DE102020115668A1

DE102020115668A1 - Temperaturmessung in Halbleitern

Info

Publication number: DE102020115668A1
Application number: DE102020115668.5A
Authority: DE
Inventors: Arne Bieler; Matthias Beck; Alexander Streibel; Henning Ströbel-Maier
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2021-12-16

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, umfassend: Messen einer Temperatur an jedem einer Vielzahl von Temperatursensorelementen, die in einem Gehäuse einer Halbleiter-Vorrichtung montiert sind, wobei ein thermischer Kopplungskoeffizient zwischen jedem Temperatursensorelement und jeder einer Vielzahl von Leistungskomponenten, die in dem Gehäuse montiert sind, besteht; und Ermitteln einer Verlustleistung und/oder einer Temperatur einiger oder aller der Vielzahl von Leistungskomponenten, für jede Leistungskomponente auf der Grundlage, eines thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen der jeweiligen Leistungskomponente und jedem Temperatursensorelement und der an den Temperatursensorelementen gemessenen Temperaturen.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf ein Verfahren zur Temperaturmessung in Halbleiter-Vorrichtungen, wie z.B. Halbleiter-Leistungsmodulen.
Hintergrund
Eine Halbleiter-Vorrichtung kann eine oder mehrere wärmeerzeugende Komponenten umfassen, die auf einem Substrat montiert sind. Es kann ein Temperatursensor vorgesehen werden (z.B. um zu versuchen, die Temperatur einer wärmeerzeugenden Komponente zu ermitteln). Es besteht weiterhin Bedarf an weiteren Entwicklungen auf diesem Gebiet.
Zusammenfassung
In einem ersten Ausführungsbeispiel beschreibt diese Beschreibung ein Verfahren, umfassend: Messen einer Temperatur an jedem einer Vielzahl von Temperatursensorelementen, die in einem Gehäuse einer Halbleiter-Vorrichtung (z.B. auf einem Substrat der Halbleiter-Vorrichtung) montiert sind, wobei ein thermischer Kopplungskoeffizient zwischen jedem Temperatursensorelement und jeder einer Vielzahl von Leistungskomponenten, die in dem Gehäuse montiert sind, besteht; und Ermitteln einer Verlustleistung und/oder einer Temperatur von einigen oder allen der Vielzahl von Leistungskomponenten, für jede Leistungskomponente auf der Grundlage: eines thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen der jeweiligen Leistungskomponente und jedem Temperatursensorelement; und den an den Temperatursensorelementen gemessenen Temperaturen. Die Verlustleistung kann ein Schaltverlust sein, wie z.B. ein Leistungsverlust beim Schalten der Halbleiterkomponente.
Die Verlustleistung und/oder Temperatur der genannten Leistungskomponenten kann durch Triangulation ermittelt werden.
Das Verfahren kann ferner die Ermittlung der Temperatur der genannten Leistungskomponenten auf der Grundlage der ermittelten Verlustleistung der genannten Leistungskomponenten umfassen. Wie oben erwähnt, kann die Verlustleistung in Form eines Schaltverlustes vorliegen.
Die Temperatursensorelemente können so positioniert werden, dass die thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen jedem Paar von Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten unterschiedlich zu jedem anderen Paar von Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten sind.
In einigen Beispielausführungen können die Temperatursensorelemente so positioniert werden, dass Symmetrien der thermischen Pfadlängen zwischen Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten innerhalb des Gehäuses vermieden werden. Beispielsweise können die Temperatursensorelemente derart positioniert werden, dass Singularitäten vermieden werden und/oder dass die unten detailliert beschriebenen Gleichungen lösbar sind.
Die Anzahl der Temperatursensorelemente kann gleich oder größer als die Anzahl der Leistungskomponenten sein. Wenn die Anzahl der Temperatursensorelemente größer als die Anzahl der Leistungskomponenten ist, ist die sorgfältige Positionierung der Sensorelemente möglicherweise nicht erforderlich.
Das Verfahren kann ferner das Ermitteln der thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen den Leistungskomponenten und den Temperatursensorelementen umfassen. Die thermischen Kopplungskoeffizienten können zum Beispiel durch eine oder mehrere der folgenden Verfahren ermittelt werden: Simulation, Messung und Berechnung.
In einigen Beispielausführungen bestehen die Temperatursensorelemente aus Widerständen mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC).
