DE19630902B4 - Einrichtung zur Temperaturüberwachung in einer leistungselektronischen Anordnung - Google Patents

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Abstract

Einrichtung zur Temperaturüberwachung einer Leistungshalbleiteranordnung, insbesondere eines Leistungshalbleitermodules mit einer elektrisch isolierenden Trägerplatte (1), die Metallisierungsflächen (2) aufweist, auf der zumindest ein Leistungshalbleiterbauelement (3) angeordnet ist, und unter Verwendung eines temperaturabhängigen elektrischen Widerstandbauelements (4a) als Temperatursensor, dadurch gekennzeichnet, daß
a) das Widerstandsbauelement ein Silizium-Chipwiderstand (4a) mit Metallisierungen auf seinen oberen und unteren Hauptflächen ist, und
b) der Silizium-Chipwiderstand (4a) auf einer Metallisierungsfläche (2, 2a) auf der Trägerplatte (1) befestigt ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Temperaturüberwachung in einer leistungselektronischen Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • In K. Reinmuth, L. Lorenz, S. Konrad, „A New Generation of IGBT's and Concepts for their Protection", Power Conversion, June 1994 Proceedings, Seiten 139 bis 147 sind zwei prinzipielle Wege zur Durchführung einer Temperaturüberwachung in einer leistungselektronischen Anordnung beschrieben. Eine leistungselektronische Anordnung kann beispielsweise ein Leistungshalbleitermodul oder eine Anordnung mehrerer solcher Module sein. Im Aufsatz ist ein Leistungshalbleitermodul dargestellt, das eine elektrisch isolierende Trägerplatte aufweist, die elektrisch leitfähige strukturierte Metallisierungsflächen trägt und mit Leistungshalbleiterbauelementen, nämlich IGBT's bestückt ist.
  • Die erste beschriebene Methode bezieht sich auf eine indirekte Erfassung von Übertemperaturen, z.B. mittels Anordnung eines temperaturempfindlichen Bauelements auf der Trägerplatte eines Leistungshalbleitermoduls.
  • Bei der zweiten Methode wird eine möglichst direkte Messung der Temperatur eines Halbleiterbauelements durch enge räumliche Kopplung eines temperaturempfindlichen Bauelements mit der Wärmequelle angestrebt. In dem Aufsatz wird zur Durchführung der zweiten Methode eine Anordnung beschrieben, bei der ein zur Tempera turerfassung dienender Baustein mittels Kleben auf einen Leistungshalbleiterchip aufgebracht ist. Ein noch engerer Kontakt ist durch Integration eines Temperaturerfassungsbausteins mit Leistungshalbleiterchip erreichbar.
  • Eine solche enge räumliche Kopplung gemäß der zweiten Methode ist angezeigt, wenn eine sehr kleine Zeitkonstante erforderlich ist, um ein Leistungshalbleiterbauelement z.B. selektiv abschalten zu können bzw. um auf einen Kurzschlussstrom und eine daraus resultierende plötzliche Erwärmung schnell reagieren zu können. Diese Methode ist aber nicht uneingeschränkt zur Erfassung aller Fehlerarten geeignet und verursacht außerdem relativ hohe Kosten entweder bei der Herstellung spezieller Bausteine mit integrierter Temperaturerfassungseinrichtung oder bei der Montage von z.B. aufzuklebenden Bausteinen.
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperaturüberwachung nach der ersten, also indirekten Erfassungsmethode, die beispielsweise geeignet ist, das Versagen eines Kühllüfters in einer leistungselektronischen Anordnung, eine unzulässige Erwärmung aufgrund einer Abdeckung von Lüftungsschlitzen eines Gerätes, eine Erhöhung der Kühlmitteltemperatur oder eine Überlastsituation zu erkennen. Die für eine solche Überwachung geforderte Zeitkonstante ist zwar größer als bei einer Kurzschlussüberwachung, soll aber trotzdem möglichst klein sein, um Störungen mit nur kurzem Zeitverzug zu erfassen.
