专利名称：带有无线saw温度传感器的功率半导体模块的制作方法
带有无线SAW温度传感器的功率半导体模块技术领域
本申请涉及功率半导体模块，特别地带有温度传感器的功率半导体模块。
背景技术：
通常使用NTC (负温度系数)热敏电阻器实现在IGBT (绝缘栅双极晶体管)模块内的温度测量。NTC热敏电阻器具有要求在模块外罩内的单独陶瓷上安置和连接到专用另外的端子的隔离要求。这种温度传感器不能靠近于系统的最关键的元件-功率晶体管-定位，并且所测量温度数据不是那么精确的。利用这种温度传感器，从使用者进行保护性分离也不是固有地可获得的，因为NTC热敏电阻器具有可在外部触及的连接端子。在使用期间可能不经意地接触这些端子，从而引起严重的电击。为了降低电击的风险而提供外部隔离电路增加了总体封装成本。而且，对于NTC温度传感器模块而言更多的空间是必要的，并且需要另外的导线连接以提供到温度传感器的电连接。额外的电连接诸如这些电连接降低了模块的寿命。发明内容
使用无线SAW(表面声波)温 度传感器提供了在功率晶体管模块内的温度测量。SAff 温度传感器基于压电效应运行。与传统的NTC传感器相比，SAW温度传感器需要更少的空间，因为SAW传感器并不要求用于输入和输出信号的端子。替代地，与SAW传感器的通信是无线的。这继而提供更大的自由度以在功率晶体管模块的不可能带有传统NTC传感器的部分中安置SAW传感器。例如，在功率晶体管模块内的温度的测量能够在电力端子处、在经由基板在其上安装功率晶体管的底板处、在基板处或者在功率晶体管管芯处进行。SAW温度传感器还提供内在的保护性分离以降低电击的风险，并且SAW传感器无需在模块内的任何电源电压。
根据功率半导体模块的一个实施例，该模块包括外罩、被置放在外罩中的底板、被安装到底板的多个基板、被安装到基板的多个功率晶体管管芯、和被安装到基板并且通过外罩突出的多个端子。端子与功率晶体管管芯电连接。该功率半导体模块进一步包括被置放在功率半导体模块的外罩中的无线表面声波(SAW)温度传感器。
根据功率半导体组件的一个实施例，该组件包括功率半导体模块、电路板和RF收发器电路。该功率半导体模块包括外罩、被置放在外罩中的底板、被安装到底板的多个基板、被安装到基板的多个功率晶体管管芯、和被安装到基板并且通过外罩突出的多个端子。 端子与功率晶体管管芯电连接。该功率半导体模块进一步包括被置放在功率半导体模块的外罩中的无线SAW温度传感器。电路板被安装到外罩并且具有接收从外罩突出的端子的多个电连接器。RF收发器电路被安装到电路板并且被配置为向无线SAW温度传感器发射RF 脉冲并且接收由无线SAW温度传感器响应于RF脉冲产生的RF响应信号。
在阅读以下详细说明时和在观察附图时，本领域技术人员将会认识到另外的特征和优点。
附图中的元件并不是必要地相对于彼此按照比例。类似的附图标记标注相应的类似的部分。各种示意的实施例的特征能够被组合，除非它们相互排斥。在图中描绘了并且在随后的说明中详述了实施例。
图1示意包括带有无线SAW温度传感器的功率半导体模块的功率半导体组件的实施例的透视图。
图2示意无线SAW温度传感器和用于致动和感测SAW传感器的、相应的控制器和 RF收发器电路的实施例。
图3示意包括带有无线SAW温度传感器的功率半导体模块的功率半导体组件的另一实施例的截面透视图。
图4示意带有无线SAW温度传感器的功率半导体模块的实施例的透视图。
图5示意带有在功率半导体模块中包括的无线SAW温度传感器的基板的实施例的透视图。
图6示意带有在功率半导体模块中包括的无线SAW温度传感器的基板的另一实施例的透视图。
图7示意带有无线SAW温度传感器的功率半导体模块的另一实施例的透视图。
具体实施方式
图1示意功率半导体组件100的实施例。组件100包括电路板110和功率半导体模块120。各种有源和无源构件诸如电阻器、电容器、电感器、功率晶体管(例如IGBT)、二极管、端子等被封装在功率半导体模块120的外罩121内并且在图1中是不可视的。还在模块外罩121中包括一个或者多个无线表面声波(SAW)温度传感器122。利用虚线框在图1 中示出一个SAW传感器122，但是为了收集有关功率半导体模块120的温度数据，能够在模块外罩121中封装任何所期数目的SAW传感器。
电路板110被安装到功率半导体模块120的外罩121，但是为了便于示意各种组件构件，图1示出电路板110例如PCB (·印刷电路板)被从模块外罩121拆离。构件诸如半导体管芯、无源元件、布线迹线等被提供在电路板110上和/或电路板110中并且确保在功率半导体模块120内侧包含的功率晶体管的正确操作并且为了便于示意而未在图1中示出。 电路板110还具有用于接收从电力模块外罩121突出的端子124的多个电连接器112。从模块外罩121突出的某些端子124可以是用于控制信号，而其它端子126是电力端子。
