-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Bauelementanordnung gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft insbesondere
eine Bauelementanordnung mit einem in dem Halbleiterkörper integrierten
Halbleiterbauelement, das als Leistungshalbleiterbauelement ausgebildet
ist. Die Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zur Detektion eines Verschleißes von Anschlussverbindungen
bei einem solchen Bauelement.
-
Leistungshalbleiterbauelemente,
wie beispielsweise Leistungs-MOSFET,
Leistungs-IGBT, Leistungsdioden oder Leistungs-Thyristoren sind zur Ansteuerung elektronischer
Lasten weit verbreitet. Zum Schalten elektrischer Lasten finden
dabei insbesondere Leistungs-MOSFET Verwendung.
-
Solche
zum Schalten elektrischer Lasten geeignete Leistungs-MOSFET sind beispielsweise
die Leistungs-MOSFET der PROFET-Familie
der Infineon Technologies AG, München.
Neben dem eigentlichen Leistungsbauelement sind bei diesen Bauelementen
auch Schutzschaltungen für
das Leistungsbauelement in demselben Gehäuse wie das Leistungsbauelement
vorhanden. Diese Schutzschaltungen können in demselben Halbleiterchip
wie das Leistungsbauelement monolithisch integriert sein, oder können in
einem auf den Chip des Leistungsbauelements aufgebrachten separaten
Chip integriert sein (Chip-On-Chip-Technologie), und dienen beispielsweise
zum Schutz des Bauelements vor Übertemperatur, Überspannung
oder einem zu hohen Laststrom. Aufbau und Funktion solcher "intelligenter Halbleiterschaltelemente" (Smart Power Switches)
sind beispielsweise in Graf, Alfons: "Smart Power Switches for Automobile
and Industrial Applications",
VDE, ETG Conference "Contact
Performance and Switching",
Karlsruhe, 26-28 September 2001, oder in den Datenblättern PROFET
BTS307, 2003-Oct-01, und BTS5210L, 2003-Oct-01, der Infineon Technologies AG,
München,
beschrieben.
-
Werden
solche intelligenten Halbleiterschaltelemente bei Lastströmen betrieben,
die oberhalb des Nominalstromes liegen und die beispielsweise bei
einem Kurzschluss der geschalteten Last auftreten können, so
steigt die in dem Bauelement in Wärme umgesetzte Verlustleistung
an. Hieraus resultiert eine Temperaturerhöhung in dem Bauelement, die
zu einem Ansprechen einer Temperaturschutzschaltung und einem Abschalten
des Bauelements führt.
-
Nach
einer Abkühlphase
kann das Halbleiterschaltelement entweder von extern, beispielsweise über einen
Mikrocontroller, wieder eingeschaltet werden ("Retry"-Betrieb) oder das intelligente Halbleiterschaltelement
ist so konzipiert, dass es nach einer Abkühlung bei Unterschreiten einer
vorgegebenen Temperatur von selbst wieder einschaltet ("Restart"-Betrieb).
-
Halbleiterkörper bzw.
Halbleiterchips, in denen solche intelligenten Leistungsbauelemente
integriert sind, sind üblicherweise
von einem aus Pressmasse bestehenden Gehäuse umgeben, aus dem Anschlussbeine
zur Kontaktierung des Halbleiterbauelementes herausragen. Innerhalb
des Gehäuses sind
zwischen Kontaktzonen des Halbleiterkörpers und den Anschlussbeinen
Anschlussverbindungen, beispielsweise Bonddrähte, vorhanden. Ein dauerhaftes
zyklisches Schalten des Leistungsbauelementes, beispielsweise bei
einem länger
andauernden Kurzschluss der Last, führt zu einem thermomechanischen
Stress in den Bonddrähten
und besonders im Übergangsbereich
zwischen der Kontaktzone und dem Bonddraht. Dieser thermomechanische
Stress kann zu einer Materialermüdung
und zu Rissen in der Kontaktzone, die beispielsweise eine auf den
Halbleiterkörper
aufgebrachte Metallisierung ist, führen. Hierdurch steigt der Übergangswiderstand
zwischen dem Bonddraht und der Kontaktzone bzw. der Widerstand der
Kontaktzone an, wodurch es in diesem Übergangsbereich zu starken Überhitzungen
des Halbleiterkörpers
kommen kann. Starke Überhitzungen
des Halbleiterkörpers
können
bei Leistungs-MOSFET dazu führen,
dass der Halbleiterkörper
zwischen Source und Drain durchlegiert, wodurch das Leistungsbauelement – auch bei
nicht angesteuerter Gate-Elektrode – permanent
leitet. Aus einem vergleichsweise hohen Durchlasswiderstand des
Bauelements in diesem beschädigten
Zustand resultiert eine hohe, in Wärme umgesetzte Verlustleistung,
die im Extremfall zu einer Beschädigung umgebender
Bauelemente oder einer Platine, auf die das Bauelement aufgebracht
ist, führen
kann.
-
Zur
Lösung
dieses Problems ist es bekannt, die maximal erlaubte Anzahl von
Ein- und Ausschaltzyklen zu begrenzen und eine Ansteuerung des Bauelementes
nach Erreichen dieser maximalen Zykluszahl vollständig zu
unterbinden.
-
Weiterhin
kann die Robustheit der Bauelemente dadurch gesteigert werden, dass
die Kontaktzone durch eine möglichst
große
Anzahl von Bonddrähten
an das von außen
an dem Gehäuse
zugängliche
Kontaktelement angeschlossen ist.
-
Darüber hinaus
kann zur Verringerung des thermischen Stresses der Temperaturwert,
bei dem das Bauelement wegen Überhitzung
abgeschaltet wird, reduziert werden. Da im Allgemeinen jedoch der Nominalstrom
die maximal zulässige
Verlustleitung des Bauelementes im Kurzschlussbetrieb festlegt, kann
die Leistungsdichte nur durch eine Vergrößerung der aktiven Bauelementfläche des
Leistungsbauelementes reduziert werden, was wirtschaftlich jedoch
nicht rentabel ist.
