Oktober 2011

NTC-Thermistoren für Leistungshalbleiter

Integrierter Temperaturschutz

Neue EPCOS NTC-Thermistoren lassen sich sehr einfach in Leistungshalbleiter integrieren. So wird eine zuverlässige Temperaturüberwachung realisiert, die vor teuren Ausfällen oder der Zerstörung von elektronischen Systemen schützt.

 

Konventionelle keramikbasierte Heißleiter, die auch als NTC-Thermistoren (Negative Temperature Coefficient) bezeichnet werden, sind ideale und gleichzeitig kostengünstige Bauelemente zur Temperaturmessung. Diese Produkte werden seit Jahren von EPCOS in bedrahteter Bauform oder als SMT-Bauelemente in den üblichen EIA-Baugrößen wie 0402, 0603, 0805 und anderen gefertigt. Eingesetzt werden diese NTC-Thermistoren etwa in Anwendungen der Automobil- und Industrie-Elektronik sowie in Haushaltsgeräten – beispielsweise in Kühlschränken, Wasch- und Spülmaschinen oder Herden.

Kompakte SMT-Ausführungen der NTC-Thermistoren werden zum Übertemperaturschutz zunehmend auch direkt in Leistungshalbleiter wie IGBT-Module integriert. Die konventionellen Ausführungen bereiten jedoch einige Schwierigkeiten in der Prozessführung. Dazu zählen: 

  • Die Anschlüsse müssen auf dem Halbleitersubstrat für den Löt- oder Klebeprozess als Pads ausgeführt sein.
  • Zwischen Substrat und NTC-Themistor können erhöhte thermische Widerstände auftreten, falls das Bauelement nicht plan aufliegt.
  • Unterschiedliche Temperaturkoeffizienten von Substrat und NTC-Thermistor können zu Brüchen des Thermistors führen.
  • Der thermische und mechanische Stress beim Umspritzungsprozess des Halbleiters kann ebenfalls zu Brüchen des Thermistors führen.

Durch eine aufwändige und damit kostspielige Prozesstechnologie können diese Probleme teilweise gelöst werden. Das Risiko der Bruchbildung im Betrieb des Halbleiters lässt sich jedoch nicht vollständig ausschließen.

Um diese Probleme zu lösen, wurde ein Wafer-basierter Herstellungsprozess für EPCOS Chip-NTC-Thermistoren entwickelt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Wafer für EPCOS NTC-Thermistoren vor der Vereinzelung

Kompletter NTC-Wafer mit Träger. Die Kontaktflächen liegen in den horizontalen Ebenen und nicht wie üblich in der vertikalen Ebene.

Bei NTC-Thermistoren, die aus Wafern gefertigt werden (Abbildung 2), ist die Anordnung der elektrischen Kontaktierungen entscheidend: Sie ist in diesem Fall horizontal und nicht vertikal. Im Gegensatz zu konventionellen SMT-Ausführungen liegen sie nicht an den Seiten des Bauelements, sondern auf der Ober- und Unterseite. Dadurch wird mit dem unteren Anschluss eine direkte und sehr plane Kontaktierung auf dem Halbleitersubstrat ermöglicht. Der obere Anschluss wird über konventionelles Bonden kontaktiert. Wahlweise sind die Kontaktflächen auch in vergoldeter oder versilberter Ausführung erhältlich, um bestmögliche Ergebnisse beim Bonden zu erzielen.

Durch die horizontale Anordnung der Kontaktierung auf dem Substrat ist die Bruchgefahr deutlich reduziert. Außerdem erübrigt sich der Lötprozess.

 

Abbildung 2: EPCOS Chip-NTC-Thermistor
Durch die horizontale Anordnung der Kontaktierung ist die Bruchgefahr deutlich reduziert.

Waferprozess ermöglicht engere Toleranzen

Ein weiterer Vorteil sind die sehr geringen elektrischen und thermischen Toleranzen dieser Chip-NTC-Thermistoren. Erzielt wird diese Präzision durch eine spezielle Prozesstechnologie: Vor dem Vereinzeln der Bauelemente wird der Gesamtwiderstand des Wafers bezogen auf eine Nenntemperatur von 100 °C bestimmt. Daraus wird die Größe der zu vereinzelnden Thermistoren berechnet. Somit ist sichergestellt, dass das Toleranzfeld der einzelnen Bauelemente sehr eng bemessen ist. Die Abbildung 3 zeigt die ∆-Werte von Widerstand und Temperatur bezogen auf die Nenntemperaturen 25 °C und 60 °C.

