DE19708653C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur mindestens eines auf einem Trägerkörper mit geringer Wärmeleitfähigkeit angeordneten Halbleiterbauelements - Google Patents

Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur mindestens eines auf einem Trägerkörper mit geringer Wärmeleitfähigkeit angeordneten Halbleiterbauelements

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur mindestens eines auf einem Trägerkörper mit geringer Wärmeleitfähigkeit angeordneten Halbleiterbauelements gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1, wie sie aus der EP 0 359 007 A2 bekannt ist.
Da die Funktionsfähigkeit von Halbleiterbauelementen einer Schaltungsan­ ordnung von ihren thermischen Eigenschaften abhängt, muß die für die ak­ tiven (schaltbaren) Komponenten eines Halbleiterbauelements maßgebende Temperatur im Innern des Halbleiterbauelements (die sog. Junktion- Temperatur) zur Gewährleistung der Bauelementeeigenschaften und zum Schutz des Halbleiterbauelements überwacht werden. Oftmals werden die Halbleiterbauelemente zum Abführen der Verlustleistung - insbesondere Leistungs-Halbleiterbauelemente mit einer hohen Verlustleistung - darüber hinaus mittels eines Trägerkörpers auf einem Kühlkörper angeordnet bzw. von einem Kühlmedium umflossen.
Die Überwachung der Junktion-Temperatur ist jedoch mit Schwierigkeiten verbunden, da insbesondere bei gehäusten Halbleiterbauelementen eine Bestimmung der Junktion-Temperatur durch direkte Messung aufgrund der geometrischen Gegebenheiten nicht möglich ist. Temperaturmessungen zur Bestimmung der Junktion-Temperatur werden daher in der Regel durch Messung der Temperatur des Kühlmediums und/oder der Temperatur des Kühlkörpers durchgeführt. Da jedoch zwischen der Junktion-Temperatur und der Umgebungstemperatur eine Temperaturdifferenz auftritt, die u. a. von der Verlustleistung, dem thermischen Widerstand, dem Montageort und der Art der Montage des Halbleiterbauelements abhängt (diese Tempe­ raturdifferenz kann insbesondere bei Leistungs-Halbleiterbauelementen recht groß werden), ist diese (zeitlich verzögerte) Temperaturmessung we­ nig aussagekräftig und weist einen Fehler (eine "Ablage") auf, der von der thermischen Ankopplung des Halbleiterbauelements an das Kühlmedium bzw. den Kühlkörper und den Umgebungsbedingungen abhängt; nachteilig ist dies insbesondere dann, wenn bei der Temperaturmessung die thermi­ sche Ankopplung des Halbleiterbauelements an das Kühlmedium bzw. den Kühlkörper und die Verlustleistung des Halbleiterbauelements nicht berück­ sichtigt wird.
Auch bei der in der gattungsbildenden EP 0 359 007 A2 beschriebenen Vor­ richtung zur Bestimmung der Temperatur einer Vielzahl von IC-Chips (d. h. von ungehäusten Halbleiterbauelementen) wird die (mittlere) Temperatur aller ungehäusten IC-Chips indirekt über die Temperatur des in thermischen Kontakt mit den IC-Chips stehenden Kühlkörpers bestimmt. Hieraus kann die Junktion-Temperatur der IC-Chips berechnet werden, wenn die Temperatur- Differenz zwischen der (gemessenen) Kühlkörper-Temperatur - diese ent­ spricht im Falle des thermischen Gleichgewichts der mittleren Oberflächen- Temperatur aller IC-Chips - und der Junktion-Temperatur durch Berechnung oder Experiment bestimmt wird. Diese indirekte Methode ist jedoch auf­ wendig und fehlerbehaftet und kann bei variierenden Umgebungsbedin­ gungen zu fehlerhaften Resultaten bzw. starken Abweichungen führen.
In der DE 40 20 304 A1 ist eine Anordnung zur Temperaturmessung an ge­ kühlten elektronischen Bauelementen beschrieben, bei der ein Temperatur­ sensor in unmittelbaren Kontakt zum Bauelement gebracht und hierdurch die Oberflächentemperatur des Bauelements bestimmt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, die eine aussagekräftige und direkte Messung der Junktion-Temperatur von gehäusten Halbleiterbauele­ menten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen.
Die Halbleiterbauelemente der Schaltungsanordnung werden auf einen Trä­ gerkörper aus einem Material mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit (bsp. eine Leiterplatte aus Epoxid) aufgebracht (bsp. aufgelötet) und mit ihren elektrischen Anschlußpins mit einer Leitbahnanordnung kontaktiert; das je­ weilige gehäuste Halbleiterbauelement, dessen Junktion-Temperatur be­ stimmt werden soll (im folgenden das zu überwachende Halbleiterbauele­ ment genannt) wird über einen Anschlußpin mittels einer speziell ausge­ formten Verbindungsleiterbahn elektrisch leitend mit einem auf dem Trä­ gerkörper (vorzugsweise auf der gleichen Oberflächenseite wie das zu überwachende Halbleiterbauelement) angeordneten Temperatursensor in gutem Wärmekontakt direkt verbunden. Diese Verbindungsleiterbahn wird so ausgeformt, daß die Verlustleistung (Wärme) des zu überwachenden Halbleiterbauelements durch eine Art "Temperaturfalle" auf den Tempera­ tursensor geführt wird; d. h. durch die speziell geformte Verbindungsleiter­ bahn ist der (geometrisch entfernte) Temperatursensor thermisch gut an den Anschlußpin (Lötanschluß) des zu überwachenden Halbleiterbauele­ ments gekoppelt, ohne daß sich die bei einem zu geringem Abstand zwi­ schen dem zu überwachenden Halbleiterbauelement und dem Temperatur­ sensor ergebenden Montageprobleme auswirken können. Zur Realisierung eines möglichst großen Wärmeübergangs vom zu überwachenden Halblei­ terbauelement zum Temperatursensor ist die Verbindungsleiterbahn ent­ sprechend der Temperaturverteilung der Verlustwärme (den auftretenden Isothermen) ausgebildet.