RF收发器电路114也被安装到电路板110。在图1中利用虚线示出RF收发器电路 114和相应的天线116，因为这些构件被安装到电路板110的面对功率半导体模块120的底侧并且因此是不可见的。天线116能够是被形成为电路板110的一个部分的导线或者带状线。在一个实施例中，天线116被以IOcm或者更小(例如在5cm和IOcm之间)从无线SAW 温度传感器122隔开。如果期望的话，RF收发器电路114和/或天线116能够替代地被安装在电路板110的顶侧上。
在每一种情形中，RF收发器电路114经由天线116向无线SAW温度传感器122发射RF脉冲并且接收由无线SAW温度传感器122响应于RF脉冲产生的RF响应信号。在RF收发器电路114处接收的RF响应信号被转换成能够被用于控制功率半导体模块120的操作的温度数据。例如，能够向远离功率半导体子组件100的实体报告温度数据以用于远程地控制模块120的操作。如果温度数据指示问题例如如果超过最大允许温度，则温度数据能够被用于安全地关闭在电力模块120中包括的一个或者多个晶体管。
图2更加详细地示意RF收发器电路114和无线SAW温度传感器122。无线SAW温度传感器122是无动力的并且从RF收发器电路114接收RF脉冲信号200。SAW传感器122 作为从RF收发器电路114接收的RF脉冲信号200和SAW传感器122的温度的函数输出RF 响应信号202。
无线SAW温度传感器122包括被连接到传感器天线206的叉指式转换器204 (或者叉指式变换器，或者简称IDT)外加在呈现弹性的材料210诸如压电材料比如石英、铌酸锂、钽酸锂、硅酸镓镧等的表面上形成的几个反射器208。在图2中放大的IDT 204包括形式为相互连接的指216、218的电极结构212、214。在IDT 204的放大视图中，在被连接到相同电极212/214的两个相邻指216/218之间的距离被标为‘p’。这两个指216/218处于相同的电势并且具有在IDT 204的放大视图中被标为‘q’的电周期。
响应于被施加到电极结构212、214的AC电压，SAW传感器122的表面基于压电效应变形。这个变形引起通过SAW传感器122和/或在其表面上传播的声波。对传播路径的特性的任何改变均影响被反射器208反射回IDT 204的波的速率和/或振幅。反射器208 能够被第二 IDT替代，第二 IDT能够被用于接收传播波。在任一情形中，速率的变化能够通过测量SAW传感器122的频率和/或相位特性而被监视并且然后能够被与正被测量的相应的物理量例如温度相关。以相反的方式，在SAW传感器122的表面上的入射波在电极结构 212、214处产生AC电压。
在SAW传感器122处的温度变化影响通过压电材料210/在其表面之上的波的传播速度并且因此影响SAW传感器122的总体电学行为。具有高频的信号遇到SAW传感器 122并且所得到的表面声波根据温度在高度和相位滞后方面改变。控制器230能够解释从 SAW传感器122接收 的这个信号以推导相应的温度数据。SAW传感器122具有专用操作频带和限定的在输出频率和温度之间的关系。控制器230能够连同发射到SAW传感器122的 RF脉冲信号200的特性一起使用这项信息以将从SAW传感器122接收的相应的RF响应信号202转换成温度数据。
控制器230还控制作为RF收发器电路114的一个部分提供的振荡器232(例如数控振荡器，或者简称NC0)的操作。NCO 232驱动RF发射器234以便周期地产生经由被连接到RF收发器电路114的天线116引导到SAW传感器122的RF脉冲信号200。开关236诸如双工器将天线116连接到发射器234 (用于向SAW传感器122发射RF脉冲200)或者接收器238用于从SAW传感器122接收相应的RF响应信号202。能够在轮询RF脉冲信号200 和相应的接收RF响应信号202之间存在10到15m的距离。控制器230能够是例如在驱动器板上的离散构件或者被集成在控制功率半导体模块120的总体操作的模块控制单元中， 或者被集成在变频器或者伺服驱动电路中。如果被作为系统控制电路的一个部分集成，则控制器230能够帮助基于温度数据来控制功率半导体模块120。控制器230也能够例如经由互联网或者无线连接向远离功率半导体子组件的实体报告温度数据。类似地，能够从功率半导体子组件外侧远程地控制控制器230。
图3示意功率半导体组件300的另一实施例。根据这个实施例，从功率半导体模块120突出的端子中的至少某些端子是被压配到电路板110中的相应的电连接器304中的压配连接器302。紧固器306诸如螺钉或者螺栓能够被用于将电路板110和功率半导体模块120紧固到热沉308。一个或者多个无线SAW温度传感器122被置放在如由虚线框指示的模块120内。示出了 RF收发器电路114和天线116被置放在电路板110的背离模块 120的表面上。如果期望的话，RF收发器电路114和/或天线116可替代地能够位于电路板110的相对侧上。
