WO2017089018A1 - Semiconductor component comprising a first temperature measuring element and method for determining a current flowing through a semiconductor component - Google Patents

Semiconductor component comprising a first temperature measuring element and method for determining a current flowing through a semiconductor component Download PDF

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WO2017089018A1
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temperature measuring
semiconductor component
measuring element
temperature
semiconductor
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PCT/EP2016/073733
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Inventor
Joachim Joos
Walter Von Emden
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/01—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using semiconducting elements having PN junctions
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/74—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of diodes

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device, preferably a power MOSFET element, and a method for producing a
  • the current is measured for example by a shunt or a magnetic sensor. This is complicated and expensive. If the phase current is measured by means of a shunt, additional area on the DBC (Direct Bonded Copper) or on the DBC (Direct Bonded Copper) or on the DBC (Direct Bonded Copper)
  • US 2007/00061099 A1 also describes a method for determining the phase current with the aid of the drain-source voltage and a temperature.
  • a thermistor located near a FET provides a temperature from which, along with the drain-source voltage from a processor, the phase current is estimated. This is done on the assumption that the temperature difference between the thermistor and the junction of the FET in the steady state is constant.
  • US 201 1/021071 1 A1 describes a possibility of having the processes within a semiconductor component modeled by a processor in order to be able to carry out an evaluation of the state of the component and, if appropriate, a control of the component.
  • a thermistor temperature for which an example supplied by a thermistor temperature, the drain-source voltage and the gate-source voltage are used as input parameters.
  • a semiconductor component with a substrate and a first temperature measuring element in which the first temperature measuring element is located in the vicinity of a location of high power loss of the first
  • Temperature measuring element spatially spaced from the first
  • Temperature measuring element is arranged on the substrate.
  • Semiconductor device may be, for example, a MOSFET, an IGBT or other power semiconductor.
  • the substrate may be a semiconductor substrate, For example, be silicon, another semiconductor substrate or a silicon-on-insulator (SOI) substrate.
  • SOI silicon-on-insulator
  • a location of high power loss is understood to be a location on the semiconductor chip at which a high power loss drops during operation, in particular in the switched-through state, and which therefore heats up more than its surroundings.
  • the term "high power dissipation" is to be interpreted in particular relative to other locations on the chip,
  • the first temperature measuring element is arranged in the vicinity of the location of the greatest power loss, for example in the vicinity of the exclusion zone the smallest or smallest possible power loss, as is technically possible, without influencing the function of the individual elements
  • the first temperature measuring element can be directly adjacent to the blocking zone of the semiconductor component.
  • Semiconductor component flowing current basically includes the following steps:
  • An inventive control device for a vehicle comprises at least one inventive semiconductor device.
  • the semiconductor device according to the invention has the advantage that only a few additional elements are necessary to make a sufficiently accurate statement about the current flow through the semiconductor device.
  • Evaluation can be used only the logic and the AD converter of the system ASIC (application specific integrated circuit), so again only a few additional components over conventional semiconductor devices without the
  • the semiconductor component according to the invention and the method according to the invention it is possible to determine the phase current through the component, without including the drain-source voltage as output value. Instead, the respective local temperatures are measured at two different points of the semiconductor component, whereby, with knowledge of the thermal resistance and the thermal capacity between the two measuring points, the current power loss of the semiconductor device is measured
  • the current can be determined by the component. It can be such a
  • the first temperature measuring element can with the second
  • Temperature measuring element be thermally coupled.
  • Embodiment is provided, that the first temperature measuring element and the second temperature measuring element each comprises a diode.
  • a measure of the temperature can in each case the falling over the respective diode
  • the temperature can be determined with a small design effort for the temperature measuring elements. This saves installation space, power loss and costs for external components and, with appropriate design, can improve the response time and accuracy of current monitoring.
  • the first temperature measuring element and the second temperature measuring element monolithically integrated into the semiconductor device.
  • the semiconductor component comprises a third temperature measuring element.
  • An additional fourth temperature measuring element or even more temperature measuring elements are also possible.
