垂直分流电阻的利记博彩app
【专利摘要】本发明涉及垂直分流电阻。描述了一种用于测量电流的测量电阻。根据本发明的实施例，该测量电阻具有第一和第二金属层、电绝缘的中间层以及电阻层。第一金属层布置在第一层面中。第二金属层布置在基本上平行于第一层面并且与该第一层面相间隔的第二层面中。电绝缘的中间层布置在第一和第二金属层之间并且将所述第一和第二金属层相互机械连接。电阻层将第一和第二金属层相互电连接。
【专利说明】
垂直分流电阻
【技术领域】
[0001]本发明涉及借助测量电阻(分流电阻)测量电流的领域，尤其是涉及测量电阻的构建及其到功率半导体模块中的集成。
【背景技术】
[0002]功率半导体器件以及由其构建的功率电子电路极其经常被集成在所谓的功率半导体模块(也为功率电子模块或“Power Electronic Module”)中。例如，换流器(例如变频器，逆变器等)可以集成在功率半导体模块中。借助功率晶体管(例如MOSFET或IGBT)构建的换流器例如可以被用于操控电动机。其它应用是逆变器，其例如将来自太阳能设备的直流变换为交变电流以便能够将该交变电流电流馈入公共电网中。不仅在这些应用中负载电流路径中的电流测量可能是值得期望的。在操控电动机的情况下，可以从所测量的电流中例如求得发动机转矩。
[0003]测量电流的非常简单的可能性在于，经由具有已知电阻值的测量电阻(分流电阻)引导待测量的负载电流并且测量在该测量电阻上的得出的电压降。该电压降与所寻找的电流成比例。在高功率(例如在电动车辆中的电动机情况下大于20kW)的情况下出现非常高的电流(例如直至100A或更大)并且测量电阻必须是非常低欧姆的(例如在几毫欧姆的范围内)，以便将损耗功率保持得尽可能地小。因为由于在测量电阻中耗散的损耗功率，测量电阻的温度可能波动，因此在这种测量电阻的情况下值得期望的是电阻值的小的温度梯度。尽管如此仍可能有利的是:冷却测量电阻，以将温度保持在定义的范围中。在将测量电阻装入功率半导体模块中的情况下，足够的冷却通常得以保证，因为该模块在运行中大多总归都耦合到冷却系统。适用于装入功率半导体模块中以及适用于测量较高电流的已知测量电阻比较大并且在模块中使用值得一提的空间。
【发明内容】
[0004]本发明所基于的任务是实现一种用于高电流的测量电阻，其可以非常节省空间地集成到功率半导体模块中。
[0005]所提到的任务通过根据权利要求1的测量电阻以及通过根据权利要求6和9的方法和根据权利要求12的功率半导体模块解决。本发明的不同实施例和改进方案是从属权利要求的主题。
[0006]本发明的第一方面涉及用于测量电流的测量电阻。根据本发明的实施例，该测量电阻具有第一和第二金属层、电绝缘的中间层以及电阻层。第一金属层布置在第一层面中。第二金属层布置在基本上平行于第一层面并且与该第一层面相间隔的第二层面中。电绝缘的中间层布置在第一和第二金属层之间并且将所述第一和第二金属层相互机械连接。电阻层将第一和第二金属层相互电连接。
[0007]本发明的另一方面涉及一种用于制造测量电阻的方法。根据本发明的示例，该方法包括提供近似U形的结构，其中该U形的两个近似平行的柱(Schenkel)构成两个相互相间隔并且彼此平行的金属层，所述金属层经由电阻层相互电连接。在U形的平行的柱之间布置由绝缘材料制成的中间层，使得该绝缘材料将U形的两个平行的柱机械连接。
[0008]根据本发明的另一示例，该方法包括提供功率电子衬底，该功率电子衬底具有由陶瓷或电绝缘金属制成的绝缘载体以及两侧的金属化部。将电阻层固定在功率电子衬底的侧面上，使得该电阻层将两个金属化部电连接。
