功率模块的制作方法

1.本发明涉及一种功率模块，其包括衬底和至少一个布置在所述衬底的下侧上的功率晶体管以及至少一个与所述衬底连接的功率连接端。


背景技术：

2.功率模块以高度局部化的方式生成大量热量，所述大量热量在冷却/下调不充分的情况下会大大降低功率模块的使用寿命。同时，难以在更大的功率模块的组件中根据需要提供针对性的冷却，或者说，难以在没有更大延迟的情况下测量各个功率晶体管的温度并且保持对各个功率模块或者说功率半导体/功率晶体管受负载程度的概览。
3.在功率模块中以不同的方式实现温度检测：
[0004]-ntc(负温度系数，英文：negative temperature coefficient)或ptc(正温度系数，英文：positive temperature coefficient)电阻布置在功率模块中靠近功率晶体管并且通过其与温度相关的电阻来确定温度，
[0005]-通过在衬底上的特殊构件布置(二极管/电阻)来检测温度，
[0006]-使用功率晶体管的温度敏感的、能电测量的特性来直接求取相应的功率晶体管的温度。
[0007]
然而，所提到的解决方案是不精确的和/或由于其距最热部位的间距而在温度峰值的测量中具有显著的时间延迟，或者，它们需要功率晶体管的显著复杂的构造。


