DE102021202150A1

DE102021202150A1 - Leistungsmodul mit Alterungserkennung

Info

Publication number: DE102021202150A1
Application number: DE102021202150.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Homoth; Sebastian Strache; Josef Goeppert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2022-09-08
Also published as: WO2022184764A1; US20240160233A1; CN117255933A

Abstract

Es wird ein Leistungsmodul (1) beschrieben, umfassend ein Substrat (2) sowie mindestens einen auf einer Unterseite des Substrats (2) angeordneten Leistungstransistor (3), sowie mindestens einen im Leistungsmodul (1) angeordneten Temperatursensor. Die Temperaturmessung des Leistungstransistors ist im Stand der Technik entweder ungenau oder erfordert einen komplizierteren Aufbau des Leistungstransistors. Es ist schwierig, eine vorzeitige Alterung einzelner Leistungstransistoren zu erkennen. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Primär-Temperatursensor auf einer dem mindestens einen Leistungstransistor (3) gegenüberliegenden Oberseite oder in einer oberhalb des mindestens einen Leistungstransistors (3) angeordneten inneren Substratschicht angeordnet. Weiterhin ist mindestens ein Referenz-Temperatursensor zur Bereitstellung einer Vergleichstemperatur von allen Leistungstransistoren beabstandet auf der Oberseite oder auf einer der inneren Substratschichten angeordnet. Dadurch kann die Transistor-Temperatur näher an der Quelle der Wärme gemessen werden und es ist eine Referenz-Temperatur zu Erkennung von Widerstandsänderungen durch Materialalterung vorhanden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul umfassend ein Substrat sowie mindestens einen auf dem m Substrat angeordneten Leistungstransistor, sowie mindestens einen im Leistungsmodul angeordneten Temperatursensor.
Stand der Technik
Leistungsmodule generieren stark lokalisiert große Wärmemengen, die bei nicht ausreichender Kühlung/Herunterregelung die Lebensdauer des Leistungsmoduls stark reduzieren können. Gleichzeitig ist es schwierig, in größeren Anordnungen von Leistungsmodulen eine gezielte Kühlung je nach Bedarf bereitzustellen beziehungsweise die Temperatur der einzelnen Leistungstransistoren ohne größere Verzögerung zu messen und einen Überblick darüber zu behalten, wie stark die einzelnen Leistungsmodule bzw. Leistungshalbleiter/ Leistungstransistoren belastet werden.
Temperaturerfassung wird in Leistungsmodulen auf unterschiedliche Weisen realisiert:

- NTC- (englisch Negative Temperature Coefficient) oder PTC- (englisch Positive Temperature Coefficient) Widerstände werden im Leistungsmodul in der Nähe der Leistungstransistoren angeordnet und über eine Messung der temperaturabhängigen Widerstände die Temperatur bestimmt,
- Erfassung der Temperatur über spezielle Bauteilanordnungen (Dioden/Widerstände) auf dem Substrat,
- Verwendung von temperatursensitiven, elektrisch messbaren Eigenschaften der Leistungstransistoren zur direkten Ermittlung der Temperatur des jeweiligen Leistungstransistors.

Die genannten Lösungen sind jedoch entweder ungenau und bzw. oder weisen durch ihren Abstand zur heißesten Stelle eine deutliche Zeitverzögerung in der Messung einer Temperaturspitze auf oder sie erfordern einen deutlich komplizierten Aufbau des Leistungstransistors. Des Weiteren können diese Arte der Temperatursensoren nicht gleichzeitig direkt den Einfluss der Alterung auf das Modul messen.
Weiterhin verfügen Leistungsmodule aktuell über keine speziellen Strukturen oder Sensoren, die Auskunft über die noch zu erwartende Lebensdauer (remaining useful life, RUL) geben. Die Leistungsmodule müssen daher so (über)designt werden, dass die Qualitätsziele auch bei extremen Beanspruchungen und Fertigungstoleranzen immer gewährleistet sind.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Leistungsmodul der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Primär-Temperatursensor auf einer dem mindestens einen Leistungstransistor gegenüberliegenden Seite des Substrats oder in einer oberhalb oder unterhalb des mindestens einen Leistungstransistors angeordneten inneren Substratschicht angeordnet ist, und mindestens ein Referenz-Temperatursensor zur Bereitstellung einer Vergleichstemperatur von allen Leistungstransistoren beabstandet auf einer Seite des Substrats oder auf einer der inneren Substratschichten angeordnet ist.
Vorteile der Erfindung
Die Anordnung des Primär-Temperatursensors hat den Vorteil, dass die Temperatur deutlich näher als zuvor an dem mindestens einen Leistungstransistor, und damit an der Quelle der Verlustwärme, gemessen wird. Damit kann vermieden werden, dass sich ein Leistungstransistor zu stark erhitzt, bevor die Wärme durch Wärmeleitung die Leiterschleife erreicht, wie dies im Stand der Technik aufgrund des höheren Abstandes der Fall sein kann. Jedes deutliche Überschreiten der Betriebstemperatur senkt in der Regel die Lebensdauer des einzelnen Leistungstransistors.
In Leistungsmodulen mit mehreren Leistungstransistoren kommt hinzu, dass es eine gewisse Wahrscheinlichkeit gibt, dass sich ein Leistungstransistor im Mittel häufiger und stärker erhitzt als die anderen Leistungstransistoren und damit als erster ausfällt. Außerdem kann sich ein Leistungstransistor aufgrund von Fertigungstoleranzen bei derselben Belastung höher erhitzen als ein anderer Leistungstransistor desselben Typs. Ein Ausfall eines Leistungstransistors führt aber häufig schon dazu, dass das gesamte Leistungsmodul ausgetauscht werden muss. Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es daher deutlich besser, die Temperaturbelastung der einzelnen Leistungstransistoren zu überwachen und gegebenenfalls gegenzusteuern, um die Gesamtlebensdauer des Leistungsmoduls zu erhöhen.
