Halbleitersehaltgerate

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterschaltgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Halbleiterschaltgeräte kommen dann zur Anwendung, wenn es darum geht, bei Betriebsspannungen von einigen hundert Volt, Ströme von mehreren zehn Ampere häufig und nahezu geräuschlos zu schalten. Die in solchen Halbleiterschaltgeräten einge¬ setzten Leistungshalbleitermodule, wie zum Beispiel Thy¬ ristormodule oder IGBT-Module, sind sehr robust und weisen daher eine sehr hohe Lebensdauer auf.

Jedes Halbleiterschaltgerät ist für einen bestimmten Be¬ triebsspannungsbereich und Strombereich spezifiziert. Um die¬ se elektrischen Spezifikationen auch bei hohen Schalthäufig¬ keiten einhalten zu können, muss die, während des Schaltens im Leistungshalbleitermodul, entstehende Wärme abgeführt wer¬ den. Über entsprechend dimensionierte Kühlkörper wird die Wärme abgeführt und damit eine wesentliche Temperaturerhöhung im Thyristormodul vermieden. Dadurch können die, für das Halbleiterschaltgerät festgelegten, Spezifikationen eingehal- ten werden, so dass dessen sicherer Betrieb gewährleistet ist.

Zur Erfassung der Temperatur sind in Halbleiterschaltgeräten zudem Temperaturmesssensoren vorgesehen. Temperaturerhöhungen in Größenordnungen, welche die festgelegten elektrischen Spe¬ zifikationen des Halbleiterschaltgerätes einschränken, können so erkannt werden. Um entsprechend schnell auf eine Tempera¬ turerhöhung reagieren zu können, muss die Temperaturmessung möglichst präzise, das heißt genau und zeitnah erfolgen. Zu große Abstände zwischen dem Ort der Temperaturentstehung, hier in aller Regel der Sperrschicht des Leistungshalbleiter¬ moduls, und dem Ort des Temperaturmesssensors haben einen großen Wärmeübergangswiderstand zur Folge. Die daraus resul¬ tierende hohe Zeitkonstante wirkt sich negativ auf eine zeit¬ nahe Auswertung des vom Temperaturmesssensor ermittelten Messsignals aus. Um die Sperrschichttemperatur zeitnah zu er- fassen, muss der Temperaturmesssensor unmittelbar und damit potentialgebunden am Leistungshalbleiter angebracht werden Das kann aber dazu führen, dass aufgrund der, an dem Leis¬ tungshalbleitermodul vorhandenen, hohen Spannungspotentiale das Messsignal mit Störsignalen beaufschlagt und damit die Auswertung des Messsignals erschwert wird.

Derzeit werden Leistungshalbleitermodule in Halbleiterschalt¬ geräte im Wesentlichen mittels der so genannten Bonding- Technologie aufgebaut. Alternativ dazu kann ein solches Leis- tungshalbleitermodul auch mittels so genannter Planar- Technologie aufgebaut werden. Solch ein planarer Aufbau ist beispielsweise aus der WO 03/030247 bekannt. Dabei werden auf ein Basissubstrat, das aus einer Keramikbasis mit beidseitig aufgebrachten Kupferschichten besteht, Halbleiterbauelemente aufgebracht. Über weitere auf die Oberfläche aufgebrachte Schichten aus elektrisch isolierenden und elektrisch leiten¬ den Materialien werden die Halbleiterbauelemente dann flächig und ohne zusätzliche Drähte kontaktiert. Durch die Verwendung solcher in Planar-Technologie ausgeführter Leistungshalblei- termodule können so in Zukunft Halbleiterschaltgeräte einfa¬ cher und kompakter hergestellt werden. Aber auch hier besteht das Bedürfnis, zur Einhaltung der, für das Halbleiterschalt¬ gerät festgelegten elektrischen Spezifikationen eine mög¬ lichst präzise Temperaturmessung durchzuführen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Halb¬ leiterschaltgerät mit einem in Planar-Technologie ausgeführ¬ ten Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, das eine mög¬ lichst präzise Temperaturmessung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Halbleiterschaltgerät mit einem in Planar-Technologie ausgeführten Leistungshalb- leitermodul, wobei das Leistungshalbleitermodul ein Basissub¬ strat, bestehend aus Keramikbasis mit zumindest einer darauf aufgebrachten Kupferschicht, und zumindest ein, an einer Oberfläche der Kupferschicht angebrachtes, Leistungshalblei- terbauelement, und eine, zumindest auf einer freien Oberflä¬ che der Kupferschicht und einer freien Oberfläche des Leis¬ tungshalbleiterbauelementes, auflaminierte Isolierfolie auf¬ weist, bei dem in einem Bereich der auflaminierten Isolierfo¬ lie, der die Oberfläche der Kupferschicht umfasst, ein Tempe- raturmesssensor an der, der Kupferschicht abgewandten, Ober¬ fläche der Isolierfolie angebracht ist.