-
Darüber hinaus
könnte
der Temperatursensor, der die Temperatur in dem Bauelement erfasst und
der ein Abschalten des Bauelementes bei Übertemperatur veranlasst, dahingehend
optimiert werden, dass dieser so positioniert wird, dass der thermische Übergangswiderstand
zwischen den "heißesten" Bereichen im Halbleiterbauelement
und dem Temperatursensor mög lichst
gering ist, so dass der Temperatursensor die Bauelementtemperatur
möglichst
unmittelbar erfasst, um eine Verzögerungszeit zwischen dem Auftreten
der Übertemperatur
und dem Ansprechen des Sensors möglichst
gering zu halten.
-
Die
US 5,281,872 beschreibt
einen Bipolartransistor mit zwei Emittern, einem Hauptemitter und einem
Mess-Emitter, die jeweils an einen Emitteranschluss angeschlossen
sind. Zwischen den Mess-Emitter und den Emitteranschluss ist dabei
ein Messwiderstand geschaltet, der zur Ermittlung eines den Bipolartransistor
durchfließenden
Laststromes dient.
-
Die
US 4,931,844 beschreibt
einen MOSFET mit mehreren Transistorzellen, die jeweils parallel
geschaltet sind. Einen Teil dieser Transistorzellen sind dabei Messwiderstände nachgeschaltet,
die zur Ermittlung eines Stromflusses durch den Transistor dienen.
-
Die
DE 102 11 831 A1 beschreibt
eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Überwachung von Leistungshalbleiterbauelementen.
Hierbei ist vorgesehen, Bonddrahtverbindungen des Leistungshalbleiterbauelements
redundant auszulegen und separate Ansteuerstromkreise für das Leistungshalbleiterbauelement
vorzusehen. Eine Diagnosefunktion für bevorstehende Ausfälle des
Leistungshalbleiterbauelements wird erreicht, indem eine Lade- bzw. Entladecharakteristik
der einzelnen Ansteuerstromkreise paarweise miteinander verglichen
werden.
-
Die
DE 196 10 065 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Abschätzung
der Lebensdauer eines Leistungshalbleiter-Bauelements. Bei diesem
Verfahren wird ein Anstieg einer Kollektor-Emitter-Spannung eines IGBT-Moduls
während
eines Lastwechsels als Maß für eine zu
erwartende Lebensdauer des Bauelements herangezogen.
-
Die
DE 42 13 606 A1 beschreibt
einen Transistor mit einem Basis-, einem Kollektor- und einem Emitter-Anschluss
sowie mit vier Hilfsemitter-Anschlüssen. Den Hilfsemitter-Anschlüssen ist
hierbei ein gemeinsamer Strommesswiderstand nachgeschaltet, der
zur Erfassung eines Laststromes durch den Transistor dient.
-
Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bauelementanordnung mit
einem Halbleiterkörper, einem
in dem Halbleiterkörper
integrierten Halbleiterbauelement, einer auf den Halbleiterkörper aufgebrachten
Kontaktzone und einem mittels einer Anschlussverbindung an die Kontaktzone
angeschlossenen Kontaktelement zur Verfügung zu stellen, bei dem ein
Verschleiß der
Kontaktzone und/oder der Anschlussverbindung, insbesondere aufgrund
thermischen Stresses, sicher erkannt werden kann. Ziel der Erfindung
ist es außerdem
ein Verfahren zur Detektion eines Verschleißes der Kontaktzonen und/oder
der Anschlussverbindungen in einer Bauelementanordnung zur Verfügung zu
stellen.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Bauelementanordnung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach
Anspruch 9 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die
erfindungsgemäße Bauelementanordnung
umfasst einen Halbleiterkörper
mit wenigstens einem in dem Halbleiterkörper integrierten Halbleiterbauelement,
das wenigstens eine erste Anschlusszone aufweist, eine auf den Halbleiterkörper aufgebrachte
erste Kontaktzone, die die wenigstens eine erste Anschlusszone elektrisch
leitend kontaktiert, sowie ein Kontaktelement, das mittels wenigstens
einer Anschlussverbindung elektrisch leitend an die Kontaktzone
angeschlossen ist. Die wenigstens eine Kontaktzone weist dabei wenigstens
zwei beabstandet zueinander angeordnete Kontaktzonenabschnitte auf,
die jeweils durch wenigstens eine Anschlussverbindung elektrisch
leitend an das Kontaktelement angeschlossen sind, wobei eine Auswerteschaltung
an die zwei Kontaktzonenabschnitte angeschlossen ist.
-
Die
Anschlussverbindungen, die die Kontaktzonenabschnitte mit dem Kontaktelement
verbinden, sind dabei insbesondere Bonddrähte. Das Kontaktelement ist
beispielsweise ein Anschlussbein oder ein Anschlussbügel, das/der
an einem Ende aus einem Gehäuse
herausragt, welches den Halbleiterkörper und die Anschlussverbindungen
umgibt. Die Kontaktzone ist beispielsweise eine Metallisierungsschicht, die
in hinlänglich
bekannter Weise so auf den Halbleiterkörper aufgebracht ist, dass
sie die erste Anschlusszone des Halbleiterbauelementes elektrisch leitend
kontaktiert. Das Halbleiterbauelement ist insbesondere ein Leistungs-MOSFET
oder ein Leistungs-IGBT, wobei die erste Anschlusszone in diesem
Fall beispielsweise die Source-Zone
des Bauelements ist.
