半导体模块和用于测定流过负载接口的电流的方法
【专利摘要】本发明涉及一种半导体模块。半导体模块包括电路载体、壳体、以及具有集成的分流电阻的连接片。电路载体具有绝缘载体，以及安置在绝缘载体的上侧面上的金属化层。连接片包括第一负载连接部段、第二负载连接部段以及电地布置在第一负载连接部段和第二负载连接部段之间的、并且与其串联连接的分流电阻区域。此外，分流电阻区域具有欧姆电阻，其温度系数在温度为20℃时小于0.00002/K。在第二负载连接部段的区域内，连接片借助第一材料配合的连接与金属化层的第一部段导电连接。此外，第一负载连接部段从壳体中引出，并且具有布置在壳体的外侧上的自由端。
【专利说明】半导体模块和用于测定流过负载接口的电流的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体模块。
【背景技术】
[0002]半导体模块通常包括一个或者多个半导体芯片，高电流流经其负载路段，通过分流电阻测量这些高电流。这种分流电阻通常装配在电路载体上，在该电路载体上还装配着一个或者多个半导体芯片。在此，必须为分流电阻在电路载体上提供足够大的装配面积。特别是当电路载体通常是非常昂贵的以陶瓷为基础.的电路载体时，这会提高模块的生产成本。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于，提供半导体模块，其中能够成本低廉地测定在半导体模块中出现的电流。本发明的另一个任务在于提供相应的、用于测定这种电流的方法。该目的通过根据权利要求1所述的半导体模块或者是通过根据权利要求18所述的、用于测定流经半导体模块的负载接口的电流的方法得以解决。本发明的设计方案和改进方案是从属权利要求的对象。
[0004]本发明的第一个方面涉及具有电路载体、壳体和连接片的半导体模块。电路载体包括具有上侧面的绝缘载体，金属化层安置在该上侧面上。绝缘载体例如可以是扁平的小陶瓷板。此外，绝缘载体的上侧面可以是平坦的。
[0005]连接片包括集成的分流电阻。为此，连接片具有第一负载连接部段和第二负载连接部段，以及电地布置在第一负载连接部段和第二负载连接部段之间的并且与第一负载连接部段和第二负载连接部段串联连接的分流电阻区域。
[0006]分流电阻区域还具有欧姆电阻，其温度系数值在温度为20°C时小于0.00002/K。在第二负载连接部段的区域内，连接片借助第一材料配合的连接与金属化层的第一部段导电连接。第一负载连接部段从壳体中引出，并且具有布置在壳体的外侧上的自由端。在自由端上例如可以连接外部负载或者供电电压用于为半导体模块供电。通过将分流电阻区域集成到连接片中，可以避免将单独的分流电阻装配到电路载体上，并且因此节省了电路载体上的装配面积。可选择地，分流电阻区域也可以具有大于第一负载连接部段和第二负载连接部段的电阻率。
[0007]在这种半导体模块中，可以通过以下方式测定流经负载接口的电流，S卩，结合分流电阻区域的欧姆电阻，从在分流电阻区域上下降的电压中推导出流经负载接口的电流。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]下面借助实施例参照附图阐述本发明。图中示出:
[0009]图1是穿过具有连接片的半导体模块的垂直截面图，在连接片中集成了分流电阻，并且该连接片借助连接层与电路载体的金属化层材料配合地连接；[0010]图2是穿过半导体模块的垂直截面图，其与根据图1所示的半导体模块的区别在于，连接片与电路载体的金属化层直接连接；
[0011]图3是根据图1和2所示的半导体模块的俯视图，其中，去除了填料，并且其中，连接片具有负载连接部段和传感连接部段，其与电路载体的金属化层的不同部段材料配合地连接；
[0012]图4是根据图1和2所示的半导体模块的可替换的设计方案的俯视图，其中，连接片的负载连接部段与金属化层的两个单独的部段分别材料配合地连接；
[0013]图5是穿过半导体模块的垂直截面图，其根据图1和3构造而成；
[0014]图6是穿过半导体模块的垂直截面图，其根据图1和4构造而成；
[0015]图7是穿过半导体模块的垂直截面图，其根据图2和3构造而成；
[0016]图8是穿过半导体模块的垂直截面图，其根据图2和4构造而成；
[0017]图9是根据图1或2的半导体模块的俯视图；
[0018]图10是具有集成的分流电阻的连接片的电路图，其符合在图3，5，7中所示的构造;
[0019]图11是具有集成的分流电阻的连接片的电路图，其符合在图4，6，8中所示的构造;
