektrische Schaltung aufweist, die auf der oberen Kupferschicht 30 eines DBC-Substrats 20 gebildet ist, und elektronische Komponenten 40 umfasst, die Leistungsschalthalbleiter mit Verschaltungen, die Drahtbonds 50 verwenden, umfassen. Das Modul wird typischerweise in einer Moldmasse 90 gekapselt, die durch die gestrichelte Linie angezeigt ist. Die externen Verbindungen werden durch einen Leadframe 60 gebildet und eine Komponente davon, d. h. einer von den externen Leistungsverbindern T des Moduls, umfasst einen Shuntwiderstand 70 mit zwei Abtastverbindungen 80 von jeder Seite des Shunt-Bereichs.
  • Die in 2 dargestellte Ausführungsform weist grundsätzlich dieselben Merkmale auf wie die Ausführungsform von 1, wobei jedoch die beiden Abtastverbindungen 80 auf derselben Seite des externen Verbinders T ausgebildet sind. Im Vergleich mit der Ausführungsform von 1 ist die in 2 gezeigte Ausgestaltung eine bevorzugte Ausführungsform, da ein verringertes Risiko einer induktiven Kopplung besteht, weil die Abtastverbindungen 80 näher aneinander liegen.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform, die im Grunde gleich wie in 1 ist, wobei jedoch der Shunt 70 eine besondere Fläche in einem der Leadframe-Verbinder T, nicht aber den ein anderes Material umfassenden Abschnitt aufweist. Obwohl dies einfacher und kostengünstiger herzustellen ist, ist das Ergebnis nicht so stabil oder genau wie beim Verwenden eines zweiten Materials, das speziell wegen seiner Widerstandseigenschaften ausgewählt wird. Der untere Bereich der Figur zeigt die zwei Ausführungsformen des Leadframe-Abschnitts mit (3B) und ohne (3C) das in dem Shunt-Bereich 70 verwendete, separate Material.
  • 4 zeigt das Verwenden einer formschlüssigen „Schwalbenschwanzverbindung“ für den Shunt 70 in einem externen Abschnitt des externen Verbinders T.
  • 5 zeigt eine alternative Ausführungsform von Abtastverbindungen 80. Hierbei werden die gedrückten Stifte 80 in Löcher in der externen elektrischen Verbindung T eingeführt. Ein Vorteil davon besteht darin, dass sie leicht mittig in dem Verbinder platziert werden können, und somit die gemessenen Spannungen weniger von Randeffekten beeinflusst werden.
  • 6 ist ein Querschnitt durch den Rand des Moduls, das ein DBC-Substrat 110 umfasst, auf dem Komponenten (nicht dargestellt) angeordnet sind, wobei das DBC-Substrat 110 auf einer Basisplatte 100 montiert ist. Ebenfalls dargestellt ist hier ein Leadframe 60, der die externe elektrische Verbindung T bildet. Dieser Leadframe weist einen Versatz nach unten 65 auf und das tatsächliche Widerstandselement 70 des Shunts ist in dem vertikalen Bereich des Versatzes nach unten 65 angeordnet. Das Modul 10 wird durch dessen Einkapseln in einer Moldmasse 90 vervollständigt.
  • 7 zeigt ausgewählte Teile eines Moduls, das eine Stromschiene 120 umfasst. Hierbei sind drei separate Substrate 20 auf einer Basisplatte 100 montiert. Auf der Oberseite jedes Substrats 20 befindet sich eine leitfähige Schaltungsschicht 30 und elektronische Komponenten 40, wie z. B. Halbleiter. Eine Last-Stromschiene 120 ist mit einer Verbindung mit jedem der Substrate 30 und einer externen Verbindung T dargestellt. Der Shunt-Bereich 70 ist benachbart zu der externen Verbindung T gezeigt und zwei Abtastverbindungen 80 sind derart dargestellt, dass sie mit jeder Seite des Shunt-Bereichs 70 verbunden sind.
  • Schließlich veranschaulicht 8 eine Ausführungsform ähnlich jener, die in 2 dargestellt ist, wobei aber die Abtastverbindungen 80 des Shunts 70 unter Verwendung von Drahtbonds 50 gefertigt sind.

Claims (12)

  1. Leistungshalbleitermodul, das eine externe elektrische Verbindung und einen Shuntwiderstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Shuntwiderstand in die externe elektrische Verbindung integriert ist.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, die aus einem elektrisch leitfähigen ersten Material gefertigt sind, und einen Shuntwiderstandsabschnitt, der den ersten und den zweiten Abschnitt verbindet und aus einem leitfähigen zweiten Material gefertigt ist, umfasst.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt und/oder der zweite Abschnitt mit dem Shuntwiderstand mithilfe einer formschlüssigen Verbindung verbunden sind/ist.
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Verbindung eine Schwalbenschwanzverbindung ist.
  5. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die externe elektrische Verbindung Teil eines Leadframes ist.
  6. Leistungshalbleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die externe elektrische Verbindung als ein Anschluss ausgestaltet ist.
  7. Leistungshalbleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die externe elektrische Verbindung als eine Stromschiene ausgestaltet ist.
  8. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Shuntwiderstand mindestens eines von CuMn12Ni, einer Legierung aus 55 % Kupfer, 44 % Nickel und 1 % Mangan und einer Legierung aus 84 % Kupfer, 13 % Mangan und 3 % Aluminium umfasst.
  9. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch einen ersten Abtastdraht und einen zweiten Abtastdraht, wobei der erste Abtastdraht mit dem ersten Abschnitt elektrisch gekoppelt ist und der zweite Abtastdraht mit dem zweiten Abschnitt elektrisch gekoppelt ist, jeweils zu dem Shuntwiderstandsabschnitt benachbart.
  10. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abtastdrähte auf derselben Seite der externen elektrischen Verbindung in Bezug auf ihre Längsachse angeordnet sind.
  11. Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Integrieren des Shuntwiderstands in die externe elektrische Verbindung des Leadframes vor oder nach einem Prägen von Versätzen nach unten als Teil des Leadframes.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Shuntwiderstand in einem vertikalen Bereich des Versatzes nach unten angeordnet ist.
DE102017118913.0A 2017-08-18 2017-08-18 Leistungshalbleiter mit einem Shuntwiderstand Ceased DE102017118913A1 (de)

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