技术实现要素：

[0008]
根据本发明，提供一种开头所述类型的功率模块，其特征在于，用于温度测量的导体回路(leiterschleife)布置在与所述功率晶体管对置的上侧或者内或外衬底层上。
[0009]
发明优点
[0010]
这具有这种优点：测量比先前明显更靠近至少一个功率晶体管处的并且因此更靠近损耗热量的源处的温度。以此可以避免，在热量通过热传导达到导体回路之前功率晶体管就过于剧烈地发热，如其在现有技术中由于较大的距离而可能是这种情况。任何显著超过运行温度通常都会降低各个功率晶体管的使用寿命。
[0011]
在具有多个功率晶体管的功率模块中会出现：存在一定的概率发生一个功率晶体管平均而言比其他功率晶体管更频繁且更强烈地发热并且因此首先发生故障的情况。此外，一个功率晶体管在相同负载下可能由于制造公差而比同类型的另一个功率晶体管更多地发热。然而，一个功率晶体管的故障通常已经导致必须更换整个功率模块。因此，根据本发明的解决方案显著更优地允许监控各个功率晶体管的温度负载并且如有必要采取对策，以便增加功率模块的整体寿命。
[0012]
该衬底优选是多层的衬底，使得不仅可以集成电源布线、逻辑布线(例如用于功率晶体管的控制管线)而且可以集成温度测量所需的导体回路。衬底的下侧例如可以是衬底的最下层或至少是具有导电元件的最下层。相应地，衬底的上侧例如可以是衬底的最上层，
导电元件布置在该最上层上。
[0013]
导体回路可以与整个功率晶体管相对地或仅与功率晶体管的一部分相对地布置。如果多个功率晶体管与一个衬底连接，则每个功率晶体管优选设有例如在衬底的内层或上侧中的在相应的功率晶体管的上面上的各自的导体回路。但是，各个导体回路然后可以与共同的分析处理电子器件(例如功率模块的专用集成电路，asic)连接。
[0014]
在从属权利要求中说明并且在说明书中描述本发明的有利的扩展方案。
[0015]
优选，导体回路具有弯曲的走向。由此，导体路径在升高的温度的影响下可以扩大并且以此例如可以实现对导体回路的电阻的尽可能大的绝对影响。
[0016]
优选，导体回路与功率晶体管的源极相对地布置。在场效应晶体管中，源极通常由于靠近晶体管的有源区而是最强的热源，并且，导体回路为了最佳的灵敏度因此可以仅与源极相对地布置。由于局部峰值温度会导致长期的损伤部位，因此这些局部峰值温度与功率晶体管的平均温度相比明显更好地是成问题的过热的指标。因此，有利的是，有针对性地测量功率晶体管的通常最热部位的温度。
[0017]
在一个实施方式中，所述导体回路在多个衬底层上方走向。由此可以提高温度测量的精度。导体回路可以在多个衬底层中具有弯曲的走向。导体回路可以经由敷镀通孔(vias)与各个衬底层连接。
[0018]
优选的是，如果在该衬底上布置至少两个功率晶体管，其中，用于温度测量的单独的导体回路分别布置在相应的功率晶体管上面、在衬底的内层或上侧中。优选，针对每个功率晶体管分别布置一个单独的导体回路，即例如同一功率模块的三个、四个、五个、六个或更多个功率晶体管和导体环。
[0019]
在一个实施方式中，至少一个导体回路具有与温度相关的电阻。然后，通过与温度相关的电阻，例如通过在恒定电压下的电流测量可实现电阻测量并且因此可实现温度测量。与温度相关的电阻可以是ntc电阻或ptc电阻。
[0020]
在一个优选实施方式中，功率模块包括至少一个专用集成电路(asic)，该专用集成电路与至少两个功率晶体管和至少两个相应的导体回路连接。然后，asic可以例如通过单个栅极控制器来调节各个功率晶体管，以便(瞬时或随着时间)均衡功率晶体管的温度负载并且以此提高功率半导体的整体使用寿命或性能。asic可以布置在衬底的下侧或上侧上。在后一种情况下，导体回路例如可以经由敷镀通孔(vias)与asic连接。
[0021]
在一个实施方式中，所述专用集成电路如此设置，使得它如此控制至少两个功率晶体管的负荷，使得通过所述导体回路测量出的温度尽可能相同。该解决方案是尽可能简单的，因为存储针对各个功率晶体管的“温度历史”以决定哪个功率晶体管可以且应当被更多地加载并非是绝对必要的。然后，在运行中，可以简单地下调其温度高于上温度阈值(成问题的温度)的一个或多个功率晶体管，并且上调其温度低于下温度阈值(不成问题的温度)的功率晶体管。在此，使用两个不同的阈值可以使调节稳定，以便避免频繁的上调和下调。
[0022]
优选的是，如果所述衬底是或者包括多层的低温烧穿陶瓷(英语：low temperature cofired ceramics，ltcc)。在此类衬底中可能成问题的是：在与包括功率晶体管的下侧对置的上侧上或者说在内层中设置用于温度测量的附加的导体回路，而没有显著增加生产过程的难度。
[0023]
在一个实施方式中，在至少一个导体回路中的温度测量通过四点测量或带端调整(band-ende-abgleich)实现。这些测量方法提高了测量的精度，而没有显著地使构造变难。然而，如有必要然后需要导体回路的另一种走向以及到分析处理电子器件(例如本地asic)的相应连接端。
[0024]
在一个实施方式中，多个导体回路布置在不同的衬底层中并且串联连接。由此，可以使在热区中的导体回路的长度最大化。由此增加了在温度变化时的电阻变化并且因此提高了温度测量的灵敏度。
[0025]
在一个实施方式中，功率模块包括至少两个衬底。在此，电源布线和用于温度测量的导体回路可以布置在两个衬底之一中，例如在不同的衬底层中。
[0026]
在一个实施方式中，功率模块包括多个嵌入衬底层之间的功率半导体。在这里，功率模块优选仅包括一个衬底，该衬底具有多个衬底层。功率半导体可以布置在内衬底层中并且从两侧嵌入或者说夹入另外的衬底层之间。
[0027]
在一个实施方式中，功率模块包括多个嵌入在两个衬底之间的功率半导体，其中，在所述衬底中的至少一个中布置有用于温度测量的导体回路。这些功率半导体优选“倒置”地嵌入在衬底中，使得源极区域位于下侧上。在这种情况下，弯曲结构布置在功率晶体管(例如mosfet)的“下方”。除了功率晶体管之外，功率模块因而还包括多个功率半导体，其温度同样可以利用一个或多个导体回路来测量。功率半导体例如可以是功率二极管、晶闸管或三端双向可控硅开关(triacs)。
