JP6305519B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

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Description

技術分野
本発明は、非常に安全かつ確実な性能を提供する能力を備えたパワー半導体モジュールに関する。特に、本発明は、自立的に設計されたセンサシステムを含むパワー半導体モジュールに関する。
背景技術
さまざまなパワー半導体モジュールが公知であって、多くのさまざまな電子機器において用いられている。これらのパワー電子モジュールの要件は、適切な信頼性および保全性を提供することである。
パワー半導体モジュールは、たとえば、牽引用途で動作する場合には最大で３０年の寿命を有する可能性がある。したがって、これらの要件に従ったパワーモジュールを認可するために徹底的な品質試験が必要とされる。このため、モジュール動作および故障の物理的特性をよりよく理解するために、品質試験中に複数のパラメータを検出することが有利であるかもしれない。
他方では、動作中のパワーモジュールにおける物理的パラメータの監視は、故障の予兆のために用いられてもよく、このため、さらなる信頼性の診断および予測のために用いることができる。したがって、危機的な状態にあるモジュールが、故障する前に取外されて交換され得る。
ＤＥ１０２０１２２１６７７４Ａ１、ＣＮ２０１７０８６９０Ｕ、ＪＰ２００４０８７８７１ＡおよびＪＰ２００６１０８２５６Ａから、上記モジュールのパラメータを検出するためのセンサをモジュールに設けることが公知である。
さらに、ＵＳ２０１１／０１６８２２３Ａ１、ＪＰ２００３１７９２３０ＡおよびＪＰ２００８０６１３７５から、モジュールにおいて回収される電力のための熱電素子を設けることが公知である。
さらに、「熱電気、振動および高周波電力変換による小規模環境発電（Small-scale energy harvesting through thermoelectric, vibration, and radiofrequency power conversion）」（N. S. Hudak他、応用物理学ジャーナル（Journal of applied Physics）、米国物理学会（American Institute of Physics）、１０３巻、２００８年）において、センサの環境からエネルギを回収するためのエネルギ回収装置が開示されている。
さらに、ＥＰ１４５５３９１Ａ１は、ハウジングと、ハウジング内部に配置されたセンサ素子とを備えた半導体モジュールを開示する。センサ素子は温度センサである。
しかしながら、パワー半導体モジュールの信頼性は、依然として改善される可能性がある。
発明の概要
したがって、本発明の目的は、信頼性、保全性の改善が可能である、および／または容易に製造できる、パワー半導体モジュールを提供することである。
この目的は、請求項１に記載のパワー半導体モジュールによって達成される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項において規定される。
本発明はパワー半導体モジュールに関する。パワー半導体モジュールは、ハウジングと基板とを含む。基板の上に、少なくとも１つの導電路が配置される。上記パワー半導体モジュールはさらに、ハウジング内に配置され、上記導電路上に配置されて上記導電路に電気的に接続される少なくとも１つのパワー半導体デバイスと、上記半導体デバイスに外部から接触するための少なくとも１つの接点とを含む。モジュールはさらに、ハウジング内に配置された自立型センサシステムを含む。センサシステムは、物理的パラメータまたは化学物質を検出するためのセンサと、センサによって提供されるデータをモジュール外部の受信者に無線送信するための送信装置と、必要なすべてのエネルギをセンサシステムに供給するためのエネルギ源とを含む。センサは、電流、電圧磁界、機械的応力および湿度を検出するためのセンサのうち少なくとも１つを含む。
本発明に従うと、パワー半導体モジュールが提供され得る。当該パワー半導体モジュールは、モジュール自体、その一部であり得るモジュール構成、およびこのようなパワー半導体モジュールを備えた電子装置についての信頼性および耐久性の改善を可能にする。
