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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Modul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es sind keramische Schaltungsträger bekannt, bei denen eine Metallisierungsschicht auf Hochvoltpotential auf einer isolierenden Keramikschicht ausgebildet ist, die direkt oder über weitere Schichten mit einem Kühlkörper gekoppelt ist. Ein Beispiel für einen derartigen Schaltungsträger sind sogenannte DBC-Substrate (DBC = „Direct Bonded Copper“). Derartige keramische Schaltungsträger dienen der elektrischen Isolation eines auf dem keramischen Schaltungsträger angeordneten Halbleiterbauelements zum Kühlkörper und gleichzeitig der thermischen Anbindung an den Kühlkörper. Der keramische Schaltungsträger bildet dabei zusammen mit dem Halbleiterbauelement und einer Umhüllung ein elektrisches Modul, auch als Prepackage-Modul bezeichnet, das über an seiner Oberseite ausgebildete Modulkontakte mit einer Hauptplatine verbindbar ist.
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Dabei werden typischerweise eine Mehrzahl solcher elektrischer Module mit einer Trägerplatine verbunden. Die elektrischen Module können als Halbleiterbauelemente Leistungshalbleiter umfassen, wobei beispielsweise eine Mehrzahl von elektrischen Modulen bzw. Leistungshalbleitern über eine Verdrahtung in der Hauptplatine zu einem logischen Schalter parallel geschaltet werden. Solche Schalter werden beispielsweise in einem Dreiphasen-Wechselrichter eingesetzt.
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Zur Ansteuerung der Halbleiterbauelemente sowie zum Schutz vor thermischer Überlastung ist es erforderlich, ein thermisches Modell der elektrischen Module einzusetzen, welches die Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements abhängig vom Betriebspunkt berechnet. Bekannt sind hierzu beispielsweise thermische Modelle nach Foster and Cauer. Dabei ist es erforderlich, die genaue Temperatur des Halbleiterbauelements zu kennen.
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Hierzu wird in konventionellen Anordnungen, bei denen eine komplette Schaltung auf einem keramischen Substrat realisiert ist, ein Temperatursensor, beispielsweise ein NTC-Sensor (NTC = „Negative Temperature Coefficient“), auf dem Substrat aufgelötet und über dessen Kennlinie das thermische Modell kalibriert, wobei eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen mit einem Temperatursensor überwacht werden kann, da sich alle Halbleiterbauelemente auf einem keramischen Substrat befinden und typischerweise über eine starre Bodenplatte an einen Kühlkörper angebunden sind.
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Bei vereinzelten elektrischen Modulen der beschriebenen Art ist eine einfache Temperaturüberwachung mit einem Temperatursensor dagegen nicht möglich. Dies hängt damit zusammen, dass die elektrischen Module über ein Wärmeleitmaterial an einen Kühlkörper angepresst werden. Dabei ergeben sich durch Fertigungstoleranzen für jedes elektrische Modul unterschiedliche Schichtdicken des Wärmeleitmaterials und damit auch variierende thermische Widerstände.
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Grundsätzlich wäre es möglich, einen Temperatursensor auf der Unterseite der Hauptplatine zu installieren, an der die einzelnen elektrischen Module angeordnet sind. Bei einer solchen Lösung sind allerdings zu viele Störgrößen zu erwarten, um ein valides thermisches Modell für jedes elektrische Modul implementieren zu können. Gleichzeitig ist die Bereitstellung eines validen thermischen Modells von hoher Bedeutung: ist das thermische Modell zu träge, um kurzzeitige Überlastszenarien zu erkennen, können einzelne elektrische Module überhitzen, während der Temperatursensor noch unkritische Temperaturen übermittelt.
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Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Modul bereitzustellen, das das eine Temperaturüberwachung eines in dem elektrischen Modul angeordneten elektrischen Bauteils (beispielsweise eines Halbleiterbauelements) in effektiver Weise ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach betrachtet die Erfindung ein elektrisches Modul, das einen keramischen Schaltungsträger aufweist, der eine isolierende Keramikschicht und eine auf der Oberseite der Keramikschicht angeordnete erste Metallisierungsschicht umfasst. Das elektrische Modul weist des Weiteren ein elektrisches Bauteil auf, das auf der Oberseite der ersten Metallisierungsschicht angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist. Das elektrische Modul weist eine Oberseite auf, die dazu vorgesehen und ausgebildet ist, an einer Leiterplatte angeordnet zu werden, wobei das elektrische Modul an seiner Oberseite elektrische Modulkontakte ausbildet, die dazu vorgesehen und ausgebildet, mit zugeordneten elektrischen Kontakten der Leiterplatte in Kontakt zu treten. Dabei geht von einem der elektrischen Modulkontakte ein erster Kontaktpfad aus, der sich von der Oberseite des elektrischen Moduls zu der ersten Metallisierungsschicht erstreckt.
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Es ist vorgesehen, dass in das elektrische Modul ein Temperatursensor mit einem ersten Sensorkontakt und einem zweiten Sensorkontakt integriert ist, wobei der erste Sensorkontakt elektrisch mit der ersten Metallisierungsschicht verbunden und über den ersten Kontaktpfad direkt oder indirekt kontaktiert ist und der zweite Sensorkontakt über einen zweiten Kontaktpfad, der von einem anderen der elektrischen Modulkontakte ausgeht, direkt oder indirekt kontaktiert ist. Dabei kann über den zweiten Sensorkontakt eine temperaturabhängige Spannung abgegriffen werden.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, in jedes elektrische Modul einen gesonderten Temperatursensor zu integrieren, wobei diese Integration in effektiver Weise dadurch erfolgt, dass einer der Sensorkontakte des Temperatursensors elektrisch mit der ersten Metallisierungsschicht verbunden ist. Hierdurch wird zum einen erreicht, dass nicht zwei gesonderte Kontaktflächen auf der Oberseite des elektrischen Moduls zur Kontaktierung des Temperatursensors geschaffen werden müssen: vielmehr wird zur Kontaktierung des einen Sensorkontakts auf die ohnehin vorhandene Kontaktierung der ersten Metallisierungsschicht mittels des ersten Kontaktpfads zurückgegriffen, so dass nur eine gesonderte Kontaktfläche auf der Oberseite des elektrischen Moduls zusätzlich bereitgestellt werden muss.
