DE10159020C1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zur Überwachung von Leistungshalbleiterbauelementen - Google Patents
Schaltungsanordnung und Verfahren zur Überwachung von LeistungshalbleiterbauelementenInfo
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Abstract
Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Detektierung des Abhebens von Bonddrähten bei Leistungshalbleiterbauelementen. Das Verfahren nutzt eine veränderte Aufbautechnik sowie eine erweiterte schaltungstechnische Funktionalität innerhalb der Ansteuerschaltung. Ein grundlegender Ansatz des Verfahrens ist die Überwachung der Lade- bzw. Entladecharakteristik innerhalb der Ansteuerstromkreise. Durch einen Vergleich der Lade- bzw. Entlade-Charakteristik der Ansteuerstromkreise einer intakten Bondverbindung und der eines abgehobenen Bonddrahtes kann ein abgehobener Bonddraht identifiziert werden. Die Vorteile dieses Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik liegen in der Möglichkeit, eine Diagnosefunktion für bevorstehende Ausfälle des Leistungshalbleiters zu realisieren. Damit kann mittels präventiver Maßnahmen die Zuverlässigkeit leistungselektronischer Systeme erhöht werden und den steigenden Zuverlässigkeitsanforderungen Rechnung getragen werden.
Description
Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung sowie ein dazugehöriges Verfahren zur
Überwachung des Kontakts von Bondverbindungen mit Leistungshalbleiterbauelementen,
insbesondere bei IGBT- und MOSFET-Leistungshalbleiterschaltern, nach den Merkmalen
der Ansprüche 1 bzw. 2.
Bondverbindungen als elektrisch leitende Verbindungen zwischen Substraten und
Leistungshalbleiterbauelementen sind nach dem Stand der Technik bekannt. Sie
gewährleisten zusammen mit anderen Verbindungstechniken, z. B. Lötverbindungen, die
elektrische Verbindung zwischen einem Leistungshalbleiterbauelemente und einem Substrat,
z. B. einer nach dem direct-copper-bonding hergestellten meist beidseitig kupferkaschierten
Keramik (kurz: DCB-Substrat), innerhalb eines Leistungshalbleiter-Moduls, bzw. den
Anschluss-Pins eines diskreten Gehäuses.
Anhand der Fig. 1 und 2 wird der Stand der Technik eines Leistungshalbleitermoduls
beispielhaft dargestellt. In Fig. 1 sind der prinzipielle Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls
im Querschnitt sowie gängige Verbindungstechniken gezeigt. Dargestellt ist ein
Leistungshalbleiterbauelement (1), die diesem zugewandte und in sich strukturierte erste
Kupferfläche (2) des DCB-Substrats, die elektrisch isolierende Keramik (3), die einer
Grundplatte oder einem Kühlkörper zugewandte zweite Kupferfläche (4) des DCB-Substrats,
die Bodenplatte bzw. der Kühlkörper (5), die Lotverbindung (6) zwischen
Leistungshalbleiterbauelement (1) und erster Kupferfläche (2), die Zwischenschicht (7)
zwischen zweiter Kupferfläche (4) und Grundplatte oder Kühlkörper (5) und eine
Drahtbondverbindung (8) zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und der Kupferfläche
(2) des DCB-Substrats. Hierbei ist die Zwischenschicht (7) entweder eine stoffschlüssige
Lotverbindung oder eine stoffbündige, Wärme leitende, Schicht. Der Rückseitenkontakt des
Leistungshalbleiterbauelements (auf der dem Substrat zugewandten Seite), beispielhaft der
Kollektor im Falle eines IGBT als Leistungshalbleiterbauelement (1), mit der ersten
Kupferfläche (2), kann mittels einer Lötung (6) realisiert werden. Die vorderseitigen
Anschlüsse des Leistungshalbleiterbauelements, beispielhaft das Gate und der Emitter eines
IGBT, werden mittels Bondverbindungen (8) mit jeweils einem oder mehreren zum Teil
voneinander isolierten Anschlussgebieten der ersten Kupferfläche (2) des DCB-Substrats
verbunden. Der mit Hilfe des Leistungshalbleiterbauelements zu schaltende Strom
durchfließt sowohl die großflächige Lotverbindung (6) an der Rückseite des
Leistungshalbleiterbauelements, als auch die Drahtbondverbindungen des Emitters (8) an
der Vorderseite des Leistungshalbleiterbauelements. Eine auch nur teilweise Zerstörung
einer der beiden Verbindungstechniken führt zwangsläufig zum Verlust der
Stromtragfähigkeit oder im Falle des Gate-Drahts zum Verlust der Steuerbarkeit des
Leistungshalbleiterbauelements und folglich zu dessen Ausfall.