[0009]本发明的另一方面涉及功率半导体模块，该功率半导体模块包括具有结构化的金属化部的功率电子衬底以及至少一个布置在该功率电子衬底上的电子器件和测量电阻，其中该金属化部具有多个接触焊盘。测量电阻具有第一金属层以及第二金属层，其中该第一金属层布置在结构化的金属化部的接触焊盘之一上并且与该金属化部机械和电连接，该第二金属层布置在与结构化的金属化部平行并且与该结构化的金属化部相间隔的层面中。电绝缘的中间层布置在第一和第二金属层之间并且将该第一和第二金属层相互机械连接。电阻层负责将第一与第二金属层电连接。通过测量电阻的主电流方向基本上法向于功率电子衬底的结构化的金属化部位于其中的层面。本发明的另一方面涉及一种用于制造这种功率半导体模块的方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]下面根据在附图中示出的示例更详细地阐述本发明。这些图示不强制性地按比例的并且本发明不仅仅局限于所示出的方面。更确切地说，重视的是示出本发明所基于的原理。在附图中:
图1示出具有集成的测量电阻的功率半导体模块(以横截面图示)的示例；
图2示出如图1中的但是具有另一种构造类型的测量电阻的功率半导体模块；
图3示出根据本发明一种实施例的具有测量电阻的功率半导体模块的另一示例；
图4示出图3的测量电阻的放大的横截面图；
图5示出图3的测量电阻的透视图示；
图6示出测量电阻的替换结构形式的示例；
图7示出根据图6的测量电阻固定在功率半导体模块的功率电子衬底上的示例；以及图8示出测量电阻的替换结构形式的另一示例。
[0011]在图中，相同的附图标记表示分别具有相同或类似含义的相同或类似部件。不同实施例的各个技术特征只要在技术上可能且有意义就可以一般地与其它实施例的特征组合，即使这未被明确提及。
【具体实施方式】
[0012]首先借助在图1中所示的示意性图示完全一般性地描述功率半导体模块I的示例。该功率半导体模块I包括平坦的基板10，该基板构成模块壳体的壳体底部并且因此也被称为底板。模块壳体可以由多个部分组成并且在本示例中还包括构成模块壳体的侧壁的壳体框20以及壳体盖21。根据实施方式可以将模块框20以及壳体盖21 —体地构造。
[0013]模块I包括至少一个功率电子衬底11 (power electronic substrate)。每个衬底11拥有具有高导热性的例如介电的绝缘载体，该绝缘载体配备有上金属化部12和可选的下金属化部13。该绝缘载体用于将上金属化部12相对于底板10电绝缘。功率电子衬底11 尤其可以是 DCB 衬底(DCB=direct copper bonded,直接铜接合)、DAB 衬底(DAB=directaluminum bonded,直接招接合)或 AMB 衬底(AMB=active metal braze,活性金属钎焊)，其中绝缘载体20通常由陶瓷组成。另一功率电子衬底是所谓的MS衬底aMS=insulatedmetal substrate,绝缘金属衬底),其中金属载体通过薄绝缘层与金属化部12绝缘。上金属化部12被结构化并因此具有印制导线、接触焊盘(例如焊接焊盘，接合焊盘等)等等。功率电子衬底此外用作半导体芯片用的载体并且不能与用作半导体芯片的基本材料的半导体衬底(例如娃晶片)搞混。
[0014]在功率电子衬底11上布置一个或多个功率半导体芯片15。在此大多是无壳体的芯片，即所谓的“裸片(Bare Dies)”。在根据图1的实施例中，每个功率半导体芯片I都可以具有可控的功率半导体开关，例如IGBT (绝缘栅双极晶体管(insulatedgate bipolar transistor))、MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxidesemiconductor field effect transistor))、JFET (结型场效应晶体管(junct1n fieldeffect transistor))、晶闸管、二极管等。但是布置在功率电子衬底11上的、产生废热的功率半导体芯片I的数目和类型是任意的并且取决于相应的应用。在开头所提及的换流器的情况下，通常采用借助MOSFET或IGBT构建的晶体管半桥。
[0015]功率半导体芯片15可以与上金属化部12的接触焊盘例如借助焊接或烧结机械地并且还导电地连接。半导体芯片15的上侧可以以电的方式例如借助接合导线14与金属化部12的对应的接合焊盘电连接。