  

Abbildung 3: Widerstands- und Temperaturtoleranz

Dargestellt sind die Widerstands- (links) und Temperaturtoleranzen (rechts) der EPCOS Chip-NTC-Thermistoren bezogen auf Nenntemperaturen von 25 °C und 60 °C.

Die engen Toleranzen und die damit verbundene hohe Genauigkeit kommen den Anforderungen von Halbleiterherstellern mehr als entgegen. Denn so ist es möglich, dass die IGBT-Module bei Temperaturen betrieben werden, die sehr nahe an den zulässigen Höchstwerten liegen.

Wichtig für die Genauigkeit eines NTC-Thermistors sind sein B-Wert und dessen Toleranzen. Der B-Wert gibt allgemein die Steigung der RT-Kurve an. Je geringer die Toleranzen des B-Werts sind, umso höher ist die Genauigkeit der Messung. Verdeutlicht wird dies in der Abbildung 4. Dargestellt sind Widerstands- und Temperaturänderungen in Abhängigkeit unterschiedlicher B-Wert-Toleranzen.

 

Abbildung 4: Widerstands- und Temperaturtoleranz in Abhängigkeit des B-Werts

Je geringer die B-Wert-Toleranzen sind, umso genauer wird die Messung. Dargestellt ist die Widerstands- (links) und Temperaturtoleranz (rechts) bei ΔB/B von 0,3 Prozent und 1 Prozent.

  

Je geringer die B-Wert-Toleranzen sind, umso genauer wird die Messung. Dargestellt ist die Widerstands- (links) und Temperaturtoleranz (rechts) bei ∆B/B von 0,3 Prozent und 1 Prozent. Welche Auswirkungen der B-Wert auf die Genauigkeit der Messung hat, verdeutlicht Abbildung 5. Verglichen werden hierbei ein konventioneller SMD-NTC-Thermistor der Baugröße 0603 mit einer Nenntemperatur von 25 °C (3 Prozent B-Wert-Toleranz; 5 Prozent Toleranz bei R2525) und ein Chip-NTC-Thermistor mit einer Nenntemperatur von 100 °C (1 Prozent B-Wert-Toleranz; 3,5 Prozent Toleranz bei R25100). Es wird deutlich, dass der Chip-NTC-Thermistor eine wesentlich engere und damit bessere Toleranz bietet.

  

Abbildung 5: Vergleich von Chip-NTC- und konventionellem SMD-NTC-Thermistor

Im Temperaturbereich bei 120 °C, der für Halbleiter kritisch ist, weist der Chip-NTC-Thermistor eine hohe Messgenauigkeit von ±1,5 K auf. Die SMD-Variante dagegen hat eine Streuung von ±5 K.

In der Praxis bedeutet dies, dass ein mit einem SMD-NTC-Thermistor ausgerüstetes IGBT-Modul spätestens bei einer gemessenen Temperatur von 120 °C abgeschaltet werden muss, da die tatsächliche Temperatur wegen der Toleranz von ±5 K bereits den für die Sperrschicht kritischen Wert von 125 °C erreicht haben kann. Andererseits kann die Temperatur auch erst bei 115 °C liegen und dennoch ist bereits eine Abschaltung notwendig. Außerdem muss bedacht werden, dass die meisten SMD-NTC-Thermistoren durch den Lötprozess noch eine Widerstandsdrift von bis zu ±3 Prozent erfahren, wodurch die Messgenauigkeit noch weiter abnimmt.

 

Anders beim Chip-NTC-Thermistor: Wegen der engen Toleranz von nur ±1,5 K bei 120 °C ist eine Abschaltung hier erst bei 123 °C erforderlich. Das Beispiel zeigt deutlich, dass sich IGBT-Module dank Chip-NTC-Thermistoren bis an die Leistungsgrenzen und damit besser nutzen lassen. Die momentan verfügbaren Chip-NTC-Thermistoren können bei Temperaturen von bis zu 155 °C betrieben werden. Eine Erweiterung der maximalen Arbeitstemperatur auf bis zu 175 °C ist möglich. Gleichzeitig können die B-Wert-Toleranzen auf 0,5 Prozent eingeengt werden. Damit sind Chip-NTC-Thermistoren auch für neueste Halbleitergenerationen etwa auf Basis von SiC geeignet.

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