Fig. 2 zeigt beispielhaft eine mögliche Strukturierung eines DCB-Substrats (9) nach dem
Stand der Technik mit den erforderlichen Bondverbindungen und einem
Leistungshalbleiterbauelement (1). Die Ansteuerung des Leistungshalbleiterbauelements
erfolgt über Kontaktflächen auf dessen Oberfläche. Diese werden auch als Bond-Pads
bezeichnet. Die Bond-Pads besitzen unterschiedliche Funktionen, zum einen die Funktion
als Bezugsknoten für die Ansteuerschaltung, beispielhaft im Falle eines IGBT als Emitter-
Pad (10) bezeichnet, zum anderen die Funktion zur Steuerung des Leistungshalbleiters,
beispielhaft im Falle eines IGBT als Gate-Pad (11) bezeichnet. Die Verbindungen zu den
isolierten Kupferflächen (18), (33) des DCB-Substrats werden mittels Bondverbindungen
(12), (13), (14) realisiert. Die Bonddrähte besitzen dabei ebenfalls unterschiedliche
Funktionen. Die zum Führen des Hauptstromes notwendigen Bonddrähte werden als
Emitter-Bonddrähte (14) bezeichnet, die zur Ansteuerung notwendigen Bonddrähte als
Gate-Bonddraht (12) bzw. als Hilfsemitter-Bonddraht (13). Der Hilfsemitter-Bonddraht (13)
ist als einstückige Verlängerung eines Emitter-Bonddrahtes (14) ausgebildet, wobei der
Hilfsemitter-Bonddraht (13) gegenüber einem Emitter Bonddraht (14) die Besonderheit
besitzt, nicht vom Hauptstrom durchflossen zu werden. Damit werden Gegenkoppel-Effekte
im Ansteuerstromkreis infolge des Stromflusses im Hauptstromkreis minimiert. Der
Hilfsemitter-Bonddraht (13) kann so gestaltet werden, dass er mit einem der Emitter-
Bonddrähte (14) einen gemeinsamen Bondfuß (15) nutzt. Als Bondfuß (15), (16) wird dabei
der Teil des Bonddrahtes bezeichnet, der mit der Oberfläche des
Leistungshalbleiterbauelements sowohl eine mechanische, wie auch elektrische Verbindung
besitzt. Der Bondfuß (15), (16) kann dabei das Ende eines Bonddrahtes sein (16), aber auch
als gemeinsam genutzter Bondfuß (15) für zwei, sich auch funktional unterscheidende,
Bonddrähte ausgeführt sein. Derjenige Bonddraht, der sowohl den Hilfsemitter-Anschluss
(13) wie auch den Emitter-Anschluss (14) realisiert, besitzt somit eine Doppelfunktionalität.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass ein Kontaktverlust eines Bonddrahtes, auch eines
Emitter-Bonddrahtes bereits zum Ausfall des Leistungshalbleitermoduls führen kann, da z. B
bei Ausfall eines Emitter-Bonddrahtes hierdurch der Strom durch die anderen Emitter-
Bonddrähte erhöht wird und deren maximale Stromtragfähigkeit überschritten wird. Durch
mehrere Emitter Bonddrähte kann eine gewisse Redundanz erreicht werden, so dass erst
der Kontaktausfall weiterer Emitter-Bonddrähte zum Ausfall des Leistungshalbleitermoduls
führt. Da allerdings bisher, mit Ausnahme sehr aufwändiger mechanischer Verfahren, kein
Verfahren bekannt ist, den Ausfall des ersten Emitter-Bonddrahtes zu erkennen ist diese
redundante Auslegung nicht hilfreich, um einen Ausfall des Gesamtmoduls frühzeitig zu
erkennen.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe eine Schaltungsanordnung sowie ein zugehöriges
Verfahren vorzustellen, um den Kontaktausfall zu detektieren, der durch Ablösen eines
Bonddrahtes von einer Kontaktfläche des Halbleiterbauelements entsteht, wobei das
Ablösen eines beliebigen Emitter-Bonddrahtes zwischen einem
Leistungshalbleiterbauelements und einer externen Kontaktfläche festgestellt werden soll.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Maßnahmen der Ansprüche 1 und 2. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt. Die Erfindung wird
beispielhaft an einem Leistungshalbleitermodul beschrieben.
