WO2022184764A1 - Leistungsmodul mit alterungserkennung - Google Patents

Leistungsmodul mit alterungserkennung Download PDF

Info

Publication number
WO2022184764A1
WO2022184764A1 PCT/EP2022/055254 EP2022055254W WO2022184764A1 WO 2022184764 A1 WO2022184764 A1 WO 2022184764A1 EP 2022055254 W EP2022055254 W EP 2022055254W WO 2022184764 A1 WO2022184764 A1 WO 2022184764A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
power
power module
substrate
temperature sensor
integrated circuit
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/055254
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Strache
Josef Goeppert
Jan Homoth
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to CN202280032889.4A priority Critical patent/CN117255933A/zh
Publication of WO2022184764A1 publication Critical patent/WO2022184764A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/14—Supports; Fastening devices; Arrangements for mounting thermometers in particular locations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/22—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • H01L22/30—Structural arrangements specially adapted for testing or measuring during manufacture or treatment, or specially adapted for reliability measurements
    • H01L22/34—Circuits for electrically characterising or monitoring manufacturing processes, e. g. whole test die, wafers filled with test structures, on-board-devices incorporated on each die, process control monitors or pad structures thereof, devices in scribe line
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0201—Thermal arrangements, e.g. for cooling, heating or preventing overheating
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10007—Types of components
    • H05K2201/10151—Sensor
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10007—Types of components
    • H05K2201/10166—Transistor