[0020]图12是穿过半导体模块的垂直截面图，其与根据图1所示的半导体模块仅仅只有导热媒介不同，该导热媒介放置在半导体模块的连接片和底板之间，并且该导热媒介不仅接触分流电阻，而且还接触底板；
[0021]图13是分流电阻的电路图，其与可控的半导体元器件的负载路段串联地电连接；以及
[0022]图14是分流电阻的电路图，其与二极管的负载路段串联地电连接。
【具体实施方式】
[0023]图1示出穿过半导体模块的垂直截面图。该半导体模块具有电路载体2，在电路载体上装配着一个或者多个半导体芯片I。电路载体2包括绝缘载体20，以及上面的、安置在绝缘载体20的上侧面25的金属化层21。正如所示的那样，上金属化层21可以选择地制造成导电带(Leiterbahn)和/或导电面的结构。不同的导电带或导电面在此可以彼此电隔离。可选择地，绝缘载体20在其与上侧面25相对置的上侧面26上可以具有下金属化层22。下金属化层22可以结构化，或者如所示的那样没有结构化。同样可选择地，电路载体2可以借助连接层55与大的底板9、例如由铜或者由薄涂层的铜制成的板连接。连接层55可以是钎焊层、烧结层或者粘合层。然而，假如在半导体模块中不存在底板9，电路载体5就构成半导体模块的外表面。
[0024]半导体模块的内部连接特别是可以在上金属化层21中使用导电带和/或导电面的情况下实现。为了这个目的，在有需要的情况下同样也可以设计其它的电连接元件8。这些其它的连接元件8例如可以是粘合线(Bonddraehte)、粘合带(Bondbaendchen)或连接薄片。
[0025]用于外部地连接半导体模块，设计了连接片3和3,，其能从模块的外侧接触到。这些连接片3，3,例如可以用于，将外部的负载连接至半导体模块，或者向半导体模块输送供电电压。为了测定在半导体模块运行时流经连接片3的电流，连接片3具有集成的、具有欧姆电阻的分流电阻区域30，其温度系数在温度为20°C时小于0.00002/K。适合用于分流电阻区域30的材料例如含有原子百分比为53%至57%的铜、43%至45%的镍和0.5%到1.2%的锰的合金。其余的部分可以部分地或者完全地由铁制成。另一种合适的合金可以包括原子百分比为82%至84%的铜、2%至4%的镍和12%至15%的锰。还有一种合适的合金由大约原子百分比为84%的铜、13%的锰和3%的铝构成。
[0026]分流电阻区域30布置在连接片的第一负载连接部段31和第二负载连接部段32之间，并且与部段31和32以串联的方式电连接。分流电阻区域30具有大于负载连接部段31和第二负载连接部段32的电阻率。在电流经过连接片3时，分流电阻区域30上的电压下降，结合分流电阻区域30的(已知的)欧姆电阻，可以从该电路中以简单的方式按照欧姆定律以高的准确度测定流经连接片3的电流。
[0027]连接片3具有带有第一端311和第二端312的第一负载连接部段31，以及同样具有第一端321和第二端322的第二负载连接部段。第一负载连接部段31由半导体模块的壳体中引出，使得能够从模块的外侧触及第一端311，并且能够连接在模块外部的负载上或者为模块供电的模块外部的供电电压上。为此，第一负载连接部段31在其自由端(311)上可选择地具有螺纹开口 35。
[0028]在所示例子中，模块的壳体由环形的壳体框架71、以及填充在壳体框架71内的填料72构成。可选择地，在至少一个半导体芯片I的背离电路载体2的一侧上还可以存在壳盖。在这种情况下，第一负载连接部段31也可以穿过壳体框架71和壳盖之间的间隙，或者穿过壳盖本身。不管是否存在壳盖，连接片3都可以穿过壳体框架71。为此，可以将连接片3插入壳体框架71的插入通道中。还有一种可能性在于，用注塑造型工艺制造壳体框架71，并且同时将连接片3喷注到壳体框架71中。与模块壳体的设计方案无关地，第一负载连接部段31从壳体中引出，使得第一端311构成连接片3的自由端，其能够从模块的外侧触及。
[0029]在第二负载连接部段32的区域内，连接片3借助第一材料配合的连接与上金属化层21的第一部段211连接。在根据图1的实例中，第一材料配合的连接借助第一连接层51得以实现，其不仅直接接触第二负载连接部段32而且还直接接触上金属化层21的第二部段211。第一连接层51例如可以构造成钎焊层或烧结层。在烧结层的情况下，第一连接层51例如可以含有银或者由银制成。
[0030]与之不同的是，根据图2的实施例中的连接片3与上金属化层21材料配合地直接连接，也就是说，第二负载连接部段32和上金属化层21的第一部段211之间的材料配合的连接是直接的连接，其中，第二负载连接部段32和上金属化层21的第一部段211接触。这种连接例如可以通过熔焊或粘结(Bonden)制成，特别是通过超声波粘结。