Die thermischen Kopplungskoeffizienten können eine transiente Beziehung (z.B. zusätzlich zu einer stationären Beziehung) zwischen der jeweiligen Leistungskomponente und dem jeweiligen Temperatursensorelement beschreiben. Dies kann z.B. bei der Analyse von Ausfallereignissen von Nutzen sein, bei denen eine transiente Reaktion (die eine schnelle Reaktion sein kann) eine Ausfallursache sein kann.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel beschreibt diese Beschreibung eine Schaltungsanordnung mit: einer Vielzahl von Leistungskomponenten, die in einem Gehäuse einer Halbleiter-Vorrichtung (z.B. auf einem Substrat der Halbleiter-Vorrichtung) montiert sind; einer Vielzahl von Temperatursensorelementen, die in dem Gehäuse der Halbleiter-Vorrichtung (z.B. auf einem Substrat der Halbleiter-Vorrichtung) montiert sind; und einem Steuermodul zum Ermitteln einer Verlustleistung und/oder einer Temperatur einiger oder aller der Vielzahl von Leistungskomponenten, für jede Leistungskomponente auf der Grundlage auf: des thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen der jeweiligen Leistungskomponente und jedem Temperatursensorelement; und den an den Temperatursensorelementen gemessenen Temperaturen. Die Verlustleistung kann ein Schaltverlust sein, wie z.B. ein Leistungsverlust beim Schalten der Halbleiterkomponente.
Die Temperatursensorelemente können so positioniert werden, dass die thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen jedem Paar von Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten unterschiedlich zu jedem anderen Paar von Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten sind.
In einigen Beispielausführungen können die Temperatursensorelemente derart positioniert werden, dass Symmetrien der thermischen Pfadlängen zwischen Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten innerhalb des Gehäuses vermieden werden. Beispielsweise können die Temperatursensorelemente so positioniert werden, dass Singularitäten vermieden werden und/oder dass die unten detailliert beschriebenen Gleichungen lösbar sind.
Die Anzahl der Temperatursensorelemente kann gleich oder größer als die Anzahl der Leistungskomponenten sein.
Die Temperatursensorelemente können aus Widerständen mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) bestehen.
In einem dritten Ausführungsbeispiel beschreibt diese Beschreibung ein Halbleiter-Leistungsmodul, das (mindestens) eine beliebige Schaltungsanordnung wie oben mit Bezug auf das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben aufweist.
In einem vierten Ausführungsbeispiel beschreibt diese Beschreibung computerlesbare Anweisungen, die, wenn sie von einem Rechengerät ausgeführt werden, das Rechengerät veranlassen, (mindestens) ein beliebiges Verfahren auszuführen, wie es unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt beschrieben ist.
In einem fünften Ausführungsbeispiel beschreibt diese Beschreibung ein computerlesbares Medium (wie z.B. ein nicht-transitorisches computerlesbares Medium) mit darauf gespeicherten Programmbefehlen zur Durchführung (mindestens) eines beliebigen Verfahrens, wie es unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt beschrieben ist.
In einem sechsten Ausführungsbeispiel beschreibt diese Beschreibung eine Vorrichtung, die Folgendes umfasst: mindestens einen Prozessor; und mindestens einen Speicher mit einem Computerprogrammcode, der, wenn er von dem mindestens einen Prozessor ausgeführt wird, bewirkt, dass die Vorrichtung (mindestens) ein beliebiges Verfahren ausführt, wie es mit Bezug auf den ersten Aspekt beschrieben ist.
In einem siebten Ausführungsbeispiel beschreibt diese Beschreibung ein Verfahren zum Bilden einer Schaltungsanordnung, wie es oben mit Bezug auf den zweiten Aspekt beschrieben ist, oder eines Halbleiterleistungsmoduls, wie es oben mit Bezug auf das dritte Ausführungsbeispiel beschrieben ist, wobei zumindest ein Teil der Schaltung oder des Halbleiterleistungsmoduls durch additive Fertigung gebildet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines computerlesbaren Mediums mit computerausführbaren Befehlen, die geeignet sind, einen 3D-Drucker oder eine additive Fertigungsvorrichtung zu veranlassen, das Halbleiterleistungsmodul herzustellen; und Herstellen des Halbleiterleistungsmoduls unter Verwendung des 3D-Druckers oder der additiven Fertigungsvorrichtung.
In einem achten Ausführungsbeispiel beschreibt diese Beschreibung ein computerlesbares Medium mit computerausführbaren Befehlen, die geeignet sind, einen 3D-Drucker oder eine Vorrichtung zur additiven Fertigung dazu zu veranlassen, einen Teil oder die Gesamtheit einer Schaltungsanordnung, wie oben mit Bezug auf den zweiten Aspekt beschrieben, oder ein Halbleiter-Leistungsmodul, wie oben mit Bezug auf das dritte Ausführungsbeispiel beschrieben, herzustellen.