  • Zur Durchführung der indirekten Temperaturüberwachung werden in der Praxis oberflächenmontierte temperaturempfindliche Bausteine (SMD-Bauelemente) in leistungselektronischen Anordnungen verwendet. Nachteilig ist jedoch, dass ein solches SMD-Bauelement nicht mit seiner gesamten Fläche auf der Trägerplatte aufliegt, sondern nur über die elektrischen Anschlüsse ein Wärmekontakt zur Trägerplatte besteht. Dadurch sind Fehler bei der Erfassung der Höhe der Temperatur sowie relativ große Zeitkonstanten bedingt.
  • Die US 5 141 334 beschreibt eine Vorrichtung, bei der zur Messung der Temperatur ein Germanium-Kristall Verwendung findet, der auf seiner Ober- und Unterseite mit einer elektrischen Anschlussfläche versehen ist. Mit der unteren Anschlussfläche ist der Germanium-Kristall auf eine Anschlussfläche eines Wafers aufgebracht, wobei die elektrischen Verbindungsdrähte an die obere Anschlussfläche des Kristalls und die Anschlussfläche des Wafers angeschlossen. sind. Die Temperaturmessvorrichtung ist zum Messen von Temperaturen in einem Bereich bis zu 0,01°K bestimmt.
  • Der Artikel von Fasching, Martin: On-Line Monitoring of the Chip Temperature in IGBT Inverters for Propulsion System, EPE Journal, Vol. 5, No. 1, March 1995, S. 9–13 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur des Chips von Leistungshalbleiterbauelementen, beispielsweise IGBT's, bei dem zur Bestimmung der Temperatur des Chips die Temperatur des Halbleiterbauelements gemessen und die Chiptemperatur auf der Grundlage eines thermischen Modells berechnet wird.
  • Der Artikel von Jessen, Jürgen, STAHL, Detlef Thermo-Chips, ELRAD 1993, H.10, S. 52, 53 befasst sich mit Halbleiter-Thermosensoren zur Temperaturmessung. Der Artikel setzt sich nicht mit der Anordnung der Sensoren auf einer Platine, sondern der Schaltungstechnik auseinander.
  • Aus der JP 60-230026 AA ist bekannt, zur Erfassung der Temperatur eines Halbleiterbauelementes einen Temperatursensor in ein Halbleiterbauelement zu integrieren, das aus dem gleichen Material besteht und die gleichen Abmessungen hat, wie das Halbleiterbauelement, dessen Temperatur erfasst werden soll.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Durchführung der indirekten Erfassung von Temperaturerhöhungen im Leistungshalbleiteranordnungen anzugeben, die mit geringem Aufwand im Rahmen der üblichen Modulfertigung rea lisierbar ist und zu einer ausreichend genauen und schnellen Temperaturerfassung führt.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Temperaturüberwachung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
  • Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, einen Silizium-Chipwiderstand als temperaturabhängiges Bauelement auf der Trägerplatte eines Leistungshalbleitermoduls anzuordnen. Solche Silizium-Chipwiderstände finden bereits als Gate-Vorwiderstand für schaltbare Halbleiterkomponenten in der Modultechnik Anwendung. Silizium-Chipwiderstände tragen auf ihrer oberen und unteren Hauptfläche Metallisierungen, die ein Löten, Kleben oder Drahtbonden im Rahmen der zur Modulherstellung benutzten Technologie ermöglicht. Ein zur Temperaturüberwachung auf einer Trägerplatte anzuordnender Silizium-Chipwiderstand erfordert keinen besonderen Herstellungsschritt, da er zusammen mit den übrigen Halbleiterbauelementen bestückt und kontaktiert wird.