Vorzugsweise umfasst mindestens ein Temperatursensor (vorzugsweise umfassen alle Temperatursensoren) einen temperaturabhängigen Widerstand, z.B. mindestens je eine Leiterschleife mit temperaturabhängigem Widerstand. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur die Ist-Temperatur gemessen werden kann, sondern auch Materialalterung im Bereich des temperaturabhängigen Widerstands durch deutliche Widerstandsveränderungen messbar ist. Letzteres erfordert aber für eine sichere Detektion einen Temperatur-Vergleichswert (bzw. Widerstands-Vergleichswert), da sonst eine graduelle oder plötzliche Widerstandserhöhung durch Materialalterung auch als zu hohe oder zu niedrige (PTC bzw. NTC) Temperatur missinterpretiert werden könnte. Mit Temperatursensor kann hier und in der übrigen Anmeldung der mindestens eine Primär-Temperatursensor oder mindestens eine Referenz-Temperatursensor gemeint sein.
Der oder die Referenz-Temperatursensor(en) kann / können aber prinzipiell an einer beliebigen Position im Substrat angeordnet sein, solange diese nicht direkt gegenüber eines Leistungstransistors liegt. Beispielsweise kann ein Referenz-Temperatursensor auch entlang eines Randes des Substrats verlaufen oder in einer Ecke des Substrats angeordnet sein.
Der Referenz-Temperatursensor sollte entsprechend an einer möglichst wenig von (temperaturbedingter) Alterung betroffenen Stelle des Leistungsmoduls angeordnet sein. Gleichzeitig sollte der Referenz-Temperatursensor noch nah genug an den Haupt-Wärmequellen des Leistungsmoduls angeordnet sein (bei großen Leistungsmodulen), dass die Wärmeleitung bis zum Referenz-Temperatursensor ausreichend schnell erfolgt, sodass sich ein Temperaturgleichgewicht in einer üblichen Betriebssituation einstellen kann. Die Formulierung „von allen Leistungstransistoren beabstandet“ ist also so zu verstehen, dass der Referenz-Temperatursensor nicht direkt oberhalb eines Leistungstransistors und in der Ebene des Substrats nicht direkt angrenzend zu einem Leistungstransistor angeordnet ist. Der Referenz-Temperatursensor könnte auch vorzugsweise in den ASIC mit integriert oder durch eine andere Sensor Technologie (z. B. NTC) realisiert werden.
Durch die unterschiedliche Alterung des Primär-Temperatursensors und des Referenz-Temperatursensors infolge der unterschiedlichen Temperaturbelastungen ergibt sich ein graduelles zeitliches Anwachsen der Differenz der jeweils bestimmten Temperaturen (zeitliche Drift). Das Leistungsmodul kann dazu eingerichtet sein beim Überschreiten einer zeitlich gemittelten relativen Temperaturdifferenz, z. B. (∫ dt |T_Primar - T_Referenz| / T_Referenz ) / t_Mittelung > Grenzwert, eine Warnung über eine noch zu erwartende Restlebensdauer (z. B. weniger als 1 Jahr, weniger als 1 Monat etc.) auszugeben. Das Leistungsmodul kann auch mehrere derartige Grenzwerte verwenden, die jeweils Unterschiedlichen Restlebensdauern des Leistungsmoduls entsprechen können.
Vorzugsweise ist das Leistungsmodul dazu eingerichtet, korrigierte Temperaturmesswerte des Primär-Temperatursensors (oder der Primär-Temperatursensoren) durch Vergleich mit der vom Referenz-Temperatursensor gemessenen Temperatur zu berechnen. Vorzugsweise wird dabei mindestens eine Kalibrierungskurve verwendet, also ein zu erwartendes Temperaturverhältnis zwischen der jeweils gemessenen Temperatur des jeweiligen (Primär-) Temperatursensors und des Referenz-Temperatursensors.
Durch einen Vergleich der gemessenen Temperatur des mindestens einen Primär-Temperatursensors mit der gemessenen Temperatur des Referenz-Temperatursensors, kann die zeitliche Entwicklung der Drift des Primär-Temperatursensors indirekt ermittelt werden. Diese Information kann dann zur Ermittlung der verbleiben Nutzungsdauer verwendet werden.
Durch den periodischen Abgleich mit dem Referenz-Temperatursensor kann eine Alterung des Leistungsmoduls frühzeitig erkannt werden. Hierdurch kann noch vor einem fatalen Ausfall auf diese reagiert werden. Bei einer Elektrofahrzeug-Anwendung in der Ladelektronik kann ein proaktiver Austausch des Leistungsmoduls (dort z.B. als Inverter) ein Liegenbleiben des Fahrzeuges verhindern, was insbesondere für die Verwendung in autonomen Fahrzeugen ein wichtiger Vorteil wäre. Alternativ kann auch die Leistung des Leistungsmoduls oder nur einzelner Leistungstransistoren reduziert werden, um die RestLebensdauer zu erhöhen oder das Leistungsmodul beim nächsten regulären Fahrzeugservice zu tauschen.
Der doppelte Nutzen der vorliegenden Erfindung (Temperaturerfassung und Degradationserkennung) ist also, dass diese zusätzliche Information ohne weitere Sensorik und Kosten erfasst werden.
Das Substrat ist vorzugsweise ein mehrschichtiges Substrat, sodass sowohl die Leistungs-, Logikverdrahtung (z. B. Steuerleitungen für Leistungstransistoren) und die zur Temperaturmessung benötigten Temperatursensoren (z. B. deren Leiterschleifen) integriert werden können. Die Unterseite des Substrats kann beispielsweise die unterste Schicht des Substrats sein oder zumindest die unterste Schicht mit leitenden Elementen. Entsprechend kann die Oberseite des Substrats beispielsweise die oberste Schicht des Substrats sein, auf der leitende Elemente angeordnet sind. Der oder die Leistungstransistoren können beispielsweise auf der Unterseite angeordnet sein, während der / die zugehörige(n) Primär-Temperatursensor(en) auf einer einem Leistungstransistor gegenüberliegenden Oberseite oder in einer oberhalb des jeweiligen Leistungstransistors angeordneten Substratschicht angeordnet sind.