图4示意移除了外罩121的功率半导体模块120的实施例。模块120包括被置放在外罩121中的底板400、被安装到底板400的多个基板402、被安装到基板402的多个功率晶体管管芯404诸如IGBT管芯和被安装到基板402的多个端子406。例如，如在图1和 2中所示，端子406通过模块外罩121突出。端子406例如经由被置放在基板402上的图案化金属化层408以及将图案化金属化层408连接到管芯404的接合导线、丝带等410而与功率晶体管管芯404电连接。一个或者多个无线SAW温度传感器122也被置放在功率半导体模块120的外罩121中。
根据在图4中示意的实施例，SAW温度传感器122被联结到底板400。例如，传感器122能够被焊接或者胶合到底板400。能够采用低温结合技术或者扩散焊接过程将SAW 传感器122联结到底板400。还可以使用其它传感器联结过程。在该实施例中，由SAW传感器122感测的温度对应于底板400的温度。SAW温度传感器122能够位于不同的位置中，或者另外的SAW温度传感器122能够在模块外罩121内被提供在其它位置处以测量不同的温度。
图5示出带有被联结到基板402的无线SAW温度传感器122的、在模块外罩121中包括的基板402之一的实施例。根据这个实施例，由这个SAW传感器122感测的温度对应于基板402的温度。在一个实施例中，无线SAW温度传感器122被联结于此的基板402包括被置入顶部金属化408和在图5中不可见的底部金属化之间的陶瓷材料500。无线SAW温度传感器122例如经由胶合剂、焊料等而被联结到金属化之一。在图5中，SAW传感器122 被联结到基板402的顶部金属化408。用于在基板402中使用的适当的陶瓷材料500的实例包括氮化铝(A1N)、氧化铝(A1203)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(S iC)或者氧化铍(BeO)。金属化能够包括铜或者具有高比例的铜的铜合金。基板402能够是例如DCB基板(DCB=直接铜接合)、DAB基板(DAB=直接铝接合)、AMB基板(AMB=活性金属焊接)等。
图6示出带有被联结到基板402的无线SAW温度传感器122的、在模块外罩121 中包括的基板402之一的另一实施例。根据这个实施例，介电材料502诸如SiO2被置放在基板402的陶瓷材料500上并且SAW传感器122被置放在介电材料502上。可替代地能够在图6中不可见的基板402的底侧处的金属化上实现SiO2层，并且SAW传感器122能够在基板402的这个区域中例如在底板400中形成的凹部中被焊接或者胶合到底板400从而基板402以平面方式接触底板400。
图7示出不带外罩121并且带有被联结到模块120的端子406之一的无线SAW温度传感器122的功率半导体模块120的实施例。在一个实施例中，这个SAW传感器122被联结到模块120的主电力端子，例如被连接到在模块120中包括的功率晶体管管芯404的漏极的端子。SAW传感器122能够被胶合或者焊接到端子406并且由这个SAW传感器122感测的温度对应于端子406的温度，端子406的温度继而与在功率晶体管管芯404中流动的电流量相关。
为了易于说明使用了空间相对术语诸如“下面”、“以下”、“下”、“之上”、“上”等以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了不同于在图中描绘的那些定向的定向，这些术语旨在涵盖器件的不同定向。此外，术语诸如“第一”、“第二”等还被用于描述各种元件、区域、部分等，并且也并非旨在是限制性的。贯穿说明书，类似的术语指代类似的元件。
如在这里所使用，术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是指示所陈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开放式术语。冠词“一个”、“一”和“该” 旨在包括复数以及单数，除非上下文清楚地另有指示。
要理解在这里描述的各种实施例的特征可以被相互组合，除非具体地另有指出。
虽然已经在这里示意并且描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将会理解，在不偏离本发明的范围的情况下各种可替代的和/或等价的实现可以替代所示出和描述的具体实施例。该申请旨在覆盖在这里讨论的具体实施例的任何调整或者变化。因此， 本发明旨在仅由权利要求及其等价形式限制。
权利要求