  • Vorteilhaft ist weiterhin, daß es sich beim Silizium-Chipwiderstand um ein sehr einfaches und preisgünstiges Siliziumbauelement handelt, dessen Charakteristik, die auch durch einen bestimmten Montageort im Modul beeinflußt wird, auf einfache Weise erfaßbar ist. Die üblicherweise verwendeten komplexen Steuerungen für leistungselektronische Einrichtungen erlauben in der Regel eine Kalibrierung, um den Startwert der Temperatur bzw. die Temperaturabhängigkeit in mehreren Punkten zu erfassen. Der Bezug des Nennwertes zu einer bestimmten Temperatur darf sich deshalb innerhalb eines relativ großen Toleranzfelds bewegen.
  • Weitere Einzelheiten zu Anordnungsmöglichkeiten für einen Silizium-Chipwiderstand zur Temperaturüberwachung in einem Leistungshalbleitermodul ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in 1 gezeigten Ausschnittes einer bestimmten Trägerplatte.
  • 1 zeigt eine elektrisch isolierende Trägerplatte 1, z.B. eine Keramikplatte, die auf ihrer oberen Hauptfläche eine zu Leiterbahnen strukturierte leitfähige Schicht 2 trägt, die eine Schaltungskonfiguration bildet. Auf Flächen der Schicht 2 sind Halb leiterbauelemente 3, Silizium-Chipwiderstände 4a, 4b und Anschlußelemente 6 plaziert. Mittels Bonddrähten 5 sind elektrische Verbindungen zwischen Chips 3, 4a, 4b und Flächen der Schicht 2 hergestellt.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der mit 4b bezeichnete Silizium-Chipwiderstand als Gate-Vorwiderstand eingesetzt. Der mit 4a bezeichnete Chipwiderstand ist als Temperatursensor potentialfrei auf einer besonderen Teilfläche 2a befestigt und mittels Bonddrähten jeweils mit weiteren potentialfrei angeordneten Teilflächen (Metallisierungsflächen) 2b, 2c verbunden, die jeweils Anschlüsse 6 tragen. Die beiden elektrischen Anschlüsse des Temperatursensors 4a sind also auf diese Weise – ohne elektrische Verbindung zu sonstigen Schaltungsteilen – über zwei Anschlüsse 6 aus einem Modul herausgeführt und für eine Auswertung der temperaturabhängigen Widerstandsänderung in einer externen Auswerteeinrichtung verfügbar.
  • Es versteht sich, daß abweichend von der beschriebenen Anordnung auch ein Anschluß eines Silizium-Chipwiderstands 4a zusammen mit anderen Leistungshalbleiterbauelementen 3 auf der selben Teilfläche der leitfähigen Schicht 2 montiert sein kann und damit das gleiche Potential, z.B. ein Massepotential aufweisen kann.
    •

Claims (3)

  1. Einrichtung zur Temperaturüberwachung einer Leistungshalbleiteranordnung, insbesondere eines Leistungshalbleitermodules mit einer elektrisch isolierenden Trägerplatte (1), die Metallisierungsflächen (2) aufweist, auf der zumindest ein Leistungshalbleiterbauelement (3) angeordnet ist, und unter Verwendung eines temperaturabhängigen elektrischen Widerstandbauelements (4a) als Temperatursensor, dadurch gekennzeichnet, daß a) das Widerstandsbauelement ein Silizium-Chipwiderstand (4a) mit Metallisierungen auf seinen oberen und unteren Hauptflächen ist, und b) der Silizium-Chipwiderstand (4a) auf einer Metallisierungsfläche (2, 2a) auf der Trägerplatte (1) befestigt ist.
  2. Einrichtung zur Temperaturüberwachung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Silizium-Chipwiderstand potentialfrei auf einer eigenen Metallisierungsfläche (2a) der Trägerplatte (1) angeordnet ist und seine elektrischen Anschlüsse über Bonddrähte (5) und Modulanschlüsse (6) aus einem Leistungshalbleitermodul potentialfrei herausgeführt sind.
  3. Einrichtung zur Temperaturüberwachung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Anschluß des Silizium-Chipwiderstands (4a) zusammen mit wenigstens einem weiteren Halbleiterbauelement (3) auf einer Metallisierungsfläche (2) der Leiterplatte (1) montiert ist und damit das selbe Potential aufweist.
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