DE10301682B4 - Temperaturbelastbarer Shunt-Widerstand und Verfahren zur Herstellung eines solchen Shunt-Widerstandes - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines temperaturbelastbaren Shunt-Widerstandes, bei dem eine Shunt-Widerstandsfolie (1), die aus einer kupferhaltigen Legierung besteht oder die an ihrer Unterseite eine Kupferschicht oder eine Kupferoxidschicht aufweist, an der Unterseite mit einem Keramikträger (2) durch Erhitzen unter Ausbildung einer intermetallischen Phase verbunden wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Shunt-Widerstand sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Shunt-Widerstandes.
  • Bei der Strommessung von hohen Strömen, insbesondere größer 25A, werden vorwiegend induktive Wandler eingesetzt, welche eine hohe Genauigkeit bei integrierter Potentialtrennung und minimaler Verlustleistung gewährleisten. Diese Wandler haben jedoch zwei Nachteile. Einerseits sind sie sehr teuer und andererseits nehmen sie auf einer Steuerplatine im Vergleich zu übrigen Bauelementen eine nicht zu vernachlässigende Baugröße ein.
  • Alternativ werden bei kleineren Leistungen sogenannte Shunt-Widerstände zur Erzeugung des Messsignals verwendet. Dort wird der gemäß dem Ohm'schen Gesetz auftretende Spannungsabfall U = R.I genutzt. Neben einem Nutzsignal entsteht jedoch zwangsläufig eine Verlustleistung als Produkt aus dem Widerstandswert R und dem Quadrat des Stroms I in Form von Wärme. Messsignal und Verlustleistung sind dabei überproportional verknüpft. Daher möchte man bei hohen Strömen den Widerstandswert R zur Begrenzung der Wärmeentstehung möglichst gering wählen, muss dann aber zwangsläufig auch die Größe des Messsignals reduzieren. Für eine störungsfreie Funktion kann jedoch ein anwendungsabhängiger Mindestwert zum Erzielen eines ausreichenden Signal-zu-Rauschabstands nicht unterschritten werden.
  • Da Widerstände mit vergleichbarer Genauigkeit wie induktive Stromwandler deutliche Kostenvorteile bieten, werden diese verwendet, wobei jedoch bei größeren Strömen die im Widerstand entstehende Verlustleistung optimal abzuführen ist. Je nach Betriebszustand und Leistungsklasse treten Verluste in einer Größenordnung im zweistelligen Watt-Bereich auf. Derart große Leistungen können jedoch nicht mehr durch bloßes Auflöten von Shunt-Widerständen auf eine Steuerplatine abgeführt werden. Eine Zwangskühlung wird zusätzlich erforderlich.
  • Allgemein bekannt sind Leistungs-Halbleitermodule, welche direkt auf Kühlkörpern montiert werden. Derartige Leistungs-Halbleitermodule werden vorzugsweise in Frequenzumrichtern zur Ansteuerung von Drehzahl-veränderlichen Antrieben eingesetzt. Derartige Umrichter besitzen interne Regelkreise, welche von diversen Sensoren Eingangssignale erhalten. Neben Spannungen und Temperaturen sind die tatsächlich fließenden Ströme der Ausgänge wichtige Messgrößen. Die Ströme können über induktive Wandler oder Shunt-Widerstände gemessen werden. Shunt-Widerstände in der erforderlichen Genauigkeit und Belastbarkeit sind jedoch bislang nur von wenigen Herstellern am Markt verfügbar.
  • Versuchsweise in Econo-Modulen eingesetzte PMB-B-Typen der Isabellenhütte-GmbH bestehen aus einem Kupferträger, auf dem Manganin mit einem Epoxykleber aufgeklebt ist. Das Manganin ist mit Nickel beschichtet. Derartige Hochlastwiderstände bieten ppm-Abweichungen von gemäß Herstellerangaben nicht mehr als 30 ppm/K in einem Temperaturbereich von 20°C bis 60°C. Diese Widerstände sind jedoch für die zur Modulherstellung erforderlichen Prozesse nicht geeignet.
  • Die Präzisionswiderstände der Isabellenhütte GmbH, Dillenburg, sind planar aufgebaut, um eine möglichst große Wärmeübergangsfläche zu erzielen. Die erforderliche interne Isolationsschicht wird über einen Polymer-Werkstoff gebildet, welcher seinerseits die maximale Verarbeitungs- und Betriebstemperatur nach oben limitiert.