Die Begriffe „Unterseite“, „Oberseite“ und „Seite“ bzw. „unterhalb“ und „oberhalb“ und dergleichen dienen in dieser Anmeldung nur der relativen Orientierung der Bauteile und sind nicht einschränkend zu verstehen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Vorzugsweise umfasst mindestens ein Primär-Temperatursensor eine Leiterschleife zur Temperaturmessung, die auf der dem Leistungstransistor gegenüberliegenden Seite des Substrats oder in einer oberhalb oder unterhalb des mindestens einen Leistungstransistors angeordneten inneren Substratschicht angeordnet ist. Diese Leiterschleife weist vorzugsweise einen temperaturabhängigen Widerstand auf, sodass sowohl die momentane Temperatur des Leistungstransistors überwacht werden kann als auch eine Materialalterung des Substrats durch eine abrupte und dauerhafte Widerstandsänderung detektierbar ist (z. B. bei einer Deformation der Leiterschleife oder einem Riss in der Leiterschleife).
Eine Leiterschleife eines Primär-Temperatursensors kann gegenüber einem gesamten Leistungstransistor oder nur einem Teil des Leistungstransistors angeordnet sein. Wenn mehrere Leistungstransistoren mit einem Substrat verbunden sind, ist vorzugsweise jeder Leistungstransistor mit einer eigenen Leiterschleife (je eines Primär-Temperatursensors) oberhalb des jeweiligen Leistungstransistors z. B. in / auf einer Innenlage oder der Oberseite des Substrats versehen. Die einzelnen Leiterschleifen können dann aber mit einer gemeinsamen Auswertelektronik (zum Beispiel eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, ASIC, des Leistungsmoduls) verbunden sein.
Vorzugsweise weist mindestens eine Leiterschleife einen mäandernden Verlauf auf. Dadurch lässt sich die Leiterstrecke unter Einfluss der erhöhten Temperatur vergrößern und damit beispielsweise ein möglichst großer Absoluteffekt auf den Widerstand der Leiterschleife erzielen.
Vorzugsweise ist mindestens eine Leiterschleife eines Primär-Temperatursensors gegenüber dem Source des Leistungstransistors angeordnet. Bei einem Feldeffekttransistor ist der Source üblicherweise aufgrund der Nähe zum aktiven Gebiet des Transistors die stärkste Wärmequelle und die Leiterschleife kann für eine optimale Sensitivität daher auch nur gegenüber dem Source angeordnet sein. Da lokale Spitzentemperaturen zu langfristigen Schadstellen führen können, sind diese deutlich besser als die mittlere Temperatur des Leistungstransistors ein Indikator für eine problematische Überhitzung und Materialalterung. Es ist daher vorteilhaft, gezielt die Temperatur der üblicherweise heißesten Stelle des Leistungstransistors zu messen.
In einer Ausführungsform verläuft mindestens eine Leiterschleife über mehrere Substratschichten. Dadurch lässt sich die Genauigkeit der Temperaturmessung erhöhen. Mindestens eine Leiterschleife kann in mehreren Substratschichten einen mäandernden Verlauf aufweisen. Mindestens eine Leiterschleife kann über Durchkontaktierungen (Vias) mit den verschiedenen Substratschichten verbunden sein.
Es ist bevorzugt, wenn das Leistungsmodul mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) umfasst, die mit mindestens einem Leistungstransistor sowie mit dem mindestens einen dem Leistungstransistor zugehörigen Primär-Temperatursensor sowie mit dem Referenz-Temperatursensor verbunden ist. Die ASIC kann dann beispielsweise über eine Einzelgate-Steuerung die einzelnen Leistungstransistoren regeln, um die Temperaturbelastung der Leistungstransistoren (momentan oder über die Zeit) anzugleichen und damit die Gesamtlebensdauer oder Leistungsfähigkeit des Leistungsmoduls zu erhöhen. Die ASIC kann auf der Unterseite oder der Oberseite des Substrats angeordnet sein. Im letzteren Fall können die Temperatursensoren bzw. Leiterschleifen beispielsweise über Durchkontaktierungen (Vias) mit dem ASIC verbunden sein.
In einer Ausführungsform ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung dazu eingerichtet, über den Vergleich der von mindestens einem Primär-Temperatursensor und dem Referenz-Temperatursensor bereitgestellten Temperaturdaten ein Maß für die Alterung des Leistungstransistors zu berechnen. Beispielsweise kann die integrierte Schaltung dazu eingerichtet sein, eine Temperaturdifferenz zwischen dem mindestens einen Primär-Temperatursensor und dem Referenz-Temperatursensor zu berechnen und mit einer Vergleichsdifferenzkurve aus Kalibrierungsdaten zu vergleichen, um Abweichungen und damit eine vorzeitige Alterung eines Leistungstransistors zu entdecken. Der dem Leistungstransistor angrenzende Primär-Temperatursensor driftet im Laufe der Zeit von seinem Verhalten zum Kalibrierungszeitpunkt weg (z.B. da sich der Widerstand durch Materialveränderung erhöht) während dies beim Referenz-Temperatursensor deutlich weniger der Fall ist. Die gemessene Temperaturdifferenz kann dabei eine über eine Zeitspanne gemittelte Temperaturdifferenz sein, um Verzögerungen durch Wärmeleitungseffekte zu reduzieren. Alternativ kann eine Temperaturdifferenz erst dann zur Altersbestimmung verwendet werden, wenn diese über einen Mindestzeitraum (z.B. eine Minute) um weniger als eine vorgegebene Temperatur geschwankt hat (z.B. um weniger als 5°C). Überschreitet der Widerstand eines Primär-Temperatursensors einen ersten Schwellwert (der eine deutliche Alterung anzeigt), so kann der zugehörige Leistungstransistor durch den ASIC heruntergeregelt werden. Bei Überschreitung eines zweiten (höheren) Schwellwerts kann der zugehörige Leistungstransistor als defekt abgeschaltet werden. Vorzugsweise ist der ASIC dazu eingerichtet, im letzteren Fall (oder in beiden Fällen) eine Fehlermeldung auszugeben.
