專利名稱：帶有無線saw溫度傳感器的功率半導體模塊的制作方法
帶有無線SAW溫度傳感器的功率半導體模塊技術領域
本申請涉及功率半導體模塊，特別地帶有溫度傳感器的功率半導體模塊。
背景技術：
通常使用NTC (負溫度系數)熱敏電阻器實現在IGBT (絕緣柵雙極晶體管)模塊內的溫度測量。NTC熱敏電阻器具有要求在模塊外罩內的單獨陶瓷上安置和連接到專用另外的端子的隔離要求。這種溫度傳感器不能靠近于系統的最關鍵的元件-功率晶體管-定位，并且所測量溫度數據不是那么精確的。利用這種溫度傳感器，從使用者進行保護性分離也不是固有地可獲得的，因為NTC熱敏電阻器具有可在外部觸及的連接端子。在使用期間可能不經意地接觸這些端子，從而引起嚴重的電擊。為了降低電擊的風險而提供外部隔離電路增加了總體封裝成本。而且，對于NTC溫度傳感器模塊而言更多的空間是必要的，并且需要另外的導線連接以提供到溫度傳感器的電連接。額外的電連接諸如這些電連接降低了模塊的壽命。發明內容
使用無線SAW(表面聲波)溫 度傳感器提供了在功率晶體管模塊內的溫度測量。SAff 溫度傳感器基于壓電效應運行。與傳統的NTC傳感器相比，SAW溫度傳感器需要更少的空間，因為SAW傳感器并不要求用于輸入和輸出信號的端子。替代地，與SAW傳感器的通信是無線的。這繼而提供更大的自由度以在功率晶體管模塊的不可能帶有傳統NTC傳感器的部分中安置SAW傳感器。例如，在功率晶體管模塊內的溫度的測量能夠在電力端子處、在經由基板在其上安裝功率晶體管的底板處、在基板處或者在功率晶體管管芯處進行。SAW溫度傳感器還提供內在的保護性分離以降低電擊的風險，并且SAW傳感器無需在模塊內的任何電源電壓。
根據功率半導體模塊的一個實施例，該模塊包括外罩、被置放在外罩中的底板、被安裝到底板的多個基板、被安裝到基板的多個功率晶體管管芯、和被安裝到基板并且通過外罩突出的多個端子。端子與功率晶體管管芯電連接。該功率半導體模塊進一步包括被置放在功率半導體模塊的外罩中的無線表面聲波(SAW)溫度傳感器。
根據功率半導體組件的一個實施例，該組件包括功率半導體模塊、電路板和RF收發器電路。該功率半導體模塊包括外罩、被置放在外罩中的底板、被安裝到底板的多個基板、被安裝到基板的多個功率晶體管管芯、和被安裝到基板并且通過外罩突出的多個端子。 端子與功率晶體管管芯電連接。該功率半導體模塊進一步包括被置放在功率半導體模塊的外罩中的無線SAW溫度傳感器。電路板被安裝到外罩并且具有接收從外罩突出的端子的多個電連接器。RF收發器電路被安裝到電路板并且被配置為向無線SAW溫度傳感器發射RF 脈沖并且接收由無線SAW溫度傳感器響應于RF脈沖產生的RF響應信號。
在閱讀以下詳細說明時和在觀察附圖時，本領域技術人員將會認識到另外的特征和優點。
附圖中的元件并不是必要地相對于彼此按照比例。類似的附圖標記標注相應的類似的部分。各種示意的實施例的特征能夠被組合，除非它們相互排斥。在圖中描繪了并且在隨后的說明中詳述了實施例。
圖1示意包括帶有無線SAW溫度傳感器的功率半導體模塊的功率半導體組件的實施例的透視圖。
圖2示意無線SAW溫度傳感器和用于致動和感測SAW傳感器的、相應的控制器和 RF收發器電路的實施例。
圖3示意包括帶有無線SAW溫度傳感器的功率半導體模塊的功率半導體組件的另一實施例的截面透視圖。
圖4示意帶有無線SAW溫度傳感器的功率半導體模塊的實施例的透視圖。
圖5示意帶有在功率半導體模塊中包括的無線SAW溫度傳感器的基板的實施例的透視圖。
圖6示意帶有在功率半導體模塊中包括的無線SAW溫度傳感器的基板的另一實施例的透視圖。
圖7示意帶有無線SAW溫度傳感器的功率半導體模塊的另一實施例的透視圖。
具體實施方式
