垂直分流電阻的制作方法
【專利摘要】本發明涉及垂直分流電阻。描述了一種用于測量電流的測量電阻。根據本發明的實施例，該測量電阻具有第一和第二金屬層、電絕緣的中間層以及電阻層。第一金屬層布置在第一層面中。第二金屬層布置在基本上平行于第一層面并且與該第一層面相間隔的第二層面中。電絕緣的中間層布置在第一和第二金屬層之間并且將所述第一和第二金屬層相互機械連接。電阻層將第一和第二金屬層相互電連接。
【專利說明】
垂直分流電阻
【技術領域】
[0001]本發明涉及借助測量電阻(分流電阻)測量電流的領域，尤其是涉及測量電阻的構建及其到功率半導體模塊中的集成。
【背景技術】
[0002]功率半導體器件以及由其構建的功率電子電路極其經常被集成在所謂的功率半導體模塊(也為功率電子模塊或“Power Electronic Module”)中。例如，換流器(例如變頻器，逆變器等)可以集成在功率半導體模塊中。借助功率晶體管(例如MOSFET或IGBT)構建的換流器例如可以被用于操控電動機。其它應用是逆變器，其例如將來自太陽能設備的直流變換為交變電流以便能夠將該交變電流電流饋入公共電網中。不僅在這些應用中負載電流路徑中的電流測量可能是值得期望的。在操控電動機的情況下，可以從所測量的電流中例如求得發動機轉矩。
[0003]測量電流的非常簡單的可能性在于，經由具有已知電阻值的測量電阻(分流電阻)引導待測量的負載電流并且測量在該測量電阻上的得出的電壓降。該電壓降與所尋找的電流成比例。在高功率(例如在電動車輛中的電動機情況下大于20kW)的情況下出現非常高的電流(例如直至100A或更大)并且測量電阻必須是非常低歐姆的(例如在幾毫歐姆的范圍內)，以便將損耗功率保持得盡可能地小。因為由于在測量電阻中耗散的損耗功率，測量電阻的溫度可能波動，因此在這種測量電阻的情況下值得期望的是電阻值的小的溫度梯度。盡管如此仍可能有利的是:冷卻測量電阻，以將溫度保持在定義的范圍中。在將測量電阻裝入功率半導體模塊中的情況下，足夠的冷卻通常得以保證，因為該模塊在運行中大多總歸都耦合到冷卻系統。適用于裝入功率半導體模塊中以及適用于測量較高電流的已知測量電阻比較大并且在模塊中使用值得一提的空間。
【發明內容】
[0004]本發明所基于的任務是實現一種用于高電流的測量電阻，其可以非常節省空間地集成到功率半導體模塊中。
[0005]所提到的任務通過根據權利要求1的測量電阻以及通過根據權利要求6和9的方法和根據權利要求12的功率半導體模塊解決。本發明的不同實施例和改進方案是從屬權利要求的主題。
[0006]本發明的第一方面涉及用于測量電流的測量電阻。根據本發明的實施例，該測量電阻具有第一和第二金屬層、電絕緣的中間層以及電阻層。第一金屬層布置在第一層面中。第二金屬層布置在基本上平行于第一層面并且與該第一層面相間隔的第二層面中。電絕緣的中間層布置在第一和第二金屬層之間并且將所述第一和第二金屬層相互機械連接。電阻層將第一和第二金屬層相互電連接。
[0007]本發明的另一方面涉及一種用于制造測量電阻的方法。根據本發明的示例，該方法包括提供近似U形的結構，其中該U形的兩個近似平行的柱(Schenkel)構成兩個相互相間隔并且彼此平行的金屬層，所述金屬層經由電阻層相互電連接。在U形的平行的柱之間布置由絕緣材料制成的中間層，使得該絕緣材料將U形的兩個平行的柱機械連接。
[0008]根據本發明的另一示例，該方法包括提供功率電子襯底，該功率電子襯底具有由陶瓷或電絕緣金屬制成的絕緣載體以及兩側的金屬化部。將電阻層固定在功率電子襯底的側面上，使得該電阻層將兩個金屬化部電連接。