-
Die
vorliegende Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass bei
Vorhandensein mehrerer Anschlussverbindungen zwischen dem Kontaktelement
und der Kontaktzone des Halbleiterkörpers Beschädigungen der Anschlussverbindung
oder Beschädigungen
im Übergangsbereich
zwischen der Anschlussverbindung und der Kontaktzone aufgrund thermischen
Stresses üblicherweise
nicht gleichzeitig an allen Anschlussverbindungen sondern erst nach
und nach auftreten. Es können
also bereits bei einer oder mehrerer Anschlussverbindungen Beschädigungen
vorliegen, während
die anderen Anschlussverbindungen bzw. die Übergänge zwischen diesen anderen
Anschlussverbindungen und der Kontaktzone noch intakt sind. Sind
nun zwei Kontaktzonenabschnitte vorhanden, die gemeinsam eine Kontaktzone
bilden und die jeweils über
Anschlussverbindungen an ein Kontaktelement angeschlossen sind,
und ist die Anschlussverbindung zwischen einem dieser Kontaktzonenabschnitte
und dem Kontaktelement aufgrund thermischen Stresses beschädigt, während die
andere der Anschlussverbindungen noch intakt ist, so ist bei Stromfluss
durch das Bauelement eine Potentialdifferenz an diesen beiden Kontaktzonenabschnitten
abgreifbar, die durch die Auswerteschaltung ausgewertet wird. Übersteigt
diese Potentialdifferenz einen vorgegebenen Maximalwert, so deutet
dies auf einen temperaturbedingten Verschleiß einer der Anschlussverbindungen
hin, der geeignete Maßnahmen,
insbesondere eine dauerhafte Deaktivierung des Bauelements erfordert.
-
Die
Auswerteschaltung kann dazu ausgebildet sein, ein Verschleißsignal
auszugeben, das auf einen detektierten Verschleiß des Bauelementes hinweist.
Dieses Verschleißsignal
kann intern in der Bauelementanordnung dazu verwendet werden, eine weitere
leitende Ansteuerung des Halbleiterbauelementes zu unterbinden.
Des Weiteren kann das Verschleißsignal
auch von der Bauelementanordnung ausgegeben werden, um über eine
externe Ansteuerschaltung, die das Halbleiterbauelement ansteuert, eine
weitere Ansteuerung zu unterbinden oder gegebenenfalls eine Spannungsversorgung
der Schaltung, in der das "verschlissene" Bauelement verschaltet
ist, zu unterbrechen.
-
Der
Maximalwert der zwischen den Kontaktzonenabschnitten durch die Auswerteschaltung
ermittelten Potentialdifferenz ist insbesondere abhängig von
dem das Bauelement durchfließenden
Laststrom. Bei einer Ausführungsform
ist deshalb vorgesehen, dass der Auswerteschaltung ein Strommesssignal
zugeführt
ist, um den das Bauelement durchfließenden Laststrom bei der Erzeugung
des Verschleißsignals
zu berücksichtigen.
Dieses Strommesssignal kann durch eine hinlänglich bekannte Strommessanordnung,
die in intelligenten Leistungsbauelementen ohnehin integriert ist,
zur Verfügung gestellt
werden.
-
Das
Halbleiterbauelement und die Auswerteschaltung können gemeinsam in einem Halbleiterkörper integriert
sein, wobei die Auswerteschaltung bei intelligenten Leistungsbauelementen
insbesondere Teil der "intelligenten" Steuerschaltung
sein kann. Darüber
hinaus besteht selbstverständlich
auch die Möglichkeit,
das Halbleiterbauelement und die Auswerteschaltung in unterschiedlichen
Halbleiterkörpern
zu integrieren, wobei diese unterschiedlichen Halbleiterkörper beispielsweise
in Chip-on-Chip-Technologie oder in Chip-by-Chip-Technologie angeordnet
und in einem gemeinsamem Gehäuse
integriert sein können.
-
Als
Halbleiterbauelement für
die erfindungsgemäße Bauelementanordnung
eignen sich beliebige, wenigstens zwei Lastan schlüsse aufweisende Halbleiterbauelemente,
insbesondere Leistungs-MOSFET, Leistungs-IGBT, Leistungs-Thyristoren
oder Leistungs-Dioden, die in einem Halbleiterkörper integriert sind, der eine
Kontaktzone zum kontaktieren aktiver Bauelementbereiche des Halbleiterbauelementes
aufweist. Zur Realisierung der Erfindung ist die vorhandene Kontaktzone
lediglich in zwei Kontaktzonenabschnitte zu unterteilen und eine
Auswerteschaltung ist vorzusehen, die als vollständig integrierte Schaltung
ausgebildet sein kann und die damit mit geringem Aufwand realisierbar
ist.
-
Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
-
1 zeigt
eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bauelementanordnung mit
einem als Leistungs-MOSFET ausgebildeten Halbleiterbauelement.
-
2 zeigt
eine Seitenansicht der Bauelementanordnung gemäß 1 in einer
in Figur eingezeichneten Schnittebene A-A.
-
3 zeigt
ausschnittweise einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper der
Bauelementanordnung, in dem der Leistungs-MOSFET integriert ist.
-
4 zeigt
das elektrische Ersatzschaltbild für eine Bauelementanordnung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel.
-
5 zeigt
ein elektrisches Ersatzschaltbild der Bauelementanordnung für ein zweites
Ausführungsbeispiel.
-
6 zeigt
in Draufsicht eine erfindungsgemäße Bauelementanordnung,
die einen Halbleiterkörper
mit zwei in dem Halbleiterkörper
integrierten Leistungs-MOSFET
aufweist.
-
7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Bauelementanordnung,
bei der ein Halbleiterkörper
mit einem Halbleiterbauelement und ein weiterer Halbleiterkörper mit
einer Auswerteschaltung in Chip-on-Chip-Technologie angeordnet sind
in Seitenansicht (7a) und in Draufsicht (7b).
-
8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Auswerteschaltung.
-
In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben gleiche Bezugszeichen
gleich Bauelementkomponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.