  • Herstellungsprozesse von Leistungshalbleiter-Modulen sind auf andere Parameter optimiert. Daher liegen diese mit ihren Temperaturen oberhalb der Shunt-Spezifikationen. Shunt- Widerstände mit ausreichenden Eigenschaften sind auf den bislang bekannten Verfahrenswegen nicht realisierbar.
  • Aus dem Leistungshalbleiterbereich sind allgemein Verfahren bekannt, mit welchen Metall und Keramik hochfest und dauerhaft verbunden werden können. Dies sind insbesondere direktes Kupferbonden (DCB: Direct Copper Bonding) und aktives Hartmetalllöten (AMB: Active Metal Brazing). Diese Verfahren nutzen die Bildung von intermetallischen Phasen auf der Oberfläche von Metalloxid-Keramiken und sind dem Löten vergleichbar. Die Temperaturbeständigkeit dieser Fügestellen liegt weit oberhalb der Erfordernisse für Leistungshalbleiter-Module.
  • Die DE 29 26 516 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Metallfolienwiderstandes. Dabei wird eine dünne, leitende Metallfolie mittels eines Epoxyklebers auf einem isolierenden Keramikträger aus Glas oder Keramik befestigt.
  • Aus der DE 197 08 363 C1 ist auf zwei gegenüberliegenden Seiten mit Kupfer metallisiertes Keramik-Substrat bekannt, auf dem ein elektronisches Bauelement befestigt ist. Mit seiner dem Bauelement abgewandten Seite ist das Keramik-Substrat auf einer Grundplatte befestigt.
  • Die DE 199 45 794 C2 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine Kupferfolie oxidiert und auf eine Keramikschicht aufgelegt wird. Anschließend wird die Anordnung zur Herstellung eines Verbundes auf eine Temperatur von 1065°C bis 1083°C erhitzt.
  • In der DE 199 61 999 A1 ist ein Verfahren zur Anordnung eines auf einer Leiterplatte beschrieben. Der Widerstand besteht aus einer kontinuierlichen, flachen und einstückig ausgebildeten Folie.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Shunt-Widerstand sowie ein Verfahren zur Herstellung eines temperaturbelastbaren Shunt-Widerstandes bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Shunt-Widerstand gemäß Patentanspruch 17 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Shuntwiderstandes gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
  • Vorteilhafterweise wird somit eine Shunt-Widerstandsfolie auf einem Keramikträger mit einem für sich bekannten Verfahren befestigt, bei dem eine intermetallische Phase auf der Oberfläche von Metalloxid-Keramik ausgebildet wird. Dabei kann die Widerstandsfolie wie bei derzeit üblichen Leistungs-Shunt-Widerständen vorzugsweise aus einer Kupfer-Mangan-Legierung hergestellt und durch Stanzen oder Ätzen in eine geeignete Form gebracht werden.
  • Die Shunt-Widerstände ermöglichen eine deutlich höhere Temperaturbelastbarkeit bei gleichzeitig verbesserter Wärmeableitung und erhöhter Zuverlässigkeit. Insbesondere sind bei Folgeprozessen im Herstellungszyklus hohe Verarbeitungstemperaturen anwendbar. Auch im Betrieb sind hohe Anwendungstemperaturen möglich.
  • Beim Design eines Leistungshalbleiter-Moduls wird eine hohe Flexibilität ermöglicht, da beliebige Formen der Widerstandsschicht möglich sind, was insbesondere einen Platz sparenden Aufbau passend zu dem sonstigen Chip-Layout ermöglicht.
  • Höhere Verlustleistungen können aufgrund der besseren Wärmeableitung einer Metalloxid-Keramik im Vergleich zu sonst üblichen Polymer-Materialien zugelassen werden. Eine Minimierung des Wärmewiderstands ist durch direktes Fügen der Widerstandsfolie mit einer kostengünstigen und bewährten Fügetechnik auf die ohnehin vorhandene Keramik in einem Leistungshalbleiter-Modul möglich, wodurch vorteilhafterweise auch eine Isolationslage wegfallen kann.
  • Vorteilhafterweise ist eine Weiterverwendung von hochspeziellen Modul-Fertigungsprozessen möglich und somit die Beibehaltung der erforderlichen Zuverlässigkeiten. Insbesondere ergibt sich eine höhere Zuverlässigkeit als beim Aufbau von PMB-Shunts. Dies wird insbesondere durch geringere Metall-Volumina mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und durch die höhere Festigkeit von AMB und DCB im Vergleich zur Verwendung von Weichlot ermöglicht.