[0028]
在一个实施方式中，功率模块包括至少一个功率半导体，其中，用于温度测量的另一个导体回路布置在所述衬底的与所述功率半导体对置的上侧上。在这里，功率模块除了功率晶体管之外也包括至少一个功率半导体，所述功率半导体的温度同样可以利用导体回路来测量。功率半导体例如可以是功率二极管、晶闸管或三端双向可控硅开关。
[0029]
与导体回路布置在下衬底上的功率半导体旁边的经典布置(ntc)相比，根据本发明，导体回路布置得非常靠近热点并且不在冷却路径中。由此，可以以高精度测量功率半导体的最大温度。
[0030]
优选，“衬底的外层”被理解为衬底的最上层和最下层。因此，外层在一侧不接触另外的衬底层。
[0031]
优选，“内衬底层”或者说所谓的“内层”被理解为在两个衬底层之间的衬底层。与此相应地，一个衬底总是具有至少一个外层，但不一定具有内层。对于一个内层来说需要至少三个衬底层，即两个外层(顶部、底部)和在这两个外层之间的内层。
附图说明
[0032]
基于单个的附图和以下描述更详细地阐述本发明的实施例。附图示出：
[0033]
图1以功率模块的上侧的视图示出根据本发明的功率模块的第一实施方式。
[0034]
图2以功率模块的上侧的视图示出根据本发明的功率模块的第二实施方式。
[0035]
图3以横截面视图示出根据本发明的功率模块的第三实施方式。
[0036]
图4以横截面视图示出根据本发明的功率模块的第四实施方式。
具体实施方式
[0037]
在图1中是根据本发明的功率模块1的一个实施方式，该功率模块包括衬底2和多个(这里仅以两个为例)布置在衬底2的下侧上的功率晶体管3。图1示出衬底2的上侧的视图，并且，在对置的下侧上或者在内衬底层中的功率晶体管3因此仅以虚线示出。
[0038]
功率模块1包括五个与衬底2连接的功率连接端4、5、6。功率连接端4、5、6可以例如与每个功率晶体管3的每个源极7和栅极14(分别以虚线绘制出，因为在衬底的下侧上或嵌入到衬底中)连接。功率连接端4例如可以提供电源电压，功率连接端5例如可以提供接地，并且功率连接端6可以是相位连接端。为简单起见，这里没有示出在衬底2上的相应控制电子器件。
[0039]
根据本发明，用于温度测量的导体回路8布置在衬底2的与功率晶体管3对置的上侧上。
[0040]
导体回路8具有弯曲的走向，从而导体路径在升高的温度的影响下扩大并且以此例如使得实现对导体回路8的电阻的尽可能大的绝对影响。
[0041]
导体回路8在这里基本上与相应的功率晶体管3的整个区域相对地布置。然而，导体回路8也可以覆盖比相应的功率晶体管3的区域更大的区域(例如，大10％至100％的区域)，以便增大测量出的绝对电阻变化。
[0042]
导体回路8可以通过多个层与敷镀通孔(vias)连接或被引导，以便使在功率晶体管(例如mosfet)上方的热区中的长度最大化。由此，可以增加导体回路的电阻变化并且因此改善本发明的灵敏度。
[0043]
功率模块1包括专用集成电路9(asic)，该专用集成电路与两个(所有)功率晶体管3以及两个(所有)相应的导体回路8连接。然后，asic9可以例如通过单个栅极控制器来调节各个功率晶体管3，以便(瞬时或随着时间)均衡功率晶体管3的温度负载并且以此提高功率半导体的整体使用寿命。asic 9可以布置在衬底的下侧或上侧上(这里例如在上侧上)。在后一种情况下，导体回路8例如可以经由敷镀通孔(vias)与asic 9连接。
[0044]
导体回路8与asic 9在这里仅示例性地连接在导体回路8的两个端部上，但其他的连接类型也是可能的(例如用于四点测量)，以便实现电阻测量的更高精度。
[0045]
图2示出根据本发明的功率模块1的第二实施方式。这个实施方式基本上相应于第一实施方式，其中，然而由导体回路8覆盖的区域是不同的区域。导体回路8在这里基本上仅遮盖功率晶体管3的源极7的区域，即，例如不遮盖栅极14。
[0046]
在场效应晶体管中，源极7通常是最强的热源，并且因此导体回路8为了最佳灵敏度可以仅与源极7相对地布置。然而，替代地，导体回路也可以与功率晶体管3的其他部分相对地布置或基本上与整个功率晶体管相对地布置(图1)。然而，导体回路也可以覆盖多个功率晶体管3。
[0047]
图3以穿过两个导体回路8和两个功率晶体管3的横截面示出根据本发明的(例如图1或图2的)功率模块1的第三实施方式。根据权利要求1的衬底2的“上侧”在图3和图4中分别布置在左侧。
[0048]
在这里，导体回路8在针对每个功率晶体管3的两个不同的衬底层12中各包括两个导体回路区段10、11。在这个视图中，仅可猜测导体回路区段10、11的弯曲的走向，因为每个导体回路被切割了十三次(仅示例性地)。在这里，功率模块1包括第一衬底2和第二衬底15。
第一衬底2在这里包括四个衬底层12，两个、三个、五个或更多个衬底层12然而也是可能的。功率晶体管3嵌入在两个衬底2、15之间(在一定程度上以夹层结构形式)。
[0049]
导体回路区段10、11通过敷镀通孔13(vias)连接在衬底层12之间。功率晶体管3还与功率布线16连接，所述功率布线尤其布置在与功率晶体管邻接的1至2个衬底层12中。在此，功率布线16位于与用于温度测量的导体回路8不同的衬底层12中。
[0050]
图4示出根据本发明的功率模块1(例如也为图1或图2的功率模块)的第四实施方式。第四实施方式与第三实施方式的区别在于，功率模块1仅具有一个衬底2，该衬底具有(这里作为示例)七个衬底层12。功率晶体管3嵌入在衬底2的衬底层12之间。在这里，在功率晶体管3的两侧上在每两个邻接的衬底层中布置有功率布线16。
[0051]
然而，用于温度测量的导体回路8在图3和图4中分别布置在最上面的衬底层12(分别在最左侧)中以及其下方的第一内衬底层12(分别为左起第二个)中。
[0052]
尽管已经详细地通过优选实施例进一步图示说明和描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，并且由本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下从中得出其他变型。