Somit ist der Temperaturmesssensor unmittelbar am, das heißt auf oder direkt neben dem Leistungshalbleiterbauelement und damit nahe der Wärmequelle angebracht. Durch diese Anordnung und die durch die Isolierfolie bewirkte Potentialtrennung zwischen Temperaturmesssensor und Leistungshalbleiterbauele¬ ment ist eine präzise Temperaturmessung möglich.

Die durch die elektrisch isolierende Isolierfolie bewirkte galvanische Trennung und die damit erreichte Potentialtren¬ nung zwischen Leistungshalbleitermodulchip und Temperatur¬ messsensor ermöglicht eine potentialfreie Temperaturmessung. Aufwendige Messschaltungen zum Filtern von, das Temperatur- messsignal beeinflussenden, Spannungspotentialen des Schalt¬ kreises können so vermieden werden.

Ist der Temperaturmesssensor innerhalb des Bereichs an der Stelle angebracht, die genau dem Ort des Leistungshalbleiter- bauelementes entspricht, so ist der Temperaturmesssensor nur durch die Isolierfolie von der zu messenden Wärmequelle, hier der Sperrschicht des Leistungshalbleitermoduls, getrennt. Der Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Ort der zu messenden Temperatur und dem Temperaturmesssensor ist somit im Wesent- liehen nur durch die Isolierfolie bestimmt und damit weitest- gehend reduziert. Aufgrund der dadurch resultierenden, rela¬ tiv kleinen Zeitkonstante ist eine besonders zeitnahe und präzise Messung der Temperatur der Sperrschicht möglich. Eine möglicherweise auftretende Temperaturerhöhung in der Sperr¬ schicht, welche die Spezifikationen des Halbleiterschaltgerä¬ tes beeinflussen könnte, kann so bestmöglichst erkannt wer- den.

In der Regel wird es aber ausreichen, wenn der Temperatur¬ messsensor unmittelbar am Leistungshalbleiterbauelement und damit nahe der Wärmequelle angebracht ist. So ist bereits dann, wenn der Temperaturmesssensor direkt neben dem Leis¬ tungshalbleiterbauelement, auf der freien Oberfläche der Kup¬ ferschicht, das heißt dem Teil der Oberfläche der Kupfer¬ schicht, die nicht vom darauf aufgebrachten Leistungshalblei¬ terbauelement belegt ist, angebracht ist, eine präzise Tempe- raturmessung möglich. Durch die direkte Verbindung des Leis¬ tungshalbleiterbauelementes mit der Kupferschicht wird näm¬ lich die im Leistungshalbleiterbauelement erzeugte Wärme auch an diese Kupferschicht übertragen, und kann somit auch durch einen an der Kupferschicht angebrachten und durch die Iso- lierfolie von der Kupferschicht getrennten Temperaturmesssen- sor noch hinreichend genau erfasst werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungen und bevorzugte Weiterbil¬ dungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen derselben wer¬ den im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher be¬ schrieben. Es zeigen:

FIG 1 in seitlicher Darstellung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterschaltgerätes,

FIG 2 in Draufsicht eine Ausgestaltung des Leistungshalb¬ leitermoduls des Halbleiterschaltgerätes,

FIG 3 zeitliche Temperaturverläufe in der Sperrschicht und am Temperaturmesssensor. Der in FIG 1 schematisch dargestellte Aufbau eines Halblei¬ terschaltgerätes 1 weist ein in Planar-Technologie ausgebil¬ detes Leistungshalbleitermodul 10 auf. Das Verfahren zur Aus- bildung von Leistungshalbleitermodulen in Planar-Technologie, wie beispielsweise des nachfolgend beschriebenen Thyristormo¬ duls 10, kann der WO 03/030247 entnommen werden.