Figurenliste
Beispielausführungen werden jetzt nur beispielhaft anhand der folgenden schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen

1 ein Querschnitt eines Beispiel-Halbleiterbauteils ist;
2 ein Schaltplan eines Beispiel-Wechselrichters ist;
3 eine Draufsicht auf eine Beispielhalbleiterkomponente gemäß einer Beispielausführung ist;
4 eine Draufsicht auf eine Beispielhalbleiterkomponente gemäß einer Beispielausführung ist;
5 ein Flussdiagramm ist, das einen Algorithmus in Übereinstimmung mit einer Beispielausführung zeigt;
6 ein Diagramm ist, die ein transientes Verhalten gemäß einer Beispielausführung zeigt;
7 ein Querschnitt eines Beispiel-Halbleiterbauteils gemäß einer Beispielausführung; ist
8 ein Querschnitt eines Beispiel-Halbleiterbauteils gemäß einer Beispielausführung ist;
9 ein System in Übereinstimmung mit einer Beispielausführung zeigt; und
10 ein Querschnitt eines Beispiel-Halbleiterbauteils gemäß einer Beispielausführung ist.

Detaillierte Beschreibung
Der Schutzumfang, der für verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung angestrebt wird, ist in den unabhängigen Ansprüchen festgelegt. Die in der Beschreibung beschriebenen Ausführungsbeispiele und Merkmale, falls vorhanden, die nicht in den Anwendungsbereich der unabhängigen Ansprüche fallen, sind als Beispiele zu verstehen, die zum Verständnis der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung nützlich sind.
In der Beschreibung und in den Zeichnungen beziehen sich ähnliche Referenzzahlen durchgehend auf ähnliche Elemente.
1 ist ein sehr schematischer Querschnitt eines Beispielhalbleiterbauteils, das im Allgemeinen durch die Referenznummer 10 gekennzeichnet ist. Die Halbleiterkomponente 10 weist ein Substrat 11, eine erste Leistungskomponente 12a und eine zweite Leistungskomponente 12b auf. Die erste und zweite Halbleiterkomponente 12a und 12b können Leistungsmodulkomponenten sein, wie weiter unten besprochen.
Die Halbleiter-Vorrichtung 10 umfasst auch ein erstes Kontaktpad 14a und ein zweites Kontaktpad 14b. Zwischen den Leistungskomponenten 12a und 12b und den Kontaktpads 14a und 14b können Verbindungen (nicht abgebildet) vorgesehen werden. Die Verbindungen können die Form von Metallisierungsbahnen in einer oberen (leitenden) Schicht des Substrats 11 und/oder Drahtbonds haben. Zum Beispiel können die Kontaktpads 14a und 14b Teil einer Metallisierungsschicht sein, die die Metallisierungsbahnen bildet. Das Kontaktpad 14a kann z.B. mit einem Bonddraht 15 mit der Halbleiter-Vorrichtung 12a verbunden werden.
Die Halbleiter-Vorrichtung 10 umfasst auch eine erste elektrische Verbindungsstruktur 16a und eine zweite elektrische Verbindungsstruktur 16b, wobei die elektrischen Verbindungsstrukturen Teil einer Leiterplatine sein können. Die Leiterplatine kann vorgesehen werden, um externe Verbindungen für elektrische Signale in der endgültigen Halbleiterkomponente (z.B. einem Leistungsmodul) zu bilden, wobei die Leiterplatine „Füße“ auf dem Substrat hat.
Das Substrat 11 kann viele Formen annehmen, kann aber zum Beispiel ein direkt gebundenes Kupfersubstrat (DBC) sein, das aus zwei leitenden Schichten mit einer dazwischen liegenden Isolierschicht besteht. Das Substrat 11 kann zum Beispiel eine obere Metallschicht, eine untere Metallschicht und eine Isolierschicht aufweisen. (Es ist zu beachten, dass das Substrat als ein direkt kupfergebundenes (DCB) Substrat bezeichnet werden kann - die Begriffe DBC und DCB sind im Allgemeinen austauschbar).
Die auf dem Substrat 11 montierten Leistungskomponenten 12 können Halbleiterkomponenten wie Transistoren, IGBTs, MOSFETs und andere Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten enthalten, die zusammen die Schaltung eines Halbleitermoduls zum Schalten elektrischer Ströme bilden.
Als Beispiel ist 2 ein Schaltplan einer Beispiel-Wechselrichterschaltung, die im Allgemeinen durch die Referenznummer 20 gekennzeichnet ist und die für den Schaltkreis des Halbleiter-Leistungsmoduls verwendet werden kann. Dem Fachmann sind viele alternative Schaltungen bekannt, die verwendet werden könnten. Darüber hinaus sind die hier beschriebenen Prinzipien nicht auf die Verwendung mit Halbleiter-Leistungsmodulen beschränkt.