パワー半導体モジュールに関して、後者は基板を含んでいてもよく、基板の上に少なくとも１つの導電路が配置される。パワー半導体モジュールはさらに、上記導電路上に配置されて上記導電路に電気的に接続される少なくとも１つのパワー半導体デバイスを含む。詳細には、基板は、第１の表面と、第１の表面とは反対側に配置された第２の表面とを備えてもよい。基板は少なくとも部分的に電気的に絶縁している。これは、この基板の区域または領域がそれぞれ電気的に絶縁し得るのに対して、さらに他の区域または領域がそれぞれ電気絶縁性ではなく導電性であり、たとえば金属被覆によって形成されるようなものであり得ることを意味している。代替的には、基板は、たとえば、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４またはＡｌ２Ｏ３などの電気絶縁材料から形成されている場合には完全に電気絶縁し得る。
実際には、導電路または導電性構造は、それぞれ、一般的に公知であるように、たとえば金属被覆を設けることによって基板の第１の表面に配置されてもよい。これは、典型的には、導電性構造が基板の表面上に形成されることを意味し得る。この構成は、たとえば、基板が完全に電気的に絶縁しており、このため、基板の絶縁材料の表面上に、たとえば構造化された金属被覆として堆積させることによって導電性構造が形成され得る場合には、有利であり得る。代替的には、基板自体は、部分的には電気絶縁的に、部分的には導電的に形成されてもよい。したがって、導電性区域または位置は、それぞれ、基板の第１の表面、または少なくともその一部、特に導電性構造を形成し得る。
導電路は、本質的には、以下に記載されるように、１つ以上のパワー半導体デバイスを収容するために、基板の第１の表面に設けられてもよい。さらに、上記半導体デバイスに外部から接触するための少なくとも１つの接点が設けられる。
詳細には、基本的に公知のパワー半導体モジュールから分かるように、少なくとも１つのパワー半導体デバイスは上述の導電路上に配置され、これに電気的に接続される。半導体モジュールは、一般には、パワー半導体モジュールまたはパワー半導体構成についての技術において公知であるように設けられてもよい。たとえば、パワー半導体デバイスは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：insulated gate bipolar transistor）、逆導電性絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（逆導電性ＩＧＢＴ：reverse conductive insulated gate bipolar transistor）、両モード絶縁ゲートトランジスタ（ＢＩＧＴ：bi-mode insulated gate transistor）および／またはショットキーダイオードなどのダイオードであってもよい。さらに、パワー半導体モジュールと、これによりパワー半導体構成とを適切に機能させるために、２つ以上の半導体デバイスが存在していてもよい。たとえば、同じパワー半導体モジュールまたは異なるパワー半導体モジュールが複数存在していてもよい。非限定的な例として、ＩＧＢＴおよびダイオードは１つのモジュールに存在してもよい。パワー半導体デバイスは、さらに、適切な導電性を有する接着剤によって、基板またはその上に位置する導電路に接続されてもよい。たとえば、半導体デバイスは、はんだによって、基板またはその導電性構造にそれぞれ固定されてもよい。特に、たとえばＩＧＢＴのエミッタなどの半導体デバイスの第１の主接点は、基板またはその導電性部分に固定され得るのに対して、ＩＧＢＴのコレクタなどの半導体デバイスの第２の主接点は、たとえばボンドワイヤによって、基板のさらに他の位置と、特に導電性構造のさらに他の部分とに接続され得る。
さらに、パワー半導体モジュールは自立型センサシステムを含む。本発明に従った自立型センサシステムは、特に、自律型または自立的な（autarkic）センサシステムを意味し、それ単独で動作し得るものであって、所望の態様で動作するためにセンサシステムとは別個のモジュールの構成要素を必要としない。特に、センサシステムをセンサシステムの一部ではない装置と接続するために、モジュールの他の部分へのワイヤ接続またはプラグ接続などの接続は設けられない。自立型センサシステムは、特に、それぞれの測定のために必要な構成要素をすべて含むシステムである。しかしながら、これらの構成要素は、モジュールの如何なる機能特徴にも電気的に組込まれるものではない。言いかえれば、センサシステムは、特に、モジュールのうち特に回路などの機能構成要素に機能的に組込まれものではない。さらに、センサシステムまたはそのそれぞれの部分は、最大限実現可能な有効性を達成するために組込まれるものではないが、これとは対照的に、モジュールの機能および動作プロセスに悪影響を及ぼさないようにまたは少なくとも本質的に悪影響を及ぼさないように選択された位置にある。
自立型であり、このために完全に独立しているセンサシステムを設けることにより、複数の利点が可能となる。