-
1 zeigt
in Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Bauelementanordnung.
Diese Bauelementanordnung ist in 2 entlang
der in 1 eingezeichneten Schnittebene A-A in Seitenansicht
dargestellt.
-
Die
Bauelementanordnung weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
einen Halbleiterkörper 10 auf,
in dem ein vertikaler Leistungs-MOSFET integriert ist. Der grundsätzliche
Aufbau dieses Leistungs-MOSFET wird nachfolgend noch anhand von 3 erläutert werden.
Der Halbleiterkörper 10 weist eine
Vorderseite 101 und eine Rückseite 102 auf und ist
mit seiner Rückseite 102 auf
einen Chip-Träger (Leadframe) 30 aufgebracht.
Der Drain-Anschluss dieses Leistungs-MOSFET befindet sich im Bereich der
Rückseite 102 des
Halbleiterkörpers 10 und
ist elektrisch leitend an den Chip-Träger 30 angeschlossen.
An dem Chip-Träger 30 ist
ein erstes Anschlussbein 31 einstückig anformt, das aus einem
den Chip-Träger 30 und
den Halbleiterkörper
umgebenden Gehäuse 70 (in 1 strichpunktiert
dargestellt) herausragt, um über
dieses Anschlussbein 31 den Drain-Anschluss des Leistungs-MOSFET
von außen kontaktieren
zu können.
-
Die
Source-Zone des Leistungs-MOSFET befindet sich im Bereich der Vorderseite 101 und
ist durch eine Kontaktzone 21, 22 kontaktiert,
die zwei beabstandet zueinander angeordnete Kontaktzonenabschnitte 21, 22 aufweist.
Ein Kontaktelement 32, das aus dem Gehäuse 70 an seinem einen
Ende herausragt, dient zur Kontaktierung der Source-Zone des Leistungs-MOSFET
von außen.
Dieses Kontaktelement 32 ist über Anschlussverbindungen 41, 42, die
beispielsweise als Bonddrähte
realisiert sind, an die Kontaktzonenabschnitte 21, 22 angeschlossen. Ein
erster Kontaktzonenabschnitt 21 der Kontaktzonenabschnitte 21, 22 ist
dabei mittels einer ersten Anschlussverbindung 41 an das
Kontaktelement 32 angeschlossen, und ein zweiter Kontaktzonenabschnitt 22 der
Kontaktzonenabschnitte 21, 22 ist mittels einer
zweiten Anschlussverbindung 42 an das Kontaktelement 32 angeschlossen.
-
Die
Kontaktzonenabschnitte 21, 22 sind beispielsweise
als Metallisierungsschicht, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet
und oberhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 10 aufgebracht.
Nicht dargestellt in den Figuren ist eine diese Metallisierung 21, 22 überdeckende
Passivierungsschicht und Anschlussfenster in dieser Passivierungsschicht, über welche
die Bonddrähte 41, 42 die
Kontaktzonenabschnitte 21, 22 kontaktieren.
-
Eine
Gate-Anschlusszone 23 des Leistungs-MOSFET ist ebenfalls
im Bereich der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 10 vorhanden
und mittels einer weiteren Anschlussverbindung 43, beispielsweise
einen Bonddraht, an ein weiteres, an einem Ende aus dem Gehäuse 70 heraus
ragendes Anschlussbein 33 angeschlossen.
-
Erfindungsgemäß ist eine
Auswerteschaltung 50 vorhanden, die an die Kontaktzonenabschnitte 21, 22 angeschlossen
ist. Diese Auswerteschaltung 50 ist in 1 lediglich
gestrichelt als Funktionsblock dargestellt. Aufbau und Funktionsweise
dieser Auswerteschaltung 50 wird nachfolgend noch erläutert werden.
-
Ebenfalls
nur schematisch dargestellt sind in 1 elektrische
leitende Verbindungen 61, 62, über welche die Auswerteschaltung 50 an
die Kontaktzonenabschnitte 21, 22 angeschlossen
ist.
-
Die
Auswerteschaltung 50 dient dazu, bei Betrieb des Bauelementes,
also bei einem Stromfluss zwischen Drain und Source des Leistungs-MOSFET
eine Potentialdifferenz zwischen den Kontaktzonenabschnitten 21, 22 zu
detektieren und abhängig
von der ermittelten Potentialdifferenz ein Verschleißsignal
S50 zu erzeugen. Dieses Verschleißsignal steht beispielsweise
an einem weiteren, von außen
zugänglichen
Kontaktelement 34 zur Verfügung, welches über eine
weitere Anschlussverbindung 44 an eine Kontaktzone 24 der
Auswerteschaltung 50 angeschlossen ist.
-
Die
Unterteilung der Source-Kontaktzone in die zwei Kontaktzonenabschnitte 21, 22 bewirkt, dass
ein Teil des Laststromes, der das Leistungsbauelement durchfließt, über den
ersten Kontaktzonenabschnitt 21 und die erste Anschlussverbindung 41 an
das Kontaktelement 32 und dass ein Teil des Laststromes über den
zweiten Kontaktzonenabschnitt 22 und die zweite Anschlussverbindung 42 an
das Kontaktelement 32 fließt. Erhöht sich nun der Übergangswiderstand
zwischen einer der Anschlussverbindungen 41, 42 und
dem jeweiligen Kontaktzonenabschnitt 21, 22, erhöht sich
der Widerstand der Anschlussverbindungen 41, 42 oder
erhöht
sich der Widerstand einer der metallischen Kontaktzonenabschnitte 21, 22,
beispielsweise in Folge einer Rissbildung durch thermischen Stress,
so resultiert hieraus eine zwischen den beiden Kontaktzonenabschnitten 21, 22 abgreifbare
Potentialdifferenz, die von der Auswerteschaltung 50 ausgewertet
wird.