1.一种功率半导体模块，包括 外罩； 被置放在所述外罩中的底板； 被安装到所述底板的多个基板； 被安装到所述基板的多个功率晶体管管芯； 被安装到所述基板并且通过所述外罩突出的多个端子，所述端子与所述功率晶体管管芯电连接；和 被置放在所述功率半导体模块的所述外罩中的无线表面声波(SAW)温度传感器。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中所述无线SAW温度传感器被联结到所述底板。
3.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中所述无线SAW温度传感器被联结到所述基板之一。
4.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其中所述无线SAW温度传感器被联结于此的所述基板包括被置入第一和第二金属化层之间的陶瓷材料，并且所述无线SAW温度传感器被联结到所述金属化层之一。
5.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其中所述无线SAW温度传感器被联结于此的所述基板包括被置入第一和第二金属化层之间的陶瓷材料，并且所述无线SAW温度传感器在被置放在所述基板的所述陶瓷材料上的电介质上包括叉指式转换器。
6.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中所述无线SAW温度传感器被联结到所述端子之一。
7.根据权利要求1所述的功率半导体模块，进一步包括被置放在所述外罩中的一个或者多个另外的无线SAW温度传感器。
8.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中所述无线SAW温度传感器是无动力的并且能够操作用于接收RF脉冲信号并且作为所述RF脉冲信号和所述无线SAW温度传感器的温度的函数输出RF响应信号。
9.一种功率半导体组件，包括 功率半导体模块，所述功率半导体模块包括 外罩； 被置放在所述外罩中的底板； 被安装到所述底板的多个基板； 被安装到所述基板的多个功率晶体管管芯； 被安装到所述基板并且通过所述外罩突出的多个端子，所述端子与所述功率晶体管管芯电连接；和 被置放在所述功率半导体模块的所述外罩中的无线表面声波(SAW)温度传感器； 电路板，所述电路板被安装到所述外罩并且具有接收从所述外罩突出的所述端子的多个电连接器；和 RF收发器电路，所述RF收发器电路被安装到所述电路板并且被配置为向所述无线SAW温度传感器发射RF脉冲并且接收由所述无线SAW温度传感器响应于所述RF脉冲产生的RF响应信号。
10.根据权利要求9所述的功率半导体组件，进一步包括被安装到所述电路板并且被电连接到所述RF收发器电路的控制器，所述控制器被配置为将由所述RF收发器电路接收的所述RF响应信号转换成温度数据。
11.根据权利要求10所述的功率半导体组件，其中所述控制器进一步被配置为基于所述温度数据控制所述功率半导体模块的操作。
12.根据权利要求10所述的功率半导体组件，其中所述控制器进一步被配置为向远离所述功率半导体子组件的实体报告所述温度数据。
13.根据权利要求10所述的功率半导体组件，其中能够从所述功率半导体子组件外侧远程地控制所述控制器。
14.根据权利要求10所述的功率半导体组件，其中所述控制器被配置为控制用于产生所述RF脉冲的所述RF收发器电路的振荡器。
15.根据权利要求9所述的功率半导体组件，其中所述RF收发器电路包括被置放在所述电路板上的天线。
16.根据权利要求15所述的功率半导体组件，其中所述天线是作为所述电路板的一个部分形成的导线或者带状线。
17.根据权利要求15所述的功率半导体组件，其中所述天线被以IOcm或者更小从所述RF收发器电路隔开。
18.根据权利要求15所述的功率半导体组件，其中所述天线被以在5cm和IOcm之间从所述RF收发器电路隔开。
19.根据权利要求9所述的功率半导体组件，进一步包括被置放在所述功率半导体模块的所述外罩中的一个或者多个另外的无线SAW温度传感器。
20.根据权利要求9所述的功率半导体组件，其中所述无线SAW温度传感器被联结到所述基板之一。
全文摘要
本发明涉及带有无线SAW温度传感器的功率半导体模块。一种功率半导体模块包括外罩、被置放在外罩中的底板、被安装到底板的多个基板、被安装到基板的多个功率晶体管管芯和被安装到基板并且通过外罩突出的多个端子。端子与功率晶体管管芯电连接。功率半导体模块进一步包括被置放在功率半导体模块的外罩中的无线表面声波(SAW)温度传感器。
文档编号H01L23/58GK103022013SQ20121035347
公开日2013年4月3日 申请日期2012年9月21日 优先权日2011年9月23日
发明者M.斯莱文 申请人:英飞凌科技股份有限公司