[0031]图3示出的俯视图不仅符合根据图1所示的半导体模块的俯视效果，而且还符合根据图2所示的半导体模块的俯视效果。然而，为了能够显示出嵌入其中的半导体模块的组件，未示出填料72。根据图1和2的示图等同于在图3中绘制的截面平面E1-E1。在根据图3的实例中，连接片3具有第一传感连接部段33和第二传感连接部段34。第一传感连接部段33具有第一端331和与第一端相对布置的第二端332。相应地，第二传感连接部段34具有第一端341和与第一端341相对布置的端342。[0032]第二负载连接部段32的第一端321和第二传感连接部段34的第一端341在分流电阻部段30的同一侧上材料配合地与该分流电阻部段连接。此外，第一负载连接部段31的第二端312和第一传感连接部段33的第二端332在分流电阻部段30的同一侧上材料配合地与该分流电阻部段连接。分流电阻部段30和其中每一个连接部段31，32，33，34之间的材料配合的连接例如可以通过熔焊实现。合适的熔焊工艺例如有电子束焊或激光焊。
[0033]根据所示例子应该表明，可以使用连接片3借助传统的四导线测量法测定流经负载连接部段31和32的电流。在此，传感连接部段33和34作为用于测定在分流电阻区域30上下降的电压的电压分接头。在此，为了测量结果不出错，高阻抗地实现对该电压的测量。
[0034]为了进一步电连接，连接片3在其第二传感连接部段34的区域内借助第二材料嵌入的连接与上金属化层21的第二部段212连接。作为连接工艺在此可以使用也用于制造第二负载连接部段32与上金属化层21的第一部段211的第一材料配合的连接时一样的连接工艺。部段211和212是上金属化层21的分离的部段。
[0035]如果应该将分流电阻区域30的由第二传感连接部段34量取的电势从半导体模块中引出，那么为此可以使用连接导体4。连接导体4同样可以是连接片，例如呈夹角的薄片，其与第二部段212导电连接。此外，连接导体4可以具有自由端41，其从半导体模块的壳体中引出，并且因此能够从模块的外侧触及。
[0036]图4示出了根据图3所示的布置方式的一种转化方案。在这种布置方式中，第二传感连接部段34是第二负载连接部段32的组成部分。相应地，在第二负载连接部段32区域内，连接片3不仅借助第一材料配合的连接与上金属化层21的第一部段211导电连接，而且还借助第三材料配合的连接与上金属化层21的第二部段212导电连接。在此，第一和第三材料配合的连接能够相互独立地构造成像参照图1和2示出的第一材料配合的连接那样。特别是可以使用同样在那里提到的连接工艺，并且可以将这些连接工艺以任意的方式相互组合。
[0037]图5至8分别在截面平面E2-E2中示出图3或4所示的半导体模块的视图。在此，根据图5的布置方式对应图1和3,根据图6的布置方式对应图1和4,根据图7的布置方式对应图2和3，并且根据图8的布置方式对应图2和4构造而成。在图5至8中也未示出实际上存在的填料72 (见图1和2)。
[0038]图9示出根据图3和4的布置方式在将填料72填入壳体框架71内以后的俯视图。
[0039]图10示出连接片3的电路图，正如其参照图3，5和7所示出的那样。连接片3在这里构造成四导线系统。分流电阻部段30具有欧姆电阻R30，其温度系数在温度为20°C时小于0.00002/K。在半导体模块运行时流经第一负载连接部段31和第二负载连接部段32的电流Il在分流电阻部段30上产生电压下降。通过传感连接部段33和34能够量取这种电压下降。在此，第一传感连接部段33上加载电势Ul，第二传感连接部段34上加载第二电势U2。于是能够以已知的方式根据欧姆定律从商(Ul-U2)/R30中测定电流II。相应地，根据图11的电路符号示出连接片3，正如其借助图4，6和8阐述的那样。
[0040]可选择地，分流电阻区域30在温度为20°C时可以具有至少40*10_8Ω -m (欧姆电表)的电阻率。[0041]通过将分流电阻区域30集成到连接片3中节省电路载体2上的装配面积，这还基于，分流电阻区域30正如在实例中所示的那样完全地或者却至少部分地布置在空间区域29以外(见图1，2和12)，其从绝缘载体20的平坦的上侧面25出发，垂直地位于绝缘载体20的上侧面25上方和侧边缘的内部，并且其至少延伸至覆盖半导体模块。
[0042]在本发明意义内的半导体模块中，在分流电阻区域30和第一负载连接部段31的自由端311之间存在导电的连接，在不使用粘合线的情况下制造该连接。该电连接可以只具有唯一的接合位置，该结合位置由分流电阻区域30和第一负载连接部段31之间的材料配合的连接构成。