ワイヤ接続または同様の接続を必要としなくてもよいという１つの利点を見出すことができる。これにより、出力信号、電源などのための外部センサ接点用の複数の端子を省くことが可能となる。したがって、自立型センサシステムを備えたこのようなモジュールの製造が極めて単純化される。これにより、さらに、このようなモジュールを特にコスト削減して製造することが可能となる。さらに、モジュール内部からモジュールの筐体における付加的な貫通穴を通ってその外側に延び得る付加的な導電体が省かれる可能性があるため、モジュールの信頼性を向上させることがさらに可能となる。これは、外気がモジュールに入ってくる可能性のある位置が増えるのが防止されることに起因している。結果として、さらなる封止手段が省かれ得ることにより、さらに、本発明に従ったモジュールを特にコスト削減して製造することが可能となる。
上記とは別に、センサシステムが独立してまたは自立的に形成されることにより、これが、要求に応じて公知のモジュールに容易に導入され得る。というのも、モジュールのいくつかの部分の主要な再構築手段またはモジュールのいくつかの部分の交換が必要とされないからである。したがって、本発明は、概して、新しいモジュールを製造する際に、さらには、既存のモジュールを適合させることによって、実行され得る。こうして、センサシステムは、モジュールの機能動作に本質的に影響を及ぼすことなく、組込まれ得る。
さらに、モジュール、たとえばいわゆるインテリジェントパワーモジュール、の制御回路にセンサシステムを組込むことは不要であり所望されない。これにより、さらに、このような制御回路をより複雑にすることなく、これとは対照的に、公知の制御回路を用いてこのようなモジュールの構造をさらに単純化することが可能となる。
上記事項を達成するために、自律型センサシステムは、物理的パラメータもしくは化学物質、またはそれぞれのパラメータの変化を検出するためのセンサを含む。「センサ」という表現が、異なるセンサまたは類似のセンサもしくは同じセンサなどの２つ以上のセンサを含み得ることが当業者には明らかである。実際には、センサの数は特定の用途に適応した適切なものにされ得る。センサは、センサシステムの中心と見なされてもよい。というのも、その目的が、所望のパラメータ、たとえば、特に、物理パラメータ、化学物質、任意には質的および／または定量的に決定されるパラメータのうちの１つ以上を決定することであるからである。センサは、概して、当該技術において公知である如何なるセンサであってもよい。特に、抵抗率または導電性測定などをベースにしたような小型センサ、いわゆる抵抗センサ、容量性センサ、ポテンショメータセンサまたは焦電センサが好ましいかもしれない。
加えて、モジュールまたはセンサシステムは、それぞれ、センサによって提供されるデータをモジュール外部の受信者に無線送信するための送信装置を含む。たとえば、ブルートゥース（登録商標）、Ｗ−Ｌａｎなどをベースにしている送信ユニットが設けられてもよい。この無線送信装置は、特にセンサに接続され、上記センサによって提供されるデータを、モジュール外部に位置する受信装置または受信者に送信し得る。
上記に加えて、センサシステムは、必要なすべてのエネルギをセンサシステムに供給するためのエネルギ源を含む。言いかえれば、センサシステムは、環境発電のための装置、またはセンサ動作のために必要な電力を発生させるための装置を含む。たとえば、エネルギ源は、エネルギをセンサまたは特に送信ユニットに供給し得る。したがって、センサシステムの性能に必要な電気エネルギは、上記エネルギ源によって単独で供給され得る。エネルギ源は、この要件および用途に従って配置されてもよい。実際には、必要なエネルギ量を送達するように適合された各々のエネルギ源が用いられてもよい。しかしながら、好ましいエネルギ源としては、もとの場所で電気エネルギを生成し得るもの、または、接点なしで充電され得るバッテリもしくはコンデンサなどのエネルギ貯蔵装置が挙げられる。
上述のセンサシステムにより、いつでも、モジュール自体の状態からは独立して、モジュールを監視することが可能となる。言いかえれば、センサシステムは、モジュール自体が機能している場合または機能していない場合でも、モジュールを監視し得る。これにより、概して、いくつかの実施形態においては、常に監視を行うことが可能となる。物理的パラメータおよび／または化学物質に関するモジュールのこのような監視は、たとえば、故障の前兆として機能し得るものであって、さらに、モジュールが故障しているかまたは適切に機能しなかった場合に干渉することを可能にし得る。これにより、モジュールのセキュリティ動作が著しく向上され、モジュールの信頼性および耐久性もさらに向上され得る。したがって、モジュールを含むモジュール構成と、これを備えた電気装置とについての耐久性および信頼性も向上され得る。