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Die Kontaktierung des einen Sensorkontakts über die erste Metallisierungsschicht stellt aufgrund des Umstands, dass auf der ersten Metallisierungsschicht das im Hinblick auf seine Temperatur zu überwachende elektrische Bauteil angeordnet und mittels dieser kontaktiert ist, darüber hinaus sicher, dass der Temperatursensor thermisch niederimpedant an das elektrische Bauteil angebunden ist. Die thermische niederimpedante Anbindung wird gerade durch die erste Metallisierungsschicht bereitgestellt. Damit können Temperaturänderungen des elektrischen Bauteils ohne nennenswerte zeitliche Verzögerung erfasst werden. Durch eine räumliche Nähe des Temperatursensors zum elektrischen Bauteil wird darüber hinaus eine Verfälschung der gemessenen Temperatur durch andere Störgrößen vermieden.
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Ein weiterer, mit der erfindungsgemäßen Lösung verbundener Vorteil besteht darin, dass aufgrund der Integration des Temperatursensors in das elektrische Modul kein zusätzlicher Bauraum auf der Hauptplatine erforderlich ist, um die Temperaturüberwachung zu realisieren. Auch ist, da der Temperatursensor im elektrischen (Prepackage)-Modul bereits isoliert ist, keine zusätzliche Isolation erforderlich.
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Die genaue Temperaturüberwachung des elektrischen Bauteils ermöglicht auch eine Überwachung des Lebensdauerverbrauchs (Health Monitoring) der Kontaktierung des elektrischen Bauteils.
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Es wird darauf hingewiesen, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung stets diejenige Seite des elektrischen Moduls, die an einer Leiterplatte angeordnet wird, als Oberseite des elektrischen Moduls bezeichnet wird. Die Unterseite des elektrischen Moduls ist die Seite, die thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt wird. Diese Definition gilt entsprechend auch für die einzelnen Komponenten des elektrischen Moduls. Beispielsweise wird als Unterseite des elektrischen Bauteils diejenige Seite des elektrischen Bauteils bezeichnet, die auf der ersten Metallisierungsschicht angeordnet ist. Die Oberseite des elektrischen Bauteils ist diejenige Seite des elektrischen Bauteils, die der ersten Metallisierungsschicht abgewandt und der Oberseite des elektrischen Moduls zugewandt ist. Natürlich kann das elektrische Modul mit seinen Komponenten auch umgedreht oder senkrecht angeordnet sein, wobei das elektrische Modul nach unten oder zur Seite zeigt.
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Weiter wird darauf hingewiesen, dass als Kontaktpfad im Sinne der vorliegenden Erfindung eine elektrische Verbindung bezeichnet wird, die aus einer oder mehreren Komponenten bestehen kann. Beispielsweise kann es sich bei dem Kontaktpfad um eine Durchkontaktierung (eine Komponente) oder eine Durchkontaktierung in Verbindung mit einem leitenden Abstandselement (zwei Komponenten) handeln.
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Soweit davon gesprochen wird, dass die Sensorkontakte des Temperatursensors direkt oder indirekt durch einen Kontaktpfad elektrisch kontaktiert sind, bedeutet dies, dass der Kontaktpfad selbst - direkt - in Verbindung mit einem Sensorkontakt stehen kann oder der Kontaktpfad eine Schicht kontaktiert, über die dann der Sensorkontakt elektrisch kontaktiert ist, so dass eine indirekte elektrische Kontaktierung vorliegt.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Temperatursensor im elektrischen Modul angrenzend an das elektrische Bauteil auf dem keramischen Schaltungsträger angeordnet ist, also in möglichst geringer räumlicher Entfernung. Je näher der Temperatursensor am elektrischen Bauteil angeordnet ist, desto präziser die Temperaturüberwachung. Durch die thermisch niederimpedante Anbindung des Temperatursensors an das elektrische Bauteil über die erste Metallisierungsschicht ist es allerdings ebenfalls möglich, dass der Temperatursensor in einer gewissen Entfernung zum elektrischen Bauteil auf dem keramischen Schaltungsträger angeordnet ist. Die Anordnung des Temperatursensors auf dem keramischen Schaltungsträger ermöglicht in einfacher Weise eine definierte und sichere Platzierung des Temperatursensors im elektrischen Modul.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der elektrische Modulkontakt, von dem der zweite Kontaktpfad ausgeht, an der Oberseite des elektrischen Moduls eine Insel-Kontaktfläche ausbildet. Dieser elektrische Modulkontakt ist ausschließlich zur Kontaktierung des zweiten Sensorkontakt vorgesehen. Über ihn wird die Spannungsdifferenz über dem Temperatursensor ausgelesen. Hierbei handelt es sich um die einzige zusätzliche Kontaktfläche auf der Oberseite des elektrischen Moduls, die durch die Integration des Temperatursensors in das elektrische Modul erforderlich ist.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Temperatursensor in einer Höhe im elektrischen Modul angeordnet ist, dass seine Oberseite sich im Wesentlichen in der gleichen Ebene befindet wie die Oberseite des elektrischen Bauteils (wobei Höhenabweichungen unterhalb von beispielsweise 100 µm liegen). Hierdurch können Durchkontaktierungen, die zur Realisierung des ersten Kontaktpfads und/oder zur Realisierung des zweiten Kontaktpfads im elektrischen Modul ausgebildet sind, die gleiche Länge aufweisen wie Durchkontaktierungen, die sich von der Oberseite des elektrischen Moduls zu der Oberseite des elektrischen Bauteils zu dessen Kontaktierung erstrecken.