Definitions

  • the present invention relates to a power module comprising a substrate and at least one power transistor arranged on the substrate and at least one temperature sensor arranged in the power module.
  • Power modules generate large amounts of heat in a highly localized manner, which can greatly reduce the life of the power module if not adequately cooled/derated. At the same time, it is difficult to provide targeted cooling as required in larger arrays of power modules or to measure the temperature of the individual power transistors without any major delay and to keep an overview of how heavily the individual power modules or power semiconductors/power transistors are loaded.
  • Temperature measurement is implemented in power modules in different ways:
  • NTC negative temperature coefficient
  • PTC positive temperature coefficient
  • power modules currently do not have any special structures or sensors that provide information about the expected service life (remaining useful life, RUL).
  • the power modules must therefore be (over)designed in such a way that the quality goals are always guaranteed, even under extreme stress and manufacturing tolerances.
  • a power module of the type mentioned characterized in that at least one primary temperature sensor is arranged on a side of the substrate opposite the at least one power transistor or in an inner substrate layer arranged above or below the at least one power transistor, and at least one Reference temperature sensor to provide a comparative temperature of all power transistors spaced on one side of the substrate or on one of the inner ones
  • Substrate layers is arranged.
  • At least one temperature sensor preferably all temperature sensors include preferably includes a temperature-dependent resistor, e.g. at least one conductor loop each with a temperature-dependent resistor.
  • a temperature-dependent resistor e.g. at least one conductor loop each with a temperature-dependent resistor.
  • This has the advantage that not only the actual temperature can be measured, but also material aging in the area of the temperature-dependent resistance can be measured by significant changes in resistance. However, the latter requires a temperature comparison value (or resistance comparison value) for reliable detection, since otherwise a gradual or sudden increase in resistance due to material aging could also be misinterpreted as a temperature that is too high or too low (PTC or NTC).
  • the temperature sensor can mean the at least one primary temperature sensor or at least one reference temperature sensor.
  • the reference temperature sensor(s) can, however, in principle be arranged at any desired position in the substrate, as long as this is not directly opposite a power transistor.
  • a reference temperature sensor can also run along an edge of the substrate or be arranged in a corner of the substrate.
  • the reference temperature sensor should be arranged at a point on the power module that is affected as little as possible by (temperature-related) aging. At the same time, the reference temperature sensor should still be located close enough to the main heat sources of the power module (at large power modules) that the heat conduction to the reference temperature sensor takes place sufficiently quickly so that a temperature equilibrium can be established in a normal operating situation.
  • the wording "at a distance from all power transistors" is therefore to be understood in such a way that the reference temperature sensor is not arranged directly above a power transistor and in the plane of the substrate is not directly adjacent to a power transistor.
  • the reference temperature sensor could also preferably be integrated into the ASIC or implemented using a different sensor technology (e.g. NTC).
  • the power module can be set up when a time-averaged relative temperature difference is exceeded, e.g. e.g. (f dt
  • the power module can also use a number of such limit values, which can each correspond to different remaining lifetimes of the power module.
  • the power module is preferably set up to calculate corrected temperature measurement values of the primary temperature sensor (or the primary temperature sensors) by comparison with the temperature measured by the reference temperature sensor.
  • At least one calibration curve is preferably used in this case, ie a temperature ratio to be expected between the respectively measured temperature of the respective (primary) temperature sensor and the reference temperature sensor.
  • the development of the drift of the primary temperature sensor over time can be determined indirectly by comparing the measured temperature of the at least one primary temperature sensor with the measured temperature of the reference temperature sensor. This information can then be used to determine the remaining useful life. Aging of the power module can be detected at an early stage by periodic comparison with the reference temperature sensor. As a result, it is possible to react to this before a fatal failure occurs.
  • a proactive replacement of the power module eg as an inverter
  • the power of the power module or just individual power transistors can be reduced in order to increase the remaining service life or to exchange the power module at the next regular vehicle service.
  • the dual benefit of the present invention is that this additional information is detected without additional sensors and costs.
  • the substrate is preferably a multi-layer substrate, so that both the power and logic wiring (e.g. control lines for power transistors) and the temperature sensors required for temperature measurement (e.g. their conductor loops) can be integrated.
  • the underside of the substrate can be, for example, the bottom layer of the substrate or at least the bottom layer with conductive elements.
  • the top side of the substrate can be, for example, the uppermost layer of the substrate on which conductive elements are arranged.
  • the power transistor(s) can be arranged, for example, on the underside, while the associated primary temperature sensor(s) is/are arranged on an upper side opposite a power transistor or in a substrate layer arranged above the respective power transistor.
  • At least one primary temperature sensor preferably includes a conductor loop for temperature measurement, which is arranged on the side of the substrate opposite the power transistor or in an inner substrate layer arranged above or below the at least one power transistor.
  • This conductor loop preferably has a temperature-dependent resistance so that both the current temperature of the power transistor can be monitored and material aging of the substrate can be detected by an abrupt and permanent change in resistance (e.g. if the conductor loop is deformed or there is a crack in the conductor loop).
  • a conductor loop of a primary temperature sensor can be arranged opposite an entire power transistor or only part of the power transistor. If several power transistors are connected to a substrate, each power transistor is preferably provided with its own conductor loop (each with a primary temperature sensor) above the respective power transistor, e.g. B. provided in / on an inner layer or the top of the substrate. However, the individual conductor loops can then be connected to common evaluation electronics (for example an application-specific integrated circuit, ASIC, of the power module).
  • common evaluation electronics for example an application-specific integrated circuit, ASIC, of the power module.
  • At least one conductor loop preferably has a meandering course.
  • the conductor section can be increased under the influence of the increased temperature and thus, for example, the greatest possible absolute effect on the resistance of the conductor loop can be achieved.
  • At least one conductor loop of a primary temperature sensor is preferably arranged opposite the source of the power transistor.
  • the source is usually the strongest heat source due to the proximity to the active region of the transistor and the conductor loop can therefore also be arranged only opposite the source for optimum sensitivity. Since local peak temperatures can lead to long-term damage, these are a much better indicator of problematic overheating and material aging than the mean temperature of the power transistor. It is therefore advantageous to specifically measure the temperature of what is usually the hottest spot on the power transistor.
  • at least one conductor loop runs across multiple substrate layers. This increases the accuracy of the temperature measurement.
  • At least one conductor loop can have a meandering course in several substrate layers. At least one conductor loop can be connected to the various substrate layers via vias.
  • the power module comprises at least one application-specific integrated circuit (ASIC) which is connected to at least one power transistor and to the at least one primary temperature sensor associated with the power transistor and to the reference temperature sensor.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the ASIC can then regulate the individual power transistors, for example via a single gate control, in order to equalize the temperature load on the power transistors (instantaneously or over time) and thus increase the overall service life or performance of the power module.
  • the ASIC can be located on the bottom or the top of the substrate. In the latter case, the temperature sensors or conductor loops can be connected to the ASIC via vias, for example.
  • the application-specific integrated circuit is set up to calculate a measure of the aging of the power transistor by comparing the temperature data provided by at least one primary temperature sensor and the reference temperature sensor.
  • the integrated circuit can be set up to calculate a temperature difference between the at least one primary temperature sensor and the reference temperature sensor and to compare it with a comparison difference curve from calibration data in order to discover deviations and thus premature aging of a power transistor.
  • the primary temperature sensor adjacent to the power transistor drifts away from its behavior at the time of calibration over the course of time (e.g. because the resistance increases due to material changes), while this is much less the case with the reference temperature sensor.
  • the measured temperature difference can be a temperature difference averaged over a period of time in order to avoid delays caused by heat conduction effects to reduce.
  • a temperature difference can only be used to determine age if it has fluctuated by less than a predetermined temperature (eg by less than 5° C.) over a minimum period of time (eg one minute). If the resistance of a primary temperature sensor exceeds a first threshold value (which indicates clear aging), the associated power transistor can be regulated down by the ASIC. If a second (higher) threshold value is exceeded, the associated power transistor can be switched off as defective.
  • the ASIC is preferably set up to output an error message in the latter case (or in both cases).
  • the application specific integrated circuit is connected to at least two power transistors and to the at least two corresponding primary temperature sensors. It is preferred if at least two power transistors are arranged on the underside of the substrate, with a separate conductor loop for temperature measurement being arranged above the respective power transistor in an inner layer or on the upper side of the substrate.
  • a separate conductor loop is preferably arranged for each power transistor, ie for example three, four, five, six or more power transistors and conductor loops of the same power module.
  • the application-specific integrated circuit is set up in such a way that it controls the utilization of the at least two power transistors in such a way that the temperature measured via the primary temperature sensors is as equal as possible.
  • This solution is as simple as possible, since it is not absolutely necessary to store a "temperature history" for the individual power transistors in order to decide which power transistor can and should be loaded more.
  • the power transistor(s) whose temperature(s) is above an upper temperature threshold value (a problematic temperature or above a problematic resistance) can then be simply turned down during operation and those power transistors whose temperature is below a lower temperature threshold value ( an unproblematic temperature).
  • the use of two different threshold values can stabilize the control to avoid frequent high-level control and avoid derating.
  • the threshold values can preferably be adjusted by comparison with the reference temperature sensor in order to compensate for the drift over time (ie in particular the measurement error of the primary temperature sensors that increases with material aging).
  • the power module comprises at least one primary temperature sensor which is arranged on a side of the substrate opposite the at least one application-specific integrated circuit or in an inner substrate layer arranged below or above the at least one application-specific integrated circuit.
  • the application-specific integrated circuit is also a heat source in the power module and can in principle fail prematurely due to material aging as a result of temperature fluctuations.
  • the primary temperature sensor can be used to control the cooling capacity of an active cooling device (e.g. water cooling) of the power module.
  • the application-specific integrated circuit is set up in such a way that it controls the utilization of the at least two power transistors in such a way that the temperatures measured via the primary temperature sensors are as equal as possible. This allows the overall lifetime to be optimized by reducing the likelihood of premature failure of one of the power transistors.
  • the temperatures measured via the primary temperature sensors are particularly preferably first corrected by a comparison with the temperature measured by the reference temperature sensor.
  • One or more calibration curve(s) can be used to calculate an actual actual temperature of the
  • the application-specific integrated circuit is preferably set up in such a way that it has at least one active cooling device
  • Power module controls so that all temperatures measured by the primary temperature sensors remain below a temperature limit.
  • temperature measurement values corrected via calibration curves are preferably used.
  • the power module comprises at least one primary temperature sensor having at least one conductive loop attached to a stress zone of the substrate, the conductive loop being connected to the application specific integrated circuit, the application specific integrated circuit being adapted to derive from an electrical resistance evolution over time the conductor loop to calculate a measure of aging or damage to the stress zone.
  • Regions of the substrate without an active heat source can also experience premature material aging, for example because they are exposed to strong temperature gradients during operation, ie are arranged between one or more heat sources and a cooler region of the substrate.
  • Such a primary temperature sensor is therefore preferably not used for temperature measurement (even if this is possible), but the resistance of the conductor loop is compared at regular intervals with that of the conductor loop of the reference temperature sensor in order to detect potential material aging (and thus increases in resistance compared to a expected resistance value).
  • the power module preferably comprises at least one power semiconductor and at least one primary temperature sensor, which is arranged on a side of the substrate opposite the at least one power semiconductor or in an inner substrate layer arranged above or below the at least one power semiconductor.
  • the power semiconductors can be power diodes, thyristors or triacs, for example.
  • the power module includes multiple power semiconductors embedded between substrate layers.
  • the power module preferably comprises only one substrate with multiple substrate layers.