Ein nach diesem Verfahren ausgebildetes Leistungshalbleiter- modul 10, weist ein Basissubstrat auf. Dieses besteht im We¬ sentlichen aus einer Keramikbasis 110 mit beidseitig ange¬ brachten Kupferschichten 120 und 130. Auf einer Oberfläche 131 des Basissubstrats 110-130 ist ein Leistungshalbleitermo- dulchip 140 aufgebracht.

Ist der Leistungshalbleitermodulchip 140 ein Thyristorchip, dann ist dieser mit einer nicht dargestellten, dem Basissub¬ strat zugewandten Kontaktfläche auf die Kupferschicht 130 des Basissubstrats aufgebracht. Dieser Kontaktfläche gegenüber- liegend befinden sich, an der dem Basissubstrat abgewandten Oberfläche des Leistungshalbleitermodulchips 140, weitere (auch nicht näher dargestellte) Kontaktflächen. Der Thy¬ ristorchip 140 kann somit so auf die Kupferschicht 130 aufge¬ lötet werden, dass sein Anoden-Anschluss direkt auf der Kup- ferschicht 130 und sein Kathoden-Anschluss auf der, der Kup¬ ferschicht 130 abgewandten Seite zum Liegen kommt. Der Thy¬ ristorchip kann so mit seinem Anoden-Anschluss über die Kup¬ ferschicht 130 direkt und mit seinem Kathoden-Anschluss über weitere in Planar-Technologie ausgebildete Schichten mit wei- teren Bauelementen und/oder Anschlusssystemen im Halbleiter¬ schaltgerät 10 verbunden werden.

Zumindest auf Teile der Oberfläche 111 und 131 des Basissub¬ strats 110-130 und auf die Oberfläche 141 des auf das Basis- substrat gelöteten Leistungshalbleitermodulchips 140 ist eine Isolierfolie 150 auflaminiert. Diese Isolierfolie 150 kann aus beliebigen Thermoplasten und Duroplasten, wie beispiels- weise Kunststoffmaterialen auf Polyamid- oder Epoxidbasis, bestehen und weist vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 500μm auf.

Das in FIG 1 dargestellte Halbleiterschaltgerät 1 weist neben dem zuvor beschriebenen Leistungshalbleitermodul 10 ein Ge¬ häuse 30 sowie einen Kühlkörper 40 auf. Das als Thyristormo¬ dul ausgebildete Leistungshalbleitermodul 10 ist dabei vom Gehäuse 30 umschlossen. Auf der Oberfläche 121 des Basissub- strats 110-130, die der Oberfläche 111 mit aufgebrachtem Thy¬ ristorchip 140 gegenüberliegt, ist der Kühlkörper 40 so ange¬ bracht, dass er zumindest teilweise aus dem Gehäuse 30 her¬ ausragt. Dieser Kühlkörper dient zur Wärmeabfuhr der beim Schalten im Thyristormodul 10 entstehenden Wärme. Zur besse- ren Wärmeabfuhr ragt der Kühlkörper 40 dabei zumindest teil¬ weise aus dem Gehäuse 30 heraus.

Um eine möglichst präzise Temperaturmessung im Gehäuse 30 des Halbleiterschaltgerätes 10, insbesondere am Ort der Wärme- quelle, zu erzielen, ist nun erfindungsgemäß in einem Bereich 151 Λ der auflaminierten Isolierfolie 150, der durch die Ober¬ fläche 131 der Kupferschicht 130 bestimmt ist, ein Tempera¬ turmesssensor 20 an der, der Kupferschicht 130 abgewandten, Oberfläche 151 der Isolierfolie 150 angebracht. Durch den daraus resultierenden geringen Abstand zwischen dem ange¬ brachten Temperaturmesssensor 20 und der Wärmequelle, nämlich der Sperrschicht des Leistungshalbleitermodulchips 140, ist nun eine zeitnahe und durch die isolierenden Eigenschaften der Isolierfolie 150 zudem eine genaue und damit präzise Tem- peraturmessung möglich.