  • Vorteilhafterweise sind beliebige Widerstandsmaterialien einsetzbar, wobei denen mit geringerer Temperaturabhängigkeit der Vorzug zu geben ist.
  • Vorteilhafterweise können Widerstandsfolienflächen für einzelne Shunt-Widerstände als vorgestanzte Teile auf einem Keramikträger angeordnet und befestigt werden oder nach dem Auffügen einer größeren Folie durch Strukturieren, beispielsweise mittels Ätzen, gewonnen werden.
  • Ein besonderer Vorteil besteht auch darin, dass Shunt-Widerstände zur Erhöhung der Messgenauigkeit nachträglich leicht abgeglichen werden können. Beispielsweise kann mit einem Laser oder einem kleinen Fräser die Oberfläche der Widerstandsfolie lokal bearbeitet werden, bis der Widerstandswert an den Anschlüssen justiert ist. Ein Abgleich ist auch durch das entsprechend versetzte Kontaktieren von Anschluss-Bonddrähten auf der Oberfläche des Shunt-Widerstands möglich.
  • Möglich ist somit die Montage in Leistungshalbleiter-Modulen, welche ohnehin direkt auf Kühlkörpern montiert werden. Eine sichere Potentialtrennung kann bei der Verwendung von Shunt-Widerständen beispielsweise über Optokoppler, über induktive Kopplung oder über Trennverstärker gelöst werden.
  • Vorteilhafterweise wird somit bei einem Verfahren zur Herstellung eines Shunt-Widerstandes eine Shunt-Widerstandsfolie unter Ausbildung einer intermetallischen Phase mit einem Keramikträgerzusammengefügt. Als Keramikträger wird entsprechend ein Metalloxidkeramikträger verwendet, welcher beispielsweise aus einem Keramikkörper, insbesondere Isolationskörper, mit einer metallischen Beschichtung hergestellt sein kann. Entsprechend dem für sich bekannten DCB-Verfahren wird beim Zusammenfügen der Shunt-Widerstandsfolie und des Keramikträgers an der Shunt-Widerstandsfolie ein Metalloxid vor oder während des Zusammenfügens ausgebildet. Durch Erhitzen bildet sich dann eine eutektische Schmelze aus, welche nach dem Abkühlen zu einer stabilen intermetallischen Verbindung führt.
  • Alternativ kann gemäß dem AMB-Verfahren auch ein Füllmaterial als Bindemittel eingesetzt werden, welches zwischen die Shunt-Widerstandsfolie und den Keramikträger eingebracht wird und aktive Metallprodukte enthält. Die Befestigung erfolgt somit über Hartlöten mit aktivem Lot.
  • Vorteilhafterweise ist die direkte Montage eines Shunt-Widerstands in Leistungshalbleiter-Modulen möglich, welche ohnehin direkt auf einem Kühlkörper montiert werden. Eine sichere Potentialtrennung ist bei der Verwendung von Shunt-Widerständen beispielsweise über Optokoppler oder Trennverstärker realisierbar.
  • Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 schematisch den Ablauf beim Befestigen einer Shunt-Widerstandsfolie auf einem Keramikträger;
  • 2 eine Schnittansicht durch eine erste verschaltete Anordnung auf einem Halbleiter-Bauelement;
  • 3 ein modulares Trägerelement mit aufgesetztem Shunt-Widerstand;
  • 4 ein Ausführungsbeispiel mit einem solchen modularen Element;
  • 5 eine alternative Anordnung eines Shunt-Widerstands auf einem Trägermaterial mit Verbindung zu benachbarten Bauelementen und
  • 6 eine Draufsicht auf einen hinsichtlich der Form strukturierten Shunt-Widerstand auf einem Träger.
  • Die Befestigung einer Shunt-Widerstandsfolie zum Herstellen eines Leistungshalbleiter-Shunt-Widerstandsbauelementes auf einem keramischen Träger wird vorzugsweise unter Verwendung für sich bekannter Verfahren zum Ausbilden intermetallischer Phasen auf der Oberfläche von Metalloxid-Keramiken durchgeführt. Vorteilhafterweise können das direkte Kupferbonden DCB (Direct Copper Bonding) und das Hartlöten mittels aktivem Lot AMB (Active Metal Brazing)/ABC verwendet werden. Die Temperaturbeständigkeit derartig erzeugter Fügestellen liegt weit oberhalb der Erfordernisse für Leistungshalbleiter-Module und eignet sich überraschenderweise auch zum Befestigen einer Shunt-Widerstandsfolie auf einem Keramikträger.