  • the power semiconductors can be arranged in an inner substrate layer and embedded or sandwiched between further substrate layers on both sides.
  • the power module comprises a plurality of power semiconductors embedded between two substrates, conductor loops for temperature measurement (of primary temperature sensors or reference temperature sensors) being arranged in at least one of the substrates.
  • These power semiconductors are preferably embedded “upside down” in the substrate, so that the source area is on the underside.
  • the conductor loops (the meander structures) would be arranged “beneath” the power transistors (e.g. MOSFETs).
  • the power module also includes a number of power semiconductors, the temperature of which can also be measured with one or more conductor loops (further primary temperature sensors).
  • the substrate is or comprises a multilayer low temperature cofired ceramics (LTCC).
  • LTCC multilayer low temperature cofired ceramics
  • the temperature is measured in at least one conductor loop using a four-point measurement or end-of-band adjustment.
  • These measuring methods increase the accuracy of the measurement without making the setup significantly more difficult.
  • a different course of the conductor loop and corresponding connections to the evaluation electronics may then be required.
  • a plurality of conductor loops are arranged in different substrate layers and connected in series. This allows the length of the conductor loop in the hot area to be maximized. This also increases the resistance change when the temperature changes and as a result of material changes in the substrate. This increases the measurement sensitivity for both.
  • the power module includes at least two substrates. A power wiring and the
  • Temperature sensors/conductor loops for temperature measurement can be arranged in one of the two substrates (e.g. in different substrate layers). Compared to classic arrangements (NTC) of the temperature sensor/conductor loop next to a
  • the power transistor/power semiconductor on a lower substrate is arranged very close to the hotspot and not in the cooling path.
  • the maximum temperature of the power semiconductor can be measured with a high level of accuracy.
  • the reference temperature sensor allows a more precise determination of the actual temperature of the individual temperature sensors and a better detection of aging of the components of the power module.
  • At least one primary temperature sensor and at least one reference temperature sensor are connected in a Wheatstone bridge.
  • Multiple primary temperature sensors e.g., two or three
  • one or two reference resistors can also be used together with the primary temperature sensor and the reference temperature sensor.
  • the arrangement in a Wheatstone bridge basically increases the accuracy of the resistance comparison for temperature correction, aging detection or moisture detection.
  • the application-specific integrated circuit is preferably set up to detect the presence of moisture on or in the power module by measuring the resistance between two conductor loops. A sudden or gradual reduction in resistance between two originally electrically isolated conductor loops can provide an indication of developing moisture deposits before the power module is damaged by a transistor short circuit.
  • the ASIC preferably regularly measures the electrical resistance between different pairs of two conductor loops (the primary temperature sensors or the reference temperature sensor), which are ideally located in close spatial proximity but are insulated from one another by an insulating material.
  • a packaging also known as a mold
  • the substrate/a substrate layer e.g. LTCC ceramic
  • a voltage is applied via the ASIC between the conductor loops that are insulated in this way and the resulting current is measured to determine the resistance.
  • the Resistance now changes as a function of the moisture content of the insulating material and is further used as a sensor signal for the integrity of the power module (especially the packaging and substrate layers).
  • a reduction in resistance below a predetermined limit value e.g. below 1 QW, 100 MW, 10 MW or 1 MW
  • the diffusive moisture load is primarily measured.
  • the ASIC is preferably set up to regularly measure the resistance between a number of different pairs of conductor loops in order to enable moisture detection in a number of areas of the power module.
  • the power module includes an edge conductor loop that extends substantially along an outer edge of the plane of the substrate, wherein the application specific integrated circuit is adapted to detect the presence of a break in the outer edge of the substrate by a through periodic resistance measurements of the edge conductor loop
  • the application specific integrated circuit may be configured to detect, via periodic resistance measurements of the edge conductor loop, the presence of a break in the outer edge of the substrate through a
  • the edge conductor loop can be the conductor loop of the reference temperature sensor or an additional conductor loop that is primarily used for break detection.
  • Breakage detection by means of resistance measurement and detection of abrupt increases above a resistance limit value (e.g. 1 MW) in individual conductor loops can also be carried out in any other conductor loop of the Power module are used (z. B. for the power transistors associated conductor loops).
  • a resistance limit value e.g. 1 MW
  • Figure 1 shows a first embodiment of a power module according to the invention in a view from the top of the power module
  • Figure 2 shows a second embodiment of an inventive
  • Figure 3 shows a second embodiment of an inventive
  • Power module in a view from the top of the power module
  • FIG. 4 shows examples of resistance curves over time when a break occurs in the power module or when liquid is stored.
  • Figure 1 shows an embodiment of a power module 1 according to the invention, comprising a substrate 2 and a plurality of power transistors 3 (here only two as an example) arranged on an underside of the substrate 2.
  • Figure 1 shows a view from the top of the substrate 2 and the power transistors 3 on the opposite bottom or in an inner substrate layer are therefore only shown in dashed lines.
  • the power module 1 comprises five power terminals 4, 5, 6 connected to the substrate 2.
  • the power terminals 4, 5, 6 can, for example, each be equipped with a source 7 and a gate 14 (each indicated with a broken line, since it is on the underside of the substrate or in the substrate embedded) depending on a power transistor 3 be connected.
  • the power connections 4 can, for example, have a supply voltage supply, the power connection 5 can provide a ground and the power connections 6 can be phase connections, for example.
  • Corresponding control electronics on the substrate 2 are not shown here for the sake of simplicity.
  • primary temperature sensors including conductor loops 8 for temperature measurement are arranged on an upper side of the substrate 2 opposite the power transistors 3 .
  • the conductor loops 8 have a meandering course, as a result of which the conductor path increases under the influence of the increased temperature and thus, for example, the greatest possible absolute effect on the resistance of the conductor loops 8 can be achieved. At the same time, material changes and thus resistance changes can also be detected over a larger area.
  • the conductor loops 8 are arranged here essentially opposite the entire area of the respective power transistor 3 . However, the conductor loops 8 can also cover a larger area than the area of the respective power transformer 3 (e.g. a 10-100% larger area) in order to increase the measured absolute change in resistance.
  • the area covered by the conductor loop 8 of the primary temperature sensor can be different.
  • the conductor loop 8 can, for example, essentially only cover the area of the source 7 of the power transistor 3 and not the gate 14, for example.
  • the source 7 is usually the strongest heat source and the conductor loop 8 can therefore only cover the source for optimum sensitivity 7 be arranged.
  • the conductor loops can also be arranged opposite another part of the power transistor 3 .
  • a conductor loop can also cover a number of power transistors 3 (even if this makes selective aging detection more difficult).
  • the power module 1 includes a reference temperature sensor, including a conductor loop 17, for providing a comparison temperature of all power transistors 3 spaced on top (or alternatively on one of the inner substrate layers).
  • the power module 1 comprises an application specific integrated circuit 9 (ASIC) which is connected to both (all) of the power transistors 3 and to the two (all) of the corresponding conductor loops 8 .
  • the ASIC 9 can then, for example, regulate the individual power transistors 3 via a single gate control in order to equalize the temperature load on the power transistors 3 (instantaneously or over time) and thus increase the overall service life of the power semiconductor.
  • the ASIC 9 can be arranged on the underside or the top of the substrate (here for example on the top). In the latter case, the conductor loops 8 can be connected to the ASIC 9 via plated-through holes (vias), for example.
  • the power module also comprises a primary temperature sensor, comprising a conductor loop 18, which is arranged on a side of the substrate opposite the at least one application-specific integrated circuit 9 or in an inner substrate layer 12 arranged below or above the at least one application-specific integrated circuit 9.
  • a primary temperature sensor comprising a conductor loop 18, which is arranged on a side of the substrate opposite the at least one application-specific integrated circuit 9 or in an inner substrate layer 12 arranged below or above the at least one application-specific integrated circuit 9.
  • the conductor loop 18 is also shown here in dashed lines, since it does not run on the upper side here. If the ASIC 9 is arranged on an inner substrate layer 12 or the underside of the substrate 2, the conductor loop 18 can also be arranged on the upper side.
  • the conductor loops 8, 17, 18 can have several layers
  • the change in resistance of the conductor loops 8, 17, 18 in the event of temperature changes or material changes can also be increased in general, and the sensitivity of the invention can thus be improved.
  • the conductor loops 8, 17, 18 are only connected to the ASIC 9 at the two ends of the conductor loops 8, 17, 18 as an example here, but other types of connection are also possible (e.g. for a four-point measurement) in order to achieve greater accuracy in the resistance measurement enable.
  • 2 shows a second embodiment of a power module 1 according to the invention in cross section through both conductor loops 8 and both power transistors 3 and through conductor loop 18 of the primary temperature sensor of ASIC 9.
  • the top of substrate 2 is arranged on the left in FIG.
  • the reference temperature sensor is not shown here for the sake of clarity (because it has not been cut, for example), but it is present.
  • the conductor loops 8 each include two conductor loop sections 10, 11 in two different substrate layers 12 for each power transistor 3 (corresponding to the conductor loop 18 or potentially for the conductor loop 17, not shown). A meandering course of the conductor loop sections 10, 11 can only be guessed at in this view, since each conductor loop is cut thirteen times (merely as an example).
  • the power module 1 here comprises a first substrate 2 and a second substrate 15.
  • the first substrate 2 here comprises four substrate layers 12, but two, three, five or more substrate layers 12 are also possible.
  • the power transistors 3 are embedded between the two substrates 2, 15 (to a certain extent in a sandwich construction).
  • the conductor loop sections 10, 11 are connected between the substrate layers 12 via plated-through holes 13 (vias).
  • the power transistors 3 are further connected to power wirings 16, which are arranged in particular in the 1-2 substrate layers 12 adjacent to the power transistors.
  • the power wiring 16 is located in different substrate layers 12 than the conductor loops 8 of the primary temperature sensors for temperature measurement/aging detection.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a power module 1 according to the invention, which only differs from the power module 1 of FIG.
  • the plane of the substrate here means the essentially plane cuboid shape of the power module 1, which is viewed perpendicularly in FIG.
  • the application-specific integrated circuit 9 is set up to use regular resistance measurements of the edge conductor loop 19 to detect the presence of a break in the outer edge of the substrate 2 due to an increase in resistance.
  • the edge conductor loop 19 can be the conductor loop of the reference temperature sensor (e.g. instead of the conductor loop 17 also shown here) or (as shown here) an additional conductor loop primarily for detecting breaks.
  • the conductor loop 17 can also be dispensed with, and the conductor loop 19 can be used both for the reference temperature sensor and for the detection of a break.
  • Figure 4 illustrates how, from the development of the measured resistances over time, not only the aging of the power module (as previously described primarily via the drift in the temperature difference between the primary temperature sensor and the reference temperature sensor) but also a break in the material of the power module 1 and/or penetration of moisture into the power module 1 can be detected.
  • the application-specific integrated circuit is set up to detect the presence of moisture on or in the power module 1 by measuring the resistance between two conductor loops. This is shown schematically with the dash-dot curve in FIG.
  • the resistance between the two conductor loops is very high (simplified as infinite). If damage to the packaging or the substrate itself occurs over the years of operation of the power module 1, moisture can gradually penetrate, as a result of which the resistance between the conductor loops can slowly reduce. If the resistance falls below a limit value (here, for example, dashed at 1 MW), the power module (e.g. the ASIC) can issue a warning in order to avoid a complete short circuit (with damage to other components) that might otherwise follow.
  • a limit value here, for example, dashed at 1 MW
  • the determination of moisture through a change in resistance takes place here gradually and lies in a reduction in the resistance between two different conductor loops (which are initially electrically isolated), while for Aging detection, the temperature-dependent resistances measured in two different loops are each used to determine the temperature and then the measured temperature values are used to determine a relative drift in order to determine the aging of the more heavily loaded conductor loop.
  • FIG. 4 also illustrates the breakage detection by the resistance profile of the solid line.
  • the power module comprises, for example, an edge conductor loop 19 as in FIG. 3.
  • the breakage detection can be used for any conductor loop.
  • the application-specific integrated circuit 9 is set up to detect the presence of a break (for example in the outer edge of the substrate) by means of a (sudden) resistance increase by means of regular resistance measurements of an individual conductor loop.
  • the application-specific integrated circuit 9 can be set up via regular
  • Resistance measurements of the edge conductor loop to detect the presence of a break in the outer edge of the substrate by an increase in resistance above a threshold value z. B. 1 MW as exemplified here.
  • the resistance of the conductor loop here is initially very low (simplified as practically zero in the solid line) and then suddenly increases to well over 1 MW (simplified as infinite) due to a break in the conductor loop (and in the surrounding substrate), which signals a break in the conductor loop to the ASIC 9.
  • the resistance of a single conductor loop (without comparison to other conductor loops, as in the case of aging or moisture detection) is measured to detect a break.