FIG 3 zeigt beispielhaft den ermittelten zeitlichen Tempera¬ turverlauf in der Sperrschicht und in einem Temperaturmess¬ sensor, der an zwei verschiedenen Orten auf dem Basissubstrat angeordnet ist. Ausgehend von einer typischerweise lOOμm di¬ cken Isolierfolie auf Epoxidharzbasis wurde ein Thyristorchip einem Verlustleistungssprung von circa 65 Watt ausgesetzt. Die Kennlinie TS zeigt den daraus resultierenden zeitlichen Verlauf der Sperrschichttemperatur. Die Kennlinie TE zeigt den ermittelten zeitlichen Temperaturverlauf am Temperatur¬ messsensor, wenn dieser unmittelbar auf dem Halbleiterbauele- ment 140 angeordnet ist. Zum Vergleich zeigt der Temperatur¬ verlauf TN den zeitlichen Verlauf, wenn der Temperaturmess¬ sensor weiter weg von der Wärmequelle, das heißt außerhalb des Bereichs 151', der die Oberfläche 131 der Kupferschicht 130 umfasst, angeordnet ist.

Der auf dem Thyristorchip angebrachte Temperatursensor misst bereits nach knapp 3 Sekunden die Sperrschichttemperatur mit einem Fehler kleiner 10 % und ist damit ausreichend schnell für einen Überlastschutz des Leistungshalbleiters, wie sie beispielsweise für Sanftstarteranwendungen benötigt werden. Wird zusätzlich die Anstieggeschwindigkeit des vom Tempera¬ tursensor gemessenen Temperaturverlaufs ausgewertet, lässt sich die Ansprechzeit des Überlastschutzes noch einmal deut¬ lich verkürzen. So kann bereits nach ca. 0,5 Sekunden ein deutlicher Temperaturanstieg mit dem Temperatursensor gemes¬ sen und, sofern dieser Temperaturanstieg einen vorgegebenen Wert übersteigt, das Halbleiterschaltgerät abgeschaltet wer¬ den. Der Temperaturverlauf TN zeigt dagegen ein deutlich trä¬ geres Ansprechverhalten und zudem, dass die Thyristorchipend- temperatur überhaupt nicht erreicht wird.

Werden, wie in FIG 2 dargestellt, auf der, der Kupferschicht 130 abgewandten Oberfläche 151 der Isolierfolie 150 ein oder mehrere Kontaktflächen 161,162 aus einem elektrisch leitenden Material auf die Isolierfolie 150 aufgebracht, so kann ein als SMD-Bauelement, insbesondere als SMD-Temperaturwider- stand, ausgebildeter Temperaturmesssensor 20 direkt auf diese Kontaktflächen 161, 162 aufgelötet werden. Die Kontaktflächen 161 und 162 sind dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass sie nicht nur zum Auflöten des SMD-Temperaturwiderstandes, son¬ dern auch zur Weiterführung des Messsignals, dienen. So kön¬ nen die Kontaktflächen 161 und 162 beispielsweise, so wie in FIG 2 dargestellt, bis zum Rand des Basissubstrats 110 ge¬ führt werden, um dort eine entsprechende Auswerteschaltung zum Auswerten des Messsignals anzuschließen.

Insgesamt kann gesagt werden, dass sich mit der vorliegenden Erfindung ein besonders einfacher und kompakter Aufbau eines Halbleiterschaltgeräts 1 ergibt, bei dem durch eine geeignete Temperaturmessung eine Temperaturerhöhung, insbesondere im Leistungshalbleiterbauelement, und damit eine Einschränkung der spezifizierten elektrischen Parameter des Halbleiter¬ schaltgerätes erkannt werden können. Damit erhält man ein, für die spezifizierten Spannungen und Ströme, sicheres Halb¬ leiterschaltgerät.