[0009]本發明的另一方面涉及功率半導體模塊，該功率半導體模塊包括具有結構化的金屬化部的功率電子襯底以及至少一個布置在該功率電子襯底上的電子器件和測量電阻，其中該金屬化部具有多個接觸焊盤。測量電阻具有第一金屬層以及第二金屬層，其中該第一金屬層布置在結構化的金屬化部的接觸焊盤之一上并且與該金屬化部機械和電連接，該第二金屬層布置在與結構化的金屬化部平行并且與該結構化的金屬化部相間隔的層面中。電絕緣的中間層布置在第一和第二金屬層之間并且將該第一和第二金屬層相互機械連接。電阻層負責將第一與第二金屬層電連接。通過測量電阻的主電流方向基本上法向于功率電子襯底的結構化的金屬化部位于其中的層面。本發明的另一方面涉及一種用于制造這種功率半導體模塊的方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]下面根據在附圖中示出的示例更詳細地闡述本發明。這些圖示不強制性地按比例的并且本發明不僅僅局限于所示出的方面。更確切地說，重視的是示出本發明所基于的原理。在附圖中:
圖1示出具有集成的測量電阻的功率半導體模塊(以橫截面圖示)的示例；
圖2示出如圖1中的但是具有另一種構造類型的測量電阻的功率半導體模塊；
圖3示出根據本發明一種實施例的具有測量電阻的功率半導體模塊的另一示例；
圖4示出圖3的測量電阻的放大的橫截面圖；
圖5示出圖3的測量電阻的透視圖示；
圖6示出測量電阻的替換結構形式的示例；
圖7示出根據圖6的測量電阻固定在功率半導體模塊的功率電子襯底上的示例；以及圖8示出測量電阻的替換結構形式的另一示例。
[0011]在圖中，相同的附圖標記表示分別具有相同或類似含義的相同或類似部件。不同實施例的各個技術特征只要在技術上可能且有意義就可以一般地與其它實施例的特征組合，即使這未被明確提及。
【具體實施方式】
[0012]首先借助在圖1中所示的示意性圖示完全一般性地描述功率半導體模塊I的示例。該功率半導體模塊I包括平坦的基板10，該基板構成模塊殼體的殼體底部并且因此也被稱為底板。模塊殼體可以由多個部分組成并且在本示例中還包括構成模塊殼體的側壁的殼體框20以及殼體蓋21。根據實施方式可以將模塊框20以及殼體蓋21 —體地構造。
[0013]模塊I包括至少一個功率電子襯底11 (power electronic substrate)。每個襯底11擁有具有高導熱性的例如介電的絕緣載體，該絕緣載體配備有上金屬化部12和可選的下金屬化部13。該絕緣載體用于將上金屬化部12相對于底板10電絕緣。功率電子襯底11 尤其可以是 DCB 襯底(DCB=direct copper bonded,直接銅接合)、DAB 襯底(DAB=directaluminum bonded,直接招接合)或 AMB 襯底(AMB=active metal braze,活性金屬釬焊)，其中絕緣載體20通常由陶瓷組成。另一功率電子襯底是所謂的MS襯底aMS=insulatedmetal substrate,絕緣金屬襯底),其中金屬載體通過薄絕緣層與金屬化部12絕緣。上金屬化部12被結構化并因此具有印制導線、接觸焊盤(例如焊接焊盤，接合焊盤等)等等。功率電子襯底此外用作半導體芯片用的載體并且不能與用作半導體芯片的基本材料的半導體襯底(例如娃晶片)搞混。
[0014]在功率電子襯底11上布置一個或多個功率半導體芯片15。在此大多是無殼體的芯片，即所謂的“裸片(Bare Dies)”。在根據圖1的實施例中，每個功率半導體芯片I都可以具有可控的功率半導體開關，例如IGBT (絕緣柵雙極晶體管(insulatedgate bipolar transistor))、MOSFET (金屬氧化物半導體場效應晶體管(metal oxidesemiconductor field effect transistor))、JFET (結型場效應晶體管(junct1n fieldeffect transistor))、晶閘管、二極管等。但是布置在功率電子襯底11上的、產生廢熱的功率半導體芯片I的數目和類型是任意的并且取決于相應的應用。在開頭所提及的換流器的情況下，通常采用借助MOSFET或IGBT構建的晶體管半橋。
[0015]功率半導體芯片15可以與上金屬化部12的接觸焊盤例如借助焊接或燒結機械地并且還導電地連接。半導體芯片15的上側可以以電的方式例如借助接合導線14與金屬化部12的對應的接合焊盤電連接。