Abstract

Es wird ein Leistungsmodul (1) beschrieben, umfassend ein Substrat (2) sowie mindestens einen auf einer Unterseite des Substrats (2) angeordneten Leistungstransistor (3), sowie mindestens einen im Leistungsmodul (1) angeordneten Temperatursensor. Die Temperaturmessung des Leistungstransistors ist im Stand der Technik entweder ungenau oder erfordert einen komplizierteren Aufbau des Leistungstransistors. Es ist schwierig, eine vorzeitige Alterung einzelner Leistungstransistoren zu erkennen. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Primär-Temperatursensor auf einer dem mindestens einen Leistungstransistor (3) gegenüberliegenden Oberseite oder in einer oberhalb des mindestens einen Leistungstransistors (3) angeordneten inneren Substratschicht angeordnet. Weiterhin ist mindestens ein Referenz-Temperatursensor zur Bereitstellung einer Vergleichstemperatur von allen Leistungstransistoren beabstandet auf der Oberseite oder auf einer der inneren Substratschichten angeordnet. Dadurch kann die Transistor-Temperatur näher an der Quelle der Wärme gemessen werden und es ist eine Referenz-Temperatur zu Erkennung von Widerstandsänderungen durch Materialalterung vorhanden.

Description

Beschreibung
Titel
Leistungsmodul mit Alterungserkennung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul umfassend ein Substrat sowie mindestens einen auf dem m Substrat angeordneten Leistungstransistor, sowie mindestens einen im Leistungsmodul angeordneten Temperatursensor.
Stand der Technik
Leistungsmodule generieren stark lokalisiert große Wärmemengen, die bei nicht ausreichender Kühlung/Herunterregelung die Lebensdauer des Leistungsmoduls stark reduzieren können. Gleichzeitig ist es schwierig, in größeren Anordnungen von Leistungsmodulen eine gezielte Kühlung je nach Bedarf bereitzustellen beziehungsweise die Temperatur der einzelnen Leistungstransistoren ohne größere Verzögerung zu messen und einen Überblick darüber zu behalten, wie stark die einzelnen Leistungsmodule bzw. Leistungshalbleiter/ Leistungstransistoren belastet werden.
Temperaturerfassung wird in Leistungsmodulen auf unterschiedliche Weisen realisiert:
- NTC- (englisch Negative Temperature Coefficienf) oder PTC- (englisch Positive Temperature Coefficienf) Widerstände werden im Leistungsmodul in der Nähe der Leistungstransistoren angeordnet und über eine Messung der temperaturabhängigen Widerstände die Temperatur bestimmt,
- Erfassung der Temperatur über spezielle Bauteilanordnungen (Dioden/Widerstände) auf dem Substrat,
- Verwendung von temperatursensitiven, elektrisch messbaren Eigenschaften der Leistungstransistoren zur direkten Ermittlung der Temperatur des jeweiligen Leistungstransistors. Die genannten Lösungen sind jedoch entweder ungenau und bzw. oder weisen durch ihren Abstand zur heißesten Stelle eine deutliche Zeitverzögerung in der Messung einer Temperaturspitze auf oder sie erfordern einen deutlich komplizierten Aufbau des Leistungstransistors. Des Weiteren können diese Arte der Temperatursensoren nicht gleichzeitig direkt den Einfluss der Alterung auf das Modul messen.
Weiterhin verfügen Leistungsmodule aktuell über keine speziellen Strukturen oder Sensoren, die Auskunft über die noch zu erwartende Lebensdauer (remaining useful life, RUL) geben. Die Leistungsmodule müssen daher so (über)designt werden, dass die Qualitätsziele auch bei extremen Beanspruchungen und Fertigungstoleranzen immer gewährleistet sind.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Leistungsmodul der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Primär- Temperatursensor auf einer dem mindestens einen Leistungstransistor gegenüberliegenden Seite des Substrats oder in einer oberhalb oder unterhalb des mindestens einen Leistungstransistors angeordneten inneren Substratschicht angeordnet ist, und mindestens ein Referenz-Temperatursensor zur Bereitstellung einer Vergleichstemperatur von allen Leistungstransistoren beabstandet auf einer Seite des Substrats oder auf einer der inneren
Substratschichten angeordnet ist.
Vorteile der Erfindung
Die Anordnung des Primär-Temperatursensors hat den Vorteil, dass die Temperatur deutlich näher als zuvor an dem mindestens einen
Leistungstransistor, und damit an der Quelle der Verlustwärme, gemessen wird. Damit kann vermieden werden, dass sich ein Leistungstransistor zu stark erhitzt, bevor die Wärme durch Wärmeleitung die Leiterschleife erreicht, wie dies im Stand der Technik aufgrund des höheren Abstandes der Fall sein kann. Jedes deutliche Überschreiten der Betriebstemperatur senkt in der Regel die
Lebensdauer des einzelnen Leistungstransistors. In Leistungsmodulen mit mehreren Leistungstransistoren kommt hinzu, dass es eine gewisse Wahrscheinlichkeit gibt, dass sich ein Leistungstransistor im Mittel häufiger und stärker erhitzt als die anderen Leistungstransistoren und damit als erster ausfällt. Außerdem kann sich ein Leistungstransistor aufgrund von Fertigungstoleranzen bei derselben Belastung höher erhitzen als ein anderer Leistungstransistor desselben Typs. Ein Ausfall eines Leistungstransistors führt aber häufig schon dazu, dass das gesamte Leistungsmodul ausgetauscht werden muss. Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es daher deutlich besser, die Temperaturbelastung der einzelnen Leistungstransistoren zu überwachen und gegebenenfalls gegenzusteuern, um die Gesamtlebensdauer des Leistungsmoduls zu erhöhen.
Vorzugsweise umfasst mindestens ein Temperatursensor (vorzugsweise umfassen alle Temperatursensoren) einen temperaturabhängigen Widerstand, z.B. mindestens je eine Leiterschleife mit temperaturabhängigem Widerstand. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur die Ist-Temperatur gemessen werden kann, sondern auch Materialalterung im Bereich des temperaturabhängigen Widerstands durch deutliche Widerstandsveränderungen messbar ist. Letzteres erfordert aber für eine sichere Detektion einen Temperatur-Vergleichswert (bzw. Widerstands-Vergleichswert), da sonst eine graduelle oder plötzliche Widerstandserhöhung durch Materialalterung auch als zu hohe oder zu niedrige (PTC bzw. NTC) Temperatur missinterpretiert werden könnte. Mit Temperatursensor kann hier und in der übrigen Anmeldung der mindestens eine Primär-Temperatursensor oder mindestens eine Referenz-Temperatursensor gemeint sein.
Der oder die Referenz-Temperatursensor(en) kann / können aber prinzipiell an einer beliebigen Position im Substrat angeordnet sein, solange diese nicht direkt gegenüber eines Leistungstransistors liegt. Beispielsweise kann ein Referenz- Temperatursensor auch entlang eines Randes des Substrats verlaufen oder in einer Ecke des Substrats angeordnet sein.
Der Referenz-Temperatursensor sollte entsprechend an einer möglichst wenig von (temperaturbedingter) Alterung betroffenen Stelle des Leistungsmoduls angeordnet sein. Gleichzeitig sollte der Referenz-Temperatursensor noch nah genug an den Haupt-Wärmequellen des Leistungsmoduls angeordnet sein (bei großen Leistungsmodulen), dass die Wärmeleitung bis zum Referenz- Temperatursensor ausreichend schnell erfolgt, sodass sich ein Temperaturgleichgewicht in einer üblichen Betriebssituation einstellen kann. Die Formulierung „von allen Leistungstransistoren beabstandet“ ist also so zu verstehen, dass der Referenz-Temperatursensor nicht direkt oberhalb eines Leistungstransistors und in der Ebene des Substrats nicht direkt angrenzend zu einem Leistungstransistor angeordnet ist. Der Referenz-Temperatursensor könnte auch vorzugsweise in den ASIC mit integriert oder durch eine andere Sensor Technologie (z. B. NTC) realisiert werden.
Durch die unterschiedliche Alterung des Primär-Temperatursensors und des Referenz-Temperatursensors infolge der unterschiedlichen
Temperaturbelastungen ergibt sich ein graduelles zeitliches Anwachsen der Differenz der jeweils bestimmten Temperaturen (zeitliche Drift). Das Leistungsmodul kann dazu eingerichtet sein beim Überschreiten einer zeitlich gemittelten relativen Temperaturdifferenz, z. B. (f dt |Tprimär - TReferenz| / TReferenz ) / tMitteiung > Grenzwert, eine Warnung über eine noch zu erwartende Restlebensdauer (z. B. weniger als 1 Jahr, weniger als 1 Monat etc.) auszugeben. Das Leistungsmodul kann auch mehrere derartige Grenzwerte verwenden, die jeweils Unterschiedlichen Restlebensdauern des Leistungsmoduls entsprechen können.
Vorzugsweise ist das Leistungsmodul dazu eingerichtet, korrigierte Temperaturmesswerte des Primär-Temperatursensors (oder der Primär- Temperatursensoren) durch Vergleich mit der vom Referenz-Temperatursensor gemessenen Temperatur zu berechnen. Vorzugsweise wird dabei mindestens eine Kalibrierungskurve verwendet, also ein zu erwartendes Temperaturverhältnis zwischen der jeweils gemessenen Temperatur des jeweiligen (Primär-) Temperatursensors und des Referenz-Temperatursensors.
Durch einen Vergleich der gemessenen Temperatur des mindestens einen Primär-Temperatursensors mit der gemessenen Temperatur des Referenz- Temperatursensors, kann die zeitliche Entwicklung der Drift des Primär- Temperatursensors indirekt ermittelt werden. Diese Information kann dann zur Ermittlung der verbleiben Nutzungsdauer verwendet werden. Durch den periodischen Abgleich mit dem Referenz-Temperatursensor kann eine Alterung des Leistungsmoduls frühzeitig erkannt werden. Hierdurch kann noch vor einem fatalen Ausfall auf diese reagiert werden. Bei einer Elektrofahrzeug- Anwendung in der Ladelektronik kann ein proaktiver Austausch des Leistungsmoduls (dort z.B. als Inverter) ein Liegenbleiben des Fahrzeuges verhindern, was insbesondere für die Verwendung in autonomen Fahrzeugen ein wichtiger Vorteil wäre. Alternativ kann auch die Leistung des Leistungsmoduls oder nur einzelner Leistungstransistoren reduziert werden, um die Rest- Lebensdauer zu erhöhen oder das Leistungsmodul beim nächsten regulären Fahrzeugservice zu tauschen.
Der doppelte Nutzen der vorliegenden Erfindung (Temperaturerfassung und Degradationserkennung) ist also, dass diese zusätzliche Information ohne weitere Sensorik und Kosten erfasst werden.