-
3 zeigt
zum besseren Verständnis
einen Ausschnitt des Halbleiterkörpers 10,
in dem der Leistungs-MOSFET integriert ist. Der Halbleiterkörper 10 weist
im Bereich seiner Rückseite 102 eine
Drain-Zone 11 auf, die beispielsweise durch eine Drain-Metallisierung 17 kontaktiert
ist. In Richtung der Vorderseite schließt sich an diese Drain-Zone 11 eine
schwächer
als die Drain-Zone 11 dotierte Driftzone 12 an. Im
Bereich der Vorderseite 101 ist in der Driftzone 12 ein
Zellenfeld mit komplementär
zu der Driftzone 12 dotierten Body-Zonen 14 und
Source-Zonen 13 vorhanden, wobei die Body-Zonen 14 die
Source-Zonen 13 und die Driftzone 12 voneinander
trennen. Zur Ausbildung eines leitenden Kanals in den Body-Zonen 14 zwischen
den Source-Zonen 13 und der Driftzone 12 ist eine
Gate-Elektrode 15 vorhanden,
die mittels einer Isolationsschicht 16 gegenüber dem Halbleiterkörper isoliert
ist und die in dem Ausführungsbeispiel
oberhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörper 10 angeordnet
ist.
-
Die
Drain-Zone 11, die Driftzone 12 und die Source-Zone 13 sind
bei einem n-leitenden MOSFET n-dotiert, während die Body-Zone 14 p-dotiert
ist. Bei einem p-leitenden MOSFET sind diese Halbleiterzonen jeweils
komplementär
dotiert. Bei einem IGBT ist die im Bereich der Rückseite angeordnete Halbleiterzone 11 p-dotiert
und bildet dessen p-Emitter bilden, die Halbleiterzone 12 ist
n-dotiert und bildet dessen n-Basis, die Halbleiterzone 14 ist
p-dotiert und bildet dessen p-Basis und die Halbleiterzone 13 ist
n-dotiert und bildet dessen n-Emitter.
-
Von
dem Bauelement ist ein Teil der Transistorzellen, die jeweils eine
Source-Zone 13, eine Body-Zone 14 sowie eine gemeinsame
Driftzone 12 und eine gemeinsame Drain-Zone 11 aufweisen,
durch den ersten Kontaktzonenabschnitt 21 kontaktiert während ein
anderer Teil der Transistorzellen durch den zweiten Kontaktzonenabschnitt 22 kontaktiert
ist. Die Kontaktzonenabschnitte 21, 22 schließen in dem Ausführungsbeispiel
die Source-Zone 13 und die Body-Zonen 14 in bekannter
Weise kurz. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Kontaktzonenabschnitte 21, 22 jeweils
nur die Source-Zonen 13 kontaktieren.
-
Die
durch den ersten Kontaktzonenabschnitt 21 kontaktierten
Transistorzellen bilden einen ersten Transistor T1, und die durch
den zweiten Kontaktzonenabschnitt kontaktierten Transistorzellen
bilden einen zweiten Transistor T2, wobei diese beiden Transistoren
T1, T2 einen gemeinsamen Drain-Anschluss und eine gemeinsame Gate-Elektrode
besitzen, jedoch in Form der Kontaktzonenabschnitte 21, 22 separate
Source-Anschlüsse
besitzen, die erst über
die Anschlussverbindungen 41, 42 (1)
auf ein gemeinsames Kontaktelement 32 geführt sind.
-
4 zeigt
das elektrische Ersatzschaltbild der anhand der 1 bis 3 erläuterten
Bauelementanordnung, wobei in 4 die in
den 1 bis 3 verwendeten Bezugszeichen
für entsprechende
Anschlüsse
verwendet sind.
-
Das
Ersatzschaltbild zeigt den ersten und zweiten Transistor T1, T2,
die einen gemeinsamen Gate-Anschluss G und einen gemeinsamen Drain-Anschluss
D aufweisen. Bezugnehmend auf 1 ist der
Gate-Anschluss G über
das Kontaktelement 33 und der Drain-Anschluss ist über das
an den Chip-Träger 30 angeformte
Kontaktelement 31 von außen kontaktierbar. In Reihe
zur Drain-Source-Strecke D-S des ersten Transistors T1 liegt in
dem Ersatzschaltbild ein erster Ohmscher Widerstand R41, und in
Reihe zur Drain-Source-Strecke D-S des zweiten Transistors T2 liegt
ein zweiter Ohmscher Widerstand R42, die gemeinsam an den Source-Kontakt
S des Halbleiterbauelements angeschlossen sind. Dieser Source-Kontakt
S ist bezugnehmend auf 1 durch das Anschlussbein 32 gebildet.
-
Der
erste widerstand R41 repräsentiert
die Summe folgender Widerstände:
dem Ohmschen Widerstand zwischen der ersten Kontaktzone 21 und den
daran angeschlossenen Source-Zonen, den Ohmschen Widerstand der
Kontaktzone 21 selbst, den Übergangswiderstand zwischen
dem ersten Kontaktzonenabschnitt 21 und der ersten Anschlussverbindung 41 sowie
den Widerstand der ersten Anschlussverbindung 41. Der zweite
Ohmsche Widerstand R42 repräsentiert
die Summe der entsprechenden Widerstände des zweiten Kontaktzonenabschnittes 22 und
der zweiten Anschlussverbindung 42.