  • the accuracy of the current determination can be increased.
  • the other temperature measuring elements can be monolithically integrated into the chip. All temperature measuring elements can be realized for example as a planar polysilicon diode. In principle, however, are any combinations of different
  • Temperature measuring conceivable to implement the invention. Likewise, the simultaneous use of monolithic integrated and external temperature measuring elements, such as thermistors, is possible. Due to the manufacturing advantages, however, are all preferred
  • Temperature measuring elements monolithically integrated.
  • a finite thermal capacitance and a finite thermal resistance exist between the first temperature measuring element and the second temperature measuring element.
  • the current power loss in the semiconductor device can then be determined relatively accurately if the first temperature and the second temperature are used as input variables for the calculation.
  • the semiconductor component has at least one active region and at least one passive region, the second temperature-measuring element being arranged in the passive region.
  • the temperature is regularly lower than in the active region and in particular significantly lower than in the region of greatest power loss.
  • a larger temperature difference between the two of the first Temperature measuring element and the second temperature measuring element detected temperatures increases the signal-to-noise ratio and thus improves the accuracy of the determined value for the current.
  • MOSFET Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor
  • a MOSFET is particularly well suited to the formation of a power semiconductor device, such as a
  • Temperature measuring element can be removed in each case via dedicated pads.
  • Such an embodiment has the advantage that the structure can be connected flexibly from the outside further. Furthermore, the voltage required for determining the temperature can thus be measured in a simple manner, for example by connecting the pads to an evaluation circuit such as, for example, the system ASIC.
  • the first temperature measuring element and the second temperature measuring element are connected in series.
  • Temperature measuring elements can then be fed by a common power source and flowed through by the same current.
  • the optionally existing further temperature measuring elements can be connected in series with the first and second temperature measuring element and energized with a single sense current.
  • first temperature measuring element and the second temperature measuring element are connected in parallel.
  • particularly fast and accurate diodes which are ideally matched very well by their flux voltage variation over temperature, are advantageous. Due to the relatively small thermal resistances and thermal capacities between hotspot, so the place big
  • the inventive method is suitable to the current temperature, power dissipation and current values of a circuit breaker and
  • Figure 1 shows a way to determine the current through a
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention
  • FIG. 3 shows a plan view of the exemplary embodiment according to FIG. 2
  • FIG. 4 shows a side view of the exemplary embodiment according to FIG. 2,
  • FIG. 5 shows a first embodiment of the wiring of a semiconductor component according to the invention
  • FIG. 6 shows a second embodiment of the circuit of a semiconductor component according to the invention
  • FIG. 7 shows a third embodiment of the wiring of a semiconductor component according to the invention.
  • FIG. 8 shows a thermal equivalent circuit of an embodiment of the invention
  • FIG. 10 shows a representation of a possible integration of a semiconductor component according to the invention into a circuit system.
  • FIG. 1 shows a possibility for determining the current through a semiconductor component 10 in the form of a current sensor with divided cells according to the prior art.
  • the main part of the figure the main part of the figure.
  • the FET (field effect transistor) 2 shown. As usual, it is connected to a source contact 3, a drain contact 4 and a gate contact 5. In the left part of the figure, the measuring FET 6 is shown. This is connected in parallel to the main FET 1 and consists of a few divided, but otherwise identical to the cells of the main FETs 1 cells. The cleaved cells serve as
  • Temperature sensor and a current sensor used together to allow monitoring which in turn leads to a relatively high
  • FIG. 2 schematically shows the bare die 1 1 of a semiconductor component 10 in FIG.
  • circuit breaker such as a MOSFET.
  • This includes both active surfaces 14, so in which the optionally, microscopically small switching elements are placed and in which the electrical power loss arises as well as passive areas 16, which are inactive and thus without power loss.
  • the passive areas 16 may be, for example, bond pad areas, edge areas of the component 10 or gate runners.
  • the second current measuring element 22 may be arranged.
  • FIG. 3 shows the semiconductor component from FIG. 2 in plan view.