  • Wie dies anhand von 1 anhand des DCB-Verfahrens veranschaulicht ist, wird eine Shunt-Widerstandsfolie 1 in einem ersten Schritt auf einen Träger, insbesondere Keramikträger 2, aufgesetzt. Die Widerstandsfolie selbst besteht aus einer Cu-haltigen Legierung oder ist zumindest an ihrer Unterseite mit einer Cu- bzw. CuO-Schicht versehen. Vor oder während des Aufsetzens wird die Seite der Shunt-Widerstandsfolie (Shunt: Nebenschluss) 1, welche dem Träger 2 zugewandt ist, mit einer dünnen Schicht Kupferoxid CuO versehen. Nach dem ersten dargestellten Schritt A erfolgt ein Erhitzen der zusammengefügten Anordnung, wobei sich aus dem Kupferoxid in Verbindung mit dem Keramikträger, vorzugsweise einem Keramikträger aus Aluminiumoxid Al2O3 eine eutektische Schmelze CuAl2O4 ausbildet, wie dies aus dem zweiten Teilbild B ersichtlich ist. Nach einer Sauerstoffdiffusion und einem Abkühlen entsteht eine feste intermetallische Verbindung zwischen der Shunt-Widerstandsfolie 1 und dem Keramikträger 2. Bei der Erhitzung auf 1065°C bis 1085°C entsteht bei der Verbindung der bezeichneten Materialien die eutektische Schmelze, welche mit dem keramischen Werkstoff reagiert, während das Kupfer selber fest bleibt. Durch das ausgezeichnet benetzende Verhalten von Al2O3-Keramik entsteht eine Spinell-Reaktion. Die durch eine Spinell-Reaktion erzeugte Schicht ist dabei üblicherweise zu dünn, um mit einem gewöhnlichen Mikroskop betrachtet zu werden, bietet jedoch nach dem Abkühlen der Kupfer-Keramik-Verbindung eine ausreichende Festigkeit. Wenn der Partial druck des Sauerstoffs und die Temperatur in dem Ofen korrekt gesteuert werden, entstehen metallische Kupferoberflächen mit gleichförmiger Dicke. Dies üblicherweise auf beiden Seiten der Keramik. Mit einem vergleichbaren Prozess kann eine Kupferfolie bzw. vorliegend ein Shunt-Widerstand aus einer Cu-Legierung oder unterseitig mit Cu beschichtet mit einer Metalloxidkeramik verbunden werden, dass unten die Kupferfolie und oben die Widerstandsfolie angefügt ist. Er weicht damit von der heute bekannten Schichtfolie Cu-Al2O3-Cu ab.
  • Bei dem zweiten bevorzugten Verfahren, dem Löten mit aktivem Lot (AMB), wird zwischen die beiden zu verbindenden Materialien, die Shunt-Widerstandsfolie 1 und den Keramikträger 2, ein Füllmaterial gefüllt, welches aktive metallische Zusätze enthält, welche mit der Oberfläche des Keramikträgers 2 direkt reagieren können. Üblicherweise können aktive Metallprodukte viele Typen von Keramiken und anderen schwer zu benetzenden Materialien wie Carbide, Saphir, Aluminiumoxide, Zirkonverbindungen, Siliziumnitrid usw. verbinden. Diese Materialien können dabei untereinander oder mit üblichen technischen Werkstoffen wie rostfreiem Stahl, Kupfer, Werkzeugstahl usw. verbunden werden.
  • Beim direkten Hartlötprozess mit aktiven Metallkomponenten wird das Hartlöten (Brazing) vorzugsweise im Vakuum mit minimal 13,33 mPa (1 × 10–4 Torr) oder in einer Inertgas-Atmosphäre unter Verwendung von Argon oder Helium durchgeführt.
  • Bei AMB werden Legierungen verwendet, wie z. B. Braze 720, Braze 715, Permabraze 616 und Braze 559 (von Lucas-Milhaupt) als Paste oder streifenförmiges Produkt. Es eignen sich selbstverständlich auch aktive Legierungen anderer Hersteller. Insbesondere die pastöse Form kann auf zu verbindende Teile aufgedruckt oder aufgestrichen werden und ermöglicht den Einsatz bei verschiedenartig geformten und miteinander zu verbindenden Teilen.
  • Die verwendeten Legierungen enthalten als aktive Metallkomponenten beispielsweise Zn, Sn, Ni, Pd, Ag, Cu, In, Zr, Ti, Ag, Yt, T, N. Der Rest wird durch sonstige Legierungsbestandteile gebildet.