Vorzugsweise ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung mit mindestens zwei Leistungstransistoren sowie mit den mindestens zwei entsprechenden Primär-Temperatursensoren verbunden. Es ist bevorzugt, wenn auf der Unterseite des Substrats mindestens zwei Leistungstransistoren angeordnet sind, wobei jeweils eine separate Leiterschleife zur Temperaturmessung oberhalb des jeweiligen Leistungstransistors in einer Innenlage oder auf der Oberseite des Substrats angeordnet ist. Vorzugsweise ist für jeden Leistungstransistor jeweils eine separate Leiterschleife angeordnet, also beispielsweise drei, vier, fünf, sechs oder mehr Leistungstransistoren und Leiterschleifen desselben Leistungsmoduls.
In einer Ausführungsform ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung so eingerichtet, dass sie die Auslastung der mindestens zwei Leistungstransistoren so steuert, dass die über die Primär-Temperatursensoren gemessene Temperatur möglichst gleich ist. Diese Lösung ist möglichst einfach, da es nicht unbedingt notwendig ist, eine „Temperaturhistorie“ für die einzelnen Leistungstransistoren zu speichern, um zu entscheiden, welcher Leistungstransistor mehr belastet werden kann und soll. Es kann dann einfach im Betrieb der oder die Leistungstransistor(en) heruntergeregelt werden, deren Temperatur(en) oberhalb eines oberen Temperaturschwellenwerts (einer problematischen Temperatur bzw. oberhalb eines problematischen Widerstands) liegt und diejenigen Leistungstransistoren hochgeregelt werden, deren Temperatur unterhalb eines unteren Temperaturschwellenwerts (einer unproblematischen Temperatur) liegt. Die Verwendung von zwei verschiedenen Schwellenwerten kann die Regelung dabei stabilisieren, um häufiges Hochregeln und Herunterregeln zu vermeiden. Die Schwellenwerte können vorzugsweise durch Vergleich mit dem Referenz-Temperatursensor angepasst werden, um die zeitliche Drift (also insbesondere den mit der Materialalterung wachsenden Messfehler der Primären-Temperatursensoren) auszugleichen.
Es ist bevorzugt, wenn das Leistungsmodul mindestens einen Primär-Temperatursensor umfasst, der auf einer der mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung gegenüberliegenden Seite des Substrats oder in einer unterhalb oder oberhalb der mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung angeordneten inneren Substratschicht angeordnet ist. Auch die anwendungsspezifische integrierte Schaltung ist eine Wärmequelle im Leistungsmodul und kann prinzipiell durch Materialalterung infolge von Temperaturschwankungen vorzeitig ausfallen. Gleichzeitig kann der Primär-Temperatursensor zur Regelung der Kühlleistung einer aktiven Kühleinrichtung (z.B. Wasserkühlung) des Leistungsmoduls verwendet werden.
In einer Ausführungsform ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung so eingerichtet, dass sie die Auslastung der mindestens zwei Leistungstransistoren so steuert, dass die über die Primär-Temperatursensoren gemessenen Temperaturen möglichst gleich sind. Dadurch kann die Gesamtlebensdauer optimiert werden, da die Wahrscheinlichkeit des vorzeitigen Ausfalls eines der Leistungstransistoren verringert wird. Besonders bevorzugt werden dabei die über die Primär-Temperatursensoren gemessenen Temperaturen zunächst durch einen Vergleich mit der vom Referenz-Temperatursensor gemessenen Temperatur korrigiert. Dabei kann eine oder mehrere Kalibrierungskurve(n) verwendet werden, um eine tatsächliche Ist-Temperatur der Leistungstransistoren abzuschätzen.
Vorzugsweise ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung so eingerichtet, dass sie mindestens eine aktive Kühleinrichtung des Leistungsmoduls so steuert, dass alle über die Primär-Temperatursensoren gemessenen Temperaturen unterhalb eines Temperaturgrenzwertes bleiben. Bevorzugt werden dabei über Kalibrierungskurven korrigierte Temperaturmesswerte verwendet.
Vorzugsweise umfasst das Leistungsmodul mindestens einen Primär-Temperatursensor mit mindestens einer Leiterschleife, die an einer Belastungszone des Substrats angebracht ist, wobei die Leiterschleife mit der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung verbunden ist, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung dazu eingerichtet ist, aus einer zeitlichen Entwicklung des elektrischen Widerstands der Leiterschleife ein Maß für eine Alterung oder Beschädigung der Belastungszone zu berechnen. Auch Regionen des Substrats ohne aktive Wärmequelle können eine vorzeitige Materialalterung erfahren, z.B. weil sie im Betrieb starken Temperaturgradienten ausgesetzt werden, also zwischen einer oder mehreren Wärmequellen und einer kühleren Region des Substrats angeordnet sind. Ein derartiger Primär-Temperatursensor wird also vorzugsweise auch nicht zur Temperaturmessung eingesetzt (auch wenn dies möglich ist), sondern es wird in regelmäßigen Abständen der Widerstand der Leiterschleife mit dem der Leiterschleife des Referenz-Temperatursensors verglichen, um potentielle Materialalterung (und damit Widerstandserhöhungen gegenüber einem erwarteten Widerstandswert) zu detektieren.
Bevorzugt umfasst das Leistungsmodul mindestens einen Leistungshalbleiter, sowie mindestens einen Primär-Temperatursensor, der auf einer dem mindestens einen Leistungshalbleiter gegenüberliegenden Seite des Substrats oder in einer oberhalb oder unterhalb des mindestens einen Leistungshalbleiters angeordneten inneren Substratschicht angeordnet ist. Die Leistungshalbleiter können beispielweise Leistungsdioden, Thyristoren oder Triacs sein.
In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul mehrere zwischen Substratschichten eingebettete Leistungshalbleiter. Hier umfasst das Leistungsmodul vorzugsweise nur ein Substrat mit mehreren Substratschichten. Die Leistungshalbleiter können in einer inneren Substratschicht angeordnet sein und von beiden Seiten zwischen weiteren Substratschichten eingebettet bzw. gesandwicht sein.
In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul mehrere zwischen zwei Substraten eingebettete Leistungshalbleiter, wobei in mindestens einem der Substrate Leiterschleifen zur Temperaturmessung (von Primär-Temperatursensoren oder Referenz-Temperatursensoren) angeordnet sind.