[0016]為了能夠對功率半導體芯片I進行足夠的冷卻，絕緣載體的一個重要特性在于小的熱阻。因此值得期望的是，襯底的材料和厚度與功率半導體模塊I的要求相匹配。底板10可以具有導電金屬板(例如由銅或鋁制成)或者由這樣的導電金屬板組成。可選地，底板10在其表面上配備有薄材料層，例如由鎳制成的薄材料層，所述薄材料層用于改善底板10的可焊接性。功率電子襯底11可以與基板10例如通過軟焊(Weichl^ten)連接。功率半導體模塊還可以被實現為無基板10。在這種無底板的模塊情況下，襯底11代替底板并且直接構成該模塊的殼體底部。
[0017]一般來說，功率半導體模塊I包括多個連接元件22 (在橫截面上通常為矩形的)，這些連接元件使得模塊I能夠與例如電壓供應單元、中間回路電容器、電機的其它部件、其它功率半導體模塊和/或控制單元電連接。在當前的示例中，連接元件22被引導穿過殼體框20。替換地，連接元件也可以被引導穿過殼體蓋。在模塊殼體20，21的內部，連接元件22與上金屬化部13和/或與功率半導體芯片15中的一個或多個電連接。該連接可以通過不同方式加以實現。在當前的示例中，連接元件22在其下端部處分別具有接合焊盤，并且連接元件22分別經由接合導線14與功率電子襯底11上或半導體芯片15上的對應的接合焊盤連接。但是其它連接技術也是可能的，例如插塞連接器、彈簧接觸部等。
[0018]在圖1所示的示例性圖示中，還示出測量電阻16。該測量電阻具有所謂的弓形(橋形)，也就是說該測量電阻近似地具有U輪廓(或C輪廓)的形狀，其中在該U形的側柱處具有焊接焊盤。測量電阻16例如可以借助焊接與金屬化部12的兩個相鄰的接觸焊盤連接。其中相應的接觸焊盤又借助接合導線14與其它部件(例如芯片15或連接元件22)連接。
[0019]在圖2中所示的示例除了測量電阻16的構造形狀之外與圖1的示例相同。在當前示例中使用的測量電阻16’具有平面的形狀(具有例如矩形的橫截面)并且在其兩個端部處同樣與金屬化部12的所屬接觸焊盤連接。為了稍微節省空間，測量電阻16’在其兩個端部處的上側處具有接合焊盤，以便能夠直接借助接合導線14接觸測量電阻16。
[0020]在兩個示例(圖1和圖2)中負載電流基本上平行于襯底11的表面地流過測量電阻16或16’，這導致測量電阻的一定的橫向擴張并且在襯底上需要值得一提的空間。在圖3中示出根據本發明一個示例具有測量電阻17的功率半導體模塊I的另一示例。該測量電阻17的結構形狀導致通過測量電阻17的基本上垂直的電流流動方向(在襯底表面在水平層面中伸展的情況下)。出于該原因，測量電阻也稱為“垂直分流器(Vertikal-Shunt)”。圖4是圖3的垂直分流器17的放大圖示。測量電阻17包括下金屬層171以及與下層171基本上平行布置的上金屬層172，它們的表面分別用于將測量電阻與襯底金屬化部12或接合導線14接觸。金屬層171和172例如由銅制成并且可以在外部附加地覆蓋有另外的金屬化部，該另外的金屬化部保證更好的可焊接性。兩個金屬層171和172在一側通過由電阻合金(電阻層)制成的中間區域173電地和機械地連接。
[0021]例如，測量電阻17可以由平坦的板材制成，該平坦的板材由兩個銅構件(171和172)組成，這兩個銅構件通過由電阻合金制成的中間件(173)連接(例如通過硬焊)。然后將該板材彎曲成U形，使得得到在圖4中示出的結構形狀。U形的兩個柱之間(即金屬層171和172之間)的區域被用絕緣填充層174填充，使得U形的兩個柱以機械方式剛性地相互連接并且不是柔軟的(有彈性的)。在根據圖4的布置情況下，金屬層172的上側由于剛性的填充層174而可以良好地借助超聲波接合被接觸。