Das Substrat ist vorzugsweise ein mehrschichtiges Substrat, sodass sowohl die Leistungs-, Logikverdrahtung (z. B. Steuerleitungen für Leistungstransistoren) und die zur Temperaturmessung benötigten Temperatursensoren (z. B. deren Leiterschleifen) integriert werden können. Die Unterseite des Substrats kann beispielsweise die unterste Schicht des Substrats sein oder zumindest die unterste Schicht mit leitenden Elementen. Entsprechend kann die Oberseite des Substrats beispielsweise die oberste Schicht des Substrats sein, auf der leitende Elemente angeordnet sind. Der oder die Leistungstransistoren können beispielsweise auf der Unterseite angeordnet sein, während der / die zugehörige(n) Primär-Temperatursensor(en) auf einer einem Leistungstransistor gegenüberliegenden Oberseite oder in einer oberhalb des jeweiligen Leistungstransistors angeordneten Substratschicht angeordnet sind.
Die Begriffe „Unterseite“, „Oberseite“ und „Seite“ bzw. „unterhalb“ und „oberhalb“ und dergleichen dienen in dieser Anmeldung nur der relativen Orientierung der Bauteile und sind nicht einschränkend zu verstehen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben. Vorzugsweise umfasst mindestens ein Primär-Temperatursensor eine Leiterschleife zur Temperaturmessung, die auf der dem Leistungstransistor gegenüberliegenden Seite des Substrats oder in einer oberhalb oder unterhalb des mindestens einen Leistungstransistors angeordneten inneren Substratschicht angeordnet ist. Diese Leiterschleife weist vorzugsweise einen temperaturabhängigen Widerstand auf, sodass sowohl die momentane Temperatur des Leistungstransistors überwacht werden kann als auch eine Materialalterung des Substrats durch eine abrupte und dauerhafte Widerstandsänderung detektierbar ist (z. B. bei einer Deformation der Leiterschleife oder einem Riss in der Leiterschleife).
Eine Leiterschleife eines Primär-Temperatursensors kann gegenüber einem gesamten Leistungstransistor oder nur einem Teil des Leistungstransistors angeordnet sein. Wenn mehrere Leistungstransistoren mit einem Substrat verbunden sind, ist vorzugsweise jeder Leistungstransistor mit einer eigenen Leiterschleife (je eines Primär-Temperatursensors) oberhalb des jeweiligen Leistungstransistors z. B. in / auf einer Innenlage oder der Oberseite des Substrats versehen. Die einzelnen Leiterschleifen können dann aber mit einer gemeinsamen Auswertelektronik (zum Beispiel eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, ASIC, des Leistungsmoduls) verbunden sein.
Vorzugsweise weist mindestens eine Leiterschleife einen mäandernden Verlauf auf. Dadurch lässt sich die Leiterstrecke unter Einfluss der erhöhten Temperatur vergrößern und damit beispielsweise ein möglichst großer Absoluteffekt auf den Widerstand der Leiterschleife erzielen.
Vorzugsweise ist mindestens eine Leiterschleife eines Primär- Temperatursensors gegenüber dem Source des Leistungstransistors angeordnet. Bei einem Feldeffekttransistor ist der Source üblicherweise aufgrund der Nähe zum aktiven Gebiet des Transistors die stärkste Wärmequelle und die Leiterschleife kann für eine optimale Sensitivität daher auch nur gegenüber dem Source angeordnet sein. Da lokale Spitzentemperaturen zu langfristigen Schadstellen führen können, sind diese deutlich besser als die mittlere Temperatur des Leistungstransistors ein Indikator für eine problematische Überhitzung und Materialalterung. Es ist daher vorteilhaft, gezielt die Temperatur der üblicherweise heißesten Stelle des Leistungstransistors zu messen. In einer Ausführungsform verläuft mindestens eine Leiterschleife über mehrere Substratschichten. Dadurch lässt sich die Genauigkeit der Temperaturmessung erhöhen. Mindestens eine Leiterschleife kann in mehreren Substratschichten einen mäandernden Verlauf aufweisen. Mindestens eine Leiterschleife kann über Durchkontaktierungen (Vias) mit den verschiedenen Substratschichten verbunden sein.
Es ist bevorzugt, wenn das Leistungsmodul mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) umfasst, die mit mindestens einem Leistungstransistor sowie mit dem mindestens einen dem Leistungstransistor zugehörigen Primär-Temperatursensor sowie mit dem Referenz-Temperatursensor verbunden ist. Die ASIC kann dann beispielsweise über eine Einzelgate-Steuerung die einzelnen Leistungstransistoren regeln, um die Temperaturbelastung der Leistungstransistoren (momentan oder über die Zeit) anzugleichen und damit die Gesamtlebensdauer oder Leistungsfähigkeit des Leistungsmoduls zu erhöhen. Die ASIC kann auf der Unterseite oder der Oberseite des Substrats angeordnet sein. Im letzteren Fall können die Temperatursensoren bzw. Leiterschleifen beispielsweise über Durchkontaktierungen (Vias) mit dem ASIC verbunden sein.
In einer Ausführungsform ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung dazu eingerichtet, über den Vergleich der von mindestens einem Primär- Temperatursensor und dem Referenz-Temperatursensor bereitgestellten Temperaturdaten ein Maß für die Alterung des Leistungstransistors zu berechnen. Beispielsweise kann die integrierte Schaltung dazu eingerichtet sein, eine Temperaturdifferenz zwischen dem mindestens einen Primär- Temperatursensor und dem Referenz-Temperatursensor zu berechnen und mit einer Vergleichsdifferenzkurve aus Kalibrierungsdaten zu vergleichen, um Abweichungen und damit eine vorzeitige Alterung eines Leistungstransistors zu entdecken. Der dem Leistungstransistor angrenzende Primär-Temperatursensor driftet im Laufe der Zeit von seinem Verhalten zum Kalibrierungszeitpunkt weg (z.B. da sich der Widerstand durch Materialveränderung erhöht) während dies beim Referenz-Temperatursensor deutlich weniger der Fall ist. Die gemessene Temperaturdifferenz kann dabei eine über eine Zeitspanne gemittelte Temperaturdifferenz sein, um Verzögerungen durch Wärmeleitungseffekte zu reduzieren. Alternativ kann eine Temperaturdifferenz erst dann zur Altersbestimmung verwendet werden, wenn diese über einen Mindestzeitraum (z.B. eine Minute) um weniger als eine vorgegebene Temperatur geschwankt hat (z.B. um weniger als 5°C). Überschreitet der Widerstand eines Primär- Temperatursensors einen ersten Schwellwert (der eine deutliche Alterung anzeigt), so kann der zugehörige Leistungstransistor durch den ASIC heruntergeregelt werden. Bei Überschreitung eines zweiten (höheren) Schwellwerts kann der zugehörige Leistungstransistor als defekt abgeschaltet werden. Vorzugsweise ist der ASIC dazu eingerichtet, im letzteren Fall (oder in beiden Fällen) eine Fehlermeldung auszugeben.
Vorzugsweise ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung mit mindestens zwei Leistungstransistoren sowie mit den mindestens zwei entsprechenden Primär-Temperatursensoren verbunden. Es ist bevorzugt, wenn auf der Unterseite des Substrats mindestens zwei Leistungstransistoren angeordnet sind, wobei jeweils eine separate Leiterschleife zur Temperaturmessung oberhalb des jeweiligen Leistungstransistors in einer Innenlage oder auf der Oberseite des Substrats angeordnet ist. Vorzugsweise ist für jeden Leistungstransistor jeweils eine separate Leiterschleife angeordnet, also beispielsweise drei, vier, fünf, sechs oder mehr Leistungstransistoren und Leiterschleifen desselben Leistungsmoduls.
In einer Ausführungsform ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung so eingerichtet, dass sie die Auslastung der mindestens zwei Leistungstransistoren so steuert, dass die über die Primär-Temperatursensoren gemessene Temperatur möglichst gleich ist. Diese Lösung ist möglichst einfach, da es nicht unbedingt notwendig ist, eine „Temperaturhistorie“ für die einzelnen Leistungstransistoren zu speichern, um zu entscheiden, welcher Leistungstransistor mehr belastet werden kann und soll. Es kann dann einfach im Betrieb der oder die Leistungstransistor(en) heruntergeregelt werden, deren Temperatur(en) oberhalb eines oberen Temperaturschwellenwerts (einer problematischen Temperatur bzw. oberhalb eines problematischen Widerstands) liegt und diejenigen Leistungstransistoren hochgeregelt werden, deren Temperatur unterhalb eines unteren Temperaturschwellenwerts (einer unproblematischen Temperatur) liegt. Die Verwendung von zwei verschiedenen Schwellenwerten kann die Regelung dabei stabilisieren, um häufiges Hochregeln und Herunterregeln zu vermeiden. Die Schwellenwerte können vorzugsweise durch Vergleich mit dem Referenz-Temperatursensor angepasst werden, um die zeitliche Drift (also insbesondere den mit der Materialalterung wachsenden Messfehler der Primären-Temperatursensoren) auszugleichen.
Es ist bevorzugt, wenn das Leistungsmodul mindestens einen Primär- Temperatursensor umfasst, der auf einer der mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung gegenüberliegenden Seite des Substrats oder in einer unterhalb oder oberhalb der mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung angeordneten inneren Substratschicht angeordnet ist. Auch die anwendungsspezifische integrierte Schaltung ist eine Wärmequelle im Leistungsmodul und kann prinzipiell durch Materialalterung infolge von Temperaturschwankungen vorzeitig ausfallen. Gleichzeitig kann der Primär-Temperatursensor zur Regelung der Kühlleistung einer aktiven Kühleinrichtung (z.B. Wasserkühlung) des Leistungsmoduls verwendet werden.
In einer Ausführungsform ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung so eingerichtet, dass sie die Auslastung der mindestens zwei Leistungstransistoren so steuert, dass die über die Primär-Temperatursensoren gemessenen Temperaturen möglichst gleich sind. Dadurch kann die Gesamtlebensdauer optimiert werden, da die Wahrscheinlichkeit des vorzeitigen Ausfalls eines der Leistungstransistoren verringert wird. Besonders bevorzugt werden dabei die über die Primär-Temperatursensoren gemessenen Temperaturen zunächst durch einen Vergleich mit der vom Referenz-Temperatursensor gemessenen Temperatur korrigiert. Dabei kann eine oder mehrere Kalibrierungskurve(n) verwendet werden, um eine tatsächliche Ist-Temperatur der
Leistungstransistoren abzuschätzen.
Vorzugsweise ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung so eingerichtet, dass sie mindestens eine aktive Kühleinrichtung des