Diese Leistungshalbleiter sind bevorzugt „kopfüber“ in dem Substrat eingebettet, so dass sich die Source-Fläche auf der Unterseite befindet. In diesem Fall wären die Leiterschleifen (die Mäanderstrukturen) „unterhalb“ der Leistungstransistoren (z. B. MOSFETs) angeordnet. Zusätzlich zu dem Leistungstransistor (den Leistungstransistoren) umfasst das Leistungsmodul also auch mehrere Leistungshalbleiter, dessen Temperatur ebenfalls mit einer oder mehreren Leiterschleifen (weitere Primär-Temperatursensoren) gemessen werden kann.
Es ist bevorzugt, wenn das Substrat eine mehrschichtige Niedertemperatur-Einbrand-Keramik (engl. Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC) ist oder umfasst. Bei einem derartigen Substrat ist es problemlos möglich, auf der die Leistungstransistoren umfassenden Unterseite gegenüberliegenden Oberseite bzw. in den Innenlagen zusätzliche Leiterschleifen (Primär-Temperatursensoren) zur Temperaturmessung vorzusehen, ohne dass dies die Fertigungsprozesse deutlich erschwert.
In einer Ausführungsform erfolgt die Temperaturmessung in mindestens einer Leiterschleife über eine Vierpunktmessung oder einen Band-Ende-Abgleich. Diese Messmethoden erhöhen die Genauigkeit der Messung, ohne den Aufbau deutlich zu erschweren. Es sind dann aber gegebenenfalls ein anderer Verlauf der Leiterschleife und entsprechende Anschlüsse an die Auswerteelektronik (zum Beispiel lokaler ASIC) erforderlich.
In einer Ausführungsform sind mehrere Leiterschleifen in unterschiedlichen Substratschichten angeordnet und in Reihe geschaltet. Dadurch lässt sich die Länge der Leiterschleife im heißen Bereich maximieren. Hierdurch wird auch die Widerstandsänderung bei einer Temperaturänderung sowie infolge von Materialveränderungen im Substrat erhöht. Damit wird also für beides die Messsensitivität erhöht.
In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul mindestens zwei Substrate. Eine Leistungsverdrahtung und die Temperatursensoren/Leiterschleifen zur Temperaturmessung können dabei in einem der beiden Substrate (z. B. in unterschiedlichen Substratschichten) angeordnet sein.
In Vergleich zu klassischen Anordnungen (NTC) des Temperatursensors/Leiterschleife neben einem Leistungstransistor/Leistungshalbleiter auf einem unteren Substrat ist die Leiterschleife erfindungsgemäß sehr nahe am Hotspot und nicht im Kühlpfad angeordnet. Hierdurch kann die Maximaltemperatur des Leistungshalbleiters mit einer hohen Genauigkeit gemessen werden. Gleichzeitig erlaubt der Referenz-Temperatursensor eine genauere Ist-Temperaturbestimmung der einzelnen Temperatursensoren und eine besser Alterungserkennung der Komponenten des Leistungsmoduls.
Vorzugsweise sind mindestens ein Primär-Temperatursensor und mindestens ein Referenz-Temperatursensor in einer Wheatstone-Brücke verbunden. Es können auch mehrere Primär-Temperatursensoren (z. B. zwei oder drei) mit dem Referenz-Temperatursensor in einer Wheatstone-Brücke verbunden sein. Es können aber auch ein oder zwei Referenz-Widerstände zusammen mit dem Primär-Temperatursensor und dem Referenz-Temperatursensor verwendet werden. Die Anordnung in einer Wheatstone-Brücke erhöht grundsätzlich die Genauigkeit des Widerstandsvergleichs zu Temperaturkorrektur, Alterungsdetektion oder Feuchtigkeitsdetektion.
Vorzugsweise ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung dazu eingerichtet, über eine Widerstandsmessung zwischen zwei Leiterschleifen das Vorhandensein von Feuchtigkeit auf oder in dem Leistungsmodul zu detektieren. Eine plötzliche oder schleichende Reduktion des Widerstands zwischen zwei ursprünglich elektrisch isolierten Leiterschleifen kann einen Hinweis auf eine entstehende Feuchtigkeitsablagerung liefern bevor es zu einer Beschädigung des Leistungsmoduls durch einen Kurzschluss des Transistors kommt. Vorzugsweise wird durch den ASIC regelmäßig der elektrische Widerstand zwischen unterschiedlichen Paaren von zwei Leiterschleifen (der Primär-Temperatursensoren bzw. des Referenz-Temperatursensors) vermessen, die sich idealerweise in enger räumlicher Nachbarschaft befinden, aber durch einen Isolierstoff voneinander isoliert sind. Als Isolierstoff wirkt beispielsweise ein Packaging (auch Mold genannt) des Leistungsmoduls oder aber das Substrat / eine Substratschicht (z. B. LTCC-Keramik) selbst. Zwischen den hierdurch isolierten Leiterschleifen wird über den ASIC eine Spannung angelegt und der sich ergebende Strom gemessen um den Widerstand zu bestimmen. Der Widerstand ändert sich nun als Funktion des Feuchtigkeitsgehalts des Isolierstoffs und wird als Sensorsignal zur Integrität des Leistungsmoduls (insbesondere des Packaging und der Substratschichten) weiterverwendet. Eine Reduktion des Widerstandes unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes (z. B. unterhalb von 1 GΩ, 100 MΩ, 10 MΩ oder 1 MΩ) kann vorzugsweise von der ASIC zur Detektion eines problematischen Feuchtigkeitseintritts verwendet werden. Ausfälle können so im Vorfeld erkannt werden, bevor die Feuchtigkeit einen Hardwareausfall induziert. Bei Verwendung des zu vermessenden Bereichs auf der Oberseite des Substrats wird z. B. die Feuchtigkeit der Grenzfläche Packaging zu Substrat vermessen. Hierdurch können vortrefflich Feuchtigkeitseintritte durch z.B. Delamination erkannt werden. Bei Verwendung des zu messenden Bereichs innerhalb des Substrats (z. B. mindestens eine Leiterschleifen auf einer inneren Lage des Substrats) wird vor allem die diffusive Feuchtebeladung vermessen. Vorzugsweise ist der ASIC dazu eingerichtet, den Widerstand zwischen mehreren verschiedenen Paaren von Leiterschleifen regelmäßig zu messen, um in mehreren Bereichen des Leistungsmoduls eine Feuchtigkeitsdetektion zu ermöglichen.