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Dies erlaubt es, die Durchkontaktierungen verfahrenstechnisch einfach in gleicher Weise und in gleicher Länge zu realisieren.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist der Temperatursensor in dem Sinne in lateraler Bauweise in dem elektrischen Modul angeordnet, dass die beiden Sensorkontakte seitlich beabstandet sind. Aufgrund der lateralen Bauweise befinden sich die beiden Sensorkontakte somit in gleicher Höhe im elektrischen Modul, so dass auch die sich von der Oberseite des elektrischen Moduls erstreckenden Kontaktpfade zu ihrer Kontaktierung die gleiche Höhe aufweisen.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Temperatursensor in dem Sinne in vertikaler Bauweise in dem elektrischen Modul angeordnet ist, dass die beiden Sensorkontakte vertikal beabstandet sind. Bei einer vertikalen Bauweise befinden sich die beiden Sensorkontakte somit in unterschiedlicher Höhe im Modul, dass auch die sich von der Oberseite des elektrischen Moduls erstreckenden Kontaktpfade zu ihrer Kontaktierung eine unterschiedliche Länge aufweisen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der keramische Schaltungsträger und das elektrische Bauteil in die Aufbaulagen einer Leiterplatte des elektrischen Moduls integriert sind. Eine solche Ausgestaltung wird auch als „Leiterplattenembedding“ bezeichnet. Durch ein Leiterplattenembedding wird eine gute elektrische Isolation des Moduls bereitgestellt. Ein weiterer mit einem Leiterplattenembedding verbundener Vorteil besteht darin, dass Durchkontaktierungen unterschiedlicher Länge im elektrischen Modul ausgebildet werden können.
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Eine Ausgestaltung, bei der der Temperatursensor in lateraler Bauweise in einem in eine Leiterplatte integrierten elektrischen Modul angeordnet ist, sieht vor, dass
- - die beiden Sensorkontakte des Temperatursensors jeweils eine Oberseite und eine Unterseite aufweisen und rundum metallisiert sind, so dass die Oberseite und die Unterseite eine einheitliche elektrische Kontaktfläche bilden,
- - der erste Sensorkontakt des Temperatursensors mit seiner Unterseite auf der ersten Metallisierungsschicht aufliegt und z.B. über eine Lotschicht mit dieser elektrisch verbunden ist,
- - der erste Sensorkontakt des Temperatursensors an seiner Oberseite durch den ersten Kontaktpfad kontaktiert ist, wobei der erste Kontaktpfad als Durchkontaktierung ausgebildet ist, die sich von der Oberseite des elektrischen Moduls zu der Oberseite des ersten Sensorkontakts erstreckt,
- - der zweite Sensorkontakt des Temperatursensors über den zweiten Kontaktpfad kontaktiert ist, wobei der zweite Kontaktpfad als zweite Durchkontaktierung ausgebildet ist, die sich von der Oberseite des elektrischen Moduls zu der Oberseite des zweiten Sensorkontakts erstreckt.
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Bei dieser Ausgestaltung werden somit Temperatursensoren mit rundum metallisierten seitlichen Kontakten verwendet. Solche Temperatursensoren sind grundsätzlich bekannt und werden beispielsweise von der TDK Corporation unter der Bezeichnung „Chip NTC Thermistors (Sensor)“ unter der Artikelnummer NTCG063JF103FTLE verkauft, wobei die Temperatursensoren mit einer Kupfermetallisierung versehen sind.
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Eine Ausgestaltung, bei der der Temperatursensor in vertikaler Bauweise in einem in eine Leiterplatte integrierten elektrischen Modul angeordnet ist, sieht vor, dass
- - die beiden Sensorkontakte des Temperatursensors durch eine untere Kontaktfläche und eine obere Kontaktfläche gebildet sind,
- - der Temperatursensor mit seiner unteren Kontaktfläche auf der ersten Metallisierungsschicht aufliegt und mit dieser elektrisch verbunden ist, wobei der erste Kontaktpfad als Durchkontaktierung ausgebildet ist, die sich von der Oberseite des elektrischen Moduls zur ersten Metallisierungsschicht erstreckt,
- - die obere Kontaktfläche des Temperatursensors über den zweiten Kontaktpfad kontaktiert ist, wobei der zweite Kontaktpfad als zweite Durchkontaktierung ausgebildet ist, die sich von der Oberseite des elektrischen Moduls zu der oberen Kontaktfläche erstreckt,
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Bei dieser Ausgestaltung werden somit Temperatursensoren in vertikaler Bauweise verwendet. Solche Temperatursensoren sind grundsätzlich bekannt und werden beispielsweise von der TDK Corporation unter der Bezeichnung „NTC Elements“ unter der Artikelnummer B57860S0853J200 verkauft.
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Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass auf der oberen Kontaktfläche des Temperatursensors eine Metallisierungsschicht, beispielsweise eine Kupferschicht ausgebildet ist, wobei die zweite Durchkontaktierung diese Metallisierungsschicht kontaktiert.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die untere Kontaktfläche über einen Sinterprozess mit der ersten Metallisierungsschicht verbunden ist. Im gleichen Sinterprozess kann auch das elektrische Bauteil an seiner Unterseite mit der ersten Metallisierungsschicht verbunden worden sein.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht alternativ zu einem Leiterplattenembedding vor, dass das Modul des Weiteren ein Substrat aufweist, dessen Oberseite zumindest bereichsweise die Oberseite des elektrischen Moduls bildet, wobei
- - das Substrat an seiner Oberseite die elektrischen Modulkontakte aufweist und diese über Durchkontaktierungen mit entsprechenden unteren elektrischen Kontakten auf der Unterseite des Substrats verbunden sind, und
- - der erste Kontaktpfad durch eine dieser Durchkontaktierungen sowie ein elektrisch leitendes Abstandselement gebildet ist, das auf der ersten Metallisierungsschicht angeordnet ist,
- - wobei die Komponenten des elektrischen Moduls in eine Vergussmasse eingebettet sind.