[0016]为了能够对功率半导体芯片I进行足够的冷却，绝缘载体的一个重要特性在于小的热阻。因此值得期望的是，衬底的材料和厚度与功率半导体模块I的要求相匹配。底板10可以具有导电金属板(例如由铜或铝制成)或者由这样的导电金属板组成。可选地，底板10在其表面上配备有薄材料层，例如由镍制成的薄材料层，所述薄材料层用于改善底板10的可焊接性。功率电子衬底11可以与基板10例如通过软焊(Weichl^ten)连接。功率半导体模块还可以被实现为无基板10。在这种无底板的模块情况下，衬底11代替底板并且直接构成该模块的壳体底部。
[0017]一般来说，功率半导体模块I包括多个连接元件22 (在横截面上通常为矩形的)，这些连接元件使得模块I能够与例如电压供应单元、中间回路电容器、电机的其它部件、其它功率半导体模块和/或控制单元电连接。在当前的示例中，连接元件22被引导穿过壳体框20。替换地，连接元件也可以被引导穿过壳体盖。在模块壳体20，21的内部，连接元件22与上金属化部13和/或与功率半导体芯片15中的一个或多个电连接。该连接可以通过不同方式加以实现。在当前的示例中，连接元件22在其下端部处分别具有接合焊盘，并且连接元件22分别经由接合导线14与功率电子衬底11上或半导体芯片15上的对应的接合焊盘连接。但是其它连接技术也是可能的，例如插塞连接器、弹簧接触部等。
[0018]在图1所示的示例性图示中，还示出测量电阻16。该测量电阻具有所谓的弓形(桥形)，也就是说该测量电阻近似地具有U轮廓(或C轮廓)的形状，其中在该U形的侧柱处具有焊接焊盘。测量电阻16例如可以借助焊接与金属化部12的两个相邻的接触焊盘连接。其中相应的接触焊盘又借助接合导线14与其它部件(例如芯片15或连接元件22)连接。
[0019]在图2中所示的示例除了测量电阻16的构造形状之外与图1的示例相同。在当前示例中使用的测量电阻16’具有平面的形状(具有例如矩形的横截面)并且在其两个端部处同样与金属化部12的所属接触焊盘连接。为了稍微节省空间，测量电阻16’在其两个端部处的上侧处具有接合焊盘，以便能够直接借助接合导线14接触测量电阻16。
[0020]在两个示例(图1和图2)中负载电流基本上平行于衬底11的表面地流过测量电阻16或16’，这导致测量电阻的一定的横向扩张并且在衬底上需要值得一提的空间。在图3中示出根据本发明一个示例具有测量电阻17的功率半导体模块I的另一示例。该测量电阻17的结构形状导致通过测量电阻17的基本上垂直的电流流动方向(在衬底表面在水平层面中伸展的情况下)。出于该原因，测量电阻也称为“垂直分流器(Vertikal-Shunt)”。图4是图3的垂直分流器17的放大图示。测量电阻17包括下金属层171以及与下层171基本上平行布置的上金属层172，它们的表面分别用于将测量电阻与衬底金属化部12或接合导线14接触。金属层171和172例如由铜制成并且可以在外部附加地覆盖有另外的金属化部，该另外的金属化部保证更好的可焊接性。两个金属层171和172在一侧通过由电阻合金(电阻层)制成的中间区域173电地和机械地连接。
[0021]例如，测量电阻17可以由平坦的板材制成，该平坦的板材由两个铜构件(171和172)组成，这两个铜构件通过由电阻合金制成的中间件(173)连接(例如通过硬焊)。然后将该板材弯曲成U形，使得得到在图4中示出的结构形状。U形的两个柱之间(即金属层171和172之间)的区域被用绝缘填充层174填充，使得U形的两个柱以机械方式刚性地相互连接并且不是柔软的(有弹性的)。在根据图4的布置情况下，金属层172的上侧由于刚性的填充层174而可以良好地借助超声波接合被接触。