さらに、モジュールを認可するためのモジュールのテスト手順が特に改善される。
上述の説明は、センサシステムが完全に自律型であり、このため、モジュール外部にある装置に至るワイヤまたはプラグを含む如何なる電気接続をも必要としないことを明確に示している。さらに、適切に機能させるためにモジュールの回路にセンサシステムを組込む必要はない。したがって、本発明に従ったパワー半導体モジュールは、モジュール自体、このようなモジュールを含むモジュール構成、およびこのようなパワー半導体モジュールを備えた電子装置についての信頼性および耐久性の改善を可能にする。これにより、これまでに採用されてこなかったいくつかの方策を組み合わせることによって、パワー半導体モジュールに完全に自律型のセンサシステムを備えること、および上述の利点を提供する発明の効果を実現することが発明者の利点となる。
実施形態に従うと、少なくとも１つのセンサ、たとえば、存在する複数のセンサ、好ましくは設けられたすべてのセンサは、電気接点なしで測定を行えるように設計されている。この実施形態に従うと、少なくとも１つのセンサは、それぞれの測定手順中であっても、センサシステムとは別にモジュールの通電部分への電気接点が設けられないように、設計されている。この実施形態により、たとえば、モジュールの作業動作に影響を及ぼすことなく、それぞれのセンサがそれぞれの物理的パラメータまたは化学物質を検出することが可能となる。これに従うと、モジュールは、たとえば、効率または精度に関して悪影響を受けることなく所望の態様で機能し得る。
さらなる実施形態に従うと、センサシステムには、センサシステムとは別に、モジュールの通電部分と、これにより特にモジュールの構成要素の通電部分とに至る電気接点が設けられていない。また、これは特に、モジュールのそれぞれの部分が、センサの測定中に如何なる電流も通さないか、または特に電流を全く通さないことを意味している。この実施形態に従うと、これらの測定動作に関連するそれぞれのセンサだけではなく、センサシステム全体が、モジュール自体またはその通電部分に電気的に接続されなくても、十分に機能する。しかしながら、純粋な機械式接点が設けられてもよい。したがって、センサシステムはパワー電子モジュールの標準的部品とはならず、このため、パワーモジュールの如何なる電気回路にも組込まれないことが特に明らかになる。これにより、特に、任意には要求に応じてパワーモジュール内にセンサシステムの部品を装着することが可能となり、こうして、モジュール自体のいずれの構成要素をも変更することなくセンサシステムの構成要素を適合させることが可能となる。言いかえれば、さらに他のセンサが既存のシステムに組込まれるべきである場合、さらには電源を適合させなければならない場合であっても、センサシステムとは別個のモジュールのいずれの回路にも影響の及ばないことが求められている。これとは対照的に、モジュール自体は、大規模な適合を必要とすることなく動作し続け得る。
このため、この実施形態により、センサシステムまたはセンサシステムのそれぞれの部品を、モジュール認可の際に、またはモジュール動作の監視のために、要求に応じてモジュール方式で装着することが可能となる。したがって、これにより、モジュール部品としてのパワーモジュールにセンサシステムを組込んで、任意の特徴をモジュール用途で提供することが可能となる。
本発明に従うと、センサは、温度、電流、電圧磁界、機械的応力および湿度を検出するためのセンサのうち少なくとも１つを含む。上述のパラメータを考慮すると、それぞれのパラメータの変化を検出するセンサ、たとえば、温度変化を検出するためのセンサ、たとえば焦電センサなども含まれる。特に、上述の物理的パラメータまたは物質は、モジュールを認可するために、またはモジュールの性能を監視するために、考慮に入れることが重要であるかもしれない。これにより、センサは、検出すべきそれぞれのパラメータについて、監視されるべき対応する部分などに最も関連する位置にあるモジュールのハウジング内に配置されてもよく、厳密には互いに近接して装着されなくてもよい。例示的かつ非限定的な例として、磁界を検出するためのセンサ、たとえばいわゆるホール効果センサなどが、電源端子などの通電線に隣接して配置されてもよい。この位置は、電気接点なしで測定を行う場合に、たとえば電流クランプであり得る電流センサに適している可能性がある。湿度または化学物質のためのセンサは、基板表面上に、ハウジングに隣接して、またはシリコンゲルなどの絶縁ゲル内部に配置されてもよく、任意には、一般に当業者に公知のようなモジュールから提供され得る。焦電センサなどの温度変化センサは、たとえば、センサ内、基板表面上または底板上に埋込むことによって、温度がクリティカルディメンションとなるすべての箇所、たとえばチップ表面上、半田材料上、または半田材料内などの箇所に配置されてもよい。機械的応力のためのセンサは、半田材料に埋め込まれてもよく、または、機械的な衝撃に晒されるカプセル部分または他のモジュール部分上に位置決めされてもよい。