[0022]圖5示出測量電阻17的透視圖示。該測量電阻具有Imm至6mm的高度H,0.5mm至10_ (例如1.5mm至4mm)的寬度B以及在2_至40_ (例如4_至15mm)范圍內的長度。填充層174的厚度h可以在0.2mm和5mm之間(例如0.3mm至2mm)。金屬層171和172的厚度在0.2mm和3mm之間。所提到的尺寸應被理解為示例。精確的尺寸確定取決于具體的應用。作為用于電阻層173的電阻合金可以使用所有常用的電阻合金。通常采用具有由招、娃、猛和鐵組成的添加物的鎳-鉻合金(例如Isaohm?)以及銅-猛-鎳合金(例如Manganin?)、銅-猛-錫合金(例如Zeranin?)、鐵-鉻-招合金(例如Aluchrom?)等等。填充層可以由塑料組成，該塑料或者(以流態形式)被噴射到金屬層171和172之間的中間區域中，或者事后作為薄膜(以固態形式)壓入或粘接到該中間區域中。合適的塑料是熱塑性塑料以及熱固性塑料，例如聚酰亞胺(P1)。
[0023]作為對塑料的替換方案也考慮陶瓷。陶瓷可以類似于塑料地被壓入或粘接到金屬層171和172之間的中間區域中。替換地考慮已知的銅-陶瓷合成技術，例如AMB(ActiveMetal Brazing,活性金屬釬焊)以及DCB (Direct Copper Bonding,直接銅接合)。通過冷氣體噴射制造也是可能的。在圖6和圖7中示出根據本發明的測量電阻(在圖6和7中稱為垂直分流器17’)的另一實施例。在該示例中，測量電阻17’由一塊DCB襯底或AMB襯底構建。在此，在陶瓷載體174’(該陶瓷載體履行與前一示例中的填充層174相同的功能)的兩側上分別布置銅層171’和172’。DCB或AMB襯底在一側上(正面，即在垂直伸展的層面中)被研磨為平的，并且電阻材料作為垂直伸展的層173’被固定(例如熔接)在經研磨的棱邊上，使得電阻層173’在上端部和下端部處分別由金屬層171’或172’接觸。制成的測量電阻17’基本上具有與圖4和5的測量電阻17相同的結構。
[0024]圖7示意性示出測量電阻在功率半導體模塊中的使用，其中為簡單起見僅示出一塊功率電子襯底11。根據所示出的示例，測量電阻17’的下金屬層171’經由焊接層112與功率電子襯底11的金屬化部12連接。測量電阻17’的上金屬層171’例如借助超聲波接合(接合導線14)而被接觸。電阻層173’的下側可以在焊接測量電阻17’之前用焊接停止漆175來保護，以便防止將電阻層173’直接焊接在金屬化部12上(參見圖6)。
[0025]圖8描述了測量電阻的本發明構造的另一示例。該構造基本上對應于前一示例的構造，但是附加地包括開爾文(Kelvin)接觸部以便能夠實現三線測量或四線測量。圖8以5個不同的視圖示出當前的示例。中間的圖示是正面視圖(圖6也是)。其左側是右側視圖。右邊的圖示是左側視圖。上部的圖示示出接合面的俯視圖。下部的圖示示出具有焊接接觸部的下側視圖。在當前的示例中，作為中間層(與在圖6的示例中一樣)使用陶瓷襯底174’。但是其它絕緣載體層也是可能的。在陶瓷襯底174’的上側上布置銅層172’，該銅層也用作接合面(接合焊盤K參見圖3和7)。在陶瓷襯底174’的下側處布置用作焊接接觸部(參見圖3和7)的另一銅層171’。兩個層171’和172經由電阻層173導電連接，其中電阻層在側面布置在陶瓷襯底174’處，使得在運行中負載電流基本上在垂直方向上流過電阻層173(從層171’至層172’或反過來)。除了通過電阻層173構成的主電流路徑之外，銅層172’提供從陶瓷襯底174’的上側至其下側的另一電流路徑。為此層172’的一個或多個部分從陶瓷襯底174’的上側經由陶瓷襯底174’的側面延伸至陶瓷襯底174’的下側。在該下側上，層172’與層171’分離并且絕緣。因此兩個金屬層171’和172’在陶瓷襯底174’的下側處具有兩個絕緣的接觸面，這些接觸面可以與功率半導體襯底11的對應的接觸面(例如通過焊接，參見圖3)連接。第二金屬層172’因此一方面可以通過焊接與功率半導體襯底11直接連接，并且另一方面可以通過在電阻的上側處接觸金屬層172’的接合導線間接連接。通過這種方式使得可以在測量電阻處進行三線或四線測量。此外改善測量電阻的上側與功率半導體襯底11的熱連接。
【權利要求】