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Bei dem genannten Substrat kann es sich beispielsweise um eine kleine Leiterplatte des Moduls oder einen anderen Verdrahtungsträger handeln, der die Modulkontakte an der Oberseite des Substrats auf elektrische Kontakte auf der Unterseite des Substrats abbildet. Ein mit der Bereitstellung des Substrats verbundener Vorteil besteht darin, dass das Substrat das elektrische Bauteil abdeckt und insofern schützt.
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Ausgestaltungen des elektrischen Moduls mit Substrat werden nachfolgend auch als Substratbauweise bezeichnet.
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Das elektrische leitende Abstandselement besteht beispielsweise aus Kupfer oder einer Molybdän-Kupfer Legierung.
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Eine Ausgestaltung, bei der der Temperatursensor in lateraler Bauweise und in einem elektrischen Modul in Substratbauweise angeordnet ist, sieht vor, dass
- - der erste Sensorkontakt des Temperatursensors mit seiner Unterseite auf der ersten Metallisierungsschicht aufliegt und z.B. über eine Lotschicht elektrisch mit dieser elektrisch verbunden ist,
- - der zweite Sensorkontakt des Temperatursensors mit seiner Unterseite auf einer als Insel ausgebildeten dritten Metallisierungsschicht aufliegt und mit dieser elektrisch verbunden ist, die in einem Bereich, in dem die erste Metallisierungsschicht nicht realisiert ist, auf der Oberseite der Keramikschicht ausgebildet ist,
- - wobei der zweite Kontaktpfad, der den zweiten Sensorkontakt kontaktiert, durch eine weitere der Durchkontaktierungen des Substrats und einen weiteren Spacer gebildet ist, der auf der dritten Metallisierungsschicht angeordnet ist.
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Dabei kann wiederum vorgesehen sein, dass die beiden Sensorkontakte des Temperatursensors jeweils eine Oberseite und eine Unterseite aufweisen und rundum metallisiert sind, so dass die Oberseite und die Unterseite eine einheitliche elektrische Kontaktfläche bilden.
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Eine Ausgestaltung, bei der der Temperatursensor in vertikaler Bauweise und in einem elektrischen Modul in Substratbauweise angeordnet ist, sieht vor, dass
- - die beiden Sensorkontakte des Temperatursensors durch eine untere Kontaktfläche und eine obere Kontaktfläche gebildet sind,
- - der Temperatursensor mit seiner unteren Kontaktfläche auf der ersten Metallisierungsschicht aufliegt und mit dieser elektrisch verbunden ist,
- - der Temperatursensor mit seiner oberen Kontaktfläche mit einer der Durchkontaktierungen des Substrats verbunden ist.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass von mindestens einem der Modulkontakte mindestens eine weitere Durchkontaktierung ausgeht, die sich von der Oberseite des Moduls bis zur Oberseite des elektrischen Bauteils erstreckt und der oberseitigen Kontaktierung des elektrischen Bauteils dient. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Oberseite des elektrischen Bauteils metallisiert ist, so dass die weitere Durchkontaktierung die metallisierte Oberseite des elektrischen Bauteils kontaktiert.
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Beispielsweise ist vorgesehen, dass über den ersten Kontaktpfad ein Unterseitenpotential des elektrischen Bauteils bereitstellbar ist und über die mindestens eine weitere Durchkontaktierung mindestens ein Oberseitenpotential des elektrischen Bauteils bereitstellbar ist. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass über mehrere weitere Durchkontaktierungen zwei Oberseitenpotentiale des elektrischen Bauteils bereitgestellt werden. Bei dem Unterseitenpotential handelt es sich beispielsweise um das Potential eines Drain-Anschlusses. Bei den Oberseitenpotentialen handelt sich beispielsweise um die Potentiale eines Source-Anschlusses und eines Gate-Anschlusses. Das elektrische Bauteil ist dabei beispielsweise ein Leistungstransistor oder ein anderer Leistungshalbleiter. Es handelt sich beispielsweise um ein Element eines Wechselrichters eines elektrischen Motors.
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Die erste Metallisierungsschicht kann als Schaltungsträger strukturiert sein und einen elektrischen Schaltkreis bilden.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Durchkontaktierung und/oder die zweite Durchkontaktierung jeweils durch ein Mikrovia bereitgestellt ist. Auf diese Weise lassen sich die Durchkontaktierungen effektiv mittels Laser bereitstellen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Mikrovias über einen Aufkupferungsprozess vollständig mit Metall gefüllt sind, so dass nicht die Gefahr von Verunreinigungen besteht und eine plane Oberfläche sichergestellt werden kann.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der keramische Schaltungsträger des Weiteren eine auf der Unterseite der Keramikschicht angeordnete zweite Metallisierungsschicht aufweist. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass das elektrische Modul mit der zweiten Metallisierungsschicht auf einem Kühlkörper angeordnet ist. Eine solche zweite Metallisierungsschicht ist jedoch optional und das elektrische Modul kann grundsätzlich auch mit seiner Keramikschicht auf einem Kühlkörper angeordnet sein. In beiden Fällen kann zwischen dem elektrischen Modul und dem Kühlkörper eine Wärmeleitmatte oder allgemein ein thermisches Schnittstellenmaterial (TIM = „thermal interface material“) angeordnet sein, das Verkippungen und Unebenheiten ausgleicht.
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Die erste Metallisierungsschicht ist in Ausführungsbeispielen durch Kupfer, Aluminium, Silber oder Wolfram gebildet. Gleiches gilt für die zweite Metallisierungsschicht.