Der grundlegende erfinderische Gedanke basiert auf der Erkenntnis, dass bei
Drahtbondverbindungen eines Halbleiterbauelements mit einem Substrat die aus zwei
Teilverbindungen, einem Hauptanschluss und einem Hilfsanschluss mit einem gemeinsamen
Bondfuß bestehen, im Falle eines Ablösens der Drahtbondverbindung von der Kontaktfläche
des Halbleiterbauelements die Gesamtheit des Bonddrahtes unversehrt bleibt.
Die erfinderische Ausgestaltung der Schaltungsanordnung besteht aus einem
Leistungshalbleiterbauelement das auf seiner dem Substrat abgewandten Seite mindestens
eine Kontaktstelle aufweist. Mindestens eine dieser Kontaktstellen ist mittels mindestens
zweier Drahtbondverbindungen mit voneinander elektrisch isolierten leitenden Flächen des
Substrates verbunden. Mehrere dieser Drahtbondverbindung bestehen aus zwei
Teilverbindungen mit einem gemeinsamen Bondfuß auf dem Chip wobei alle jeweils ersten
Teilverbindungen, die Hauptanschlüsse, mit einer gemeinsamen Kontaktstelle des
Substrates verbinden, und die jeweils zweiten Teilverbindungen, die Hilfsanschlüsse, mit
voneinander isolierten Kontaktstellen des Substrates verbinden.
Das erfinderische Verfahren zur Überwachung derartiger Schaltungsanordnungen überwacht
jeden Hilfsanschluss in den Ansteuerstromkreisen der Ansteuerschaltung sowie dessen
Stromfluss mittels einer erweiterten schaltungstechnischen Funktionalität innerhalb der
Ansteuerschaltung.
Spezielle Ausgestaltungen der erfinderischen Lösungen werden an Hand der Fig. 3 bis 7
erläutert.
Fig. 3 zeigt die erfinderische Ausgestaltung der Schaltungsanordnung.
Fig. 4 zeigt das elektrische Netzwerk der erfinderischen Schaltungsanordnung im
Normalbetrieb.
Fig. 5 zeigt das elektrische Netzwerk der erfinderischen Schaltungsanordnung im Fall eines
nicht kontaktierten Bondfußes.
Fig. 6 zeigt die zeitliche Darstellung eines Einschaltvorganges im Normalbetrieb.