Vorzugsweise umfasst das Leistungsmodul eine Rand-Leiterschleife, die im Wesentlichen entlang eines Außenrandes der Ebene des Substrats verläuft, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung dazu eingerichtet ist, über regelmäßige Widerstandsmessungen der Rand-Leiterschleife das Vorhandensein eines Bruchs im Außenrand des Substrats durch eine Widerstandserhöhung zu detektieren. Mit der Ebene des Substrats ist hier z. B. eine im Wesentlichen ebene Quaderform des Leistungsmoduls gemeint. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann dazu eingerichtet, sein über regelmäßige Widerstandsmessungen der Rand-Leiterschleife das Vorhandensein eines Bruchs im Außenrand des Substrats durch eine Widerstandserhöhung zu detektieren. Die Rand-Leiterschleife kann die Leiterschleife des Referenz-Temperatursensors sein oder eine zusätzliche Leiterschleife, die primär zur Brucherkennung dient.
Die Brucherkennung mittels Widerstandsmessung und Detektion von Abrupten Anstiegen über einen Widerstands-Grenzwert (z. B. 1 MΩ) in einzelnen Leiterschleifen kann aber auch in jeder anderen Leiterschleife des Leistungsmoduls verwendet werden (z. B. für den Leistungstransistoren zugeordneten Leiterschleifen).
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls in einer Ansicht von der Oberseite des Leistungsmoduls,
2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls in Querschnittsansicht,
3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls in einer Ansicht von der Oberseite des Leistungsmoduls und
4 beispielhafte zeitliche Widerstandsverläufe beim Auftreten eines Bruchs im Leistungsmodul bzw. bei Einlagerung von Flüssigkeit.

Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1, umfassend ein Substrat 2 sowie mehrere (hier lediglich exemplarisch zwei) auf einer Unterseite des Substrates 2 angeordnete Leistungstransistoren 3. 1 zeigt eine Ansicht von der Oberseite des Substrates 2 und die Leistungstransistoren 3 auf der gegenüberliegenden Unterseite bzw. in einer inneren Substratschicht sind daher lediglich gestrichelt dargestellt.
Das Leistungsmodul 1 umfasst fünf mit dem Substrat 2 verbundene Leistungsanschlüsse 4, 5, 6. Die Leistungsanschlüsse 4, 5, 6 können beispielsweise mit je einem Source 7 und einem Gate 14 (jeweils gestrichelt eingezeichnet, da auf der Unterseite des Substrats oder in das Substrat eingebettet) je eines Leistungstransistors 3 verbunden sein. Die Leistungsanschlüsse 4 können beispielsweise eine Versorgungsspannung liefern, der Leistungsanschluss 5 kann beispielsweise eine Masse bereitstellen und die Leistungsanschlüsse 6 können Phasenanschlüsse sein. Eine entsprechende Steuerelektronik auf dem Substrat 2 ist hier der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Erfindungsgemäß sind hier Primär-Temperatursensoren umfassend Leiterschleifen 8 zur Temperaturmessung auf einer den Leistungstransistoren 3 gegenüberliegenden Oberseite des Substrats 2 angeordnet.
Die Leiterschleifen 8 weisen einen mäandernden Verlauf auf, wodurch sich die Leiterstrecke unter Einfluss der erhöhten Temperatur vergrößern und damit beispielsweise ein möglichst großer Absoluteffekt auf den Widerstand der Leiterschleifen 8 erzielen lässt. Gleichzeitig können Materialveränderungen und damit Widerstandsveränderungen ebenfalls in einem größeren Bereich detektiert werden.
Die Leiterschleifen 8 sind hier im Wesentlichen gegenüber der gesamten Fläche des jeweiligen Leistungstransistors 3 angeordnet. Die Leiterschleifen 8 können aber auch eine größere Fläche als die Fläche des jeweiligen Leistungstranstors 3 abdecken (z.B. eine um 10-100% größere Fläche), um die gemessene absolute Widerstandsänderung zu vergrößern.
Alternativ kann die Fläche, die von der Leiterschleife 8 des Primär-Temperatursensors abgedeckt wird, eine andere sein. Die Leiterschleife 8 kann z.B. im Wesentlichen nur die Fläche des Source 7 des Leistungstransistors 3 bedecken und also beispielsweise nicht das Gate 14. Bei einem Feldeffekttransistor ist der Source 7 üblicherweise die stärkste Wärmequelle und die Leiterschleife 8 kann für eine optimale Sensitivität daher nur gegenüber dem Source 7 angeordnet sein. Die Leiterschleifen können aber auch alternativ gegenüber einem anderen Teil des Leistungstransistors 3 angeordnet sein. Es kann aber auch eine Leiterschleife mehrere Leistungstransistoren 3 abdecken (auch wenn dies eine selektive Alterungserkennung erschwert).
Weiterhin umfasst das Leistungsmodul 1 einen Referenz-Temperatursensor, umfassend eine Leiterschleife 17, zur Bereitstellung einer Vergleichstemperatur von allen Leistungstransistoren 3, die beabstandet auf der Oberseite (oder alternativ auf einer der inneren Substratschichten) angeordnet sind.
Das Leistungsmodul 1 umfasst eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 9 (ASIC), die mit beiden (allen) Leistungstransistoren 3 sowie mit den zwei (allen) entsprechenden Leiterschleifen 8 verbunden ist. Die ASIC 9 kann dann beispielsweise über eine Einzelgate-Steuerung die einzelnen Leistungstransistoren 3 regeln, um die Temperaturbelastung der Leistungstransistoren 3 (momentan oder über die Zeit) anzugleichen und damit die Gesamtlebensdauer des Leistungshalbleiters zu erhöhen. Die ASIC 9 kann auf der Unterseite oder der Oberseite des Substrats angeordnet sein (hier beispielsweise auf der Oberseite). Im letzteren Fall können die Leiterschleifen 8 beispielsweise über Durchkontaktierungen (Vias) mit der ASIC 9 verbunden sein.
