DE19728281C1 - Zwei-Chip-Leistungs-IC mit verbessertem Kurzschlußverhalten - Google Patents

Zwei-Chip-Leistungs-IC mit verbessertem Kurzschlußverhalten

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Xaver Dipl Ing Schloegel
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Description

Die Erfindung betrifft einen Zwei-Chip-Leistungs-IC, bei dem ein einen Sensor aufweisender Sensor-Chip auf einem einen Schalter aufweisenden Schalter-Chip aufgebracht und der Sensor elektrisch mit dem Schalter verbunden ist, um den Schalter mittels des Sensors dann abzuschalten, wenn die vom Sensor erfaßte Temperatur einen voreinstellbaren Grenzwert überschreitet.
Beispiele für derartige Zwei-Chip-Leistungs-ICs sind ein TempFET ("temperature protected FET" bzw. temperaturgeschützter FET) und ein ProFET ("protected FET" bzw. geschützter Feldeffekttransistor). Diese Zwei-Chip- Leistungs-ICs sind nur dann auch bei einem reduzierten Kurzschlußstrom wirklich kurzschlußfest, wenn die Temperaturerfassung ("temperature sensing") zuverlässig mittels des auf dem Schalter-Chip aufgeklebten Sensor-Chips vorgenommen werden kann. Das heißt, der Temperatursensor (im folgenden auch kurz "Sensor" genannt) muß zuverlässig einen Temperaturanstieg erfassen können, um rechtzeitig den Schalter des Schalter-Chips abschalten zu können, bevor dieser durch einen Kurzschlußstrom zerstört wird. Dies ist aber dann problematisch, wenn der Kurzschlußstrom reduzierte Werte hat, die keine ausreichende Erwärmung des Sensors des Sensor-Chips bewirken.
Bei einem im allgemeinen aus einem FET bestehenden Schalter des Schalter-Chips darf allgemein die erlaubte Gate-Source- Spannung einen bestimmten Höchstwert nicht überschreiten, damit bei einem Kurzschluß noch rechtzeitig vor einer Zerstörung des Schalters ein Abschalten vorgenommen werden kann. Selbst bei einem auf dem Schalter-Chip aufgeklebten Sensor-Chip hat sich erwiesen, daß dieses rechtzeitige Abschalten nicht zuverlässig zu gewährleisten ist, da in vielen Fällen der Sensor-Chip sich nur relativ langsam aufwärmt, was darauf zurückzuführen ist, daß die den Schalter-Chip und den Sensor-Chip umhüllende Preßmasse für eine zusätzliche Kühlung des Sensor-Chips sorgt, so daß die vor Auftreten eines Kurzschlusses erzeugte Erwärmung des Schalter-Chips nicht ausreicht, um den Sensor-Chip so zu erwärmen, daß der Sensor ein Abschalten des Schalters des Schalter-Chips vornehmen kann.
In der US 4,947,234 ist eine Anordnung aus einem Leistungshalbleiterchip und einem Steuerschaltkreis der in einem zweiten Halbleiterchip integriert ist, beschrieben. Der Halbleiterchip mit dem Steuerschaltkreis ist dabei auf eine der Oberseiten des Leistungshalbleiterchips aufgebracht, wobei die beiden Halbleiterchips durch eine isolierende Schicht und eine Lötschicht miteinander verbunden sind. Der Halbleiterchip mit der Steuerschaltung ist über elektrische Leitungen mit dem Leistungshalbleiterchip verbunden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zwei- Chip-Leistungs-IC mit verbessertem Kurzschlußverhalten anzugeben, bei dem ein zuverlässiges Abschalten des Schalters des Schalter-Chips vor Auftreten eines Kurzschlusses mittels des Sensors des Sensor-Chips gewährleistet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Zwei-Chip-Leistungs- IC der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß mindestens eine Zuleitung des Schalters derart der Nähe des Sensors geführt ist, daß ein guter Wärmeübergang zwischen der Zuleitung und dem Sensor gegeben ist. Unter "Nähe" ist dabei zu verstehen, daß diese Zuleitung auch den Sensor-Chip des Sensors berühren kann. Dies kann dadurch geschehen, daß die Zuleitung des Sensors mindestens teilweise die Oberfläche des Sensor-Chips berührt. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist dabei vorgesehen, daß die Zuleitung durch Stich-Bonden mit der Oberfläche des Sensor-Chips verbunden ist. Dabei kann die Zuleitung mit einer Aluminium-Fläche des Sensor-Chips verbunden werden, um für einen guten Wärmeübergang zwischen der zum Schalter des Schalter-Chips führenden Zuleitung und dem Sensor zu sorgen. Beide Chips und die Zuleitung können durch eine Preßmasse umschlossen werden. Die Zuleitung ist in bevorzugter Weise die Source-Zuleitung des Schalters des Schalter-Chips. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Zuleitung schlingen- oder bogenförmig vom Schalter des Schalt-Chips zur Oberfläche des Sensor-Chips geführt werden.
Die Erfindung besteht also zusammenfassend darin, daß in bevorzugter Weise der Source-Bonddraht in der Nähe des Sensor-Chips geführt wird. Vor einem Auftreten eines Kurzschlusses erwärmt sich dieser Bonddraht, und infolge der Nähe zwischen Bonddraht und Sensor-Chip wird der Sensor nicht nur vom Schalter-Chip von "unten", sondern auch mittels der vom Bonddraht abgegebenen Wärme von "oben" aufgeheizt.