1.測量電阻，該測量電阻具有以下方面: 第一金屬層(171，171’),其布置在第一層面中； 第二金屬層(172，172’)，其布置在平行于第一層面并且與該第一層面相間隔的第二層面中； 電絕緣的中間層(174，174’)，其布置在第一和第二金屬層(171，172 ;171’，172’)之間并且將所述第一和第二金屬層相互機械連接； 電阻層(173，173’)，其將第一和第二金屬層(171，172 ;171’，172’)相互電連接。
2.根據權利要求1所述的測量電阻，其中在運行中通過所述電阻層(173，173’)的電流流動方向基本上法向于第一和第二層面地伸展。
3.根據權利要求1或2所述的測量電阻，其中 金屬層(171，172 ;171’，172’ )由銅或銅合金組成，和/或 其中中間層(174，174’ )由塑料或陶瓷組成。
4.根據權利要求1至3之一所述的測量電阻，其中電阻層由電阻合金組成，該電阻合金包括以下金屬中的至少兩種:銅、錳、錫、鎳、鐵、鉻、鋁。
5.根據權利要求1至4之一所述的測量電阻，其中金屬層(171’，172’)通過DCB襯底、DAB襯底或AMB襯底的金屬化部構成，并且電阻層(173’)在側面被布置在所述襯底處，使得該電阻層將該襯底的金屬化部電連接。
6.根據權利要求1至5之一所述的測量電阻，其中第二金屬層(172’)沿著中間層(174’ )的側面延伸直至所述第一層面中，其中在所述第一層面中第一和第二金屬層(171’，172’ )具有兩個相互電絕緣的接觸面，所述接觸面能夠與襯底的對應的接觸面連接。
7.用于制造測量電阻的方法，該方法包括以下方面: 提供近似U形的結構，其中該U形的兩個近似平行的柱構成兩個相互相間隔并且彼此平行的金屬層(171，172)，所述兩個金屬層經由電阻層(173)相互電連接； 在U形的平行的柱之間布置由絕緣材料制成的中間層，使得該絕緣材料將U形的兩個平行的柱機械連接。
8.根據權利要求7所述的方法，其中布置由絕緣材料制成的中間層包括: 將流態的塑料噴射到所述U形的平行的柱之間的區域中，或者將固態的塑料或陶瓷壓入或粘接到所述U形的平行的柱之間的區域中，使得所述絕緣材料將所述U形的兩個平行的柱機械連接。
9.用于制造測量電阻的方法，該方法包括以下方面: 提供功率電子襯底，該功率電子襯底具有由陶瓷或絕緣金屬制成的絕緣載體(174’)和兩側的金屬化部； 將電阻層(173’ )固定在該功率電子襯底的側面處，使得該電阻層將兩個金屬化部連接。
10.根據權利要求9所述的方法，其中在將電阻層(173’)固定在該功率電子襯底的側面處之前將該側面研磨成平的。
11.根據權利要求9或10所述的方法，其中將電阻層(173’)固定在該功率電子襯底的側面處通過熔接來進行。
12.功率半導體模塊，其包括以下方面: 具有結構化的金屬化部的功率電子襯底，該金屬化部具有多個接觸焊盤； 至少一個布置在該功率電子襯底上的電子器件； 測量電阻，該測量電阻具有以下方面: 第一金屬層(171，171’)，其布置在所述結構化的金屬化部的接觸焊盤之一上并且與該接觸焊盤機械地和電地連接； 第二金屬層(172，172’)，其布置在平行于所述結構化的金屬化部并且與該結構化的金屬化部相間隔的層面中； 電絕緣的中間層(174，174’)，其布置在第一和第二金屬層(171，172 ;171’，172’)之間并且將所述第一和第二金屬層相互機械連接； 電阻層(173，173’)，其將第一和第二金屬層(171，172 ;171’，172’)相互電連接。
13.功率半導體模塊，其還具有以下方面: 接合導線，所述接合導線為了電接觸測量電阻而借助超聲波接合連接與第二金屬層(172，172’ )連接。
【文檔編號】H01L23/544GK104517939SQ201410500894
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月26日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】P.坎沙特, T.施托爾策 申請人:英飛凌科技股份有限公司