  • In 2 und den weiteren Figuren werden zur Erläuterung einzelner Ausführungsbeispiele für gleiche oder vergleichbare Bauteile stets dieselben Bezugszeichen verwendet. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird dabei von der Beschreibung bereits in anderen Ausführungsbeispielen beschriebener Bauelemente oder Verfahrensschritte abgesehen.
  • 2 zeigt eine Schaltungsanordnung aus einem Shunt-Widerstand 1, der mit einer intermetallischen Phasenverbindung in vorstehend beschriebener Art und Weise auf einem Keramikträger 2 aus vorzugsweise Metalloxidkeramik befestigt ist. Der Keramikträger 2 kann dabei aus einem Isolations- und Trägerkörper mit einer entsprechenden Metallbeschichtung oder einem massiven Körper bestehen.
  • Auf dem Keramikträger 2 sind weitere Bauelemente angeordnet, zu welchen von der Shunt-Widerstandsfolie 1 Bonddrähte 13 zur Kontaktierung geführt sind. Die Bonddrähte 13 sind an ausgewählten Kontaktstellen 4 auf der Shunt-Widerstandsfolie 1 bzw. auf einem benachbarten Bauelement 6, 5 im Bondverfahren befestigt. Die weiteren Bauelemente können dabei insbesondere Leitermaterialien in Form von z. B. Kupferkaschierungen des Substrates als Leiterstruktur 6 oder Halbleiterchips 5 sein, welche in herkömmlicher Art und Weise mit einem Weichlot 7, Klebung oder eutektischem Bondverfahren (z. B. NTV) auf dem Träger oder der Leiterstruktur 6 befestigt sind. Die Kontaktierung der Shunt-Widerstandsfolie 1 kann über zwei voneinander beabstandete Bonddrähte 13 erfolgen, jedoch kann bei Bedarf auch eine Vielzahl von Bonddrähten 13 eingesetzt werden, insbesondere im Fall von Messanordnungen oder bei einer geforderten höheren Stromtragfähigkeit.
  • Vorteilhafterweise weist die Unterseite des Keramikträgers 2 eine Metallkaschierung wie z. B. Kupferkaschierung 8 oder alternativ vernickeltes Aluminium auf, welche eine Befestigung der gesamten Anordnung auf einem metallischen Träger (z. B. Bodenplatte) mittels herkömmlicher Verfahren ermöglicht. Insbesondere ist auch eine gute Wärmeableitung an einen Kühlkörper möglich, auf welchen die gesamte Anordnung aufgeschraubt wird.
  • 3 stellt einen vorgefertigten Shunt-Widerstand als Widerstandsmodul 9 dar. Die Anordnung besteht im wesentlichen aus dem Keramikträger 2 mit der darauf in bereits beschriebener Art und Weise befestigten Shunt-Widerstandsfolie 1 sowie einer Kupferkaschierung des Keramikträgers 2 bzw. Substrates, wobei die Kupferkaschierung 8 eine Befestigung an anderen Schaltungsanordnungen und dgl. ermöglicht. Bei dieser Anordnung ist somit eine Shunt-Widerstandsfolie 1 auf ein kleines Einzelsubstrat gefügt, was eine Vorfertigung ermöglicht. Derartige Shunt-Widerstands-Module können vorteilhafterweise in einem sogenannten Waffle-Pack in Lotpaste für eine daraus erfolgende maschinelle Bestückung von Halbleiterchips oder anderen Schaltungsanordnungen bereitgestellt werden. Darüber hinaus könnte dieses Substrat direkt mit einem eigenen Gehäuse und Anschlüssen versehen werden und als Einzelbauelement, unabhängig vom Leistungshalbleitermodul, Einsatz finden (siehe 3).
  • Das oben genannte Waffle-Pack ist ein Träger mit "Flächen" für rechteckige Bauteile. Lötpaste wird dabei erst später auf das Substrat (bzw. Leiterplatte) oder Träger aufgebracht und dann der Shunt-Widerstand auf das "feuchte" Lötpastendepot gesetzt.