圖1示意功率半導體組件100的實施例。組件100包括電路板110和功率半導體模塊120。各種有源和無源構件諸如電阻器、電容器、電感器、功率晶體管(例如IGBT)、二極管、端子等被封裝在功率半導體模塊120的外罩121內并且在圖1中是不可視的。還在模塊外罩121中包括一個或者多個無線表面聲波(SAW)溫度傳感器122。利用虛線框在圖1 中示出一個SAW傳感器122，但是為了收集有關功率半導體模塊120的溫度數據，能夠在模塊外罩121中封裝任何所期數目的SAW傳感器。
電路板110被安裝到功率半導體模塊120的外罩121，但是為了便于示意各種組件構件，圖1示出電路板110例如PCB (·印刷電路板)被從模塊外罩121拆離。構件諸如半導體管芯、無源元件、布線跡線等被提供在電路板110上和/或電路板110中并且確保在功率半導體模塊120內側包含的功率晶體管的正確操作并且為了便于示意而未在圖1中示出。 電路板110還具有用于接收從電力模塊外罩121突出的端子124的多個電連接器112。從模塊外罩121突出的某些端子124可以是用于控制信號，而其它端子126是電力端子。
RF收發器電路114也被安裝到電路板110。在圖1中利用虛線示出RF收發器電路 114和相應的天線116，因為這些構件被安裝到電路板110的面對功率半導體模塊120的底側并且因此是不可見的。天線116能夠是被形成為電路板110的一個部分的導線或者帶狀線。在一個實施例中，天線116被以IOcm或者更小(例如在5cm和IOcm之間)從無線SAW 溫度傳感器122隔開。如果期望的話，RF收發器電路114和/或天線116能夠替代地被安裝在電路板110的頂側上。
在每一種情形中，RF收發器電路114經由天線116向無線SAW溫度傳感器122發射RF脈沖并且接收由無線SAW溫度傳感器122響應于RF脈沖產生的RF響應信號。在RF收發器電路114處接收的RF響應信號被轉換成能夠被用于控制功率半導體模塊120的操作的溫度數據。例如，能夠向遠離功率半導體子組件100的實體報告溫度數據以用于遠程地控制模塊120的操作。如果溫度數據指示問題例如如果超過最大允許溫度，則溫度數據能夠被用于安全地關閉在電力模塊120中包括的一個或者多個晶體管。
圖2更加詳細地示意RF收發器電路114和無線SAW溫度傳感器122。無線SAW溫度傳感器122是無動力的并且從RF收發器電路114接收RF脈沖信號200。SAW傳感器122 作為從RF收發器電路114接收的RF脈沖信號200和SAW傳感器122的溫度的函數輸出RF 響應信號202。
無線SAW溫度傳感器122包括被連接到傳感器天線206的叉指式轉換器204 (或者叉指式變換器，或者簡稱IDT)外加在呈現彈性的材料210諸如壓電材料比如石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰、硅酸鎵鑭等的表面上形成的幾個反射器208。在圖2中放大的IDT 204包括形式為相互連接的指216、218的電極結構212、214。在IDT 204的放大視圖中，在被連接到相同電極212/214的兩個相鄰指216/218之間的距離被標為‘p’。這兩個指216/218處于相同的電勢并且具有在IDT 204的放大視圖中被標為‘q’的電周期。
響應于被施加到電極結構212、214的AC電壓，SAW傳感器122的表面基于壓電效應變形。這個變形引起通過SAW傳感器122和/或在其表面上傳播的聲波。對傳播路徑的特性的任何改變均影響被反射器208反射回IDT 204的波的速率和/或振幅。反射器208 能夠被第二 IDT替代，第二 IDT能夠被用于接收傳播波。在任一情形中，速率的變化能夠通過測量SAW傳感器122的頻率和/或相位特性而被監視并且然后能夠被與正被測量的相應的物理量例如溫度相關。以相反的方式，在SAW傳感器122的表面上的入射波在電極結構 212、214處產生AC電壓。