[0043]根据本发明的在图12中阐述的另一个方面，在分流电阻部段30中积累的热量能够借助绝缘导热材料73向底板9排出。为此，导热材料73这样设置在连接片3和底板9之间，即，使其不仅直接接触连接片3，而且还直接接触底板9。在此，导热材料73特别是也可以直接接触分流电阻部段30。
[0044]导热材料73例如可以是塑料或胶粘剂。为了实现导热材料73的高导热率，可选择地导热材料73可以填充导热性良好的粒料74，例如颗粒或者粉末。作为粒料的材料例如特别适合用陶瓷和/或玻璃。导热材料73例如可以具有大于或者等于0.8W/(m.K)的
导热率。
[0045]对于具有借助图1所述的结构的半导体模块而言，以及阐述了导热材料73的应用。然而也能够以相同的方式用在所有其它阐述的半导体模块中，只要其具有底板9。
[0046]此外，正如在图13和14中示例性示出的那样，在本发明的所有设计方案中，分流电阻区域30可以与半导体芯片I的负载路段以串联的方式电连接。在这个意义上，在包括半导体元器件6的半导体芯片I中，并且该半导体元器件如图13中所示具有控制输入端63(例如门极接口或基极接口)，“负载路段”理解为在半导体元器件6的两个负载接口 61和62之间构成的、并且能够通过控制输入端63控制的通电路段。这种可控的半导体元器件6例如可以是MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT (绝缘栅门场效应晶体管)、JFET(结型场效应晶体管)、晶闸管等等。两个负载接口 61和62就可以是漏极和源极、源极和漏极、放射极和集电极、集电极和放射极、阴极和阳极或者阳极和阴极。否则，当半导体元器件6如图14中所示的那样是不可控的，例如在是二极管的情况下，那么这两个负载接口 61和62是阳极和阴极或者阴极和阳极。在此，可选择地可以将第二负载连接部段32电连接在分流电阻区域30和负载路段之间。
【权利要求】
1.一种半导体模块包括: 具有绝缘载体(20)以及具有安置在所述绝缘载体(20)的上侧面(25)上的金属化层(21)的电路载体(2)； 具有集成的分流电阻的、具有第一负载连接部段(31)和第二负载连接部段(32)的连接片(3)，以及电地布置在所述第一负载连接部段(31)和所述第二负载连接部段(32)之间的并且与所述第一负载连接部段和所述第二负载连接部段串联连接的分流电阻区域(30)；和 壳体(71，72)； 其中，所述分流电阻区域(30)具有欧姆电阻，所述欧姆电阻的温度系数值在温度为20°C时小于 0.00002/K ； 在所述第二负载连接部段(32)区域内，所述连接片(3)借助第一材料配合的连接与所述金属化层(21)的第一部段(211)导电连接； 所述第一负载连接部段(31)从所述壳体(71，72)中引出，并且具有布置在所述壳体(71,72)的外侧上的自由端(311)。
2.根据权利要求1所述的半导体模块，其中，所述分流电阻区域(30)具有大于所述第一负载连接部段(31)和所述第二负载连接部段(32)的电阻率。
3.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其中，所述分流电阻区域(30)在20°C时具有至少为40*10-8Ω.m的电阻率。
4.根据前述权利要求中任一 项所述的半导体模块，其中，所述上侧面(25)是平坦的，并且其中，所述分流电阻区域(30)完全地或者至少部分地布置在空间区域(29)以外，所述空间区域垂直地位于所述绝缘载体(20)的所述上侧面(25)上方和侧边缘的内部，并且所述空间区域至少延伸至覆盖所述半导体模块。
5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，其中，所述第一材料配合的连接 是粘结连接或熔焊连接，其中，所述第二负载连接部段(32)与所述金属化层(21)的所述第一部段(211)直接连接；或者 是钎焊或烧结连接，其中，所述第二负载连接部段(32)借助构造成钎焊层或烧结层的第一连接层(51)与所述金属化层(21)的所述第一部段(211)间接连接，其中，所述第一连接层(51)不仅直接接触所述金属化层(21)的所述第一部段(211)而且还直接接触所述第二负载连接部段(32)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，具有第一传感连接部段(33)，所述第一传感连接部段在所述分流电阻区域(30)的与所述第一负载连接部段(31)相同的一侧上与所述分流电阻区域导电连接。
7.根据权利要求6所述的半导体模块，其中，所述第一传感连接部段(33)从所述壳体(71，72)中引出，使得所述第一传感连接部段(33)的自由端(331)位于所述壳体(71，72)的外侧上，并且由此构成所述半导体模块的外部接口。