3 ist eine Draufsicht auf eine beispielhafte Halbleiterkomponente, die in ihrer Gesamtheit durch die Referenznummer 30 gemäß einer Beispielausführung gekennzeichnet ist.
Die Halbleiterkomponente 30 umfasst eine Isolierschicht 31 und eine Leitungsschicht 32, die zusammen mindestens einen Teil eines Substrats bilden können (wie das oben beschriebene Substrat 11 der Halbleiterkomponente 10). Die Halbleiterkomponente 30 umfasst ferner eine erste Leistungskomponente 34a, eine zweite Leistungskomponente 34b und eine dritte Leistungskomponente 34c, die auf der Leitungsschicht 32 montiert sind. Die Leistungskomponenten 34a bis 34c sind Beispiele für die Leistungskomponenten 12a und 12b der Halbleiterkomponente 10.
Bei den Leistungskomponenten 34a bis 34c kann es sich um Schaltkomponenten handeln, wie z.B. Schaltkomponenten des Beispiels Wechselrichterschaltung 20.
Der Halbleiter 30 enthält außerdem ein Temperatursensorelement 36, wie z.B. einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten (obwohl dem Fachmann andere Formen von Temperatursensorelementen bekannt sind, die verwendet werden könnten). Wie oben angegeben, kann das Temperatursensorelement auf dem Substrat der Halbleiter-Vorrichtung 30 montiert werden, aber dies ist nicht für alle Beispielausführungen wesentlich.
Es besteht ein thermischer Kopplungskoeffizient zwischen dem Temperatursensorelement 36 und jeder der Leistungskomponenten 34a bis 34c. Ein thermischer Kopplungskoeffizient definiert, wie stark sich eine Temperaturänderung eines aktiven Elements (z.B. einer der Leistungskomponenten 34a bis 34c) auf die Temperatur eines passiven Elements (z.B. des Temperatursensorelements 36) in Bezug auf eine Referenztemperatur T_ref auswirkt.
Genauer gesagt, kann im stationären Zustand ein thermischer Leitwert C durch: C = $\frac{T_{2} - T_{r e f}}{P_{v}}$
definiert werden, wobei:

• T₂ die stationäre Temperatur an der temperaturerfassenden Komponente ist; und
• P_v eine Verlustleistung (z.B. Schaltverlust) an der Leistungskomponente ist.

Wie in 3 dargestellt, besteht in der Halbleiterkomponente 30 ein erster thermischer Kopplungskoeffizient C1 zwischen der ersten Leistungskomponente 34a und dem Temperatursensorelement 36, ein zweiter thermischer Kopplungskoeffizient C2 zwischen der zweiten Leistungskomponente 34b und dem Temperatursensorelement 36 und ein dritter thermischer Kopplungskoeffizient C₃ zwischen der dritten Leistungskomponente 34c und dem Temperatursensorelement 36.
Da der thermische Leitwert C (im stationären Zustand) durch: $C = \frac{T_{2} - T_{r e f}}{P_{v}}$
definiert ist kann die Auswirkung einer Verlustleistung (P₁) an der ersten Leistungskomponente 34a, einer Verlustleistung (P2) an der zweiten Leistungskomponente 34b und einer Verlustleistung (P₃) an der dritten Leistungskomponente 34c auf das Temperatursensorelement 36 jeweils wie folgt ausgedrückt werden: < $T_{N T C 1,1} = C 1 * P_{1} + T_U m g e b u n g$
$T_{N T C 1, 2} = C 2 * P_{2} + T_U m g e b u n g$
< $T_{N T C 1, 3} = C 3 * P_{3} + T_U m g e b u n g$
Die Gesamttemperatur an dem Temperatursensorelement 36 ist wie folgt eine Funktion der thermischen Kopplungskoeffizienten und der Verlustleistungen: $T_{N T C 1,1} = C 1 * P_{1} + C 2 * P_{2} + C 3 * P_{3} + T_U m g e b u n g$
Jeder der Kopplungskoeffizienten C1, C2 und C3 ist von Faktoren abhängig, wie: dem Material aller Schichten zwischen der jeweiligen Leistungskomponente und dem Temperatursensorelement, dem Abstand zwischen der jeweiligen Leistungskomponente und dem Temperatursensorelement, den Auswirkungen einer eventuellen Kühlung im Bereich der jeweiligen Leistungskomponente und des Temperatursensorelements und der Verlustleistung der jeweiligen Leistungskomponente.