Das Leistungsmodul umfasst außerdem einen Primär-Temperatursensor, umfassend eine Leiterschleife 18, die auf einer der mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 9 gegenüberliegenden Seite des Substrats oder in einer unterhalb oder oberhalb der mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 9 angeordneten inneren Substratschicht 12 angeordnet ist. Die Leiterschleife 18 ist hier dementsprechend auch gestrichelt dargestellt, da sie hier nicht auf der Oberseite verläuft. Sofern der ASIC 9 auf einer inneren Substratschicht 12 oder der Unterseite des Substrats 2 angeordnet ist, kann die Leiterschleife 18 auch an der Oberseite angeordnet sein.
Die Leiterschleifen 8, 17, 18 können über mehrere Lagen mit Durchkontaktierungen (Vias) verbunden und geführt sein, um die Länge im heißen Bereich über dem Leistungstransistor (z.B. MOSFET) bzw. dem ASIC 9 zu maximieren. Hierdurch kann auch allgemein die Widerstandsänderung der Leiterschleifen 8, 17, 18 bei Temperaturänderungen oder Materialveränderungen erhöht und damit die Sensitivität der Erfindung verbessert werden.
Die Leiterschleifen 8, 17, 18 sind mit der ASIC 9 hier nur beispielhaft an den beiden Enden der Leiterschleifen 8, 17, 18 verbunden, aber es sind auch andere Anschlussarten möglich (zum Beispiel für eine Vierpunktmessung), um eine höhere Genauigkeit der Widerstandsmessung zu ermöglichen.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1 im Querschnitt durch beide Leiterschleifen 8 und beide Leistungstransistoren 3 sowie durch die Leiterschleife 18 des Primär-Temperatursensors des ASIC 9. Die Oberseite des Substrats 2 ist in 2 links angeordnet. Der Referenz-Temperatursensor ist hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt (da z. B. nicht geschnitten), aber vorhanden.
Die Leiterschleifen 8 umfassen hier je zwei Leiterschleifenabschnitte 10, 11 in zwei verschiedenen Substratschichten 12 für jeden Leistungstransistor 3 (entsprechend für die Leiterschleife 18 bzw. potentiell für die nicht dargestellte Leiterschleife 17). Ein mäandernder Verlauf der Leiterschleifenabschnitte 10, 11 ist in dieser Ansicht nur zu erahnen, da jede Leiterschleife (lediglich beispielhaft) dreizehnfach geschnitten wird. Das Leistungsmodul 1 umfasst hier ein erstes Substrat 2 und ein zweites Substrat 15. Das erste Substrat 2 umfasst hier vier Substratschichten 12, es sind aber auch zwei, drei, fünf oder mehr Substratschichten 12 möglich. Die Leistungstransistoren 3 sind zwischen den zwei Substraten 2, 15 eingebettet (gewissermaßen in Sandwichbauweise).
Die Leiterschleifenabschnitte 10, 11 sind über Durchkontaktierungen 13 (Vias) zwischen den Substratschichten 12 verbunden. Die Leistungstransistoren 3 sind weiterhin mit Leistungsverdrahtungen 16 verbunden, die insbesondere in den an die Leistungstransistoren angrenzenden 1-2 Substratschichten 12 angeordnet sind. Die Leistungsverdrahtungen 16 befinden sich dabei in unterschiedlichen Substratschichten 12 als die Leiterschleifen 8 der Primär-Temperatursensoren zur Temperaturmessung / Alterungsdetektion.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1, das sich lediglich dadurch den dem Leistungsmodul 1 der 1 unterscheidet, dass es eine Rand-Leiterschleife 19 umfasst, die im Wesentlichen entlang eines Außenrandes der Ebene des Substrats 2 verläuft.
Mit der Ebene des Substrats ist hier die im Wesentlichen ebene Quaderform des Leistungsmoduls 1 gemeint, auf die in 3 senkrecht geblickt wird. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 9 ist dazu eingerichtet, über regelmäßige Widerstandsmessungen der Rand-Leiterschleife 19 das Vorhandensein eines Bruchs im Außenrand des Substrats 2 durch eine Widerstandserhöhung zu detektieren. Die Rand-Leiterschleife 19 kann die Leiterschleife des Referenz-Temperatursensors sein (z. B. statt der auch hier dargestellten Leiterschleife 17) oder (wie hier dargestellt) eine zusätzliche Leiterschleife primär zur Brucherkennung. Entsprechend kann alternativ zu 3 auch auf die Leiterschleife 17 verzichtet werden, und die Leiterschleife 19 sowohl für den Referenz-Temperatursensor, als auch für die Brucherkennung Verwendung finden.
4 veranschaulicht, wie aus der zeitlichen Entwicklung der gemessenen Widerstände nicht nur die Alterung des Leistungsmoduls (wie zuvor beschrieben primär über die Drift der Temperaturdifferenz zwischen Primär-Temperatursensor und Referenz-Temperatursensor) sondern auch auf ein Bruch im Material des Leistungsmoduls 1 und/oder ein eindringen von Feuchtigkeit in das Leistungsmodul 1 detektiert werden kann.
Einerseits ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung dazu eingerichtet, über eine Widerstandsmessung zwischen zwei Leiterschleifen das Vorhandensein von Feuchtigkeit auf oder in dem Leistungsmodul 1 zu detektieren. Dies ist schematisch mit der Strich-Punkt-Kurve in 4 dargestellt. Zunächst ist der Widerstand zwischen den zwei Leiterschleifen sehr hoch (vereinfach als unendlich dargestellt). Wenn nun im Laufe der Betriebsjahre des Leistungsmoduls 1 eine Beschädigung des Packagings oder des Substrats selbst auftritt, kann gegebenenfalls nach und nach Feuchtigkeit eindringen, wodurch sich der Widerstand zwischen den Leiterschleifen langsam reduzieren kann. Unterschreitet der Widerstand einen Grenzwert (hier beispielsweise gestrichelt bei 1 MΩ), so kann das Leistungsmodul (z. B. das ASIC) eine Warnung ausgeben um einen sonst gegebenenfalls folgenden kompletten Kurzschluss (mit Beschädigung anderer Komponenten) zu vermeiden. Die Feuchtebestimmung durch Widerstandsänderung erfolgt hier also graduell und liegt in einer Reduktion des Widerstands zwischen zwei verschiedenen Leiterschleifen (die zunächst elektrisch isoliert sind), während zur Alterungsdetektion die jeweils in zwei verschiedenen Schleifen gemessen temperaturabhängigen Widerstände jeweils zur Temperaturbestimmung verwendet werden und dann die Temperaturmesswerte zur Bestimmung einer relativen Drift verwendet werden um die Alterung der stärker belasteten Leiterschleife zu ermitteln.