  • 4 stellt eine Schaltungsanordnung dar, bei der ein derartiges vorgefertigtes Shunt-Widerstands-Modul 9 in herkömmlicher Art und Weise mittels Lot auf einer weiteren Trägerstruktur angeordnet ist. Auf der weiteren Trägerstruktur 10 ist beispielsweise auch ein Halbleiterchip 5 angeordnet, zu welchem mittels eines oder mehrerer Bonddrähte 13 eine Verbindung erfolgt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Shunt-Widerstandsfolie 1 erfolgt ein entsprechender Kontakt über einen oder mehrere weitere Bonddrähte 13 zu einer Leiterstruktur 6, welche sich ebenfalls auf dem Grundträger 10 befindet. Durch die Anordnung der Shunt-Widerstandsfolie 1 auf direkt einem Keramikträger 2 und über zwei Kupferkaschierungen und ein Lot 7 über einen weiteren Keramikträger ist ein schlechterer Wärmeübergangswiderstand durch die zwei Keramikschichten gegeben. Vorteilhafterweise wird für solche modulare Anordnungen daher ein Shunt-Widerstand-Modul 9 mit einem möglichst dünnen Keramikträger 2 bereitgestellt. Letztendlich muss die Keramik des Keramikträgers 2 je nach Position des Shunt-Widerstands im Modul minimal nur den Spannungsabfall über den Shunt isolieren.
  • Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform ist die Shunt-Widerstandsfolie 1 wiederum auf einem Keramikträger 2 angeordnet, welcher zusätzlich weitere Bauelemente wie Kupferkaschierungen 6 und Halbleiterchips 5 trägt. Die Kontaktierung der Shunt-Widerstandsfolie 1 mit den benachbarten Bauelementen, vorliegend den Kupferkaschierungen 6, erfolgt wiederum über Bonddrähte 3, die alternativ auch direkt aufgelötet werden können. Je nach Prozess ist auch eine stumpfe Verlötung anwendbar.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Shunt-Widerstandsfolie 1 direkt bis zu zwei benachbarten Leiterstrukturen 6 in Form der Kupferkaschierungen geführt. Die Randbereiche 11 der Folie sind dabei gekröpft und ein- oder vorliegend beidseitig im AMB-Prozess auf die Metallkaschierung bzw. die Leiterstruktur 6 aufgelötet. Die Toleranzen werden dabei so gewählt, dass ein Spalt möglichst nur oben zwischen der Kaschierung 6 und der Shunt-Widerstandsfolie auftritt und die Shunt-Widerstandsfolie 1 immer einen direkten Kontakt zur Metalloxidkeramik 2 hat. Bei dem dargestellten Ausführungs beispiel verbindet die Shunt-Widerstandsfolie 1 somit zwei Leiterstrukturen 6 direkt miteinander.
  • Zwei weitere Leiterstrukturen 6 sind über die Bonddrähte 13 mit der Shunt-Widerstandsfolie 1 verbunden. Dabei ist für die weiteren Leiterstrukturen 6 eine Abstimmung des Widerstandswertes durch die Wahl der Anschlussstellen 4 auf der Shunt-Widerstandsfolie 1 möglich.
  • 6 zeigt eine Draufsicht auf eine komplexe Schaltungsanordnung auf der Oberseite eines Keramikträgers 2. Die Schaltungsanordnung besteht dabei aus mehreren Leiterstrukturen 6, welche wiederum Halbleiterchips 5 oder sonstige Halbleiterbauelemente tragen. Zur Kontaktierung dienen wiederum Bonddrähte 3, welche von verschiedenen Positionen auf den Leiterstrukturen 6 oder Halbleiterchips 5 zu anderen der Bauelemente oder nach außerhalb führen. Insbesondere ist auch eine Shunt-Widerstandsfolie 1 auf dem Substrat 2 angeordnet. Die Shunt-Widerstandsfolie 1 ist dabei vorteilhafterweise flächengünstig gewählt und an die verfügbaren freien Flächen auf der Halbleiterstruktur 2 zwischen anderen Schaltungselementen 6 angepasst. Zur Kontaktierung der Shunt-Widerstandsfolie 1 dienen wiederum Bonddrähte 13 bzw. an einer Seite eine stumpfe Lötstelle als Kontaktstelle 4*.
  • Die Shunt-Widerstandsfolie 1 ist somit in flächengünstiger Form passend zu bestehenden Chip-Layouts einfügbar, hier beispielsweise L-förmig. Während des AMB-Prozesses wurde die Shunt-Widerstandsfolie 1 zugleich stumpf mit einer der eine Leiterstruktur 6* ausbildenden Metallkaschierungen verlötet.