Leistungsmoduls so steuert, dass alle über die Primär-Temperatursensoren gemessenen Temperaturen unterhalb eines Temperaturgrenzwertes bleiben. Bevorzugt werden dabei über Kalibrierungskurven korrigierte Temperaturmesswerte verwendet. Vorzugsweise umfasst das Leistungsmodul mindestens einen Primär- Temperatursensor mit mindestens einer Leiterschleife, die an einer Belastungszone des Substrats angebracht ist, wobei die Leiterschleife mit der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung verbunden ist, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung dazu eingerichtet ist, aus einer zeitlichen Entwicklung des elektrischen Widerstands der Leiterschleife ein Maß für eine Alterung oder Beschädigung der Belastungszone zu berechnen. Auch Regionen des Substrats ohne aktive Wärmequelle können eine vorzeitige Materialalterung erfahren, z.B. weil sie im Betrieb starken Temperaturgradienten ausgesetzt werden, also zwischen einer oder mehreren Wärmequellen und einer kühleren Region des Substrats angeordnet sind. Ein derartiger Primär- Temperatursensor wird also vorzugsweise auch nicht zur Temperaturmessung eingesetzt (auch wenn dies möglich ist), sondern es wird in regelmäßigen Abständen der Widerstand der Leiterschleife mit dem der Leiterschleife des Referenz-Temperatursensors verglichen, um potentielle Materialalterung (und damit Widerstandserhöhungen gegenüber einem erwarteten Widerstandswert) zu detektieren.
Bevorzugt umfasst das Leistungsmodul mindestens einen Leistungshalbleiter, sowie mindestens einen Primär-Temperatursensor, der auf einer dem mindestens einen Leistungshalbleiter gegenüberliegenden Seite des Substrats oder in einer oberhalb oder unterhalb des mindestens einen Leistungshalbleiters angeordneten inneren Substratschicht angeordnet ist. Die Leistungshalbleiter können beispielweise Leistungsdioden, Thyristoren oder Triacs sein.
In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul mehrere zwischen Substratschichten eingebettete Leistungshalbleiter. Hier umfasst das Leistungsmodul vorzugsweise nur ein Substrat mit mehreren Substratschichten. Die Leistungshalbleiter können in einer inneren Substratschicht angeordnet sein und von beiden Seiten zwischen weiteren Substratschichten eingebettet bzw. gesandwicht sein.
In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul mehrere zwischen zwei Substraten eingebettete Leistungshalbleiter, wobei in mindestens einem der Substrate Leiterschleifen zur Temperaturmessung (von Primär- Temperatursensoren oder Referenz-Temperatursensoren) angeordnet sind. Diese Leistungshalbleiter sind bevorzugt „kopfüber“ in dem Substrat eingebettet, so dass sich die Source-Fläche auf der Unterseite befindet. In diesem Fall wären die Leiterschleifen (die Mäanderstrukturen) „unterhalb“ der Leistungstransistoren (z. B. MOSFETs) angeordnet. Zusätzlich zu dem Leistungstransistor (den Leistungstransistoren) umfasst das Leistungsmodul also auch mehrere Leistungshalbleiter, dessen Temperatur ebenfalls mit einer oder mehreren Leiterschleifen (weitere Primär-Temperatursensoren) gemessen werden kann.
Es ist bevorzugt, wenn das Substrat eine mehrschichtige Niedertemperatur- Einbrand-Keramik (engl. Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC) ist oder umfasst. Bei einem derartigen Substrat ist es problemlos möglich, auf der die Leistungstransistoren umfassenden Unterseite gegenüberliegenden Oberseite bzw. in den Innenlagen zusätzliche Leiterschleifen (Primär-Temperatursensoren) zur Temperaturmessung vorzusehen, ohne dass dies die Fertigungsprozesse deutlich erschwert.
In einer Ausführungsform erfolgt die Temperaturmessung in mindestens einer Leiterschleife über eine Vierpunktmessung oder einen Band-Ende-Abgleich. Diese Messmethoden erhöhen die Genauigkeit der Messung, ohne den Aufbau deutlich zu erschweren. Es sind dann aber gegebenenfalls ein anderer Verlauf der Leiterschleife und entsprechende Anschlüsse an die Auswerteelektronik (zum Beispiel lokaler ASIC) erforderlich.
In einer Ausführungsform sind mehrere Leiterschleifen in unterschiedlichen Substratschichten angeordnet und in Reihe geschaltet. Dadurch lässt sich die Länge der Leiterschleife im heißen Bereich maximieren. Hierdurch wird auch die Widerstandsänderung bei einer Temperaturänderung sowie infolge von Materialveränderungen im Substrat erhöht. Damit wird also für beides die Messsensitivität erhöht.
In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul mindestens zwei Substrate. Eine Leistungsverdrahtung und die
Temperatursensoren/Leiterschleifen zur Temperaturmessung können dabei in einem der beiden Substrate (z. B. in unterschiedlichen Substratschichten) angeordnet sein. In Vergleich zu klassischen Anordnungen (NTC) des Temperatursensors/Leiterschleife neben einem
Leistungstransistor/Leistungshalbleiter auf einem unteren Substrat ist die Leiterschleife erfindungsgemäß sehr nahe am Hotspot und nicht im Kühlpfad angeordnet. Hierdurch kann die Maximaltemperatur des Leistungshalbleiters mit einer hohen Genauigkeit gemessen werden. Gleichzeitig erlaubt der Referenz- Temperatursensor eine genauere Ist-Temperaturbestimmung der einzelnen Temperatursensoren und eine besser Alterungserkennung der Komponenten des Leistungsmoduls.
Vorzugsweise sind mindestens ein Primär-Temperatursensor und mindestens ein Referenz-Temperatursensor in einer Wheatstone-Brücke verbunden. Es können auch mehrere Primär-Temperatursensoren (z. B. zwei oder drei) mit dem Referenz-Temperatursensor in einer Wheatstone-Brücke verbunden sein. Es können aber auch ein oder zwei Referenz-Widerstände zusammen mit dem Primär-Temperatursensor und dem Referenz-Temperatursensor verwendet werden. Die Anordnung in einer Wheatstone-Brücke erhöht grundsätzlich die Genauigkeit des Widerstandsvergleichs zu Temperaturkorrektur, Alterungsdetektion oder Feuchtigkeitsdetektion.
Vorzugsweise ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung dazu eingerichtet, über eine Widerstandsmessung zwischen zwei Leiterschleifen das Vorhandensein von Feuchtigkeit auf oder in dem Leistungsmodul zu detektieren. Eine plötzliche oder schleichende Reduktion des Widerstands zwischen zwei ursprünglich elektrisch isolierten Leiterschleifen kann einen Hinweis auf eine entstehende Feuchtigkeitsablagerung liefern bevor es zu einer Beschädigung des Leistungsmoduls durch einen Kurzschluss des Transistors kommt. Vorzugsweise wird durch den ASIC regelmäßig der elektrische Widerstand zwischen unterschiedlichen Paaren von zwei Leiterschleifen (der Primär- Temperatursensoren bzw. des Referenz-Temperatursensors) vermessen, die sich idealerweise in enger räumlicher Nachbarschaft befinden, aber durch einen Isolierstoff voneinander isoliert sind. Als Isolierstoff wirkt beispielsweise ein Packaging (auch Mold genannt) des Leistungsmoduls oder aber das Substrat / eine Substratschicht (z. B. LTCC-Keramik) selbst. Zwischen den hierdurch isolierten Leiterschleifen wird über den ASIC eine Spannung angelegt und der sich ergebende Strom gemessen um den Widerstand zu bestimmen. Der Widerstand ändert sich nun als Funktion des Feuchtigkeitsgehalts des Isolierstoffs und wird als Sensorsignal zur Integrität des Leistungsmoduls (insbesondere des Packaging und der Substratschichten) weiterverwendet. Eine Reduktion des Widerstandes unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes (z. B. unterhalb von 1 QW, 100 MW, 10 MW oder 1 MW) kann vorzugsweise von der ASIC zur Detektion eines problematischen Feuchtigkeitseintritts verwendet werden. Ausfälle können so im Vorfeld erkannt werden, bevor die Feuchtigkeit einen Hardwareausfall induziert. Bei Verwendung des zu vermessenden Bereichs auf der Oberseite des Substrats wird z. B. die Feuchtigkeit der Grenzfläche Packaging zu Substrat vermessen. Hierdurch können vortrefflich Feuchtigkeitseintritte durch z.B. Delamination erkannt werden. Bei Verwendung des zu messenden Bereichs innerhalb des Substrats (z. B. mindestens eine Leiterschleifen auf einer inneren Lage des Substrats) wird vor allem die diffusive Feuchtebeladung vermessen. Vorzugsweise ist der ASIC dazu eingerichtet, den Widerstand zwischen mehreren verschiedenen Paaren von Leiterschleifen regelmäßig zu messen, um in mehreren Bereichen des Leistungsmoduls eine Feuchtigkeitsdetektion zu ermöglichen.
Vorzugsweise umfasst das Leistungsmodul eine Rand-Leiterschleife, die im Wesentlichen entlang eines Außenrandes der Ebene des Substrats verläuft, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung dazu eingerichtet ist, über regelmäßige Widerstandsmessungen der Rand-Leiterschleife das Vorhandensein eines Bruchs im Außenrand des Substrats durch eine
Widerstandserhöhung zu detektieren. Mit der Ebene des Substrats ist hier z. B. eine im Wesentlichen ebene Quaderform des Leistungsmoduls gemeint. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann dazu eingerichtet, sein über regelmäßige Widerstandsmessungen der Rand-Leiterschleife das Vorhandensein eines Bruchs im Außenrand des Substrats durch eine
Widerstandserhöhung zu detektieren. Die Rand-Leiterschleife kann die Leiterschleife des Referenz-Temperatursensors sein oder eine zusätzliche Leiterschleife, die primär zur Brucherkennung dient.
Die Brucherkennung mittels Widerstandsmessung und Detektion von Abrupten Anstiegen über einen Widerstands-Grenzwert (z. B. 1 MW) in einzelnen Leiterschleifen kann aber auch in jeder anderen Leiterschleife des Leistungsmoduls verwendet werden (z. B. für den Leistungstransistoren zugeordneten Leiterschleifen).
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls in einer Ansicht von der Oberseite des Leistungsmoduls,
Figur 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Leistungsmoduls in Querschnittsansicht,
Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Leistungsmoduls in einer Ansicht von der Oberseite des Leistungsmoduls und
Figur 4 beispielhafte zeitliche Widerstandsverläufe beim Auftreten eines Bruchs im Leistungsmodul bzw. bei Einlagerung von Flüssigkeit.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1, umfassend ein Substrat 2 sowie mehrere (hier lediglich exemplarisch zwei) auf einer Unterseite des Substrates 2 angeordnete Leistungstransistoren 3. Figur 1 zeigt eine Ansicht von der Oberseite des Substrates 2 und die Leistungstransistoren 3 auf der gegenüberliegenden Unterseite bzw. in einer inneren Substratschicht sind daher lediglich gestrichelt dargestellt.
Das Leistungsmodul 1 umfasst fünf mit dem Substrat 2 verbundene Leistungsanschlüsse 4, 5, 6. Die Leistungsanschlüsse 4, 5, 6 können beispielsweise mit je einem Source 7 und einem Gate 14 (jeweils gestrichelt eingezeichnet, da auf der Unterseite des Substrats oder in das Substrat eingebettet) je eines Leistungstransistors 3 verbunden sein. Die Leistungsanschlüsse 4 können beispielsweise eine Versorgungsspannung liefern, der Leistungsanschluss 5 kann beispielsweise eine Masse bereitstellen und die Leistungsanschlüsse 6 können Phasenanschlüsse sein. Eine entsprechende Steuerelektronik auf dem Substrat 2 ist hier der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Erfindungsgemäß sind hier Primär-Temperatursensoren umfassend Leiterschleifen 8 zur Temperaturmessung auf einer den Leistungstransistoren 3 gegenüberliegenden Oberseite des Substrats 2 angeordnet.