在SAW傳感器122處的溫度變化影響通過壓電材料210/在其表面之上的波的傳播速度并且因此影響SAW傳感器122的總體電學行為。具有高頻的信號遇到SAW傳感器 122并且所得到的表面聲波根據溫度在高度和相位滯后方面改變。控制器230能夠解釋從 SAW傳感器122接收 的這個信號以推導相應的溫度數據。SAW傳感器122具有專用操作頻帶和限定的在輸出頻率和溫度之間的關系。控制器230能夠連同發射到SAW傳感器122的 RF脈沖信號200的特性一起使用這項信息以將從SAW傳感器122接收的相應的RF響應信號202轉換成溫度數據。
控制器230還控制作為RF收發器電路114的一個部分提供的振蕩器232(例如數控振蕩器，或者簡稱NC0)的操作。NCO 232驅動RF發射器234以便周期地產生經由被連接到RF收發器電路114的天線116引導到SAW傳感器122的RF脈沖信號200。開關236諸如雙工器將天線116連接到發射器234 (用于向SAW傳感器122發射RF脈沖200)或者接收器238用于從SAW傳感器122接收相應的RF響應信號202。能夠在輪詢RF脈沖信號200 和相應的接收RF響應信號202之間存在10到15m的距離。控制器230能夠是例如在驅動器板上的離散構件或者被集成在控制功率半導體模塊120的總體操作的模塊控制單元中， 或者被集成在變頻器或者伺服驅動電路中。如果被作為系統控制電路的一個部分集成，則控制器230能夠幫助基于溫度數據來控制功率半導體模塊120。控制器230也能夠例如經由互聯網或者無線連接向遠離功率半導體子組件的實體報告溫度數據。類似地，能夠從功率半導體子組件外側遠程地控制控制器230。
圖3示意功率半導體組件300的另一實施例。根據這個實施例，從功率半導體模塊120突出的端子中的至少某些端子是被壓配到電路板110中的相應的電連接器304中的壓配連接器302。緊固器306諸如螺釘或者螺栓能夠被用于將電路板110和功率半導體模塊120緊固到熱沉308。一個或者多個無線SAW溫度傳感器122被置放在如由虛線框指示的模塊120內。示出了 RF收發器電路114和天線116被置放在電路板110的背離模塊 120的表面上。如果期望的話，RF收發器電路114和/或天線116可替代地能夠位于電路板110的相對側上。
圖4示意移除了外罩121的功率半導體模塊120的實施例。模塊120包括被置放在外罩121中的底板400、被安裝到底板400的多個基板402、被安裝到基板402的多個功率晶體管管芯404諸如IGBT管芯和被安裝到基板402的多個端子406。例如，如在圖1和 2中所示，端子406通過模塊外罩121突出。端子406例如經由被置放在基板402上的圖案化金屬化層408以及將圖案化金屬化層408連接到管芯404的接合導線、絲帶等410而與功率晶體管管芯404電連接。一個或者多個無線SAW溫度傳感器122也被置放在功率半導體模塊120的外罩121中。
根據在圖4中示意的實施例，SAW溫度傳感器122被聯結到底板400。例如，傳感器122能夠被焊接或者膠合到底板400。能夠采用低溫結合技術或者擴散焊接過程將SAW 傳感器122聯結到底板400。還可以使用其它傳感器聯結過程。在該實施例中，由SAW傳感器122感測的溫度對應于底板400的溫度。SAW溫度傳感器122能夠位于不同的位置中，或者另外的SAW溫度傳感器122能夠在模塊外罩121內被提供在其它位置處以測量不同的溫度。