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Der Temperatursensor ist in Ausführungsbeispielen als NTC Sensor ausgebildet, wobei die Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht von der Bauart des Temperatursensors abhängen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Moduls mit einem keramischen Schaltungsträger und einem darauf angeordneten elektrischen Bauteil, wobei diese Komponenten in die Aufbaulagen einer Leiterplatte des elektrischen Moduls integriert sind und in das elektrische Modul des Weiteren ein Temperatursensor in lateraler Bauweise integriert ist;
- 2 das elektrische Modul der 1 in einer Ansicht von oben ohne Darstellung der obersten Kontaktebene und der Leiterplatte;
- 3 ein Ausführungsbeispiel eines Temperatursensors, der in das elektrische Modul integriert ist;
- 4 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Moduls mit einem keramischen Schaltungsträger und einem darauf angeordneten elektrischen Bauteil, wobei diese Komponenten in die Aufbaulagen einer Leiterplatte des elektrischen Moduls integriert sind und in das elektrische Modul des Weiteren ein Temperatursensor in vertikaler Bauweise integriert ist;
- 5 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Moduls mit einem keramischen Schaltungsträger, einem darauf angeordneten elektrischen Bauteil und einem oberseitigen Substrat, wobei diese Komponenten in einem Vergussmaterial vergossen sind und in das elektrische Modul des Weiteren ein Temperatursensor in lateraler Bauweise integriert ist;
- 6 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Moduls mit einem keramischen Schaltungsträger, einem darauf angeordneten elektrischen Bauteil und einem oberseitigen Substrat, wobei diese Komponenten in einem Vergussmaterial vergossen sind und in das elektrische Modul des Weiteren ein Temperatursensor in vertikaler Bauweise integriert ist; und
- 7 eine Anordnung mit einer Mehrzahl von elektrischen Modulen gemäß den 1, 4, 5 oder 6, die an der Unterseite einer Leiterplatte angeordnet und über ein Wärmeleitmaterial thermisch an einen Kühlkörper angebunden sind.
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Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Moduls 1. Das elektrische Modul 1 weist einen keramischen Schaltungsträger 2 und ein auf diesem angeordnetes elektrisches Bauteil 3 auf. Es umfasst eine Oberseite 11 und eine Unterseite 12, die zueinander parallel verlaufen. Das elektrische Modul 1 ist mit seiner Oberseite 11 an der Unterseite einer Leiterplatte 4 angeordnet, die eine Hauptplatine darstellt, an der eine Vielzahl elektrischer Module 1 und weitere Komponenten angeordnet sind. Die Unterseite 12 des elektrischen Moduls 1 ist über ein Wärmeleitmaterial 65 thermisch an einen Kühlkörper 6 angekoppelt. Die Kontaktierung des elektrischen Moduls 1 erfolgt ausschließlich über an der Oberseite 11 ausgebildete Kontakte 51-54, wie noch erläutert wird.
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Der keramischen Schaltungsträger 2 umfasst eine isolierende Keramikschicht 21, eine auf der Oberseite der Keramikschicht 21 angeordnete erste Metallisierungsschicht 22 und eine auf der Unterseite der Keramikschicht 21 angeordnete zweite Metallisierungsschicht 23.
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Die Keramikschicht 21 besteht beispielsweise aus Aluminiumnitrid (AIN) oder Siliziumnitrid (Si3N4). Die Metallisierungsschichten 22, 23 bestehen beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Silber oder Wolfram.
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Auf der ersten Metallisierungsschicht 22 ist beispielsweise über eine Lotschicht (nicht gesondert dargestellt) das elektrisches Bauteil 3 angeordnet. Das Bauteil 3 weist dabei eine Unterseite 32, mit der es auf der Metallisierungsschicht 22 angeordnet ist, und eine Oberseite 31 auf. Es besitzt eine Dicke, die sich aus dem Abstand zwischen der Oberseite 31 und der Unterseite 32 ergibt. Die Oberseite 31 und die Unterseite 32 können metallisiert, zum Beispiel verkupfert sein. Bei dem elektrischen Bauteil 3 handelt es sich beispielsweise um einen Leistungshalbleiter wie zum Beispiel einen Leistungs-MOSFET oder ein IGBT-Bauteil, der als Chip ausgebildet ist. Es handelt sich beispielsweise um Leistungshalbleiter eines Wechselrichters oder allgemein eines Stromrichters, der für den Betrieb eines Elektromotors vorgesehen ist.
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Der keramische Schaltungsträger 2 und das elektrische Bauteil 3 sind im Rahmen eines sogenannten Leiterplattenembedding in die Aufbaulagen einer Modul-Leiterplatte 13 des elektrischen Moduls 1 integriert, wobei die einzelnen Lagen der Modul-Leiterplatte 13 nicht gesondert dargestellt sind. Dabei definiert die Modul-Leiterplatte 13 die Außenmaße des elektrischen Moduls 1. Die Modul-Leiterplatte 13 (nachfolgend der Einfachheit halber als Leiterplatte 13 bezeichnet) umfasst eine Oberseite, die auch die Oberseite 13 des Moduls 1 bildet. Die Unterseite der Leiterplatte 13 verläuft bündig mit der unteren Metallisierungsschicht 23.
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Das elektrische Modul umfasst des Weiteren einen Temperatursensor 7, der einen ersten Sensorkontakt 71 und einen zweiten Sensorkontakt 72 aufweist. Bei dem Temperatursensor 7 handelt es sich beispielsweise um einen NTC-Sensor. Der Temperatursensor 7 ist dabei angrenzend an das elektrische Bauteil 3 auf dem keramischen Schaltungsträger 2 angeordnet. Der Temperatursensor 7 überwacht die Temperatur des elektrischen Bauteils 3.
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Dabei ist der Temperatursensor 7 mit seinem einen Sensorkontakt 71 elektrisch mit der Metallisierungsschicht 22 verbunden. Die Verbindung erfolgt beispielsweise über eine Lotschicht 81. Der andere Sensorkontakt 72 ist über eine Lotschicht 82 auf einer dritten Metallisierungsschicht 24 angeordnet, die ebenfalls auf der Oberseite der Keramikschicht 21 ausgebildet ist. Es handelt sich bei der dritten Metallisierungsschicht 24 um eine als Insel ausgebildete Metallisierungsschicht, die elektrisch von der ersten Metallisierungsschicht 22 getrennt ist und sich in einem Bereich auf der Oberseite der Keramikschicht 21 befindet, in dem die erste Metallisierungsschicht 22 nicht realisiert ist.