上述のセンサのうち１つ以上を設ける場合、セキュリティ作用および信頼性作用がともに特別に改善され得る。
さらなる実施形態に従うと、電源は、熱電デバイス、圧電デバイス、焦電デバイスおよび高周波起動デバイスのうち少なくとも１つを含む。上述の電源は、特にモジュールの通電部分への電気接点を備えない自律型センサシステムには特に有効であり得る。このことに関して、いつでも、したがって永久的にエネルギを生成するエネルギ源、または、必要とされる場合のみ、したがって要求に応じて電力を生成することのできるエネルギ源が提供され得る。
熱電素子またはデバイスに関して、後者の場合、熱電素子によって電気エネルギを生成するのに十分に適した温度勾配がパワー電子モジュールに現われる点を利用する。これにより、熱電素子は、概して、温度差が起こり得るかまたは温度差が使用され得るいずれかの位置に配置され得る。例示的な位置としては、非限定的な態様では、パワー半導体デバイスまたはチップおよび基板付近における位置、基板および底板付近における位置、ならびに、パワー半導体デバイスとヒートパイプとの間における位置、を含み得る。実現可能な位置としては、好ましくは、モジュールの主な熱経路には組込まれない位置が含まれる。主な熱経路における位置では、一方では、最大温度差があるせいで、発電時に最適な性能が促進される。しかしながら、センサシステムに好適な量のエネルギを供給するために、主として温度差は小さくても十分であるかもしれない。したがって、モジュールの主な熱経路外にある位置が適切となり、これにより、熱電気用途に用いられる材料の大半が有する熱伝導性が低いためにパワーモジュールの熱的性能の低下が回避されるというさらなる利点を得ることが可能となる。さらに、電源と、これによりセンサシステムとがパワーモジュールの直通部分になることが回避され得る。これにより、主な熱経路は、半導体デバイスまたは基板と底板との間に直接配置される。上記経路の傍の位置は、例示的には、熱電素子が半導体素子の表面上に配置されているが底板とは逆の方向に向けられており、このため、誘電性ゲルに向けられ、たとえば少なくとも部分的に誘電性ゲル内部に位置するようなものであってもよい。
さらに、熱電デバイスは、温度ブリッジに結合されてもよく、これにより、熱電素子を特に自由に位置決めすることが可能となる。たとえば、熱電素子は、接点上、たとえば高温側としてパワー半導体デバイスのエミッタ接点上などに位置してもよい。低温側は、シリコンゲルまたは温度ブリッジから形成されてもよく、これは、底板または他のいずれかの同等の低温部分に接続されてもよく、たとえば、金属接続として形成されてもよい。
圧電デバイスに関して、後者は、振動によってエネルギを発生させ得る。したがって、この実施形態は、振動が起こる可能性のある自動車用途に関して、たとえば牽引用途のために、特に有利であり得る。要求に応じて振動をもたらすのが困難になるおそれがある環境下にあるために、エネルギ源は、特にこの実施形態に従うと、但し一般的には、センサシステムの一部であり得るエネルギ貯蔵手段を含むかまたは当該エネルギ貯蔵手段に接続され得る。
これにより、上記に規定されたエネルギ源は、モジュールに対して自律型であるだけではなく、モジュールの外部にあるさらなる構成要素をいずれも適切に機能させる必要がない点で、有利である。
さらに他の実施形態に従うと、高周波起動装置が提供される。特に、この実施形態は、たとえば、データがセンサから提供されてトランスミッタによって送信される場合に、要求に応じてエネルギを生成するのに特に適している。これは、特にトランスミッタおよび／またはセンサが適切に機能するためにエネルギを必要とする可能性があり、これにより、さらには、センサおよびトランスミッタが必要とされずにオフモードである場合にエネルギを生成しないようにすることができるという点で、有利であり得る。この実施形態に従った発電装置は、たとえば、ハウジング上などにおけるカプセル部分の付近、たとえば、カプセル部分に隣接して、またはカプセル部分の上などに装着されてもよい。このため、この実施形態に従うと、電波源は、モジュール付近に配置されてもよく、たとえば、モジュール構成の一部またはそれに装着された電子装置であってもよい。
上述のように、特に、電気エネルギを生成するために外側から高周波を受取る装置は、特に、データを読取る要求があった場合に使用される可能性がある。したがって、エネルギは、永久的にではなく、必要とされる場合にのみ生成され得る。