Fig. 7 zeigt die zeitliche Darstellung eines Einschaltvorganges im Fall eines nicht
kontaktierten Bondfußes
Fig. 3 zeigt beispielhaft ein gegenüber dem Stand der Technik in der Anzahl und Lage der
kupferkaschierten Bereich verändertes DCB-Substrat (17), wobei jeder Emitter-Anschluss
(14) des Leistungshalbleiterbauelements (1) einen Hilfsemitter-Anschluss (13) erhält. Dabei
weist der jeweilige Emitter-Bonddraht (14), sowie der zugehörige Hilfsemitter-Bonddraht (13)
einen gemeinsamen Bondfuß (15) auf. Kommt es, z. B. infolge von Temperaturwechseln am
Ende der Lebensdauer, zum Abheben eines Bondfußes (15) vom Emitter-Pad (10), so
verliert der betroffene Bonddraht seine Doppelfunktionalität als Emitter-Bonddraht (14) und
Hilfsemitter-Bonddraht (13) und wird ausschließlich zum Hilfsemitter-Anschluss. Dieser
infolge des Abhebens des Bonddrahtes veränderte Hilfsemitter-Anschluss unterscheidet
sich von den übrigen, intakten Hilfs-Emitter Anschlüssen. Für die intakten Hilfsemitter-
Anschlüsse befindet sich der Einkoppelpunkt für die Ansteuerschaltung direkt am Emitter-
Pad (10), für den Hilfsemitter-Anschluss des abgehobenen Drahtes ist der Einkoppelpunkt
die gemeinsame Kupferfläche des DCB-Substrats (13) auf der die Emitter-Bonddrähte (14)
zusammengeführt sind. Daraus resultiert eine Störung eines weitgehend symmetrisch
aufgebauten elektrischen Netzwerkes innerhalb der Ansteuerstromkreise. Daraus ergibt sich
für den Ansteuerstromkreis des abgehobenen Bonddrahtes eine veränderte Gate- Lade-
bzw. Entlade-Charakteristik, da während der Kommutierungsvorgänge zwischen den
Leistungshalbleiterbauelementen infolge der Stromänderungen im Hauptstromkreis eine
Gegenkopplung auftritt. Die Gegenkopplung wird maßgeblich durch die parasitären
Induktivitäten der intakten Emitter-Bonddrähte (14) hervorgerufen.
Fig. 4 und Fig. 5 stellen die elektrischen Netzwerke der Ansteuerstromkreise in einem
Vergleich gegenüber, zum einen für den Fall (Fig. 4), dass alle Bondverbindungen
vorhanden sind, zum anderen (Fig. 5), dass einer der Bondfüße abgehoben ist.
Die im Ansteuerstromkreis wirkenden Elemente sind in Fig. 4 dargestellt, dazu zählen die
Endstufe der Ansteuerschaltung (19), das Leistungshalbleiterbauelement (1) und im Detail
der Gate-Vorwiderstand (20), die parasitären Induktivitäten (21) der Emitter-Bonddrähte
(14), die parasitären Induktivitäten (22) der Hilfsemitter-Anschlüsse (13), die Emitter Pads
(10), die gemeinsame Kupferfläche auf dem DCB-Substrat (18) zum Anschluss der Emitter-
Bonddrähte (14) und die Emitter Vorwiderstände (23) zur Erfassung der einzelnen Lade-
bzw. Entladecharakteristiken.
Fig. 5 zeigt die Veränderung des elektrischen Netzwerkes im Falle des Abhebens eines
Bonddrahtes. Der betroffene Bonddraht verliert seine direkte Verbindung zum Emitter-Pad
(10) des Leistungshalbleiterbauelements (1). Die parasitären Induktivitäten (25) des
betroffenen Bonddrahtes werden nicht mehr vom Hauptstrom durchflossen, sondern lediglich
von dem zur Ansteuerung notwendigen Strom. Das vor dem Abheben des Bondfußes als
Emitter-Bonddraht (14) wirkende Teilstück des gesamten Bonddrahtes (13 und 14) verliert
seine ursprüngliche Funktion und wird ausschließlich zum Hilfsemitter Bonddraht. Dieser
besondere Hilfsemitter Anschluss wird aber nicht am Emitter-Pad (10) des
Leistungshalbleiterbauelements wirksam, sondern am elektrischen Knoten der Kupferfläche
des DCB-Substrats (18), auf der alle Emitter-Bonddrähte (14) elektrisch zusammengeführt
werden.
