WO2012076407A1 - Elektronikbauteil mit shunt zur strommessung - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a device with a semiconductor device, in particular a MOSFET, with an improved current measurement by means of a shunt.
  • phase currents of the electrical machine In today's applications of electronic components, for example in brushless, three-phase machines, it is necessary to know the phase currents of the electrical machine in order to achieve an accurate control. This is a current measurement by means of a shunt in each phase as a three-shunt current measurement or by means of a single shunt in one
  • a single-shunt current measurement reduces costs and installation space, but has disadvantages with regard to a rib current load and a noise excitation on the electric machine. Therefore, in some applications, three-shunt current measurements need to be performed, which, however, approximately triple the cost of the device.
  • connection element is designed bridge-like with a first and second base region and a connecting region connecting the two base regions.
  • the shunt is arranged in the connection area. In this case, no extension of the connection element in comparison to the previously used connection elements must be done.
  • the shunt is merely integrated into the connection area.
  • the entire connection region is designed as a shunt.
  • the device comprises a first detection terminal adjacent to the first base portion of the attachment member and a second detection terminal adjacent to the second base portion of the attachment member.
  • the detection terminals are fixed to the first and second base regions by means of a bond connection (bonding pads).
  • the base regions and the detection connections are fixed by means of a common bond connection.
  • Detection terminals are realized on the base areas without bond connection.
  • the semiconductor device is a MOSFET.
  • the connection element is a source connection.
  • Device power electronics for a brushless, three-phase electric machine which has an inventive connecting element with integrated shunt for each phase.
  • the first and second base regions are particularly preferably made of copper, and the connection region formed as a shunt comprises manganin and / or ceranin.
  • the present invention is particularly associated with
  • the invention can be used in all products with a field-oriented control, in which a current measurement of the phases is required, in particular power applications are preferred.
  • Figure 2 is a schematic, perspective view of a
  • the inventive device is a
  • the power electronics 1 comprises three semiconductor components, which are designed as MOSFETs 2.
  • the MOSFETs 2 have a contact surface on an upper side, which are each connected via connecting elements 3 to a common source terminal 4.
  • connection elements 3 can be seen in detail from FIG. As can be seen from Figure 2, the connecting elements 3 a
  • connection region is designed as a shunt 33, wherein the shunt 33 extends over the entire width of the connection region.
  • a shunt 33 is integrated into the connection element 3.
  • Cooling requirements of the device are possible. Furthermore, in comparison with conventional structures with separate shunts and copper connection elements, the total ohmic losses are lower, since a better current distribution is possible and a symmetry on the MOSFET can be achieved.
  • a first shunt detection terminal 5 (series connection) is connected to the first by means of a first bonding contact 7
  • connection element 3 Base portion 31 of the connection element 3 connected.
  • a bonding pad 9 is provided between the bonding wire 7 and the first base region 31.
  • a second shunt detection terminal 6 is a second one
  • the bonding is made near the shunt 33
  • Bonding wires 7, 8 are also connected via bonds 11, 12 with the
  • Detection terminals 5, 6 connected.
  • expensive space requirements in the power electronics 1 can be saved.
  • material costs and installation time can be saved because the shunt 33 is integrated into the connection element 3.
  • an electricity measurement by the integrated shunts 33 can be made possible without additional space requirement. This is the
  • the bonding wires 7, 8 are particularly preferably simultaneously bonded to the base regions 31, 32 of the connection elements. As a result, no additional step for attaching the shunt 33 is necessary.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, umfassend ein Halbleiterbauteil (2) und ein Anbindungselement (3) zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontaktes für das Halbleiterbauteil (2), wobei ein Shunt zur Strommessung (33) in das Anbindungselement (3) integriert ist.

Description

Beschreibung Titel
ELEKTRONIKBAUTEIL MIT SHUNT ZUR STROMMESSUNG
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Halbleiterbauteil, insbesondere einem MOSFET, mit einer verbesserten Strommessung mittels eines Shunts.
Bei heutigen Anwendungen von Elektronikbauteilen, beispielsweise bei bürstenlosen, dreiphasigen Maschinen, ist es notwendig, die Phasenströme der elektrischen Maschine zu kennen, um eine genaue Ansteuerung zu erreichen. Hierbei wird eine Strommessung mittels eines Shunts in jeder Phase als Drei- Shunt-Strom-Messung oder mittels eines einzigen Shunts in einem
gemeinsamen Massezweig aller Phasen als sogenannte Ein-Shunt-Strom- Messung durchgeführt. Eine Ein-Shunt-Strom-Messung reduziert dabei Kosten und Bauraum, birgt jedoch Nachteile in Bezug auf eine Rippeistrombelastung und einer Geräuschanregung auf die elektrische Maschine. Daher müssen bei bestimmten Anwendungen Drei-Shunt-Strom-Messungen durchgeführt werden, welche jedoch die Kosten des Bauteils ungefähr verdreifachen.
