Die Sensorik ist eine Schlüsseltechnologie in der modernen Welt. Eine präzise Erfassung und Regelung von Temperaturen gewährleisten einen sicheren, effizienten und nachhaltigen Betrieb in einer Vielzahl von Anwendungen wie Energieerzeugung, Gesundheit und Mobilität. Mit dem fortschreitenden Übergang zur Elektromobilität wird die Temperaturmessung erneut zu einem Wegbereiter.
Leistung, Geschwindigkeit und Effizienz jedes Elektrofahrzeugs werden von der Auslegung und den Möglichkeiten der Spannungswandler- und Wechselrichtereinheiten bestimmt. Höhere Schaltfrequenzen, höhere Leistungen und der damit verbundene Betrieb bei höheren Temperaturen ermöglichen größere Reichweiten und dynamischere Fahrweisen bei. Höhere Betriebstemperaturen erfordern jedoch neue Materialien und neue Verbindungstechniken.
Vereinfachtes Design durch Wegfall des geätzten Grabens
Der sinterfähige Pt1000-Temperatursensor im SMD-Gehäuse wurde entwickelt, um Leistungsmodule zu optimieren (Abb.: 1). Die Trennung zwischen der Sensorschicht auf der Oberseite und der Rückseitenmetallisierung ermöglicht eine potenzialfreie Positionierung des Temperatursensors neben der Wärmequelle. Der Sensor und andere Komponenten können auf derselben elektrischen Ebene und auf demselben Substrat platziert werden. Die Notwendigkeit, den Sensorchip auf eine separaten „Insel“ zu montieren entfällt. Durch den Wegfall des zusätzlichen Ätzgrabens, der für eine isolierte Montage von durchkontaktierten Bauelementen (Typ NTC) erforderlich ist, reduziert sich der Designaufwand auf Substratebene. Die Verringerung der Substratgröße trägt zu kleineren Bauteilen bei und unterstützt den allgemeinen Trend zur Miniaturisierung.
Der Anschluss des Sensorelements kann durch standardmäßiges Dickdrahtbonden erfolgen, die Verbindung zur Platine durch standardmäßiges Silbersintern, was eine nahtlose Integration in Standardproduktionsprozesse ermöglicht. Abb. 2 zeigt einen Vergleich der Designmöglichkeiten von SMD- und NTC-Sensoren.
Die Sinterverbindung ist der Schlüssel für den Hochtemperaturbetrieb und öffnet das Betriebsfenster weit über 200 °C hinaus. Während das Pt1000-Sensorelement derzeit mit einer oberen Betriebsgrenze von 200 °C spezifiziert ist, zielen die laufenden Entwicklungsaktivitäten auf höhere Temperaturen ab, bei denen die Grenzen der Sinterverbindungen weiter ausgenutzt werden können.
Verbesserung von Messgenauigkeit und Reaktionszeit
Um die Auswirkungen der Positionierung der Sensoren auf der Leiterplatte besser zu verstehen, wurde ein vereinfachtes Modell verwendet, um die Wärmeverteilung und die Ansprechzeiten in modernen Leistungsmodulen auf Siliziumbasis und in der nächsten Generation auf Siliziumkarbidbasis zu untersuchen. Die gewählte Designgeometrie ist unabhängig von der Materialwahl. Die Materialeigenschaften und die Betriebstemperatur wurden so angepasst, dass sie Si- und SiC-basierten Designs ähneln.
Die Modellrechnungen zeigen, dass die Abweichung zwischen der Sperrschichttemperatur (150 °C bzw. 200 °C) und der gemessenen Temperatur stark vom Abstand zwischen dem Sensor und den Leistungshalbleitern beeinflusst wird. Abb. 3 zeigt die Abhängigkeit des Temperaturabfalls vom Abstand. Durch die elektrische Isolierung zwischen dem Sensorbereich und der für Sinterverbindungen optimierten Rückseitenmetallisierung kann der SMD-PT-Sensor an jeder verfügbaren Position auf der Platine des Leistungsmoduls und somit näher an der Wärmequelle platziert werden, was zu genaueren Messergebnissen führt.
Auch die Ansprechzeit wird durch die Positionierung des Sensors beeinflusst. Ein größerer Abstand führt zu einer deutlich langsameren Reaktion und zu einer deutlichen Verzögerung nach dem Einschaltschritt. Die Zeit bis zum Erreichen der Gleichgewichtsbedingungen wird am besten durch die Zeit bis zum Erreichen von 90 Prozent der Gleichgewichtstemperatur t90 beschrieben (Abb. 4). Der Vergleich der t90-Zeiten für die Sensorpositionen 1 und 2 mit 1,0 und 1,3 Sekunden zeigt eine deutlich dynamischere Detektion mit einer um 30 Prozent schnelleren Detektion für die Position nahe der Power Dies.
Durch den geringeren Abstand des Pt1000 SMD-Temperatursensors zur Wärmequelle wird nicht nur die Messgenauigkeit verbessert, sondern auch die Zeit bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts verkürzt wird, was zu einer kürzeren Ansprechzeit bei der Temperaturmessung führt.
Fazit
Der sinterfähige Temperatursensor Pt1000 im SMD-Gehäuse bietet eine Reihe von Vorteilen bei der Temperaturerfassung in modernen und zukünftigen Leistungsmodulen: Das Layout des Sensors mit intrinsischer Isolation zwischen Sensor und Kontaktschicht ermöglicht neue Designs durch den Wegfall des Ätzgrabens. Der verringerte Abstand zwischen der Wärmequelle und dem Sensorelement führt zu einer genaueren und schnelleren Temperaturmessung. Dadurch können Überhitzungseffekte und Temperaturspitzen vermieden werden, was die Gesamtlebensdauer erhöht.
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