さらに他の実施形態に従うと、センサシステムはさらに、データ要求を受信するための受信ユニットを含む。受信ユニットは、センサおよび送信ユニットのうち少なくとも１つに接続される。この実施形態に従うと、受信ユニットは、モジュール外部に位置するトランスミッタによって、たとえばモジュール構成の制御ユニットの一部などによって送信されたデータ要求を受信し得る。このため、受信ユニットは、センサによって提供されるデータを送信するために、センサシステムのセンサおよび／または送信ユニットを起動させ得る。これにより、モジュール外部にあるトランスミッタは、制御ユニットの一部に接続されてもよくまたは制御ユニットの一部であってもよく、それぞれのデータが必要とされる場合にはデータ要求を送信してもよい。結果として、データは、受信ユニットによって受信されてトランスミッタに制御操作を与え得るデータ要求に応じて供給されるに過ぎない。このため、この実施形態に従うと、データを永久的に送信する必要はない。したがって、この実施形態により、モジュールの特別な省エネルギ性能が可能となり、これにより、エネルギ源の寸法を小さくし、その要件を低減させ得る。
上述のパワー半導体モジュールのさらなる技術的特徴および利点に関して、モジュール構成、電気装置の説明およびそれらの図面を参照する。
本発明はさらに、上述のパワー半導体モジュールのうち少なくとも１つを含むモジュール構成に関する。
本発明に従うと、パワーモジュール構成がパワー半導体モジュールを１つだけ含むこと、または、２つ以上のパワー半導体モジュールを含み得ることが規定され得る。非限定的な例においては、モジュール構成は２つ以上のモジュールを含んでもよく、たとえば、非限定的な実施形態においては、２個〜６個のパワー半導体モジュールがパワー半導体モジュール構成において設けられてもよい。さらに、上述の特徴の１つ以上が、このパワー半導体モジュールのうちの１つまたは規定された数のパワー半導体モジュールのために設けられてもよい。この場合、上述の特性を有さないかまたは異なる態様で配置されているさらに他の半導体モジュールが存在してもよく、本発明の範囲を逸脱することなくパワー半導体構成に含まれ得る。
これにより提供され得るモジュール構成によれば、モジュール構成自体と、さらにはこのようなモジュール構成を備えた電子装置とについての信頼性および耐久性の改善が可能となる。
実施形態に従うと、当該構成は、少なくとも１つのセンサによって提供されるデータに基づいて少なくとも１つのパワー半導体モジュールを制御するように適合された制御ユニットを含む。この実施形態に従うと、制御ユニットは、任意には、１つ以上のセンサのデータを含むデータ信号を生成するための制御指令を送信するために、たとえばトランスミッタによってセンサまたは送信ユニットを制御してもよい。さらに、制御ユニットは１つ以上のセンサのクリティカルデータに応答し、特に、センサが参照する提供された１つ以上のモジュールを制御してもよい。たとえば、制御ユニットは、セキュリティまたはモジュール破損に関して危機的である可能性のある状態に対処するための手順を開始してもよい。一例として、適切に機能しないモジュールが切換えられてもよく、または、その容積中に湿度が存在する場合には、警告信号が送られてもよい。たとえば、故障を防ぐためにモジュールの交換を引き続き行う必要があると指示されるかもしれない。制御ユニットは、さらに、センサシステムによって提供されるデータに関してそれぞれのモジュールの性能を適合させてもよい。一例として、高温になった場合、このような危機的な状況に対処するために性能が制限される可能性がある。
上述のモジュール構成のさらなる技術的特徴および利点に関して、パワー半導体モジュールおよび電気装置の説明ならびにそれらの図を参照する。
本発明は、さらに、上述のようなモジュールまたはモジュール構成を含む電気装置を参照する。このような電気装置は、著しく改善された機能動作と、さらには著しく改善された信頼性といった特別な利点を有する。
このような電子装置についての例は、一般に、パワーエレクトロニクス機器の分野におけるすべての応用例を含む。非限定的な例は、たとえば、牽引用途に関する、かつ発電所におけるインバータ、コンバータなどを含む。これにより、パワーエレクトロニクス機器は、特に、例示的および典型的には、約７４Ａよりも高い電流および約１００Ｖよりも高い電圧で機能する応用例を指している。上述の値は例示的な値に過ぎない。
上述の電気装置のさらに他の技術的特徴および利点に関して、パワーモジュールおよびモジュール構成の説明ならびにそれらの図を参照する。
図面の簡単な説明