Aus der US 2004/0155645 A1 ist ein Elektronikbauteil bekannt, bei der ein Shunt auf einem Substrat angeordnet ist. Der Shunt ist dabei mit Anschlüssen eines MOSFETs verbunden, wodurch sich ein zusätzlicher Raumbedarf auf dem Substrat ergibt.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Halbleiterbauteil mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine sehr kostengünstige Shunt-Strom-Messung durchgeführt werden kann. Hierbei muss für den Shunt kein teurer Raum auf einer Leiterplatte vorgehalten werden und der Shunt kann erfindungsgemäß sehr gut entwärmt werden. Darüber hinaus können mittels der Erfindung Stoffkosten sowie insbesondere eine Montagezeit signifikant reduziert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Shunt in ein Anbindungselement des Halbleiterbauteils integriert ist. Somit übernimmt das Anbindungselement neben der Anbindungsfunktion auch noch zusätzlich die Strom-Mess-Funktion durch Integration des Shunts. Dadurch können zusätzliche Verbindungen für eine Shunt-Messung entfallen und ferner wird auch eine parasitäre Induktivität in einem DC-Zweig des Halbleiterbauteils reduziert. Dies führt zu dem weiteren Vorteil eines schnelleren Schaltens des Halbleiterbauteils. Darüber hinaus kann erfindungsgemäß eine signifikant genauere Strommessung erreicht werden. Gleichzeitig wird durch den reduzierten Widerstand ein Wirkungsgrad erhöht.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Besonders bevorzugt ist das Anbindungselement brückenartig mit einem ersten und zweiten Basisbereich sowie einem die beiden Basisbereiche verbindenden Verbindungsbereich ausgebildet. Der Shunt ist dabei im Verbindungsbereich angeordnet. Hierbei muss keine Verlängerung des Anbindungselements im Vergleich zu den bisher verwendeten Anbindungselementen erfolgen. Der Shunt wird lediglich in den Verbindungsbereich integriert. Besonders bevorzugt ist der gesamte Verbindungsbereich als Shunt ausgebildet.
Weiter bevorzugt umfasst die Vorrichtung einen ersten Erfassungsanschluss benachbart zum ersten Basisbereich des Anbindungselements und einen zweiten Erfassungsanschluss benachbart zum zweiten Basisbereich des Anbindungselements. Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau realisiert werden. Besonders bevorzugt sind die Erfassungsanschlüsse am ersten und zweiten Basisbereich mittels einer Bondverbindung (Bondpads) fixiert.
Besonders bevorzugt werden dabei in einem Schritt die Basisbereiche und die Erfassungsanschlüsse mittels einer gemeinsamen Bondverbindung fixiert. Gemäß einer bevorzugten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind der erste und/oder der zweite Erfassungsanschluss in den Basisbereich des
Anbindungselements integriert. Hierdurch kann eine Anordnung der
Erfassungsanschlüsse an den Basisbereichen ohne Bondverbindung realisiert werden.
Weiter bevorzugt ist das Halbleiterbauteil ein MOSFET. Besonders bevorzugt ist das Anbindungselement eine Source-Anbindung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die
Vorrichtung eine Leistungselektronik für eine bürstenlose, dreiphasige elektrische Maschine, welche für jede Phase ein erfindungsgemäßes Anbindungselement mit integriertem Shunt aufweist.
Besonders bevorzugt sind der erste und zweite Basisbereich aus Kupfer und der als Shunt ausgebildete Verbindungsbereich umfasst Manganin und/oder Ceranin.
Die vorliegende Erfindung wird insbesondere in Verbindung mit
Lenkungsanwendungen bei Verwendung von bürstenlosen, dreiphasigen elektrischen Maschinen verwendet. Grundsätzlich kann die vorliegende
Erfindung jedoch bei allen Produkten mit einer feldorientierten Regelung, bei der eine Strommessung der Phasen erforderlich ist, verwendet werden, wobei insbesondere Leistungsanwendungen bevorzugt sind.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist: eine schematische Draufsicht einer Leistungselektronik gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Figur 2 eine schematische, perspektivische Ansicht eines
erfindungsgemäßen Anbindungselements mit integriertem Shunt. Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 eine
erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung beschrieben. In diesem
Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine
Leistungselektronik 1. Die Leistungselektronik 1 umfasst drei Halbleiterbauteile, welche als MOSFETs 2 ausgebildet sind. Die MOSFETs 2 weisen an einer Oberseite eine Kontaktfläche auf, welche jeweils über Anbindungselemente 3 mit einem gemeinsamen Source-Anschluss 4 verbunden sind.