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Der keramische Schaltungsträger 2 ist mit seiner an der Unterseite der Keramikschicht 21 angeordneten Metallisierungsschicht 23 über das Wärmeleitmaterial 65 mit einem Kühlkörper 6 verbunden. Alternativ kann die Metallisierungsschicht 23 direkt mit dem Kühlkörper 6 verbunden sein. Das Wärmeleitmaterial 65 wird auch als thermisches Schnittstellenmaterial TIM (TIM = „thermal interface material“) bezeichnet. Ein thermisches Schnittstellenmaterial wird eingesetzt, um einen Spalt zwischen dem zu kühlenden elektrischen Modul 1 und der Oberfläche des Kühlkörpers 6 thermisch zu überbrücken. Es kann beispielsweise als Wärmeleitmatte oder als Wärmeleitpaste ausgebildet sein.
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Der keramische Schaltungsträger 2 mit der Keramikschicht 21 dient zum einen der elektrischen Isolation des auf dem keramischen Schaltungsträger 2 angeordneten elektrischen Bauteils 3 zum Kühlkörper 6 und stellt gleichzeitig eine thermische Anbindung zum Kühlkörper 6 bereit. Über den Kühlkörper 6 wird dabei Verlustwärme des elektrischen Bauteils 3 abgeführt. Es handelt sich bei dem Kühlkörper 6 beispielsweise um einen aktiven Kühlkörper, der durch einen Lüfter (nicht dargestellt) oder mittels einer Flüssigkeitskühlung (nicht dargestellt) aktiv gekühlt wird. Alternativ ist der Kühlkörper 3 als passiver Kühlkörper ausgebildet. Der Kühlkörper 6 besteht aus einem leitenden Material wie zum Beispiel Aluminium.
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Die Oberseite 11 der Leiterplatte 13 bzw. des Moduls 1 bildet eine Mehrzahl von elektrischen Modulkontakten 51-54 aus. Diese Modulkontakte 51-54 dienen dazu, schematisch dargestellte elektrische Kontakte 41-44 der Leiterplatte bzw. Hauptplatine 4 zu kontaktieren, an deren Unterseite das elektrische Modul 1 angeordnet wird. Die Leiterplatte bzw. Hauptplatine 4 ist dabei nur schematisch dargestellt.
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Von den an der Oberseite 11 ausgebildete Modulkontakten 51-54 erstrecken sich Durchkontaktierungen in das Innere des Moduls 1, die verschiedene Funktionen erfüllen. Als Durchkontaktierung wird dabei eine innen metallisierte Bohrung bezeichnet. Dabei erstreckt sich von dem Modulkontakt 51 eine Durchkontaktierung 515 zu dem ersten Sensorkontakt 71 des Temperatursensors 7. Von dem Modulkontakt 51 erstreckt sich des Weiteren eine Durchkontaktierung 510 zur oberen Metallisierungsschicht 22 des keramischen Schaltungsträgers 2. Weiter erstreckt sich eine Durchkontaktierung 520 von dem Modulkontakt 52 zu dem zweiten Sensorkontakt 72 des Temperatursensors 7. Von dem Modulkontakt 53 erstrecken sich Durchkontaktierungen 531, 532 zur Oberseite 31 des elektrischen Bauteils 3. Des Weiteren erstreckt sich eine Durchkontaktierung 540 von dem Modulkontakt 54 zu der Oberseite 31 des elektrischen Bauteils 3.
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Dabei kann zur Kontaktierung der oberen Metallisierungsschicht 22 und zur Kontaktierung des elektrischen Bauteils 3 eine größere Anzahl von Durchkontaktierungen vorgesehen sein, die hintereinander angeordnet und in der Schnittdarstellung der 1 daher nicht erkennbar sind. Dies ist in der 2 dargestellt, wie noch ausgeführt wird.
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Die elektrische Anbindung der Oberseite des elektrischen Bauteils 3 erfolgt über die Durchkontaktierungen 531, 532, 540. Diese stellen beispielsweise einen Source-Anschluss und einen Gate-Anschluss des elektrischen Bauteils 3 bereit. Das Unterseitenpotential des elektrischen Bauteils 3, das beispielsweise einen Drain-Anschluss des elektrischen Bauteils 3 darstellt, wird über die obere Metallisierungsschicht 22 des keramischen Schaltungsträgers 2 bereitgestellt.
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Im vorliegenden Kontext von Bedeutung ist die elektrische Kontaktierung des Temperatursensors 7. Dabei wird der eine Sensorkontakt 71 durch die Durchkontaktierung 515 kontaktiert, die sich ausgehend von dem Modulkontakt 51 zur Oberseite des Sensorkontakt 71 erstreckt. Dies wird unter Bezugnahme auf die 3 näher erläutert.
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Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Temperatursensors 7, der für eine laterale Integration des Temperatursensors 7 in das elektrische Modul 1 geeignet ist. Der Temperatursensor 7 umfasst zwei Sensorkontakte 71, 72, die jeweils eine Oberseite 711, 721 und eine Unterseite 712, 722 aufweisen und dabei rundum metallisiert sind, so dass jeweils Oberseite 711, 721 und Unterseite 712, 722 eine einheitliche Metallisierung und elektrische Kontaktfläche bilden.
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Dies bedeutet, dass das Potential, das über die Durchkontaktierung 515 der Oberseite 711 des einen Sensorkontakt 71 zugeführt wird, auch auf der Unterseite 712 des Sensorkontakts 71 anliegt und über die Lotschicht 81 auf der oberen Metallisierungsschicht 22 anliegt. Dabei stellt die Durchkontaktierung 515 einen Kontaktpfad zur elektrischen Kontaktierung des Sensorkontakts 71 dar. Der Sensorkontakt 71 befindet sich auf dem gleichen Spannungspotential wie die Metallisierungsschicht 22.