-
Die
Unterteilung des Leistungsbauelementes in den ersten und zweiten
Transistor T1, T2 erfolgt beispielsweise so, dass durch den ersten
Kontaktzonenabschnitt 21 und den zweiten Kontaktzonenabschnitt 22 gleich
viele Transistorzellen kontaktiert sind. Bei Anlegen einer Spannung
zwischen Drain-Anschluss
D, 31 und Source-Anschluss S, 32 sowie eines Ansteuerpotentials
an dem Gate-Anschluss G, 33 werden diese beiden Transistoren
T1, T2 dann jeweils von gleichen Lastströmen I1, I2 durchflossen. Bei
gleichen Anschlusswiderständen R41,
R42 sind die Spannungsabfälle
V41, V42 über diesen
Anschlusswiderständen
R41, R42 dann gleich, so dass die Kontaktzonenabschnitte 21, 22 auf
gleichem Potential liegen und somit eine Differenzspannung Vdiff
= 0 zwischen den Kontaktzonenabschnitten 21, 22 abgreifbar
ist.
-
Wie
bereits erläutert,
ist die Auswerteschaltung 50 über elektrisch leitende Verbindungen 61, 62 elektrisch
leitend an diese Kontaktzonenabschnitte 21, 22 angeschlossen,
um diese Differenzspannung Vdiff auszuwerten und abhängig von
der ermittelten Differenzspannung Vdiff ein Verschleißsignal
S50 auszugeben.
-
Kommt
es infolge wiederholten thermischen Stresses zum Verschleiß einer
der Kontaktzonenabschnitte 21, 22 oder einer der
Anschlussverbindungen 41, 42 oder zur Erhöhung des Übergangswiderstandes
zwischen einer der Anschlussverbindungen 41, 42 und
dem jeweiligen Kontaktzonenabschnitt 21, 22, so
erhöht
sich der jeweilige Anschlusswiderstand R41 bzw. R42, wodurch sich
der Spannungsabfall V41, V42 über
dem jeweiligen Anschlusswiderstand erhöht und die Spannungsdifferenz
Vdiff ungleich Null wird. Für
diese Spannungsdifferenz gilt in dem Beispiel: Vdiff = I2·R42 – I1·R41 (1).
-
Bei
gleichen Lastströmen
I1, I2 ist durch die Auswerteschaltung 50 lediglich zu
ermitteln, ob Potentialdifferenz Vdiff betragsmäßig einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
-
8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für eine solche
Auswerteschaltung. Diese Auswerteschaltung umfasst einen ersten
Komparator 51, der ermittelt, ob das Potential an dem zweiten
Kontaktzonenabschnitt 62 um mehr als einen Referenzwert
oberhalb des Potentials an dem ersten Kontaktzonenabschnitt 21 liegt.
Ein zweiter Komparator 52 ermittelt, ob das Potential an
dem ersten Kontaktzonenabschnitt 21 um mehr als den Referenzwert
oberhalb des Potentials an dem zweiten Kontaktzonenabschnitt 22 liegt.
Ausgangssignale der Komparatoren 51, 52 sind einem ODER-Gatter
zugeführt,
dass das Verschleißsignal S50
bereitstellt, wobei dieses Verschleißsignal in dem Beispiel einen
High-Pegel annimmt, wenn eines der Potentiale an einem der Kontaktzonenabschnitte um
mehr als den Referenzwert oberhalb des Potentials an dem anderen
Kontaktzonenabschnitt liegt.
-
Ein
Verschleißsignal
kann anhand der Potentialdifferenz Vdiff selbstverständlich auch
dann ermittelt werden, wenn die beiden Transistoren T1, T2 eine
unterschiedliche Kanalweite besitzen, wenn durch die Kontaktzonenabschnitte 21, 22 also
unterschiedlich viele Transistorzellen kontaktiert sind. Da bei
unterschiedlicher Kanalweite und gleichen Ansteuerbedingungen unterschiedliche
Lastströme durch
die beiden Transistoren T1, T2 resultieren, ist in diesem Fall selbst
bei gleichen Anschlusswiderständen
R41, R42 eine Potentialdifferenz Vdiff ungleich Null vorhanden.
Eine Auswertung dieser Potentialdifferenz Vdiff in der Auswerteschaltung 50 erfolgt
in diesem Fall unter Berücksichtigung
der bekannten Kanalweiten WT1, WT2 des ersten und zweiten Transistors
T1, T2. für
die Potentialdifferenz Vdiff gilt in diesem Fall: Vdiff ~ WT2·R42 – WT1·R41 (2).
-
Da
in diesem Fall selbst bei unbeschädigten Anschlusskontakten stets
eine Potentialdifferenz Vdiff ungleich Null vorhanden ist, wird
in der Auswerteschaltung 50 vorteilhafterweise eine Information über den
das Bauelement durchfließenden
Laststrom mit berücksichtigt.
-
5 zeigt
das Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Bauelementanordnung, bei
der eine Strommessanordnung 70 vorhanden ist, die ein Strommesssignal
S70 bereitstellt, das proportional zu dem das Bauelement durchfließenden Laststrom ist.
Diese Strommessanordnung 70 ist in dem Ausführungsbeispiel
als sogenannte Stromsense-Anordnung ausgebildet und umfasst einen
dritten Transistor T3, dessen Drain-Anschluss an den Drain-Anschluss
der ersten und zweiten Transistoren T1, T2 angeschlossen ist, dessen
Gate-Anschluss an die Gate-Anschlüsse der
ersten und zweiten Transistoren T1, T2 angeschlossen ist, und dessen
Source-Anschluss über
einen Strommesswiderstand Rs an den Source-Anschluss des ersten
Transistors T1 bzw. an den ersten Kontaktzonenabschnitt 21 angeschlossen
ist. Unterliegt dieser dritte Transistor T3 den gleichen Ansteuerbedingungen
wie der erste und zweite Transistor T1, T2 so wird der dritte Transistor
T3 von einem Laststrom I3 durchflossen, der proportional ist zu
den Lastströmen
I1, I2 durch die beiden anderen Transistoren T1, T2, wobei gilt: I3 = WT3/WT1·I1
= WT3/WT2·I2 (3).