  • Die Toleranz des Widerstandswertes der gesamten Shuntstruktur spielt bei diesem Aufbau eine untergeordnete Rolle, da ein Ausgangssignal durch die Position der Messabgriffe bzw. Sense-Anschlüsse 4 auf der Oberfläche der Shunt-Widerstandsfolie 1 bestimmt wird. Durch eine hohe Positionierungsgenauigkeit der Bonddrähte 13 wird auch eine hohe Wieder holgenauigkeit der Shunts ermöglicht. Die Trimmung kann hier somit alternativ für die gesamte Struktur oder für das speziell erforderliche Messsignal erfolgen.
  • Bei beiden aufgeführten Fügeverfahren, DCB bzw. AMB, kann vorteilhaft ausgenutzt werden, die Dicke des Widerstandsfolienmaterials groß gegenüber der intermetallischen Fügezone zu gestalten. Dadurch kann die Temperaturabhängigkeit des eigentlichen Shunt-Materials weitestgehend beibehalten werden.
  • Tatsächlich können bei diesem Konzept immer zwei metallische Schichten mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten parallel geschaltet werden. Durch entsprechend deutliche Dickenunterschiede und damit Widerstandsunterschiede der beiden Schichten 1, 3 wird der Einfluss der Fügeschicht, die durch das Bindemittel 3 ausgebildet wird, vernachlässigbar. Vorteilhafterweise sollte also immer gelten, dass der Widerstandswert der Shunt-Widerstandsfolie klein gegenüber dem Widerstandswert der Fügeschicht ist, d. h. RShunt << RFügeschicht bzw. umgekehrt die Dickenverhältnisse so gewählt sind, dass die Dicke der Shunt-Widerstandsfolie 1 groß gegenüber der Dicke der Fügeschicht bzw. des Bindemittels 3 ist, d. h. DShunt-Folie >> DFügeschicht.
  • Eine erste rechnerische Betrachtung des Einflusses der Parallelschaltung ergibt sich aus der folgenden Tabelle: Temperatureinfluss von AMB-Lot auf den Shuntwiderstandswert
    Rho [Ohm*mm2/m] TK [10E-6/K]
    Manganin 0,43 10
    ANB-Lot 40 4300
  • Randbedingung: LManganin = LLOT; BManganin = BLOt
    Dicke Manganin/mm Dicke Lot /mm Widerstandsänderung in ppm/K – Abweichung im Bereich von 25°C auf 125°C
    0,1 0,01 13,23
    0,2 0,01 11,61
    0,3 0,01 11,08
    0,4 0,01 10,81
    0,5 0,01 10,65
    0,1 0,02 16,45
    0,2 0,02 13,23
    0,3 0,02 12,15
    0,4 0,02 11,61
    0,5 0,02 11,29
    0,1 0,03 19,66
    0,2 0,03 14,84
    0,3 0,03 13,23
    0,4 0,03 12,42
    0,5 0,03 11,94
  • Betrachtet werden dabei Dickevariationen von Manganin zwischen 0,1 und 0,5 mm bei einer Dicke des Lots bzw. des Bindemittels 3 von 0,01, 0,02 bzw. 0,03 mm. Die Widerstandsänderung von 25°C auf 125°C, also über eine Temperaturdifferenz von 100K variiert dabei zwischen 10 und 20 ppm/K, was im Vergleich zum beispielhaft aufgeführten Stand der Technik PMP-B-Typ mit einem Temperaturkoeffizienten (TK) 30 ppm/K eine signifikante Verbesserung zeigt.
  • Bei den rechnerischen Betrachtungen wurde von Manganin für die Shunt-Widerstandsfolie 1 mit einem Widerstandswert von 0,43 Ohm·mm2/m und einem Temperaturkoeffizienten (TK) von 10·10–6K–1 sowie Werten des AMB-Lots von 40 Ohm·mm2/m bzw. TK ca. 4300 K–1 ausgegangen.
  • Der tatsächliche Einfluss der Parallelschaltung auf das Temperaturverhalten liegt im technisch sinnvollen Bereich der Dickenverhältnisse im Bereich von 10 ppm additiv zum TK des Grundmaterials Manganin von 10 ppm. Die Änderung im Temperaturverhalten gegenüber dem Grundmaterial Manganin (0 ± 10 ppm/K) kann durch eine geeignete Wahl der Dickenverhältnisse, z. B. Manganin 0,4 mm, Lot 0,01 mm, und damit der Einfluß des Fügeverfahrens < 1 ppm zusätzlich zur Temperaturabhängigkeit des Grundmaterials vernachlässigt werden.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Herstellung eines temperaturbelastbaren Shunt-Widerstandes, bei dem eine Shunt-Widerstandsfolie (1), die aus einer kupferhaltigen Legierung besteht oder die an ihrer Unterseite eine Kupferschicht oder eine Kupferoxidschicht aufweist, an der Unterseite mit einem Keramikträger (2) durch Erhitzen unter Ausbildung einer intermetallischen Phase verbunden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Keramikträger (2) ein Metalloxidkeramikträger verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Keramikträger (2) ein elektrisch isolierender Keramikkörper mit einer metallischen Beschichtung verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem eine Metalloxid-Schicht (3') an der Shunt-Widerstandsfolie (1) vor oder während des Zusammenfügens der Shunt-Widerstandsfolie (1) und des Keramikträgers (2) ausgebildet wird.