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Der andere Sensorkontakt 72 wird über die Durchkontaktierung 520 bereitgestellt, die sich von dem Modulkontakt 52 bis zu dem Sensorkontakt 72 erstreckt. Erneut Bezug nehmend auf die 3 verhält es sich dabei so, dass die Durchkontaktierung 520 sich von der Oberseite 11 des elektrischen Moduls bzw. dem Modulkontakt 52 zu der Oberseite 721 des Sensorkontakts 72 erstreckt. Die Durchkontaktierung 520 stellt dabei einen Kontaktpfad vom Modulkontakt 52 zum Sensorkontakt 72 bereit. Die Unterseite 722 des Sensorkontakt 71 ist über eine weitere Lotschicht 82 auf der als Insel ausgeführten dritten Metallisierungsschicht 24 angeordnet.
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Die beschriebene Anordnung ermöglicht, dass zur Kontaktierung des Temperatursensors 7 nur ein zusätzlicher Modulkontakt 52 und eine entsprechende Durchkontaktierung 520 im elektrischen Modul 1 geschaffen werden müssen, da einer der beiden Sensorkontakte, nämlich der Sensorkontakt 71 über den ohnehin vorhandenen Modulkontakt 51 zur Kontaktierung der Metallisierungsschicht 22 kontaktiert wird. Der zusätzliche Modulkontakt 52 ist dabei als Insel-Kontaktfläche ausgebildet. Über den Modulkontakt 52 wird die Spannungsdifferenz über dem Temperatursensor 7 ausgelesen und werden entsprechende Messwerte einer beispielsweise auf der Hauptplatine 4 angeordneten Auswerteinheit zugeführt.
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Da der Sensorkontakt 71 elektrisch mit der oberen Metallisierungsschicht 22 verbunden ist, ist der Temperatursensor 7 thermisch niederimpedant über die obere Metallisierungsschicht 22 mit dem elektrischen Bauteil 3 gekoppelt.
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Die 2 zeigt weitere Einzelheiten des elektrischen Moduls der 1 in einer Ansicht von oben, wobei für eine einfache Darstellung die Modulkontakte 51-54 und auch die Leiterplatte 13 nicht dargestellt sind. Es ist zu erkennen, dass die Durchkontaktierungen 510, 531, 532, 540 jeweils Reihen von Durchkontaktierungen umfassen, die sich ausgehend von dem jeweiligen Modulkontakt 51, 53, 54 erstrecken. Weiter sind die Durchkontaktierungen 515, 520 zur Kontaktierung des Temperatursensors 7 zu erkennen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Oberseite 73 des Temperatursensors 7 sich in der gleichen Höhe bzw. Ebene befindet wie die Oberseite 31 des elektrischen Bauteils 3, so dass die Durchkontaktierungen zum Temperatursensor 7 und die Durchkontaktierungen zum elektrischen Bauteil 3 mit der gleichen Länge und in gleicher Weise ausgeführt werden können. Diese Durchkontaktierungen 520, 531, 532, 540 sind beispielsweise als Mikrovias ausgeführt, zu deren Herstellung ein Laserprozess eingesetzt wird. Die hergestellten Mikrovias können mit Kupfer oder einem anderen Metall gefüllt sein.
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Alternativ können auch Abweichungen in der Höhe der Oberseite 73 des Temperatursensors 7 und der Höhe der Oberseite 31 des elektrischen Bauteils vorliegen, wobei diese Abweichungen beispielsweise bei weniger als 100 µm liegen.
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Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich von dem Ausführungsbeispiel der 1 dadurch unterscheidet, dass der Temperatursensor nicht in horizontaler Bauweise, sondern in vertikaler Bauweise in dem elektrischen Modul 1 angeordnet ist. Dementsprechend sind die beiden Sensorkontakte 71, 72 vertikal beabstandet. Abgesehen von diesem Unterschied wird im Hinblick auf den Aufbau des elektrischen Moduls 1 auf die Ausführungen zur 1 verwiesen. Die Leiterplatte 4 und der Kühlkörper 6 sind dabei in der 4 nicht gesondert dargestellt. Gleiches gilt für die 5 und 6.
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Die beiden Sensorkontakte 71, 72 des Temperatursensors 7 weisen eine untere Kontaktfläche 720 und eine obere Kontaktfläche 710 auf. Der Temperatursensor 7 liegt mit seiner unteren Kontaktfläche 720 auf der oberen Metallisierungsschicht 22 auf und ist mit dieser elektrisch verbunden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die untere Kontaktfläche 720 über einen Sinterprozess mit der oberen Metallisierungsschicht 22 verbunden worden ist. Auf der oberen Kontaktfläche 710 ist eine Metallisierung ausgebildet, beispielsweise eine Kupfermetallisierung.
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Gemäß der 4 wird ein Kontaktpfad zur Kontaktierung des Sensorkontakts 71 durch die Durchkontaktierung 510 gebildet, die sich von dem Modulkontakt 51 zur oberen Metallisierungsschicht 22 erstreckt und beispielsweise einen Drain-Anschluss D des elektrischen Bauteils 3 definiert. Dabei erfolgt über die Durchkontaktierung 510 und die Metallisierungsschicht 22 eine Kontaktierung des Sensorkontakts 71, wobei eine indirekte Kontaktierung vorliegt, da die Durchkontaktierung 510 den Sensorkontakt 71 nicht direkt, sondern über die Metallisierungsschicht 22 kontaktiert.
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Die metallisierte obere Kontaktfläche 710 des Temperatursensors 7 wird über eine Durchkontaktierung 520 kontaktiert, wobei die Durchkontaktierung 520 einen Kontaktpfad bereitstellt, über den der Sensorkontakt 72 elektrisch mit dem Modulkontakt 52 verbunden ist. Der Modulkontakt 52 ist wiederum als Insel-Kontaktfläche ausgebildet, deren Potential T als Spannungsdifferenz über dem Temperatursensor 7 ausgelesen wird.
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Die Modulkontakte 53, 54 stellen wie auch bei der 1 beispielsweise einen Source-Anschluss S und einen Gate-Anschluss G des elektrischen Bauteils 3 bereit.