4 veranschaulicht außerdem noch die Bruchdetektion durch den Widerstandsverlauf der durchgezogenen Linie. Das Leistungsmodul umfasst dazu beispielsweise eine Rand-Leiterschleife 19 wie in 3. Prinzipiell ist die Bruchdetektion aber für jede Leiterschleife verwendbar. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 9 ist dazu eingerichtet, über regelmäßige Widerstandsmessungen einer einzelnen Leiterschleife das Vorhandensein eines Bruchs (z. B. im Außenrand des Substrats) durch eine (plötzliche) Widerstandserhöhung zu detektieren. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 9 kann dazu eingerichtet, sein über regelmäßige Widerstandsmessungen der Rand-Leiterschleife das Vorhandensein eines Bruchs im Außenrand des Substrats durch eine Widerstandserhöhung über einen Grenzwert (z. B. 1 MΩ wie hier beispielhaft dargestellt) zu detektieren. Der Widerstand der Leiterschleife ist hier anfänglich sehr gering (vereinfacht als praktisch null dargestellt in der durchgezogenen Linie) und steigt dann durch einen Bruch in der Leiterschleife (und im umgebenden Substrat) plötzlich auf deutlich über 1 MΩ (vereinfach als unendlich dargestellt) an, was dem ASIC 9 einen Bruch der Leiterschleife signalisiert. Hier wird also zur Bruchdetektion der Widerstand einer einzelnen Leiterschleife (ohne Vergleich zu anderen Leiterschleifen wie bei Alterungs- bzw. Feuchtigkeitsdetektion) gemessen.

Claims

Leistungsmodul (1) umfassend ein Substrat (2) sowie mindestens einen auf dem Substrat (2) angeordneten Leistungstransistor (3), sowie mindestens einen im Leistungsmodul (1) angeordneten Temperatursensor, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Primär-Temperatursensor auf einer dem mindestens einen Leistungstransistor (3) gegenüberliegenden Seite des Substrats (2) oder in einer oberhalb oder unterhalb des mindestens einen Leistungstransistors (3) angeordneten inneren Substratschicht (12) angeordnet ist, und mindestens ein Referenz-Temperatursensor zur Bereitstellung einer Vergleichstemperatur von allen Leistungstransistoren (3) beabstandet auf einer Seite des Substrats oder auf einer der inneren Substratschichten (12) angeordnet ist.
Leistungsmodul (1) nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Primär-Temperatursensor eine Leiterschleife (8) zur Temperaturmessung umfasst, die auf der dem Leistungstransistor (3) gegenüberliegenden Seite des Substrats (2) oder in einer oberhalb oder unterhalb des mindestens einen Leistungstransistors (3) angeordneten inneren Substratschicht (12) angeordnet ist.
Leistungsmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9), die mit mindestens einem Leistungstransistor (3) sowie mit dem mindestens einen dem Leistungstransistor (3) zugehörigen Primär-Temperatursensor sowie mit dem Referenz-Temperatursensor verbunden ist.
Leistungsmodul (1) nach Anspruch 3, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9) dazu eingerichtet ist, über den Vergleich der von mindestens einem Primär-Temperatursensor und dem Referenz-Temperatursensor bereitgestellten Temperaturdaten ein Maß für die Alterung des Leistungstransistors (3) zu berechnen.
Leistungsmodul (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9) mit mindestens zwei Leistungstransistoren (3) sowie mit den mindestens zwei entsprechenden Primär-Temperatursensoren verbunden ist.
Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, umfassend mindestens einen Primär-Temperatursensor, der auf einer der mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (9) gegenüberliegenden Seite des Substrats oder in einer unterhalb oder oberhalb der mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (9) angeordneten inneren Substratschicht (12) angeordnet ist.
Leistungsmodul (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9) so eingerichtet ist, dass sie die Auslastung der mindestens zwei Leistungstransistoren (3) so steuert, dass die über die Primär-Temperatursensoren gemessenen Temperaturen möglichst gleich sind.
Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9) so eingerichtet ist, dass sie mindestens eine aktive Kühleinrichtung des Leistungsmoduls so steuert, dass die über die Primär-Temperatursensoren gemessenen Temperaturen möglichst gleich sind.
Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, umfassend mindestens einen Primär-Temperatursensor mit mindestens einer Leiterschleife (18), die an einer Belastungszone des Substrats (2) angebracht ist, wobei die Leiterschleife mit der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (9) verbunden ist, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9) dazu eingerichtet ist, aus einer zeitlichen Entwicklung des elektrischen Widerstands der Leiterschleife (18) ein Maß für eine Alterung oder Beschädigung der Belastungszone zu berechnen.
Leistungsmodul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend mindestens einen Leistungshalbleiter, sowie mindestens einen Primär-Temperatursensor, der auf einer dem mindestens einen Leistungshalbleiter gegenüberliegenden Seite des Substrats oder in einer oberhalb oder unterhalb des mindestens einen Leistungshalbleiters angeordneten inneren Substratschicht (12) angeordnet ist.
Leistungsmodul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Primär-Temperatursensor und mindestens ein Referenz-Temperatursensor in einer Wheatstone-Brücke verbunden sind.
Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9) dazu eingerichtet ist, über Widerstandsmessungen zwischen zwei Leiterschleifen das Vorhandensein von Feuchtigkeit auf oder in dem Leistungsmodul zu detektieren.
Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, wobei das Leistungsmodul eine Rand-Leiterschleife (19) umfasst, die im Wesentlichen entlang eines Außenrandes der Ebene des Substrats (2) verläuft, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9) dazu eingerichtet ist, über regelmäßige Widerstandsmessungen der Rand-Leiterschleife (19) das Vorhandensein eines Bruchs im Außenrand des Substrats durch eine Widerstandserhöhung zu detektieren.