圖5示出帶有被聯結到基板402的無線SAW溫度傳感器122的、在模塊外罩121中包括的基板402之一的實施例。根據這個實施例，由這個SAW傳感器122感測的溫度對應于基板402的溫度。在一個實施例中，無線SAW溫度傳感器122被聯結于此的基板402包括被置入頂部金屬化408和在圖5中不可見的底部金屬化之間的陶瓷材料500。無線SAW溫度傳感器122例如經由膠合劑、焊料等而被聯結到金屬化之一。在圖5中，SAW傳感器122 被聯結到基板402的頂部金屬化408。用于在基板402中使用的適當的陶瓷材料500的實例包括氮化鋁(A1N)、氧化鋁(A1203)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(S iC)或者氧化鈹(BeO)。金屬化能夠包括銅或者具有高比例的銅的銅合金。基板402能夠是例如DCB基板(DCB=直接銅接合)、DAB基板(DAB=直接鋁接合)、AMB基板(AMB=活性金屬焊接)等。
圖6示出帶有被聯結到基板402的無線SAW溫度傳感器122的、在模塊外罩121 中包括的基板402之一的另一實施例。根據這個實施例，介電材料502諸如SiO2被置放在基板402的陶瓷材料500上并且SAW傳感器122被置放在介電材料502上。可替代地能夠在圖6中不可見的基板402的底側處的金屬化上實現SiO2層，并且SAW傳感器122能夠在基板402的這個區域中例如在底板400中形成的凹部中被焊接或者膠合到底板400從而基板402以平面方式接觸底板400。
圖7示出不帶外罩121并且帶有被聯結到模塊120的端子406之一的無線SAW溫度傳感器122的功率半導體模塊120的實施例。在一個實施例中，這個SAW傳感器122被聯結到模塊120的主電力端子，例如被連接到在模塊120中包括的功率晶體管管芯404的漏極的端子。SAW傳感器122能夠被膠合或者焊接到端子406并且由這個SAW傳感器122感測的溫度對應于端子406的溫度，端子406的溫度繼而與在功率晶體管管芯404中流動的電流量相關。
為了易于說明使用了空間相對術語諸如“下面”、“以下”、“下”、“之上”、“上”等以解釋一個元件相對于第二元件的定位。除了不同于在圖中描繪的那些定向的定向，這些術語旨在涵蓋器件的不同定向。此外，術語諸如“第一”、“第二”等還被用于描述各種元件、區域、部分等，并且也并非旨在是限制性的。貫穿說明書，類似的術語指代類似的元件。
如在這里所使用，術語“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是指示所陳述的元件或者特征的存在但是并不排除另外的元件或者特征的開放式術語。冠詞“一個”、“一”和“該” 旨在包括復數以及單數，除非上下文清楚地另有指示。
要理解在這里描述的各種實施例的特征可以被相互組合，除非具體地另有指出。
雖然已經在這里示意并且描述了具體實施例，但是本領域普通技術人員將會理解，在不偏離本發明的范圍的情況下各種可替代的和/或等價的實現可以替代所示出和描述的具體實施例。該申請旨在覆蓋在這里討論的具體實施例的任何調整或者變化。因此， 本發明旨在僅由權利要求及其等價形式限制。
權利要求
1.一種功率半導體模塊，包括 外罩； 被置放在所述外罩中的底板； 被安裝到所述底板的多個基板； 被安裝到所述基板的多個功率晶體管管芯； 被安裝到所述基板并且通過所述外罩突出的多個端子，所述端子與所述功率晶體管管芯電連接；和 被置放在所述功率半導體模塊的所述外罩中的無線表面聲波(SAW)溫度傳感器。
2.根據權利要求1所述的功率半導體模塊，其中所述無線SAW溫度傳感器被聯結到所述底板。
3.根據權利要求1所述的功率半導體模塊，其中所述無線SAW溫度傳感器被聯結到所述基板之一。
4.根據權利要求3所述的功率半導體模塊，其中所述無線SAW溫度傳感器被聯結于此的所述基板包括被置入第一和第二金屬化層之間的陶瓷材料，并且所述無線SAW溫度傳感器被聯結到所述金屬化層之一。