Die Leiterschleifen 8 weisen einen mäandernden Verlauf auf, wodurch sich die Leiterstrecke unter Einfluss der erhöhten Temperatur vergrößern und damit beispielsweise ein möglichst großer Absoluteffekt auf den Widerstand der Leiterschleifen 8 erzielen lässt. Gleichzeitig können Materialveränderungen und damit Widerstandsveränderungen ebenfalls in einem größeren Bereich detektiert werden.
Die Leiterschleifen 8 sind hier im Wesentlichen gegenüber der gesamten Fläche des jeweiligen Leistungstransistors 3 angeordnet. Die Leiterschleifen 8 können aber auch eine größere Fläche als die Fläche des jeweiligen Leistungstranstors 3 abdecken (z.B. eine um 10-100% größere Fläche), um die gemessene absolute Widerstandsänderung zu vergrößern.
Alternativ kann die Fläche, die von der Leiterschleife 8 des Primär- Temperatursensors abgedeckt wird, eine andere sein. Die Leiterschleife 8 kann z.B. im Wesentlichen nur die Fläche des Source 7 des Leistungstransistors 3 bedecken und also beispielsweise nicht das Gate 14. Bei einem Feldeffekttransistor ist der Source 7 üblicherweise die stärkste Wärmequelle und die Leiterschleife 8 kann für eine optimale Sensitivität daher nur gegenüber dem Source 7 angeordnet sein. Die Leiterschleifen können aber auch alternativ gegenüber einem anderen Teil des Leistungstransistors 3 angeordnet sein. Es kann aber auch eine Leiterschleife mehrere Leistungstransistoren 3 abdecken (auch wenn dies eine selektive Alterungserkennung erschwert).
Weiterhin umfasst das Leistungsmodul 1 einen Referenz-Temperatursensor, umfassend eine Leiterschleife 17, zur Bereitstellung einer Vergleichstemperatur von allen Leistungstransistoren 3, die beabstandet auf der Oberseite (oder alternativ auf einer der inneren Substratschichten) angeordnet sind.
Das Leistungsmodul 1 umfasst eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 9 (ASIC), die mit beiden (allen) Leistungstransistoren 3 sowie mit den zwei (allen) entsprechenden Leiterschleifen 8 verbunden ist. Die ASIC 9 kann dann beispielsweise über eine Einzelgate-Steuerung die einzelnen Leistungstransistoren 3 regeln, um die Temperaturbelastung der Leistungstransistoren 3 (momentan oder über die Zeit) anzugleichen und damit die Gesamtlebensdauer des Leistungshalbleiters zu erhöhen. Die ASIC 9 kann auf der Unterseite oder der Oberseite des Substrats angeordnet sein (hier beispielsweise auf der Oberseite). Im letzteren Fall können die Leiterschleifen 8 beispielsweise über Durchkontaktierungen (Vias) mit der ASIC 9 verbunden sein.
Das Leistungsmodul umfasst außerdem einen Primär-Temperatursensor, umfassend eine Leiterschleife 18, die auf einer der mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 9 gegenüberliegenden Seite des Substrats oder in einer unterhalb oder oberhalb der mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 9 angeordneten inneren Substratschicht 12 angeordnet ist. Die Leiterschleife 18 ist hier dementsprechend auch gestrichelt dargestellt, da sie hier nicht auf der Oberseite verläuft. Sofern der ASIC 9 auf einer inneren Substratschicht 12 oder der Unterseite des Substrats 2 angeordnet ist, kann die Leiterschleife 18 auch an der Oberseite angeordnet sein.
Die Leiterschleifen 8, 17, 18 können über mehrere Lagen mit
Durchkontaktierungen (Vias) verbunden und geführt sein, um die Länge im heißen Bereich über dem Leistungstransistor (z.B. MOSFET) bzw. dem ASIC 9 zu maximieren. Hierdurch kann auch allgemein die Widerstandsänderung der Leiterschleifen 8, 17, 18 bei Temperaturänderungen oder Materialveränderungen erhöht und damit die Sensitivität der Erfindung verbessert werden.
Die Leiterschleifen 8, 17, 18 sind mit der ASIC 9 hier nur beispielhaft an den beiden Enden der Leiterschleifen 8, 17, 18 verbunden, aber es sind auch andere Anschlussarten möglich (zum Beispiel für eine Vierpunktmessung), um eine höhere Genauigkeit der Widerstandsmessung zu ermöglichen. Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1 im Querschnitt durch beide Leiterschleifen 8 und beide Leistungstransistoren 3 sowie durch die Leiterschleife 18 des Primär- Temperatursensors des ASIC 9. Die Oberseite des Substrats 2 ist in Fig. 2 links angeordnet. Der Referenz-Temperatursensor ist hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt (da z. B. nicht geschnitten), aber vorhanden.
Die Leiterschleifen 8 umfassen hier je zwei Leiterschleifenabschnitte 10, 11 in zwei verschiedenen Substratschichten 12 für jeden Leistungstransistor 3 (entsprechend für die Leiterschleife 18 bzw. potentiell für die nicht dargestellte Leiterschleife 17). Ein mäandernder Verlauf der Leiterschleifenabschnitte 10, 11 ist in dieser Ansicht nur zu erahnen, da jede Leiterschleife (lediglich beispielhaft) dreizehnfach geschnitten wird. Das Leistungsmodul 1 umfasst hier ein erstes Substrat 2 und ein zweites Substrat 15. Das erste Substrat 2 umfasst hier vier Substratschichten 12, es sind aber auch zwei, drei, fünf oder mehr Substratschichten 12 möglich. Die Leistungstransistoren 3 sind zwischen den zwei Substraten 2, 15 eingebettet (gewissermaßen in Sandwichbauweise).
Die Leiterschleifenabschnitte 10, 11 sind über Durchkontaktierungen 13 (Vias) zwischen den Substratschichten 12 verbunden. Die Leistungstransistoren 3 sind weiterhin mit Leistungsverdrahtungen 16 verbunden, die insbesondere in den an die Leistungstransistoren angrenzenden 1-2 Substratschichten 12 angeordnet sind. Die Leistungsverdrahtungen 16 befinden sich dabei in unterschiedlichen Substratschichten 12 als die Leiterschleifen 8 der Primär-Temperatursensoren zur Temperaturmessung / Alterungsdetektion.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1, das sich lediglich dadurch den dem Leistungsmodul 1 der Figur 1 unterscheidet, dass es eine Rand-Leiterschleife 19 umfasst, die im Wesentlichen entlang eines Außenrandes der Ebene des Substrats 2 verläuft. Mit der Ebene des Substrats ist hier die im Wesentlichen ebene Quaderform des Leistungsmoduls 1 gemeint, auf die in Figur 3 senkrecht geblickt wird. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 9 ist dazu eingerichtet, über regelmäßige Widerstandsmessungen der Rand-Leiterschleife 19 das Vorhandensein eines Bruchs im Außenrand des Substrats 2 durch eine Widerstandserhöhung zu detektieren. Die Rand-Leiterschleife 19 kann die Leiterschleife des Referenz-Temperatursensors sein (z. B. statt der auch hier dargestellten Leiterschleife 17) oder (wie hier dargestellt) eine zusätzliche Leiterschleife primär zur Brucherkennung. Entsprechend kann alternativ zu Figur 3 auch auf die Leiterschleife 17 verzichtet werden, und die Leiterschleife 19 sowohl für den Referenz-Temperatursensor, als auch für die Brucherkennung Verwendung finden.
Figur 4 veranschaulicht, wie aus der zeitlichen Entwicklung der gemessenen Widerstände nicht nur die Alterung des Leistungsmoduls (wie zuvor beschrieben primär über die Drift der Temperaturdifferenz zwischen Primär-Temperatursensor und Referenz-Temperatursensor) sondern auch auf ein Bruch im Material des Leistungsmoduls 1 und/oder ein eindringen von Feuchtigkeit in das Leistungsmodul 1 detektiert werden kann.
Einerseits ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung dazu eingerichtet, über eine Widerstandsmessung zwischen zwei Leiterschleifen das Vorhandensein von Feuchtigkeit auf oder in dem Leistungsmodul 1 zu detektieren. Dies ist schematisch mit der Strich-Punkt-Kurve in Figur 4 dargestellt. Zunächst ist der Widerstand zwischen den zwei Leiterschleifen sehr hoch (vereinfach als unendlich dargestellt). Wenn nun im Laufe der Betriebsjahre des Leistungsmoduls 1 eine Beschädigung des Packagings oder des Substrats selbst auftritt, kann gegebenenfalls nach und nach Feuchtigkeit eindringen, wodurch sich der Widerstand zwischen den Leiterschleifen langsam reduzieren kann. Unterschreitet der Widerstand einen Grenzwert (hier beispielsweise gestrichelt bei 1 MW), so kann das Leistungsmodul (z. B. das ASIC) eine Warnung ausgeben um einen sonst gegebenenfalls folgenden kompletten Kurzschluss (mit Beschädigung anderer Komponenten) zu vermeiden. Die Feuchtebestimmung durch Widerstandsänderung erfolgt hier also graduell und liegt in einer Reduktion des Widerstands zwischen zwei verschiedenen Leiterschleifen (die zunächst elektrisch isoliert sind), während zur Alterungsdetektion die jeweils in zwei verschiedenen Schleifen gemessen temperaturabhängigen Widerstände jeweils zur Temperaturbestimmung verwendet werden und dann die Temperaturmesswerte zur Bestimmung einer relativen Drift verwendet werden um die Alterung der stärker belasteten Leiterschleife zu ermitteln.
Fig. 4 veranschaulicht außerdem noch die Bruchdetektion durch den Widerstandsverlauf der durchgezogenen Linie. Das Leistungsmodul umfasst dazu beispielsweise eine Rand-Leiterschleife 19 wie in Figur 3. Prinzipiell ist die Bruchdetektion aber für jede Leiterschleife verwendbar. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 9 ist dazu eingerichtet, über regelmäßige Widerstandsmessungen einer einzelnen Leiterschleife das Vorhandensein eines Bruchs (z. B. im Außenrand des Substrats) durch eine (plötzliche) Widerstandserhöhung zu detektieren. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 9 kann dazu eingerichtet, sein über regelmäßige
Widerstandsmessungen der Rand-Leiterschleife das Vorhandensein eines Bruchs im Außenrand des Substrats durch eine Widerstandserhöhung über einen Grenzwert (z. B. 1 MW wie hier beispielhaft dargestellt) zu detektieren. Der Widerstand der Leiterschleife ist hier anfänglich sehr gering (vereinfacht als praktisch null dargestellt in der durchgezogenen Linie) und steigt dann durch einen Bruch in der Leiterschleife (und im umgebenden Substrat) plötzlich auf deutlich über 1 MW (vereinfach als unendlich dargestellt) an, was dem ASIC 9 einen Bruch der Leiterschleife signalisiert. Hier wird also zur Bruchdetektion der Widerstand einer einzelnen Leiterschleife (ohne Vergleich zu anderen Leiterschleifen wie bei Alterungs- bzw. Feuchtigkeitsdetektion) gemessen.