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Der Temperatursensor 7 und das elektrische Bauteil 3 sind in der gleichen Höhe im elektrischen Modul 1 ausgebildet, so dass die Durchkontaktierungen 531, 532, 540 für das elektrische Bauelement und die Durchkontaktierung 520 für den Sensorkontakt 72 im selben Prozessschritt beispielsweise als Mikrovias ausgebildet werden können.
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Die 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen das elektrische Modul 1 nicht im Rahmen eines Leiterplattenembedding hergestellt ist. Stattdessen umfasst das Modul 1 an der Oberseite ein weiteres Substrat 15, an dem die Modulkontakte 51-54 ausgebildet sind und das das elektrische Bauteil 3 von oben abdeckt. Das Substrat 15 ist beispielsweise ein organisches oder keramisches Substrat. Dabei ist vorgesehen, dass im Substrat 15 Durchkontaktierungen 511, 521, 533, 541 ausgebildet sind, die die Modulkontakte 51-54 auf der Oberseite 151 des Substrats 15 mit entsprechenden unteren elektrischen Kontakten 51 ‚-54‘ auf der Unterseite 152 des Substrats 15 verbinden.
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Da die Durchkontaktierungen im Substrat 15 sich nur über dessen Dicke erstrecken können, sind ein oder mehrere Abstandselemente 91 („Spacer“) aus einem leitenden Material wie zum Beispiel einer Molybdän-Kupfer Legierung vorgesehen, um die Metallisierungsschicht 22 elektrisch mit dem Modulkontakt 51 zu verbinden und mit dessen Spannungspotential zu beaufschlagen. Dabei stellen die Durchkontaktierungen 511 in Verbindung mit dem Abstandselement 91 einen Kontaktpfad bereit, über den die obere Metallisierungsschicht 22 mit einem Spannungspotential beaufschlagt wird, wobei über diesen Kontaktpfad und die Metallisierungsschicht 22 der eine Sensorkontakt 71 kontaktiert wird.
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Die Kontaktierung des elektrischen Bauteils 3 erfolgt über die Modulkontakten 53, 54 und die unteren elektrischen Kontakte 53', 54'.
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Im Hinblick auf den Aufbau des Schaltungsträgers 2 wird auf die Ausführungen zur 1 verwiesen. Die Komponenten des elektrischen Moduls sind bei den Ausführungsbeispielen der 5 und 6 in eine Vergussmasse 17 eingebettet, die die Außenabmessungen des Moduls 1 definiert.
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Die Ausführungsbeispiele der 5 und 6 unterscheiden sich dadurch, dass im Ausführungsbeispiel der 5 ein Temperatursensor 7 in lateraler Bauweise und im Ausführungsbeispiel der 6 ein Temperatursensor 7 in vertikaler Bauweise in das elektrische Modul 1 integriert ist.
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So ist gemäß der 5 vorgesehen, dass der erste Sensorkontakt 71 des Temperatursensors 7 mit seiner Unterseite auf der ersten Metallisierungsschicht 22 aufliegt und mit dieser elektrisch verbunden ist. Dies kann über eine Lotschicht 83 erfolgen. Der zweite Sensorkontakt 72 des Temperatursensors 7 liegt mit seiner Unterseite auf einer als Insel ausgebildeten dritten Metallisierungsschicht 24 auf (entsprechend der dritten Metallisierungsschicht 24 der 1) und ist mit dieser elektrisch verbunden. Dies kann über eine Lotschicht 84 erfolgen. Der Temperatursensor 7 kann dabei gemäß der 3 ausgebildet sein. Dabei ist ein Kontaktpfad zur Kontaktierung des Sensorkontakts 72 durch die Durchkontaktierung 521 des Substrats 15 und einen weiteren Spacer 92 gebildet, der auf der dritten Metallisierungsschicht 24 angeordnet ist. Durch diesen Kontaktpfad und die Metallisierungsschicht 24 sowie die Lotschicht 84 wird der Sensorkontakt 72 kontaktiert.
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Beim Ausführungsbeispiel der 6 mit vertikaler Bauweise des Temperatursensors sind die beiden Sensorkontakte 71, 72 des Temperatursensors 7 durch eine untere Kontaktfläche 720 und eine obere Kontaktfläche 710 gebildet. Der Temperatursensor 7 liegt mit seiner unteren Kontaktfläche 720 auf der oberen Metallisierungsschicht 22 auf und ist mit dieser elektrisch verbunden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die untere Kontaktfläche 720 über einen Sinterprozess mit der Metallisierungsschicht 22 verbunden ist. Die obere Kontaktfläche 710 ist über den Kontakt 52' und die Durchkontaktierung 521 des Substrats 15 mit dem Modulkontakt 52 verbunden.
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Gemäß der 7 ist eine Vielzahl von elektrischen Modulen 1, die in der beschriebenen Art und Weise ausgebildet sind, über schematisch dargestellte Kontakte 5 an der Unterseite einer Leiterplatte 4 angeordnet. Die Unterseite der elektrischen Module 1 ist über ein Wärmeleitmaterial 65 mit einem Kühlkörper 6 thermisch gekoppelt. Dabei kann abweichend von der schematischen Darstellung der 7 vorgesehen sein, dass jedem elektrischen Modul 1 ein gesondertes Wärmeleitmaterial zugeordnet ist.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die elektrischen Module 1 über eine in der Leiterplatte 4 realisierte Verschaltung zu logischen Schaltern verbunden sind, wobei für jeden logischen Schalter eine Mehrzahl der elektrischen Module 1 parallel geschaltet ist. Solche logischen Schalter werden beispielsweise in Wechselrichtern von Elektromotoren eingesetzt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Figuren, anhand derer die vorliegende Erfindung an Ausführungsbeispielen erläutert wurde, nicht notwendigerweise maßstabsgemäß gezeichnet sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Metallisierungsschichten 22, 23 deutlich dünner ausgebildet sind als die Keramikschicht 21.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