-
Hierbei
bezeichnet WT3 die Kanalweite bzw. die aktive Transistorfläche dieses
dritten Transistors T3. Der Laststrom I3 durch dieses dritten Transistor T3
ruft einen Spannungsabfall Vs über
dem Strommesswiderstand Rs hervor, der mittels eines Verstärkers 71 erfasst
wird, wobei am Ausgang dieses Verstärkers das der Auswerteschaltung 50 zugeführte Strommesssignal
S70 zur Verfügung
steht.
-
Sofern
der Messwiderstand Rs so gewählt ist,
dass die Spannung über
dem Messwiderstand Rs sehr klein ist, kann davon ausgegangen werden, dass
der Transistor T3 im selben Arbeitspunkt wie die Transistoren T1,
und T2 betrieben wird. Gegebenenfalls kann in der Strommessanordnung 70 eine grundsätzlich bekannte
Regelanordnung 72, die in 5 lediglich
gestrichelt angedeutet ist, vorgesehen werden, die sicherstellt,
dass der Transistor T3 im selben Arbeitspunkt wie der Transistor
T1 betrieben wird.
-
Für die Differenzspannung
Vdiff gilt in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5: Vdiff = [I3·(R41·(WT1 +
WT3) – R42·WT2)]/WT3 (4).
-
In
Kenntnis, des als Differenzstrom dienenden Stromes I3 durch den
dritten Transistor T3 und in Kenntnis der Transistorweiten WT1,
WT2, WT3 kann anhand dieser Differenzspannung Vdiff ermittelt werden,
ob das Verhältnis
der Anschlusswiderstände R41,
R42 einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt bzw. einen vorgegebenen
Schwellenwert unterschreitet, was auf einen temperaturstressbedingten
Verschleiß einer
der Anschlusszonen hinweisen könnte.
-
Die
Aufteilung des Source-Anschlusses in Kontaktzonenabschnitte 21, 22 die
Teil-Transistoren T1, T2 mit unterschiedlichen Kanalweiten kontaktieren
kann insofern vorteilhaft sein, weil die Größe des durch den jeweiligen
Kontaktzonenabschnitt kontaktierten Transistors den Alterungsprozess
beeinflusst. Bei flächenmäßig gleich
großen
Kontaktzonenabschnitten 21, 22 gilt dabei, dass
der Abschnitt 21, 22 einem schnelleren Alterungsprozess
unterworfen ist, der den größeren Transistor
kontaktiert, der während des
Betriebs also einer größeren Stromdichte
unterliegt. Wie bereits erläutert,
ist die zwischen den Kontaktzonenabschnitten 21, 22 abgreifbare
Spannung bzw. sind Änderungen
dieser Spannung über
der Zeit besonders ausgeprägt,
wenn die Widerstände
der Kontakt zonenabschnitte 21, 22 aufgrund eines
unterschiedlichen Alterungsprozesses stark unterschiedlich werden.
-
In
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist die
Auswerteschaltung 50 an das Kontaktelement 34 angeschlossen,
um das Verschleißsignal
S50 nach außen
zu geben, wo es einer (nicht dargestellten) Ansteuerschaltung für das Halbleiterbauelement
zugeführt
werden kann, die eine weitere Ansteuerung des Halbleiterbauelementes
unterbindet, wenn das Verschleißsignal
S50 auf einen Verschleiß einer
der Anschlussverbindungen 41, $2 bzw. der Kontaktzonen hinweist.
-
Selbstverständlich besteht
auch die Möglichkeit,
dieses Verschleißsignal
nur intern in dem Halbleiterbauelement zu verwenden, um eine Ansteuerung
bei Detektion eines temperaturstressbedingten Verschleißes zu verhindern.
-
Die
Ansteuerschaltung 50 kann in demselben Halbleiterkörper 10 integriert
sein, in dem auch das Leistungshalbleiterbauelement integriert ist.
-
Darüber hinaus
besteht bezugnehmend auf 7 auch die Möglichkeit, das Leistungshalbleiterbauelement
und die Auswerteschaltung in unterschiedlichen Halbleiterchips zu
integrieren. 7 zeigt in Seitenansicht (7a) und in Draufsicht (7b)
eine Bauelementanordnung mit einem ersten Halbleiterchip 111,
der auf einen Chipträger 30 aufgebracht
ist, und in dem das Leistungshalbleiterbauelement integriert ist.
Auf die Vorderseite des ersten Halbleiterchips 111 sind
zwei Kontaktzonenabschnitte 21, 22 aufgebracht,
die über
Anschlussverbindungen 41, 42 an ein erstes Kontaktelement 32 angeschlossen
sind. Auf diesen ersten Halbleiterchip 111 ist ein zweiter
Halbleiterchip 112 aufgebracht, in dem die Auswerteschaltung 50 integriert
ist, und der über
Anschlussverbindungen 611, 621, insbesondere Bonddrähte an die
Kontaktanschlusszonen 21, 22 angeschlossen ist,
um in der Auswerteschaltung 50 eine Potentialdifferenz
zwischen den Kontaktan schlusszonen 21, 22 zu detektieren.
Die Auswerteschaltung 50 ist über eine weitere Anschlussverbindung 44 an
ein weiterels Kontaktelement 34 angeschlossen, um gegebenenfalls
ein Verschleißsignal nach
außen
zu liefern.
-
Das
Bezugszeichen 23 in 7 bezeichnet eine
Gate-Anschlusszone,
das Bezugszeichen 43 eine Anschlussverbindung und das Bezugszeichen 33 ein
weiteres Kontaktelement in Form eines Anschlussbeines oder eines
Anschlussbügels.
-
Wenngleich
die vorliegende Erfindung bislang anhand eines vertikalen Bauelements
beschrieben wurde, sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung selbstverständlich nicht
auf vertikale Bauelemente beschränkt
ist. Anstelle des vertikalen MOSFET in Figur könnte ebenso ein lateraler MOSFET mit
einem Drain-Anschluss an der Vorderseite vorgesehen werden, wobei
der Drain-Anschluss über
einen weiteren Bonddraht an ein Drain-Anschlussbein anzuschließen ist.