Dies bedeutet, daß der Sensor rascher höhere Temperaturen annimmt und schneller auf einen auftretenden Kurzschluß anspricht. Damit kann der Sensor des Sensor-Chips den Schalter des Schalter-Chips rechtzeitig abschalten, bevor dieser durch den in voller Höhe fließenden Kurzschlußstrom zerstört wird.
Letztlich wird damit die Ausbeute an zuverlässigen Zwei-Chip- Leistungs-ICs größer, wobei auch die erlaubte Kurzschlußbelastung ansteigt, da durch die rasche Erwärmung des Sensor-Chips ein zuverlässiges Abschalten des Schalters des Schalter-Chips sichergestellt ist.
Selbstverständlich ist die Berührung zwischen der Zuleitung bzw. dem Bonddraht und der Oberfläche des Sensor-Chips so zu gestalten, daß die Berührungsstelle elektrisch von der Schaltung des Sensor-Chips isoliert ist. Die bereits erwähnte Aluminium-Fläche muß also von der Schaltung des Sensor-Chips elektrisch getrennt sein, was beispielsweise ohne weiteres dadurch geschehen kann, daß die Aluminium-Fläche auf Siliziumdioxid aufgetragen ist.
Es ist aber zu betonen, daß die Zuleitung bzw. der Bonddraht die Oberfläche des Sensor-Chips nicht zu berühren braucht. Es ist auch ausreichend, wenn die Zuleitung bzw. der Bonddraht nahe an die Oberfläche des Sensor-Chips herangeführt wird, damit dieser durch den in der Zuleitung fließenden Strom erwärmt wird.
Der Sensor-Chip kann zusätzlich zum Sensor weitere integrierte Schaltungen enthalten. Auch ist es möglich, außer dem Sensor-Chip auf dem Schalter-Chip noch weitere integrierte Schaltungen aufweisende Chips anzubringen. Die Bezeichnung "Zwei-Chip-Leistungs-IC" ist also so zu verstehen, daß ein Schalter-Chip mit einem diesen schützenden Sensor-Chip verbunden ist und gegebenenfalls noch weitere Schaltungen aufweisen kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur ein erfindungsgemäßer Zwei-Chip-Leistungs-IC in Schnittdarstellung gezeigt ist.
Auf einem Schalter-Chip 1 mit einem Schalter aus beispielsweise einem Leistungs-MOSFET ist ein Sensor-Chip 2 angeordnet, wobei der Sensor-Chip 2 durch eine Klebstoffschicht 3 mit dem Schalter-Chip 1 unter elektrischer Isolierung voneinander angeordnet ist. Von einem Kontakt 4 auf einer Source-Elektrode des MOSFETs des Schalter-Chips 1 führt eine elektrische Zuleitung 5 in der Form eines Bonddrahtes zu einer äußeren Leiterbahn 6 eines Leiterrahmens. Diese Zuleitung 5 ist schlingen- oder bogenförmig gestaltet und führt zur Oberfläche des Sensor- Chips 2, an der sie durch Stich-Bonden mit einer Aluminium-Fläche bzw. Aluminiumfilm 7 verbunden ist, der unter elektrischer Isolierung auf die Oberfläche des Sensor-Chips aufgetragen ist.
Fließt nun ein hoher Strom durch die Zuleitung 5, so wird durch die in der Zuleitung 5 erzeugte Wärme der Sensor-Chip 2 zusätzlich zu der Wärme erhitzt, die von dem Schalter-Chip 1 abgegeben wird. Auf diese Weise spricht der Sensor des Sensor-Chips 2 zuverlässig auf die bei Auftreten eines Kurzschlusses erzeugte Wärme an und schaltet den Schalter des Schalter-Chips 1 ab, bevor dieser durch den Kurzschlußstrom zerstört werden kann.
Wie bereits oben erwähnt wurde, braucht die Zuleitung 5 nicht mit der Oberfläche des Sensor-Chips 2 verbunden zu werden. Vielmehr genügt es, wenn die Zuleitung 5 in relativ großer Nähe zu der Oberfläche des Sensor-Chips 2 geführt wird.
Für den Sensor kann in üblicher Weise eine Diode oder ein Transistor eingesetzt werden.
Die Anordnung aus dem Schalter-Chip 1, dem Sensor-Chip 2 und der Klebstoffschicht 3 kann zusammen mit der Zuleitung 5 im Bereich der Bauteile 1 bis 3 mit einer Preßmasse umhüllt werden, die zur Vereinfachung der Darstellung in der Figur weggelassen ist.
Die Erwärmung des Sensor-Chips 2 kann noch dadurch gesteigert werden, daß die Zuleitung 5 im Bereich des Sensor-Chips 2 bogenförmig oder schlingenförmig gestaltet ist, da dadurch in der Nähe des Sensor-Chips 2 bei Auftreten eines hohen Stromes in der Zuleitung 5 eine relativ große Erwärmung bewirkt wird.
Der Sensor-Chip 2 enthält zusätzlich zu dem eigentlichen Sensor noch eine Schaltung, mit der ein Grenzwert eingestellt werden kann, bei dessen Überschreiten der Schalter des Schalter-Chips 1 abgeschaltet wird. Hierzu ist in geeigneter Weise der Sensor des Sensor-Chips 2 elektrisch mit dem Schalter des Schalter-Chips 1 verbunden. Dies kann durch entsprechende Leiterbahnen zwischen dem Sensor-Chip 2 und dem Schalter-Chip 1 durch die Klebstoffschicht 3 hindurch geschehen.
Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Zuleitung 5 gezeigt, die in der Nähe des Sensor-Chips 2 geführt ist. Gegebenenfalls können anstelle einer Zuleitung auch zwei Zuleitungen des Schalter-Chips 1, beispielsweise die Source- Zuleitung und die Drain-Zuleitung, in der Nähe der Oberfläche des Sensor-Chips 2 angeordnet werden.