Claims

Ansprüche
1. Leistungsmodul (1) umfassend ein Substrat (2) sowie mindestens einen auf dem Substrat (2) angeordneten Leistungstransistor (3), sowie mindestens einen im Leistungsmodul (1) angeordneten Temperatursensor, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Primär-Temperatursensor auf einer dem mindestens einen Leistungstransistor (3) gegenüberliegenden Seite des Substrats (2) oder in einer oberhalb oder unterhalb des mindestens einen Leistungstransistors (3) angeordneten inneren Substratschicht (12) angeordnet ist, und mindestens ein Referenz-Temperatursensor zur Bereitstellung einer Vergleichstemperatur von allen Leistungstransistoren (3) beabstandet auf einer Seite des Substrats oder auf einer der inneren Substratschichten (12) angeordnet ist.
2. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Primär- Temperatursensor eine Leiterschleife (8) zur Temperaturmessung umfasst, die auf der dem Leistungstransistor (3) gegenüberliegenden Seite des Substrats (2) oder in einer oberhalb oder unterhalb des mindestens einen Leistungstransistors (3) angeordneten inneren Substratschicht (12) angeordnet ist.
3. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9), die mit mindestens einem Leistungstransistor (3) sowie mit dem mindestens einen dem Leistungstransistor (3) zugehörigen Primär-Temperatursensor sowie mit dem Referenz-Temperatursensor verbunden ist.
4. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 3, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9) dazu eingerichtet ist, über den Vergleich der von mindestens einem Primär-Temperatursensor und dem Referenz- Temperatursensor bereitgestellten Temperaturdaten ein Maß für die Alterung des Leistungstransistors (3) zu berechnen.
5. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9) mit mindestens zwei Leistungstransistoren (3) sowie mit den mindestens zwei entsprechenden Primär-Temperatursensoren verbunden ist.
6. Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, umfassend mindestens einen Primär-Temperatursensor, der auf einer der mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (9) gegenüberliegenden Seite des Substrats oder in einer unterhalb oder oberhalb der mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (9) angeordneten inneren Substratschicht (12) angeordnet ist.
7. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9) so eingerichtet ist, dass sie die Auslastung der mindestens zwei Leistungstransistoren (3) so steuert, dass die über die Primär-Temperatursensoren gemessenen Temperaturen möglichst gleich sind.
8. Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9) so eingerichtet ist, dass sie mindestens eine aktive Kühleinrichtung des Leistungsmoduls so steuert, dass die über die Primär-Temperatursensoren gemessenen Temperaturen möglichst gleich sind.
9. Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, umfassend mindestens einen Primär-Temperatursensor mit mindestens einer Leiterschleife (18), die an einer Belastungszone des Substrats (2) angebracht ist, wobei die Leiterschleife mit der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (9) verbunden ist, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9) dazu eingerichtet ist, aus einer zeitlichen Entwicklung des elektrischen Widerstands der Leiterschleife (18) ein Maß für eine Alterung oder Beschädigung der Belastungszone zu berechnen.
10. Leistungsmodul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend mindestens einen Leistungshalbleiter, sowie mindestens einen Primär- Temperatursensor, der auf einer dem mindestens einen Leistungshalbleiter gegenüberliegenden Seite des Substrats oder in einer oberhalb oder unterhalb des mindestens einen Leistungshalbleiters angeordneten inneren Substratschicht (12) angeordnet ist.
11. Leistungsmodul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Primär-Temperatursensor und mindestens ein Referenz- Temperatursensor in einer Wheatstone-Brücke verbunden sind.
12. Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9) dazu eingerichtet ist, über Widerstandsmessungen zwischen zwei Leiterschleifen das Vorhandensein von Feuchtigkeit auf oder in dem Leistungsmodul zu detektieren.
13. Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, wobei das Leistungsmodul eine Rand-Leiterschleife (19) umfasst, die im Wesentlichen entlang eines Außenrandes der Ebene des Substrats (2) verläuft, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (9) dazu eingerichtet ist, über regelmäßige Widerstandsmessungen der Rand-Leiterschleife (19) das Vorhandensein eines Bruchs im Außenrand des Substrats durch eine Widerstandserhöhung zu detektieren.
PCT/EP2022/055254 2021-03-05 2022-03-02 Leistungsmodul mit alterungserkennung WO2022184764A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202280032889.4A CN117255933A (zh) 2021-03-05 2022-03-02 具有老化识别的功率模块

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021202150.6A DE102021202150A1 (de) 2021-03-05 2021-03-05 Leistungsmodul mit Alterungserkennung
DE102021202150.6 2021-03-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022184764A1 true WO2022184764A1 (de) 2022-09-09

Family

ID=80739096

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/055254 WO2022184764A1 (de) 2021-03-05 2022-03-02 Leistungsmodul mit alterungserkennung

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN117255933A (de)
DE (1) DE102021202150A1 (de)
WO (1) WO2022184764A1 (de)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090166794A1 (en) * 2007-12-31 2009-07-02 Anthony Mowry Temperature monitoring in a semiconductor device by thermocouples distributed in the contact structure
DE102013211038B3 (de) * 2013-06-13 2014-10-16 Siemens Aktiengesellschaft Bereitstellen einer Information über einen Alterungszustand eines Halbleiterbauelements
US20180088169A1 (en) * 2015-01-23 2018-03-29 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor device evaluation jig, semiconductor device evaluation apparatus, and semiconductor device evaluation method
DE102018201844A1 (de) * 2018-02-06 2019-08-08 Siemens Aktiengesellschaft Leistungsmodul und leistungselektronische Schaltung mit einem solchen Leistungsmodul
US20190285689A1 (en) * 2016-02-03 2019-09-19 Mitsubishi Electric Corporation Method and device for estimating level of damage or lifetime expectation of power semiconductor module

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19522126C2 (de) 1995-06-19 1999-01-28 Hella Kg Hueck & Co Elektronischer Lastschalter für ein Kraftfahrzeug, beispielsweise Blinkgeber
KR101752829B1 (ko) 2010-11-26 2017-06-30 삼성전자주식회사 반도체 장치
CH704815A1 (de) 2011-03-30 2012-10-15 Inficon Gmbh Gasdruckmesszellenanordnung.
DE102013212925A1 (de) 2013-07-03 2015-01-08 Zf Friedrichshafen Ag Kontrollvorrichtung und Verfahren zum Überwachen einer Funktion eines Halbleiterbauelements während dessen Betrieb sowie Elektrische Baugruppe mit einer Kontrollvorrichtung
DE102013213448B4 (de) 2013-07-09 2021-12-09 Siemens Aktiengesellschaft Elektronikbaugruppe mit Leistungshalbleiter
CN110967549B (zh) 2018-12-04 2020-11-24 宁德时代新能源科技股份有限公司 电流采样方法和电流采样电路

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090166794A1 (en) * 2007-12-31 2009-07-02 Anthony Mowry Temperature monitoring in a semiconductor device by thermocouples distributed in the contact structure
DE102013211038B3 (de) * 2013-06-13 2014-10-16 Siemens Aktiengesellschaft Bereitstellen einer Information über einen Alterungszustand eines Halbleiterbauelements
US20180088169A1 (en) * 2015-01-23 2018-03-29 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor device evaluation jig, semiconductor device evaluation apparatus, and semiconductor device evaluation method
US20190285689A1 (en) * 2016-02-03 2019-09-19 Mitsubishi Electric Corporation Method and device for estimating level of damage or lifetime expectation of power semiconductor module
DE102018201844A1 (de) * 2018-02-06 2019-08-08 Siemens Aktiengesellschaft Leistungsmodul und leistungselektronische Schaltung mit einem solchen Leistungsmodul

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021202150A1 (de) 2022-09-08
CN117255933A (zh) 2023-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102010029147B4 (de) Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines Leistungshalbleiters
DE112013007670B4 (de) Halbleitervorrichtung
DE102014106695B4 (de) Leistungstransistor mit integriertem temperatursensorelement, leistungstransistorschaltkreis, verfahren zum betrieb eines leistungstransistors und verfahren zum betrieb eines leistungstransistorschaltkreises
DE60028282T2 (de) Leistungshalbleitermodul
DE102011050122A1 (de) DIREKTE SPERRSCHICHTTEMPERATURMESSUNG EINES LEISTUNGS-MOSFETs (N-TYP)
DE102008023216A1 (de) Verfahren zur Betriebstemperaturmessung eines MOS-gesteuerten Halbleiterleistungsbauelementes und Bauelement zur Ausführung des Verfahrens
DE19548060A1 (de) Durch Feldeffekt steuerbares Leistungs-Halbleiterbauelement mit Temperatursensor
WO2009141347A1 (de) Betriebstemperaturmessung eines mos-leistungsbauelements und mos bauelement zur ausfuehrung des verfahrens
DE102011004353A1 (de) Leiterplatte mit einer Überwachungselektronik zur Überwachung von Batteriezellen, sowie damit ausgestatteter elektrischer Energiespeicher
EP1305803B1 (de) Integrierte schaltung mit temperatursensor
US7109722B2 (en) Apparatus and method for PCB smoke and burn detection and prevention
WO2022184764A1 (de) Leistungsmodul mit alterungserkennung
WO2009141365A2 (de) Ortsbezogene einstellung von betriebstemperaturverteilung oder leistungsverteilung eines halbleiter-leistungsbauelements und bauelement zur durchfuehrung des verfahrens
DE102008022201B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Messen einer lokalen Oberflächentemperatur eines Halbleiterbauelements
EP3295190B1 (de) Anordnung von leitbahnen, vorrichtung und verfahren zur fehlerbestimmung einer halbleiterschaltung
EP4127633B1 (de) Leistungsmodul
DE102014201781A1 (de) Anordnung und verfahren zum messen der chiptemperatur in einem leistungshalbleitermodul
DE102008044411A1 (de) Integrierte Schaltung mit einem Leistungs-MOS-Transistor
DE102008057607B4 (de) Thermoelektrische Leistungsmesszelle und entsprechendes Messverfahren
EP2254215B1 (de) Schaltungsanordnung
DE102012008999B3 (de) Verfahren zur Steuerung einer Leistungszufuhr und Vorrichtung
EP1801548B1 (de) Vorrichtung zur Messung und/oder Überwachung der Temperatur und/oder des Durchflusses eines Mediums
DE102009045068A1 (de) Halbleiteranordnung und Verfahren zur Ermittlung der Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelementes
DE102020100385A1 (de) Leistungsmodul für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug
DE102015121577B4 (de) Verfahren zur erkennung eines sich abzeichnenden ausfalls eines halbleiterchips eines halbleitermoduls und halbeitermodulanordnung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22710038

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18548435

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22710038

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1