Zur schaltungstechnischen Detektion des Abhebens des Bonddrahtes ist es notwendig, die
Potentialverläufe an den Messpunkten (24) und (26) zu erfassen und paarweise miteinander
zu vergleichen. Dabei entspricht der Messpunkt (24) dem elektrischen Knoten zwischen dem
Emitter-Vorwiderstand (23) und der parasitären Induktivität (22) des Hilfsemitter-
Anschlusses (13) eines korrekt angeschlossenen Bonddrahtes und der Messpunkt (26) dem
elektrischen Knoten zwischen dem Emitter-Vorwiderstand (23) und der parasitären
Induktivität (25) des Hilfsemitter-Anschlusses (13) eines abgehobenen Bonddrahtes. Die
nachfolgenden Abbildungen zeigen typische Messergebnisse, die die Wirksamkeit des
beschriebenen Verfahrens nachweisen. Beispielhaft wurde ein 25A-1,2 kV-IGBT-Chip mit
entsprechender Freilaufdiode bei einer Zwischenkreisspannung von 600 V untersucht. Die
Ansteuerschaltung wurde gegenüber Treibern nach dem Stand der Technik in der Art
modifiziert, dass der ursprüngliche Gate-Vorwiderstand (20), hier beispielhaft mit einem
Wert von ca. 25 Ohm angenommen, in die Hilfsemitter-Zweige als Emitter-Vorwiderstände
(23) transferiert wurde. Damit ist eine messtechnisch einfache Erfassung der Lade- bzw.
Entladecharakteristiken in den unterschiedlichen Hilfsemitter-Zweigen gegeben.
Fig. 6 zeigt beispielhaft die zeitliche Darstellung eines Einschaltvorganges für den genannten
IGBT und den Fall, dass alle Bonddrähte korrekt mit dem Emitter Pad (10) des
Leistungshalbleiterbauelements (1) verbunden sind. Der zeitliche Ausschnitt des
Einschaltvorganges wurde so dargestellt, dass der Schaltvorgang des IGBT anhand der
Gate-Emitter-Spannung (27) und des Kollektor-Stromes (28) sichtbar wird. Den zeitlichen
Verlauf des Potentialunterschiedes zwischen zwei benachbarten Messpunkten (24) zeigt
(29). Die maximale Potentialänderung von (29) ist mit Hilfe der Cursorlinien (30)
hervorgehoben und zeigt den Einfluss aufbaubedingter Unsymmetrien in den
Ansteuerstromkreisen.
Für den Fall, dass einer der Bondfüße (15) keine Verbindung mehr zum Emitter-Pad (10)
hat, zeigt Fig. 7 eine mit Fig. 6 vergleichbare Messung. Dargestellt wird der zeitliche Verlauf
der Potentialdifferenz (31) zwischen Messpunkt (26) und Messpunkt (24). Dabei ist der
maximal auftretende Potentialunterschied mit Hilfe der Cursorlinien (32) hervorgehoben
worden. Bei der Gegenüberstellung der Ergebnisse aus Fig. 6 und Fig. 7 wird eine deutliche
Erhöhung der Potentialdifferenz an den Messpunkten (24) und (26) im Falle des Abhebens
eines Bonddrahtes sichtbar. Somit kann die Erhöhung der Potentialdifferenz als
Sensorsignal für das Abheben eines Bonddrahtes benutzt werden.
Damit bietet diese Schaltungsanordnung mit dem dazugehörigen Verfahren gegenüber dem
Stand der Technik den Vorteil, mit Hilfe zusätzlicher Hilfsemitter-Anschlüsse und
zusätzlichen Auswerteschaltungen innerhalb der Ansteuerschaltung, das Abheben von
Bonddrähten zu detektieren. Dieses Verfahren kann somit eingesetzt werden, um
bevorstehende Ausfälle von Leistungshalbleitermodulen zum Ende der Lebensdauerkurve
nachzuweisen und stellt die Grundlage für eine Diagnosefunktion dar. Neben der
zusätzlichen Auswerteschaltung müssen innerhalb der Ansteuerschaltung
Schaltungskomponenten implementiert werden, die die mittels des beschriebenen
Verfahrens gewonnene, zusätzliche Information speichern und das übergeordnete System
über die detektierte Vorschädigung informieren.