Claims (6)

1. Zwei-Chip-Leistungs-IC, bei dem ein einen Sensor aufwei­ sender Sensor-Chip (2) auf einem einen Schalter aufweisenden Schalter-Chip (1) aufgebracht und der Sensor elektrisch mit dem Schalter verbunden ist, um den Schalter mittels des Sen­ sors dann abzuschalten, wenn die vom Sensor erfaßte Tempera­ tur einen voreinstellbaren Grenzwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Zuleitung (5) des Schal­ ters derart in der Nähe des Sensors geführt ist, daß ein gu­ ter Wärmeübergang zwischen der Zuleitung (5) und dem Sensor gegeben ist.
2. Zwei-Chip-Leistungs-IC nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zuleitung (5) die Source-Zuleitung eines MOSFETs des Schalters des Schalter-Chips (1) ist und minde­ stens teilweise die Oberfläche des Sensor-Chips (2) berührt.
3. Zwei-Chip-Leistungs-IC nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zuleitung (5) durch Stich-Bonden mit der Oberfläche des Sensor-Chips (2) verbunden ist.
4. Zwei-Chip-Leistungs-IC nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zuleitung (5) mit einer Aluminium-Fläche (7) des Sensor-Chips verbunden ist.
5. Zwei-Chip-Leistungs-IC nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine die beiden Chips (1, 2) und die Zu­ leitung (5) umschließende Preßmasse.
6. Zwei-Chip-Leistungs-IC nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (5) schlingen- oder bogenförmig geführt ist.
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