発明の主題についての付加的な特徴、特質および利点は、サブクレーム、図、ならびにそれぞれの図および例についての以下の説明において開示される。以下の説明においては、本発明に従った半導体モジュールの一実施形態および例を例示的に示す。
本発明に従ったモジュールの実施形態を示す側断面図である。
実施形態の説明
図１には、パワーモジュール１０の構成が概略的に示される。上記パワーモジュール１０の内部構造を詳細に説明する。パワーモジュール１０は、少なくとも１つのパワー半導体デバイス１４が配置されているプラスチックケースなどのハウジング１２を含む。半導体デバイス１４は、例示的な態様では、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ダイオード、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などであってもよい。図１に従うと、ダイオードおよびＩＧＢＴが設けられている。半導体デバイス１４または複数の半導体デバイス１４は、たとえばバスバーへの接続としての端子１６などの接点を介して、好ましくはゲート端子１８を介して、接続可能である。この場合、半導体デバイス１４は、好ましくはアルミニウム接着ワイヤ２０によって接着される。
半導体デバイス１４は、さらに基板２４上に配置されてもよい。基板２４は、非限定的な例においては、窒化アルミニウムセラミック絶縁体として形成されてもよく、または、酸化アルミニウムもしくは窒化ケイ素から形成されてもよい。半導体デバイス１４はさらに、金属被覆などの導電路１５およびはんだ１７によって基板に接続される。端子１６ならびに補助端子またはゲート端子１８は、それぞれ、金属被覆２６、特に銅金属被覆およびはんだ２８またはロットによって、基板２４に接続される。しかしながら、超音波溶接などの同様の接続が適用されてもよい。加えて、基板２４は、その底部側において、さらなる金属被覆３０、特に銅金属被覆、に接続される。ハウジング１２内部の残りの体積が、たとえば、シリコンゲルなどの絶縁ゲル３２で充填され、エポキシ２２の層などのさらなる絶縁体がハウジング１２に配置されてもよく、または、ハウジング１２の一部をなしてもよい。
動作中、パワーモジュール１０は、導電体における抵抗により、熱エネルギまたは熱をそれぞれ生成する。結果として、生成された熱は、パワーモジュール１０の内部からその外部に放散されなければならない。この目的のために、パワーモジュール１０は底板３４を含む。底板３４は、その上側が金属被覆３０およびはんだ３１を介して半導体デバイス１４と熱接触しており、さらに、冷却フィンまたはヒートシンク３６に熱的に接続される。
モジュール１０はさらに自立型センサシステムを含む。当該センサシステムは、特に物理的パラメータまたは化学物質を検出するためのセンサと、センサによって提供されるデータをモジュール外部の受信者に無線送信するための送信装置と、センサシステムにエネルギを供給するためのエネルギ源とを含む。少なくとも１つのセンサは、電気接点なしで測定を行えるように設計されてもよい。さらに、センサシステムには、モジュール１０の通電部分への電気接点がなくてもよい。センサは、好ましくは、温度、電流、電圧磁界、機械的応力および湿度を検出するためのセンサのうち少なくとも１つを含む。図１に従うと、温度センサ３８は、チップまたは半導体デバイス１４上の表面に設けられてもよく、湿度センサ４０はシリコンゲル３２に設けられる。さらに、電圧磁界センサ４２は端子１６の付近に設けられてもよく、たとえば、パワー半導体デバイス１４の表面上に位置する熱電素子４４によって電力供給されてもよい。代替的な電力源は、焦電デバイス、圧電デバイスおよび高周波起動デバイスのうちの１つを含み得る。
しかしながら、パワー半導体モジュール１０において熱が生成されるせいで、モジュール１０内での発電のためには、ゼーベック効果に基づく熱電デバイスが有用な選択肢となる。熱電デバイス４４の第１の側は高温側に配置されなければならず、または、熱電素子４４の少なくとも同等に温暖な側および第２の側は、低温側、または少なくとも同等に低温の側に配置される。自律型センサシステムにおいては、装置は、高温側が高温な場所などのさまざまな位置、たとえばパワー半導体デバイス１４の表面上もしくは基板表面上、にくるように配置され得るか、または、同等に低温の部分が、絶縁ゲル３２内部などのより低温の位置に配置され得るかまたは熱的に接続され得る。
上述とは別に、センサシステムはさらに、データ要求を受信するための受信ユニットを含んでもよく、受信ユニットは、センサおよび送信ユニットのうち少なくとも１つに接続される。
これにより、センサによって提供されるデータに基づいたデータ送信は、永続的に信号を送信することによって能動的に行われてもよく、または、データの読取りが要求された場合に外部の受信者から促されてもよい。