Für den Fall, dass jeder der Kopplungskoeffizienten C1, C2 und C3 modelliert oder geschätzt werden kann, ist es möglich, eine Gesamtdissipation aus der Formel zu ermitteln (oder zu schätzen): $T_{N T C 1} = (C 1 + C 2 + C 3) * P_{t o t a l} \cdot$
Diese Formel ist jedoch nicht in der Lage, die Verlustleistung (und damit die Temperatur) für die einzelnen Leistungskomponenten 34a, 34b und 34c zu ermitteln.
4 ist eine Draufsicht auf eine Beispiel-Halbleiterkomponente, die in ihrer Gesamtheit durch die Referenznummer 40 gemäß einer Beispielausführung gekennzeichnet ist. Die Halbleiterkomponente 40 ähnelt der oben beschriebenen Halbleiterkomponente 30, umfasst jedoch zusätzliche Temperatursensoren. Durch die Bereitstellung mehrerer Temperatursensoren ist es möglich, mehr Informationen zu einzelnen Leistungskomponenten zu ermitteln, wie im Folgenden ausführlich besprochen wird.
Die Halbleiterkomponente 40 umfasst die Isolationsschicht 31, die Leitungsschicht 32 und die oben beschriebenen ersten bis dritten Leistungskomponenten 34a bis 34c. Die Halbleiterkomponente 40 umfasst ferner ein erstes Temperatursensorelement 46a, ein zweites Temperatursensorelement 46b und ein drittes Temperatursensorelement 46c (wobei jene Temperatursensorelemente auf der Leitungsschicht 32 angebracht werden können). Jedes der Temperatursensorelemente 46a bis 46c ist dem oben beschriebenen Temperatursensorelement 36 ähnlich.
Es bestehen thermische Kopplungskoeffizienten zwischen dem ersten Temperatursensorelement 46a und jedem der Leistungskomponenten 34a bis 34c. Wie in 4 gezeigt, werden diese thermischen Kopplungskoeffizienten durch die Bezeichnungen C11, C12 bzw. C13 angegeben. In ähnlicher Weise bestehen die thermischen Kopplungskoeffizienten C21, C22 und C23 zwischen dem zweiten Temperatursensorelement 46b und den Leistungskomponenten 34a bis 34c. Schließlich existieren die thermischen Kopplungskoeffizienten C31, C32 und C33 zwischen dem dritten Temperatursensorelement 46c und den Leistungskomponenten 34a bis 34c.
Der Einfluss einer Verlustleistung (P₁) an der ersten Leistungskomponente 34a auf das erste Temperatursensorelement 46a kann wie folgt ausgedrückt werden: $• T_{N T C 1} = C 11 * P_{1} + T_a m b i e n t$
Diese kann wie folgt erweitert werden, um den Einfluss jeder Leistungskomponente auf jedes der Temperatursensorelemente 46a, 46b und 46c anzugeben: $• T_{N T C 1} = C 11 * P_{1} + C 12 * P_{2} + C 13 * P_{3} + T_U m g e b u n g$
$• T_{N T C 2} = C 21 * P_{1} + C 22 * P_{2} + C 23 * P_{3} + T_U m g e b u n g$
$• T_{N T C 3} = C 31 * P_{1} + C 32 * P_{2} + C 33 * P_{3} + T_U m g e b u n g$
Wenn die verschiedenen thermischen Kopplungskoeffizienten in der Halbleiterkomponente 40 bekannt sind (oder abgeschätzt werden können), dann ergibt die Messung der Temperaturen drei Gleichungen mit drei Unbekannten. Die Gleichungen können daher gelöst werden, um individuelle Verlustleistungsschätzungen P₁, P₂ und P₃ zu erhalten.
Aus den Verlustleistungsschätzungen kann die Gleichung für die thermischen Leitwerte $(C = \frac{T_{2} - T_{r e f}}{P_{v}})$
verwendet werden, um mittels Triangulation eine Schätzung der Temperatur jeder der Leistungskomponenten 34a bis 34c zu erzeugen. (Es ist zu beachten, dass, wie weiter unten besprochen, zur Lösung der oben angegebenen Gleichungssätze die Anzahl der asymmetrischen thermischen Pfade mindestens so groß sein muss wie die Anzahl der Leistungskomponenten).
5 ist ein Flussdiagramm, das einen Algorithmus zeigt, der im Allgemeinen durch die Referenznummer 50 gekennzeichnet ist, in Übereinstimmung mit einer Beispielausführung. Der Algorithmus 50 kann unter Verwendung der oben beschriebenen Halbleiterkomponente 40 implementiert werden.
Der Algorithmus 50 beginnt bei Schritt 52, wobei eine Temperatur an jedem einer Vielzahl von Temperatursensorelementen einer Halbleiter-Vorrichtung (z.B. jedem der Temperatursensorelemente 46a bis 46c) gemessen wird. Wie oben beschrieben, besteht zwischen jedem Temperatursensorelement und jedem einer Vielzahl von Leistungskomponenten der Halbleiter-Vorrichtung ein thermischer Kopplungskoeffizient.