Der thermisch mit dem zu überwachenden Halbleiterbauelement gekoppel­ te Temperatursensor kann bsp. als PTC-Element (SMD-Kaltleiter) oder NTC- Element realisiert werden, und mit einem beliebigen Anschlußpin (Lötanschluß) des zu überwachenden Halbleiterbauelements verbunden werden, bsp. dem Emitter eines als Leistungstransistor ausgebildeten Halb­ leiterbauelements.
Die Vorteile der vorgestellten Vorrichtung bestehen darin, daß
  • - der Temperatursensor als einfaches, kostengünstiges (Standard-) Bauelement ausgebildet werden kann und bsp. als SMD-Bauelement realisierbar ist,
  • - eine gute thermische Kopplung des Temperatursensors an die Junk­ tion-Temperatur des zu überwachenden Halbleiterbauelements vor­ handen ist verbunden mit dynamisch guten Überwachungseigen­ schaften,
  • - nur ein geringer Meßfehler (eine geringe thermische Ablage) auftritt, da der thermische Widerstand vom Temperatursensor zum zu über­ wachenden Halbleiterbauelement hin (zur Junktion-Temperatur) klein und zur Umgebung hin (zum Trägerkörper) groß ist.
Die Vorrichtung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispiels beschrieben werden. Die Figur zeigt hierbei einen Ausschnitt einer als "Intelligentes Power Modul" (IPM) realisierten Schal­ tungsanordnung.
Die Schaltungsanordnung des IPM ist auf einem schlecht wärmeleitenden, bsp. als (Epoxy-)Leiterplatte ausgebildeten Trägerkörper 1 aufgebracht und weist als aktive Halbleiterbauelemente bsp. als IGBT-Transistoren ausge­ bildete gehäuste Leistungs-Halbleiterbauelemente 4 auf, die auf der Unter­ seite 11 der Leiterplatte 1 bestückt werden und über auf der Oberseite 11 der Leiterplatte 1 angeordnete Leiterbahnen 7 miteinander verbunden sind; die Anschlußpins 5 der IGBT-Transistoren 4 sind bsp. mittels Lötverbindun­ gen mit den Leiterbahnen 7 elektrisch verbunden. Zur Wärmeabfuhr der Verlustleistung der IGBT-Transistoren 4 ist ein bsp. aus Aluminium bestehen­ der, als Kühl-/Montageplatte ausgebildeter Kühlkörper 2 vorgesehen, der über eine (gut wärmeleitende) Isolationsschicht 3 an die Gehäuse der IGBT- Transistoren 4 gekoppelt ist. Bsp. wird durch die IGBT-Transistoren 4 eine vom Kühlkörper 2 abzuführende gesamte Verlustleistung von 20 W erzeugt, wodurch die Junktion-Temperatur der IGBT-Transistoren 4 auf eine um 60 K höhere Temperatur gegenüber der Temperatur des Kühlkörpers 2 ansteigen kann.
Zur Bestimmung der Junktion-Temperatur bei einem IGBT-Transistor 4 (als zu überwachender IGBT-Transistor 4 bezeichnet) ist ein als PTC-Element ausge­ bildeter Temperatursensor 6 vorgesehen, der in unmittelbarer Nähe des zu überwachenden IGBT-Transistors 4 auf der gleichen Oberflächenseite 12 der Leiterplatte 1 (d. h. auf der Unterseite der Leiterplatte 1) angeordnet ist und mit einem Anschlußpin 5 (bsp. dem Emitter-Anschlußpin) des IGBT- Transistors 4 über eine speziell ausgeformte Verbindungsleiterbahn 8 elek­ trisch verbunden ist; die bsp. aus Kupfer bestehende Verbindungsleiterbahn 8 besitzt eine den auftretenden Isothermen der Verlustwärme nachemp­ fundene "tropfenförmige" Gestalt und eine Länge von bsp. 5 mm, wobei der Abstand zwischen dem Anschlußpin 5 des IGBT-Transistors 4 und dem Tem­ peratursensor 6 bsp. 3 mm beträgt.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur mindestens eines auf ei­ nem Trägerkörper (1) mit geringer Wärmeleitfähigkeit angeordneten Halbleiterbauelements einer Schaltungsanordnung, wobei auf dem Trä­ gerkörper (1) beabstandet zum mindestens einen Halbleiterbauelement ein Temperatursensor (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Junktion-Temperatur eines gehäusten Halblei­ terbauelements (4) der Temperatursensor (6) mit einem Anschlußpin (5) des gehäusten Halbleiterbauelements (4) mittels einer Verbindungsleiter­ bahn (8) elektrisch leitend verbunden ist, die den Isothermen der Ver­ lustwärme des gehäusten Halbleiterbauelements (4) nachgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gehäuste Halbleiterbauelement (4) und der Temperatursensor (6) auf der gleichen Oberflächenseite (12) des Trägerkörpers (1) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) als Leiterplatte ausgebildet ist.
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