こうして、上述のようなモジュール１０は、パワー半導体モジュールの認可および動作を監視するためにセンサを組込むための、融通性があり低コストの解決策の実現を可能にする。対応するセンサは、任意には、モジュールの製造中またはその後に装着または挿入される。パワーモジュール設計の大規模な変更は不要である。
本発明を図面および上述の説明において詳細に図示および記載してきたが、このような図示および記載は、説明的または例示的なものと解釈されるべきであって、限定的なものと解釈されるべきではない。本発明は開示された実施形態には限定されない。開示された実施形態の他の変更例は、添付の図面、開示および添付の特許請求の範囲を検討することによって、クレームされた発明を実施する際に当業者によって理解および実施され得る。請求項においては、「含む」という語は、他の要素またはステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数であることを除外するものではない。いくつかの方策が相互に異なる従属請求項において列挙されているが、これは単に、これらの方策の組合せを有利に用いることができないことを意味するものではない。請求項におけるいずれの参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきでない。
１０ パワー半導体モジュール、１２ ハウジング、１４ パワー半導体デバイス、１５ 導電路、１６ 端子、１７ はんだ、１８ ゲート端子、２０ アルミニウム接着ワイヤ、２２ エポキシ、２４ 基板、２６ 金属被覆、２８ はんだ、３０ 金属被覆、３１ はんだ、３２ 絶縁ゲル、３４ 底板、３６ ヒートシンク、３８ 温度センサ、４０ 湿度センサ、４２ 電圧磁界センサ、４４ 熱電素子。

Claims (10)

  1. パワー半導体モジュールであって、ハウジング（１２）と、前記ハウジング（１２）内部に配置された基板（２４）とを含み、前記基板（２４）の上に、少なくとも１つの導電路（１５）が配置され、前記パワー半導体モジュールはさらに、少なくとも１つのパワー半導体デバイス（１４）を含み、前記少なくとも１つのパワー半導体デバイス（１４）は、ハウジング（１２）の内部に配置され、前記導電路（１５）上に配置されて電気的に接続され、前記パワー半導体モジュールはさらに、前記半導体デバイス（１４）に外部から接触するための少なくとも１つの接点を含み、前記モジュール（１０）はさらに、ハウジング（１２）の内部に配置された自立型センサシステムを含み、前記センサシステムは、物理的パラメータおよび／または化学物質を検出するためのセンサと、センサによって提供されるデータをモジュール外部の受信者に無線送信するための送信装置と、必要なすべてのエネルギをセンサシステムに供給するためのエネルギ源とを含み、
    センサは、電流を検出するための少なくとも１つのセンサ、電圧磁界を検出するための少なくとも１つのセンサ、機械的応力を検出するための少なくとも１つのセンサ、および湿度を検出するための少なくとも１つのセンサを含む、パワー半導体モジュール。
  2. 少なくとも１つのセンサは電気接点なしで測定するように設計される、請求項１に記載のモジュール。
  3. センサシステムには、モジュール（１０）の通電部分への電気接点がない、請求項１に記載のモジュール。
  4. センサはさらに、温度を検出するための少なくとも１つのセンサを含む、請求項１から３のいずれかに記載のモジュール。
  5. モジュールは電源を含み、電源は、熱電デバイス（４４）、圧電デバイス、焦電デバイスおよび高周波起動デバイスのうち少なくとも１つを含む、請求項１から４のいずれかに記載のモジュール。
  6. 熱電デバイス（４４）は、モジュール（１０）の主温度経路の傍らに配置される、請求項５に記載のモジュール。
  7. センサシステムはさらに、データ要求を受信するための受信ユニットを含み、前記受信ユニットは、センサおよび送信ユニットのうち少なくとも１つに接続される、請求項１から６のいずれかに記載のモジュール。
  8. 請求項１から７のいずれかに記載の少なくとも１つのパワー半導体モジュール（１０）を含む、モジュール構成。
  9. 前記構成は、少なくとも１つのセンサによって提供されるデータに基づいて少なくとも１つのパワー半導体モジュール（１０）を制御するように適合された制御ユニットを含む、請求項８に記載のモジュール構成。
  10. 請求項１から９のいずれかに記載のモジュール（１０）またはモジュール構成を含む電気装置。
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