[0022]图5示出测量电阻17的透视图示。该测量电阻具有Imm至6mm的高度H,0.5mm至10_ (例如1.5mm至4mm)的宽度B以及在2_至40_ (例如4_至15mm)范围内的长度。填充层174的厚度h可以在0.2mm和5mm之间(例如0.3mm至2mm)。金属层171和172的厚度在0.2mm和3mm之间。所提到的尺寸应被理解为示例。精确的尺寸确定取决于具体的应用。作为用于电阻层173的电阻合金可以使用所有常用的电阻合金。通常采用具有由招、娃、猛和铁组成的添加物的镍-铬合金(例如Isaohm?)以及铜-猛-镍合金(例如Manganin?)、铜-猛-锡合金(例如Zeranin?)、铁-铬-招合金(例如Aluchrom?)等等。填充层可以由塑料组成，该塑料或者(以流态形式)被喷射到金属层171和172之间的中间区域中，或者事后作为薄膜(以固态形式)压入或粘接到该中间区域中。合适的塑料是热塑性塑料以及热固性塑料，例如聚酰亚胺(P1)。
[0023]作为对塑料的替换方案也考虑陶瓷。陶瓷可以类似于塑料地被压入或粘接到金属层171和172之间的中间区域中。替换地考虑已知的铜-陶瓷合成技术，例如AMB(ActiveMetal Brazing,活性金属钎焊)以及DCB (Direct Copper Bonding,直接铜接合)。通过冷气体喷射制造也是可能的。在图6和图7中示出根据本发明的测量电阻(在图6和7中称为垂直分流器17’)的另一实施例。在该示例中，测量电阻17’由一块DCB衬底或AMB衬底构建。在此，在陶瓷载体174’(该陶瓷载体履行与前一示例中的填充层174相同的功能)的两侧上分别布置铜层171’和172’。DCB或AMB衬底在一侧上(正面，即在垂直伸展的层面中)被研磨为平的，并且电阻材料作为垂直伸展的层173’被固定(例如熔接)在经研磨的棱边上，使得电阻层173’在上端部和下端部处分别由金属层171’或172’接触。制成的测量电阻17’基本上具有与图4和5的测量电阻17相同的结构。
[0024]图7示意性示出测量电阻在功率半导体模块中的使用，其中为简单起见仅示出一块功率电子衬底11。根据所示出的示例，测量电阻17’的下金属层171’经由焊接层112与功率电子衬底11的金属化部12连接。测量电阻17’的上金属层171’例如借助超声波接合(接合导线14)而被接触。电阻层173’的下侧可以在焊接测量电阻17’之前用焊接停止漆175来保护，以便防止将电阻层173’直接焊接在金属化部12上(参见图6)。
[0025]图8描述了测量电阻的本发明构造的另一示例。该构造基本上对应于前一示例的构造，但是附加地包括开尔文(Kelvin)接触部以便能够实现三线测量或四线测量。图8以5个不同的视图示出当前的示例。中间的图示是正面视图(图6也是)。其左侧是右侧视图。右边的图示是左侧视图。上部的图示示出接合面的俯视图。下部的图示示出具有焊接接触部的下侧视图。在当前的示例中，作为中间层(与在图6的示例中一样)使用陶瓷衬底174’。但是其它绝缘载体层也是可能的。在陶瓷衬底174’的上侧上布置铜层172’，该铜层也用作接合面(接合焊盘K参见图3和7)。在陶瓷衬底174’的下侧处布置用作焊接接触部(参见图3和7)的另一铜层171’。两个层171’和172经由电阻层173导电连接，其中电阻层在侧面布置在陶瓷衬底174’处，使得在运行中负载电流基本上在垂直方向上流过电阻层173(从层171’至层172’或反过来)。除了通过电阻层173构成的主电流路径之外，铜层172’提供从陶瓷衬底174’的上侧至其下侧的另一电流路径。为此层172’的一个或多个部分从陶瓷衬底174’的上侧经由陶瓷衬底174’的侧面延伸至陶瓷衬底174’的下侧。在该下侧上，层172’与层171’分离并且绝缘。因此两个金属层171’和172’在陶瓷衬底174’的下侧处具有两个绝缘的接触面，这些接触面可以与功率半导体衬底11的对应的接触面(例如通过焊接，参见图3)连接。第二金属层172’因此一方面可以通过焊接与功率半导体衬底11直接连接，并且另一方面可以通过在电阻的上侧处接触金属层172’的接合导线间接连接。通过这种方式使得可以在测量电阻处进行三线或四线测量。此外改善测量电阻的上侧与功率半导体衬底11的热连接。
【权利要求】