Bei Schritt 54 werden die thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen den jeweiligen Halbleiter-Vorrichtungen und den Temperatursensorelementen abgerufen. Diese Parameter können zum Beispiel in einem Speicher eines Steuermoduls gespeichert werden, das den Schritt 50 implementiert.
Bei Schritt 56 wird die Verlustleistung und/oder die Temperatur einiger oder aller der mehreren Leistungskomponenten nach den Prinzipien der Triangulation ermittelt. Die Ermittlung kann für jede Leistungskomponente basieren auf: den an den Temperatursensorelementen gemessenen Temperaturen (wie in Schritt 52 ermittelt); und den thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen der jeweiligen Leistungskomponente (wie in Schritt 54 ermittelt) und jedem Temperatursensorelement.
Als Beispiel kann die Schritt 56 die Ermittlung einer Verlustleistung in Form einer Schaltverlustleistung der relevanten Leistungskomponenten umfassen. Auf der Grundlage der Schaltverluste kann die Temperatur der jeweiligen Leistungskomponenten ermittelt werden.
Die obige Analyse bezieht sich auf die stationäre Analyse. Dieselben Prinzipien können jedoch auch auf die Analyse von transientem Verhalten angewandt werden.
6 ist ein Diagramm, das in seiner Gesamtheit durch die Referenznummer 60 gekennzeichnet ist und ein transientes Verhalten einer Leistungskomponente gemäß einer Beispielausführung zeigt. Das Diagramm 60 zeigt eine erste Phase 61, in der die Temperatur einer Leistungskomponente ansteigt; die erste Phase 61 kann eine Reaktion auf die Aktivierung einer Leistungskomponente sein. Das Diagramm 60 zeigt auch eine zweite Phase 62, in der die Temperatur eine stationäre Temperatur erreicht hat. Schließlich zeigt das Diagramm 60 eine dritte Phase 63, in der die Temperatur sinkt; die dritte Phase kann eine Reaktion darauf sein, dass die Leistungskomponente nicht mehr aktiv ist (z.B. nicht mehr schaltet).
Die transiente Temperaturänderung kann durch einen Endwert angegeben werden r und eine Verzögerungselement-Antwort $\frac{- t}{e^{τ_{X,i}}},$
Hier kann r z.B. von dem/den in der jeweiligen Komponente verwendeten Material(ien) abhängen oder auf dem Abstand zwischen einer Leistungskomponente und einem Temperatursensorelement basieren.
So kann eine Temperatur (Z), die an einem Temperatursensorelement als Reaktion auf eine Zustandsänderung einer Leistungskomponente gemessen wird, wie folgt aussehen: $Z = r * \frac{- t}{e^{t_{X, i}}},$
Durch die Einbeziehung einer zeitabhängigen Komponente in die Kopplungskoeffizienten lassen sich die oben beschriebenen Formeln mit Bezug auf 4 wie folgt ausdrücken: $• T_{N T C 1} = C 11 (t) * P_{1} + C 12 (t) * P_{2} + C 13 (t) * P_{3} + T_U m g e b u n g$
$• T_{N T C 2} = C 21 (t) * P_{1} + C 22 (t) * P_{2} + C 23 (t) * P_{3} + T_U m g e b u n g$
$• T_{N T C 3} = C 31 (t) * P_{1} + C 32 (t) * P_{2} + C 33 (t) * P_{3} + T_U m g e b u n g$
Somit können die thermischen Kopplungskoeffizienten verwendet werden, um eine transiente Beziehung zwischen der jeweiligen Leistungskomponente und dem jeweiligen Temperatursensorelement zu beschreiben.
Die Verwendung von Zeitabhängigkeiten kann auf diese Weise ausgenutzt werden, um noch mehr Freiheit bei der Ermittlung von Temperatur- und Leistungsmessungen zu erhalten. Es wird zum Beispiel die oben beschriebene Wechselrichterschaltung 20 betrachtet. Diese Schaltung enthält sechs Schaltkreise (Transistoren). Wenn zumindest einige dieser Transistorschaltungen während verschiedener Zeitabschnitte aktiv sind, dann können Temperaturmessungen mit einer geringeren Anzahl von Temperatursensorelementen ermittelt werden, als es erforderlich wäre, wenn alle Schaltkreise zur gleichen Zeit arbeiten würden.
7 ist ein Querschnitt eines Beispielhalbleiterbauteils, das in seiner Gesamtheit durch die Referenznummer 70 entsprechend einer Beispielausführung gekennzeichnet ist.