Die Anbindungselemente 3 sind im Detail aus Figur 2 ersichtlich. Wie aus Figur 2 entnommen werden kann, weisen die Anbindungselemente 3 einen
brückenartigen Aufbau mit einem ersten Basisbereich 31 , einem zweiten
Basisbereich 32 und einem Verbindungsbereich auf. Der Verbindungsbereich ist dabei als Shunt 33 ausgebildet, wobei der Shunt 33 über die gesamte Breite des Verbindungsbereichs verläuft. Somit ist erfindungsgemäß ein Shunt 33 in das Anbindungselement 3 integriert. Hierdurch kann erfindungsgemäß eine
Direktkontaktierung des Shunts mit dem MOSFET 2 erfolgen, wodurch eine Anzahl von Kontaktstellen reduziert werden kann. Durch die direkte Anbindung kann der Shunt 33 besser entwärmt werden, wodurch reduzierte
Kühlanforderungen der Vorrichtung möglich sind. Ferner sind im Vergleich mit herkömmlichen Aufbauten mit separaten Shunts und Kupfer- Anbindungselementen die ohmschen Gesamtverluste geringer, da eine bessere Stromverteilung möglich ist und eine Symmetrie auf dem MOSFET erreichbar ist.
Wie weiter aus Figur 2 ersichtlich ist, ist ein erster Shunt-Erfassungsanschluss 5 (Serienanschluss) mittels eines ersten Bondkontakts 7 mit dem ersten
Basisbereich 31 des Anbindungselements 3 verbunden. Hierbei ist zwischen dem Bonddraht 7 und dem ersten Basisbereich 31 ein Bondpad 9 vorgesehen.
Weiter ist ein zweiter Shunt-Erfassungsanschluss 6 mittels eines zweiten
Bonddrahts 8 und eines zweiten Bondpads 10 mit dem zweiten Basisbereich 32 verbunden. Somit erfolgt die Bondung in der Nähe des Shunts 33. Die
Bonddrähte 7, 8 sind auch über Bondverbindungen 11 , 12 mit den
Erfassungsanschlüssen 5, 6 verbunden. Erfindungsgemäß kann somit teurer Raumbedarf in der Leistungselektronik 1 eingespart werden. Ferner können Stoffkosten und Montagezeit eingespart werden, da der Shunt 33 in das Anbindungselement 3 integriert ist. Somit kann erfindungsgemäß ohne zusätzlichen Flächenbedarf eine Strommessung durch die integrierten Shunts 33 ermöglicht werden. Dabei wird das
Anbindungselement 3 mittels des ersten Basisbereichs 31 direkt auf eine Kontaktfläche des MOSFETs 2 aufgebracht. Hierbei werden besonders bevorzugt gleichzeitig die Bonddrähte 7, 8 an die Basisbereiche 31 , 32 der Anbindungselemente mitgebondet. Dadurch ist kein zusätzlicher Schritt für das Anbringen des Shunts 33 notwendig.

Claims

Vorrichtung, umfassend ein Halbleiterbauteil (2) und ein
Anbindungselement (3) zur Herstellung eines elektrisch leitenden
Kontaktes für das Halbleiterbauteil (2), wobei ein Shunt (33) in das
Anbindungselement (3) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Anbindungselement (3) mit einem ersten Basisbereich (31), einem zweiten Basisbereich (32) und einem Verbindungsbereich ausgebildet ist, wobei der Shunt (33) im Verbindungsbereich angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Verbindungsbereich vollständig als Shunt (33) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Erfassungsanschluss (5) benachbart zum ersten Basisbereich (31) und ein zweiter Erfassungsanschluss (6) benachbart zum zweiten
Basisbereich (32) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Erfassungsanschluss (5, 6) am Basisbereich (31 , 32) mittels einer Bondverbindung (9, 10) fixiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Erfassungsanschluss (5, 6) in den Basisbereich (31 , 32) des Anbindungselements (3) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (2) ein MOSFET ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbindungselement (3) das Halbleiterbauteil (2) mit einem Source-Anschluss (4) verbindet.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Leistungselektronik ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Basisbereich (31) an einer Oberfläche des Halbleiterbauteils (2) angeordnet ist.
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