Wesentlich für
die Erfindung ist nur, dass die Kontaktzone eines Lastanschlusses
in zwei Abschnitte unterteilt ist, die separat an eine Anschlusselektrode
angeschlossen sind.
-
Bezugnehmend
auf 6 besteht auch die Möglichkeit, in dem Halbleiterkörper 10 zwei
Leistungsbauelemente, insbesondere zwei Leistungs-MOSFET zu integrieren. 6 zeigt
eine Draufsicht auf eine solche Bauelementanordnung, die sich von
der in 1 dargestellten im Wesentlichen dadurch unterscheidet,
dass in dem Halbleiterkörper 10 ein
weiterer Leistungs-MOSFET integriert ist, der eine Source-Kontaktzone 25 aufweist,
die mittels Anschlussverbindungen 451, 452 an
ein von außen
zugängliches
Kontaktelement 35 angeschlossen ist. Mit 24 und 34 sind
in Figur Anschlusskontakt und zugehöriges Anschlussbein einer die
Potentialdifferenz zwischen den Kontaktzonenabschnitten 21, 22 auswertenden
Diagnoseschaltung bezeichnet.
-
Mit 23 und 33 sind
in 6 beispielsweise der Gate-Kontakt und das zugehörige Anschlussbein eines
der Transistoren bezeichnet.
-
Neben
dem unmittelbaren Herausführen
der Gate-Anschlüsse über Anschlussbeine
aus dem Bauelement besteht auch die Möglichkeit, auf dem Chip geeignete
Ansteuer- bzw. Treiberschaltungen für die Transistoren vorzusehen,
die die Gate-Anschlüsse
der Transistoren auf dem Chip ansteuern. Die neben den Lastanschlüssen 311, 312 und 32, 35 aus
dem Gehäuse
nach außen
geführten
Anschlüsse,
in dem Beispiel die Anschlüsse 33 und 36-39, sind
dann Logikanschlüsse, über welche
dem Bauelement Ansteuersignale zugeführt werden und über welche
beispielsweise Diagnosesignale aus dem Bauelement nach außen geführt werden.
So sind bei dem Bauelement gemäß 6 die
Anschlüsse 33, 37 beispielsweise
Eingänge
zum Zuführen
von Eingangssignalen zu einer Ansteuerschaltung für die Transistoren,
während
die Anschlüsse 37, 38, 39 beispielsweise
Diagnoseausgänge
sind, über
welche beispielsweise eine Übertemperatur
oder Überlastung
der Bauelemente nach außen
signalisiert wird.
-
Bei
der in 6 dargestellten Bauelementanordnung ist nur die
auf der Oberseite des Halbleiterkörpers 10 angeordnete
Source-Kontaktzone zweigeteilt und weist zwei Kontaktzonenabschnitte 21, 22 auf,
die an die Auswerteschaltung 50 angeschlossen sind. Selbstverständlich besteht
auch die Möglichkeit,
den Kontaktzonenabschnitt 25 des zweiten Leistungs-MOSFET zweizuteilen
und eine weitere Auswerteschaltung zu Detektion eines temperaturbedingten
Verschleißes
für diesen
zweiten Leistungs-MOSFET vorzusehen. Der Bauelementträger 30 weist
in dem Ausführungsbeispiel
zwei einstückig angeformte
Kontaktabschnitte 311, 312 auf, die an gegenüberliegenden
Seiten des Bauelementträgers 30 angeordnet
sind.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine Bauelementanordnung
mit einem Leistungs-MOSFET als Halblei terbauelement beschrieben.
Die Erfindung ist jedoch selbstverständlich auf beliebige Leistungsbauelemente
anwendbar, die in einem Halbleiterkörper integriert sind, und der eine
Kontaktzone zur Kontaktierung eines Lastanschlusses dieses Leistungsbauelementes
aufweist. Wesentlich für
die Erfindung ist, dass die den Lastanschluss des Halbleiterbauelementes
kontaktierende Kontaktzone zwei Kontaktzonenabschnitte aufweist, die über jeweils
wenigstens ein Verbindungselement an ein gemeinsames Kontaktelement
angeschlossen sind, und dass eine Auswerteschaltung vorhanden ist,
die eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Kontaktzonenabschnitten
ermittelt, um abhängig
von der ermittelten Potentialdifferenz ein Verschleißsignal
zur Verfügung
zu stellen.
-
- D
- Drain-Anschluss
- G
- Gate-Anschluss
- GND
- Bezugspotential
- I1,
I2, I3
- Lastströme
- R41,
R42
- Anschlusswiderstände
- S
- Source-Anschluss
- S50
- Verschleißsignal
- T1,
T2, T3
- MOSFET
- U41,
U42
- Spannungsabfälle
- Vbb
- Versorgungspotential
- Vdiff
- Differenzspannung
- Vref
- Referenzspannung
- 35-39
- Kontaktelemente
- 26-29
- Kontaktzonen
- 46-49
- Anschlussverbindungen
- 10
- Halbleiterkörper
- 25
- Kontaktzone
- 30
- Bauelementträger, Leadframe
- 21,
22
- Kontaktzonenabschnitte
- 23,
24
- Kontaktzonen
- 50
- Auswerteschaltung
- 53
- ODER-Gatter
- 70
- Gehäuse
- 101,
102
- Halbleiterkörper, Halbleiterchips
- 51,
52
- Komparatoren
- 61,
62
- elektrisch
leitende Verbindungen
- 31,
32, 33, 34
- Kontaktelemente
- 41,
42, 43, 44
- Anschlussverbindungen
- 451,
452
- Anschlussverbindungen
- 611,
621
- Anschlussverbindungen