Die Halbleiter-Vorrichtung 70 besteht aus einem Substrat 72, einer Vielzahl von Leistungskomponenten 74a, 74b und 74c und einer Vielzahl von Temperatursensoren 76a, 76b und 76c. Die Leistungskomponenten 74a bis 74c und die Temperatursensoren 76a bis 76c sind auf dem Substrat 72 montiert. Das Substrat, die Leistungskomponente und die Temperatursensoren sind in einer Verkapselung 78 untergebracht, so dass ein Gehäuse für die Halbleiterkomponente vorhanden ist.
Die Leistungskomponenten 74a, 74b und 74c sind Beispiele für die oben beschriebenen Leistungskomponenten 34a, 34b und 34c. Ebenso sind die Temperatursensoren 76a, 76b und 76c Beispielimplementierungen der oben beschriebenen Temperatursensorelemente 46a bis 46c.
Viele Varianten zur Lage der Leistungskomponente und der Temperatursensoren des Halbleiter-Vorrichtung 70 sind möglich. So ist z.B. 8 ein Querschnitt einer Beispiel-Halbleiter-Vorrichtung, die in ihrer Gesamtheit durch die Referenznummer 80 gekennzeichnet ist, entsprechend einer Beispielausführung. Die Halbleiter-Vorrichtung 80 umfasst das Substrat 72 und die Vielzahl der Leistungskomponenten 74a, 74b und 74c, die wie oben beschrieben auf dem Substrat montiert sind. Darüber hinaus umfasst die Halbleiter-Vorrichtung 80 eine Vielzahl von Temperatursensoren 86a, 86b und 86c. Der Temperatursensor 86c ist auf dem Substrat 72 montiert und die Temperatursensoren 86a und 86b sind an anderer Stelle innerhalb des Gehäuses der Halbleiter-Vorrichtung angebracht.
Die Temperatursensoren 86a und 86b (und möglicherweise auch der Temperatursensor 86c) können drahtlos kommunizieren (z.B. wie durch die gebogenen Pfeile dargestellt). So können Temperaturdaten aus der jeweiligen Halbleiter-Vorrichtung heraus an ein Steuermodul außerhalb der Halbleiter-Vorrichtung übermittelt werden. Ein Vorteil der drahtlosen Kommunikation ist die Reduzierung der Anzahl der an der Halbleiter-Vorrichtung benötigten Pins.
Dem Fachmann sind viele Varianten der oben beschriebenen Halbleiter-Vorrichtung 70 und 80 bekannt.
9 zeigt ein System, das in seiner Gesamtheit durch die Referenznummer 90 gekennzeichnet ist, in Übereinstimmung mit einer Beispielausführung. Das System 90 umfasst eine Leistungskomponente 94 und einen ersten bis dritten Temperatursensor 96a bis 96c. Zwischen der Leistungskomponente 94 und dem ersten Temperatursensor 96a besteht ein erster thermischer Kopplungskoeffizient C1, zwischen der Leistungskomponente 94 und dem zweiten Temperatursensor 96b besteht ein zweiter thermischer Kopplungskoeffizient C2 und zwischen der Leistungskomponente 94 und dem dritten Temperatursensor 96c besteht ein dritter thermischer Kopplungskoeffizient C3.
Damit die Triangulation zur Lösung der oben beschriebenen Gleichungen verwendet werden kann, werden die Temperatursensorelemente 96a bis 96c so positioniert, dass die thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen jedem Paar von Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten sich von jedem anderen Paar von Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten unterscheiden. Somit ist jedes der Paare C1, C2 und C3 unterschiedlich.
In einer Beispielausführung ist die Anzahl der Temperatursensorelemente gleich oder größer als die Anzahl der Leistungskomponenten. Daher sind in den oben beschriebenen Systemen 40, 70 und 80 drei Temperatursensorelemente vorgesehen, um die Temperatur oder die Verlustleistung für drei Leistungskomponenten zu ermitteln.
Um die oben beschriebenen Gleichungssysteme zu lösen, muss eine Anzahl asymmetrischer thermischer Pfade mindestens so groß wie die Anzahl der Leistungskomponenten sein. So können z.B. die Temperatursensorelemente so positioniert werden, dass die thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen jedem Paar von Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten sich von denjenigen jedes anderen Paares von Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten unterscheiden.
Wie oben in Bezug auf das System 90 beschrieben, können die Temperatursensorelemente so positioniert werden, dass Symmetrien der thermischen Pfadlängen zwischen Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten innerhalb des Gehäuses vermieden werden (wobei die thermischen Pfadlängen wahrscheinlich ähnlich, aber nicht unbedingt identisch mit den geometrischen Pfadlängen sind). Ein anderer Ansatz besteht darin, eine große Anzahl von Temperatursensorelementen (im Verhältnis zur Anzahl der Leistungskomponenten) vorzusehen, so dass man bei der Platzierung der Temperatursensorelemente nicht so vorsichtig sein muss.