8.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，具有第二传感连接部段(34)，所述第二传感连接部段在所述分流电阻区域(30)的与所述第二负载连接部段(32)相同的一侧上与所述分流电阻区域导电连接。
9.根据权利要求8所述的半导体模块，其中，所述第二传感连接部段(34)材料配合地在所述第二传感连接部段(34)的区域内借助第二材料配合的连接与所述金属化层(21)的第二部段(212)导电连接，其中，所述第二材料配合连接 是粘结连接或熔焊连接，其中，所述第二传感连接部段(34)与所述金属化层(21)的所述第二部段(212)直接连接；或者 是钎焊或烧结连接，其中，所述第二传感连接部段(34)借助构造成钎焊层或烧结层的第二连接层(52)与所述金属化层(21)的所述第二部段(212)间接连接，其中，所述第二连接层(52)不仅直接接触所述金属化层(21)的所述第二部段(212)而且还直接接触所述第二传感连接部段(34)。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体模块，其中，所述第二负载连接部段(32)借助第三材料配合的连接与所述金属化层(21)的第二部段(212)导电连接，其中，所述第三材料配合的连接 是粘结连接或熔焊连接，其中，所述第二负载连接部段(32)与所述金属化层(21)的所述第二部段(212)直接连接；或者 是钎焊或烧结连接，其中，所述第二负载连接部段(32)借助构造成钎焊层或烧结层的第三连接层(53)与所述金属化层(21)的所述第二部段(212)间接连接，其中，所述第三连接层(53)不仅直接接触所述金属化层(21)的所述第二部段(212)而且还直接接触所述第二负载连接部段(32)。
11.根据权利要求10所述的半导体模块，具有与所述金属化层(21)的所述第二部段(212)导电连接的连接导体(4 )，以及具有壳体(71，72)，在所述壳体中布置所述电路载体(2)和所述分流电阻区域(30)，并且所述连接导体(4)从所述壳体中引出，使得所述连接导体(4)的自由端(61)位于所述壳体(71，72)的外侧上，并且由此形成所述半导体模块的外部接口(41)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，其中，所述第一负载连接部段(31)在所述第一负载连接部段的自由端(311)上具有螺纹开口(35)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，其中，所述绝缘载体(20)构造成小陶瓷板。
14.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，其中，在所述分流电阻区域(30)和所述第一负载连接部段(31)的所述自由端(311)之间存在导电连接，在不使用粘合线的情况下制造所述连接。
15.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，其中，在所述分流电阻区域(30)和所述第一负载连接部段(31)的所述自由端(311)之间存在导电连接，所述连接仅具有唯一的接合位置，所述接合位置由所述分流电阻区域(30)和所述第一负载连接部段(31)之间的材料配合的连接构成。
16.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，具有半导体芯片(I)，所述半导体芯片包括具有负载路段的半导体元器件(6)，所述负载路段与所述分流电阻区域(30)以串联的方式电连接。
17.根据权利要求16所述的半导体模块，其中，所述第二负载连接部段(32)电连接在所述分流电阻区域(30)和所述负载路段之间。
18.一种用于测定流经半导体模块的负载接口(3)的电流的方法，具有以下步骤:提供根据前述权利要求中任一项构造而成的半导体模块； 测定在所述分流电阻区域(30)上下降的电压；和 根据下降的所述电压以及根据所述分流电阻区域(30)的欧姆电阻测定流经所述负载接口(3)的所 述电流。
【文档编号】H01L25/16GK103545285SQ201310279354
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年7月4日 优先权日:2012年7月9日
【发明者】托尔斯滕·库尔茨, 安德烈亚斯·舒尔茨 申请人:英飞凌科技股份有限公司