1.测量电阻，该测量电阻具有以下方面: 第一金属层(171，171’),其布置在第一层面中； 第二金属层(172，172’)，其布置在平行于第一层面并且与该第一层面相间隔的第二层面中； 电绝缘的中间层(174，174’)，其布置在第一和第二金属层(171，172 ;171’，172’)之间并且将所述第一和第二金属层相互机械连接； 电阻层(173，173’)，其将第一和第二金属层(171，172 ;171’，172’)相互电连接。
2.根据权利要求1所述的测量电阻，其中在运行中通过所述电阻层(173，173’)的电流流动方向基本上法向于第一和第二层面地伸展。
3.根据权利要求1或2所述的测量电阻，其中 金属层(171，172 ;171’，172’ )由铜或铜合金组成，和/或 其中中间层(174，174’ )由塑料或陶瓷组成。
4.根据权利要求1至3之一所述的测量电阻，其中电阻层由电阻合金组成，该电阻合金包括以下金属中的至少两种:铜、锰、锡、镍、铁、铬、铝。
5.根据权利要求1至4之一所述的测量电阻，其中金属层(171’，172’)通过DCB衬底、DAB衬底或AMB衬底的金属化部构成，并且电阻层(173’)在侧面被布置在所述衬底处，使得该电阻层将该衬底的金属化部电连接。
6.根据权利要求1至5之一所述的测量电阻，其中第二金属层(172’)沿着中间层(174’ )的侧面延伸直至所述第一层面中，其中在所述第一层面中第一和第二金属层(171’，172’ )具有两个相互电绝缘的接触面，所述接触面能够与衬底的对应的接触面连接。
7.用于制造测量电阻的方法，该方法包括以下方面: 提供近似U形的结构，其中该U形的两个近似平行的柱构成两个相互相间隔并且彼此平行的金属层(171，172)，所述两个金属层经由电阻层(173)相互电连接； 在U形的平行的柱之间布置由绝缘材料制成的中间层，使得该绝缘材料将U形的两个平行的柱机械连接。
8.根据权利要求7所述的方法，其中布置由绝缘材料制成的中间层包括: 将流态的塑料喷射到所述U形的平行的柱之间的区域中，或者将固态的塑料或陶瓷压入或粘接到所述U形的平行的柱之间的区域中，使得所述绝缘材料将所述U形的两个平行的柱机械连接。
9.用于制造测量电阻的方法，该方法包括以下方面: 提供功率电子衬底，该功率电子衬底具有由陶瓷或绝缘金属制成的绝缘载体(174’)和两侧的金属化部； 将电阻层(173’ )固定在该功率电子衬底的侧面处，使得该电阻层将两个金属化部连接。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在将电阻层(173’)固定在该功率电子衬底的侧面处之前将该侧面研磨成平的。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中将电阻层(173’)固定在该功率电子衬底的侧面处通过熔接来进行。
12.功率半导体模块，其包括以下方面: 具有结构化的金属化部的功率电子衬底，该金属化部具有多个接触焊盘； 至少一个布置在该功率电子衬底上的电子器件； 测量电阻，该测量电阻具有以下方面: 第一金属层(171，171’)，其布置在所述结构化的金属化部的接触焊盘之一上并且与该接触焊盘机械地和电地连接； 第二金属层(172，172’)，其布置在平行于所述结构化的金属化部并且与该结构化的金属化部相间隔的层面中； 电绝缘的中间层(174，174’)，其布置在第一和第二金属层(171，172 ;171’，172’)之间并且将所述第一和第二金属层相互机械连接； 电阻层(173，173’)，其将第一和第二金属层(171，172 ;171’，172’)相互电连接。
13.功率半导体模块，其还具有以下方面: 接合导线，所述接合导线为了电接触测量电阻而借助超声波接合连接与第二金属层(172，172’ )连接。
【文档编号】H01L23/544GK104517939SQ201410500894
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】P.坎沙特, T.施托尔策 申请人:英飞凌科技股份有限公司