Claims (7)
1. Schaltungsanordnung bestehend aus einer Ansteuerschaltung, einem Substrat (9) und
mindestens einem darauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement (1), wobei das
Leistungshalbleiterbauelement auf seiner dem Substrat abgewandten Seite mindestens
eine Kontaktstelle (10) aufweist und mindestens eine dieser Kontaktstellen mittels
mindestens zweier Drahtbondverbindungen (13, 14) mit voneinander elektrisch isolierten
leitenden Flächen (18, 33) des Substrates (9) derart verbunden ist/sind, dass jede
Drahtbondverbindung aus zwei Teilverbindungen (13, 14) mit einem gemeinsamen
Bondfuß (16) besteht, wobei alle jeweils ersten Teilverbindungen (14), die
Hauptanschlüsse, mit einer gemeinsamen Kontaktstelle (18) des Substrates (9)
verbunden sind, und die jeweils zweiten Teilverbindungen (13), die Hilfsanschlüsse, mit
voneinander isolierten Kontaktstellen (33) des Substrates (9) verbunden sind und wobei
innerhalb der Ansteuerschaltung eine zusätzliche Überwachungsschaltung ausgebildet
ist.
2. Verfahren zur Überwachung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei jeder
einzelne Hilfsanschluss (13), (33) in den Ansteuerstromkreis der Ansteuerschaltung
einbezogen wird und dessen Stromfluss mittels einer erweiterten schaltungstechnischen
Funktionalität innerhalb der Ansteuerschaltung überwacht wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Leistungshalbleiterbauelemente (1) IGBT oder MOSFET Transistoren sind.
4. Verfahren zur Überwachung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass
eine Stromgegenkopplung der parasitären Induktivitäten der Bonddrähte (14) des Haupt-
Anschlusses benutzt wird, um die Lade- bzw. Entladecharakteristik innerhalb der
Ansteuerstromkreise zu beeinflussen.
5. Verfahren zur Überwachung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass
durch einen paarweisen Vergleich der zeitlichen Strom- und Spannungsverläufe der
Ansteuerstromkreise auf eine korrekte Funktion des Bonddrahtes geschlossen wird
bzw. bei abweichenden Verläufen auf einen Fehler innerhalb der Aufbautechnik
geschlossen wird.
6. Verfahren zur Überwachung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass
eine Ansteuerschaltung eingesetzt wird, die Leistungshalbleiterbauelemente mit
verschiedenen Ansteuerstromkreisen ansteuert und zeitliche Strom- und
Spannungsverläufe innerhalb der Ansteuerkreise überwacht.
7. Verfahren zur Überwachung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Ansteuerschaltung auf der Grundlage unterschiedlicher Strom- und
Spannungsverläufe in den Ansteuerstromkreisen auf einen Fehler in der
Verbindungstechnik schließt und eine Warnung an das übergeordnete System
gibt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10159020A DE10159020C1 (de) | 2001-11-30 | 2001-11-30 | Schaltungsanordnung und Verfahren zur Überwachung von Leistungshalbleiterbauelementen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE10159020A DE10159020C1 (de) | 2001-11-30 | 2001-11-30 | Schaltungsanordnung und Verfahren zur Überwachung von Leistungshalbleiterbauelementen |
Publications (1)
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DE10159020C1 true DE10159020C1 (de) | 2003-03-20 |
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ID=7707684
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE10159020A Expired - Lifetime DE10159020C1 (de) | 2001-11-30 | 2001-11-30 | Schaltungsanordnung und Verfahren zur Überwachung von Leistungshalbleiterbauelementen |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE10159020C1 (de) |
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- 2001-11-30 DE DE10159020A patent/DE10159020C1/de not_active Expired - Lifetime
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