  5. Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem ein Bindemittel (3, 3') zwischen der Shunt-Widerstandsfolie (1) und dem Keramikträger (2) angeordnet wird, und bei dem durch Zusammenfügen der Shunt-Widerstandsfolie (1) mit einer Metalloxid-Schicht (3') und dem Keramikträger (2) und durch Erhitzen eine eutektische Schmelze gebildet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Erhitzen bis zu einer Temperatur von 1065°–1085°C durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem mit dem direkten Kupferbonding-Verfahren (DCB: Direct Copper Bonding) beim Erhitzen CuAl2O4 ausgebildet wird, wobei die Metalloxid-Schicht (3') aus Kupferoxid (CuO) und zumindest die Oberfläche des Keramikträgers (2) aus Al2O3 zuvor bereitgestellt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Bindemittel (3) durch ein Füllmaterial ausgebildet wird, welches zwischen die Shunt-Widerstandsfolie (1) und den Keramikträger (2) eingebracht wird und aktive Metallprodukte enthält.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Befestigung über Hartlöten mittels aktivem Lot (AMB: Active Metal Brazing) ausgebildet wird.
  10. Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem die Shunt-Widerstandsfolie (1) auf einem Keramikträger (2) befestigt wird, wobei als der Keramikträger (2) ein modulares Einzelsubstrat zum Ausbilden eines Shunt-Widerstandsfolien-Moduls (9) verwendet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Keramikträger (2) aus einem Trägermaterial besteht und bei diesem auf der der Shunt-Widerstandsfolie (1) abgewandten Seite eine Metallkaschierung (8) ausgebildet wird.
  12. Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem die Shunt-Widerstandsfolie (1) auf einer Keramikfläche zwischen erhabenen Strukturen (6) angeordnet wird und zumindest ein Randabschnitt (11) der Shunt-Widerstandsfolie (1) gekröpft und auf der erhabenen Struktur (6) befestigt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Shunt-Widerstandsfolie (1) auf der erhabenen Struktur (6) durch Löten, insbesondere durch das AMB-Verfahren, befestigt wird.
  14. Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem die Shunt-Widerstandsfolie (1) hinsichtlich der Form struktu riert an die Oberfläche des Keramikträgers (2) und ggf. weiterer darauf angeordneter Bauelemente (6) angepasst wird.
  15. Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem nach dem Befestigen der Shunt-Widerstandsfolie (1) auf dem Träger Kontaktierungen mit Bonddrähten (13) zu Kontaktierungspunkten (4, 4*) auf der Shunt-Widerstandsfolie (1) einerseits und andererseits benachbarten Strukturen (5, 6) durchgeführt werden, wobei mit der Wahl der Position der Kontaktierungspunkte auf der Shunt-Widerstandsfolie (1) eine Trimmung oder Abstimmung des Widerstandswertes durchgeführt wird.
  16. Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem das Verhältnis der Dicke von Shunt-Widerstandsfolie (1) und dem Bindemittel (3) zum Erzielen eines geringen elektrischen Widerstands (RShunt) der Shunt-Widerstandsfolie (1) gegenüber dem elektrischen Widerstand (RFügeschicht) des Bindemittels (3) und/oder zum Erzielen einer großen Dicke (DShunt) der Shunt-Widerstandsfolie (1) gegenüber der Dicke (DFügeschicht) des Bindemittels (3) gewählt wird.
  17. Shunt-Widerstand mit einer Shunt-Widerstandsfolie (1), die aus einer kupferhaltigen Legierung besteht oder die an ihrer Unterseite eine Kupferschicht oder eine Kupferoxidschicht aufweist, sowie mit einer intermetallische Phase, mittels der die Shunt-Widerstandsfolie (1) an der Unterseite mit einem Keramikträger (2) verbunden ist.
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