Z.B. 10 ist ein Querschnitt einer beispielhaften Halbleiterkomponente, die in ihrer Gesamtheit durch die Referenznummer 100 gemäß einer Beispielausführung gekennzeichnet ist. Die Halbleiterkomponente 100 umfasst das Substrat 72 und die Vielzahl von Leistungskomponenten 74a, 74b und 74c, die wie oben beschrieben auf dem Substrat montiert sind. Darüber hinaus umfasst die Halbleiter-Vorrichtung 80 die Mehrzahl der Temperatursensoren 86a, 86b und 86c und umfasst weitere Temperatursensoren 86d, 86e und 86f, so dass es viele Temperatursensoren mehr gibt als Halbleiterkomponenten. Wie in 10 dargestellt, sind die Temperatursensoren 86c, 86e und 86f auf dem Substrat 72 montiert und die Temperatursensoren 86a, 86b und 86d sind an anderer Stelle innerhalb des Gehäuses der Halbleiterkomponente angebracht.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung dienen nur als Beispiel. Dem Fachmann sind viele Modifikationen, Änderungen und Substitutionen bekannt, die vorgenommen werden könnten, ohne vom Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Ansprüche der vorliegenden Anmeldung zielen darauf ab, alle Modifikationen, Änderungen und Substitutionen zu nennen, die in den Geist und den Anwendungsbereich der Erfindung fallen. Zum Beispiel sind die hier beschriebenen Prinzipien auf eine Vielzahl von Halbleiterkomponenten anwendbar (nicht nur auf Leistungsmodule und Leistungsmodulbauelemente).

Claims

Verfahren, umfassend: Messen einer Temperatur an jedem einer Vielzahl von Temperatursensorelementen, die in einem Gehäuse einer Halbleiter-Vorrichtung montiert sind, wobei ein thermischer Kopplungskoeffizient zwischen jedem Temperatursensorelement und jedem einer Vielzahl von Leistungskomponenten besteht, die in dem Gehäuse montiert sind; und Ermitteln einer Verlustleistung und/oder einer Temperatur einiger oder aller Leistungskomponenten, für jede Leistungskomponente auf der Grundlage eines thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen der jeweiligen Leistungskomponente und jedem Temperatursensorelement; und der an den Temperatursensorelementen gemessenen Temperaturen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verlustleistung und/oder die Temperatur der Leistungskomponenten mittels Triangulation ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das ferner die Ermittlung der Temperatur der Leistungskomponenten auf der Grundlage der ermittelten Verlustleistung der Leistungskomponenten umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Temperatursensorelemente derart angeordnet sind, dass die thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen jedem Paar von Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten sich von jedem anderen Paar von Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten unterscheiden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Temperatursensorelemente so angeordnet sind, dass Symmetrien der thermischen Weglängen zwischen Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten innerhalb des Gehäuses vermieden werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Anzahl der Temperatursensorelemente gleich oder größer als die Anzahl der Leistungskomponenten ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner das Ermitteln der thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen den Leistungskomponenten und den Temperatursensorelementen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die thermischen Kopplungskoeffizienten durch eines oder mehrere der folgenden Verfahren ermittelt werden: Simulation, Messung und Berechnung.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Temperatursensorelemente Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten umfassen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die thermischen Kopplungskoeffizienten eine transiente Beziehung zwischen der jeweiligen Leistungskomponente und dem jeweiligen Temperatursensorelement beschreiben.
Schaltungsanordnung umfassend: eine Vielzahl von Leistungskomponenten, die auf einem Substrat einer Halbleiter-Vorrichtung montiert sind; eine Vielzahl von Temperatursensorelementen, die in einem Gehäuse der Halbleiter-Vorrichtung montiert sind; und ein Steuermodul zur Ermittlung einer Verlustleistung und/oder einer Temperatur einiger oder aller der Vielzahl von Leistungskomponenten, für jede Leistungskomponente auf der Grundlage: des thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen der jeweiligen Leistungskomponente und jedem Temperatursensorelement; und die an den Temperatursensorelementen gemessenen Temperaturen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, bei der die Temperatursensorelemente so angeordnet sind, dass die thermischen Kopplungskoeffizienten zwischen jedem Paar von Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten sich von jedem anderen Paar von Temperatursensorelementen und Leistungskomponenten unterscheiden.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, bei der die Anzahl der Temperatursensorelemente gleich oder größer als die Anzahl der Leistungskomponenten ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Temperatursensorelemente Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten umfassen.
Halbleiter-Leistungsmodul mit der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14.