5.根據權利要求3所述的功率半導體模塊，其中所述無線SAW溫度傳感器被聯結于此的所述基板包括被置入第一和第二金屬化層之間的陶瓷材料，并且所述無線SAW溫度傳感器在被置放在所述基板的所述陶瓷材料上的電介質上包括叉指式轉換器。
6.根據權利要求1所述的功率半導體模塊，其中所述無線SAW溫度傳感器被聯結到所述端子之一。
7.根據權利要求1所述的功率半導體模塊，進一步包括被置放在所述外罩中的一個或者多個另外的無線SAW溫度傳感器。
8.根據權利要求1所述的功率半導體模塊，其中所述無線SAW溫度傳感器是無動力的并且能夠操作用于接收RF脈沖信號并且作為所述RF脈沖信號和所述無線SAW溫度傳感器的溫度的函數輸出RF響應信號。
9.一種功率半導體組件，包括 功率半導體模塊，所述功率半導體模塊包括 外罩； 被置放在所述外罩中的底板； 被安裝到所述底板的多個基板； 被安裝到所述基板的多個功率晶體管管芯； 被安裝到所述基板并且通過所述外罩突出的多個端子，所述端子與所述功率晶體管管芯電連接；和 被置放在所述功率半導體模塊的所述外罩中的無線表面聲波(SAW)溫度傳感器； 電路板，所述電路板被安裝到所述外罩并且具有接收從所述外罩突出的所述端子的多個電連接器；和 RF收發器電路，所述RF收發器電路被安裝到所述電路板并且被配置為向所述無線SAW溫度傳感器發射RF脈沖并且接收由所述無線SAW溫度傳感器響應于所述RF脈沖產生的RF響應信號。
10.根據權利要求9所述的功率半導體組件，進一步包括被安裝到所述電路板并且被電連接到所述RF收發器電路的控制器，所述控制器被配置為將由所述RF收發器電路接收的所述RF響應信號轉換成溫度數據。
11.根據權利要求10所述的功率半導體組件，其中所述控制器進一步被配置為基于所述溫度數據控制所述功率半導體模塊的操作。
12.根據權利要求10所述的功率半導體組件，其中所述控制器進一步被配置為向遠離所述功率半導體子組件的實體報告所述溫度數據。
13.根據權利要求10所述的功率半導體組件，其中能夠從所述功率半導體子組件外側遠程地控制所述控制器。
14.根據權利要求10所述的功率半導體組件，其中所述控制器被配置為控制用于產生所述RF脈沖的所述RF收發器電路的振蕩器。
15.根據權利要求9所述的功率半導體組件，其中所述RF收發器電路包括被置放在所述電路板上的天線。
16.根據權利要求15所述的功率半導體組件，其中所述天線是作為所述電路板的一個部分形成的導線或者帶狀線。
17.根據權利要求15所述的功率半導體組件，其中所述天線被以IOcm或者更小從所述RF收發器電路隔開。
18.根據權利要求15所述的功率半導體組件，其中所述天線被以在5cm和IOcm之間從所述RF收發器電路隔開。
19.根據權利要求9所述的功率半導體組件，進一步包括被置放在所述功率半導體模塊的所述外罩中的一個或者多個另外的無線SAW溫度傳感器。
20.根據權利要求9所述的功率半導體組件，其中所述無線SAW溫度傳感器被聯結到所述基板之一。
全文摘要
本發明涉及帶有無線SAW溫度傳感器的功率半導體模塊。一種功率半導體模塊包括外罩、被置放在外罩中的底板、被安裝到底板的多個基板、被安裝到基板的多個功率晶體管管芯和被安裝到基板并且通過外罩突出的多個端子。端子與功率晶體管管芯電連接。功率半導體模塊進一步包括被置放在功率半導體模塊的外罩中的無線表面聲波(SAW)溫度傳感器。
文檔編號H01L23/58GK103022013SQ20121035347
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月21日 優先權日2011年9月23日
發明者M.斯萊文 申請人:英飛凌科技股份有限公司