  • two temperature measuring elements 20, 22 are arranged.
  • So-called temperature-sensing structures are placed such that the first temperature sensing element 20 is disposed in the active region 14 or at least very close to the active region 14.
  • Temperature measuring element 22 is located in a certain spatial
  • Temperature sensing element 20 may be located close to the blocking zone of the semiconductor device 10, since the power loss is particularly high. A large temperature difference between the temperatures measured by the first temperature sensing element 20 and the second temperature sensing element 22 is desirable to improve the signal-to-noise ratio.
  • Figure 4 shows the embodiment of Figures 2 and 3 in a side sectional view. It can be seen the substrate 12, in which the other
  • FIG. 5 shows a first possibility of interconnection of the semiconductor component 10 according to the invention.
  • the known connections for source 30, drain 32 and gate 34 can be seen.
  • the first diode 20, which serves as the first temperature measuring element, and the second diode 22, which serve as the second temperature measuring element serves, are connected in series. Both diodes 20, 22 are traversed by a time-constant current nse, the
  • the voltage drops UDI and UD2 are proportional to the respective local temperature in the region of the first diode 20 and the second diode 22, respectively.
  • FIG. 6 shows a second possibility of the interconnection of the semiconductor component 10 according to the invention.
  • the first diode 20 and the second diode 22 are connected in parallel. They are powered by a first current source 26 and a second current source 27 with power.
  • Figure 8 shows a thermal equivalent circuit in the form of an equivalent Foster network of an embodiment of the invention.
  • the thermal behavior of one embodiment of the invention as MOSFETs on DBC (Direct Bonded Copper) or punched grid can thus be described.
  • Temperature measuring element in the form of the first diode 20 measures the temperature Tj at the first node 50.
  • Tj here stands for Tj Un ction, ie the temperature in the region of the barrier layer, which often corresponds to the region of greatest power loss on the semiconductor device 10.
  • the second diode 22 measures the temperature Tisense at the second node 52. Because of the spatially different arrangement to the power loss source 54 on the chip lie between two nodes 50, 52 finite thermal Wests 56 and thermal capacitances 58. It usually results in a lower temperature Tisense as the temperature Tj. In the right part of the figure, the termination of the network at room temperature T is shown on the bient.
  • Temperature difference .DELTA. ⁇ between the two nodes 50, 52 are determined. Exemplary performed measurement series are shown in Figure 9. In each case, the thermal resistance between the nodes 50, 52 and the housing was determined. The data points plotted as circular symbols originate from the measurement Z t h (t) j U nction-case, ie the time-dependent thermal resistance between the first node 50 and the housing. Accordingly, the values for Zth (t) T se nse-case, ie the thermal resistance between the second node 52 and the housing, are shown as squares. The third curve shows the difference between the two traces in the form of triangular symbols. The solid lines show corresponding fits in the Foster model with 7 RC elements each for the two measurement curves or with 2 RC elements for the difference curve. The description of
  • Curves in the Foster model allow a simulation of the temporal thermal behavior in the ASIC.
  • Ron ⁇ Tj RDSon, 2S ° C ' [1 + (2), where a ⁇ 0.4 can be calculated using the formula
  • the ASIC 70 may initially provide a constant current nse for the two current measuring elements 20, 22.
  • the calculation elements 72, 74 are then first the two Flusswoods signals UDI, UD2 of the temperature measuring elements 20, 22, which in turn formed in the form of diodes can be in terms of temperature T se nse, Tj converted. If appropriate, a corresponding characteristic linearization can be provided beforehand for this purpose.
  • a difference ⁇ is then formed in the differentiation module 76. Knowing the temperature Tj, the current resistance R on (Tj) is then estimated via the above equation (2).
  • the thermal behavior of the thermal differential resistance Zthj-Tsense has been previously determined by measurement or simulation and has been firmly stored in the ASIC, for example as a two-link Foster network or as Table 78. This is sufficiently accurate, since the value for Z t hj- T se nse only derived from firmly arranged on the chip elements and therefore no scattering can be expected by the construction and connection technology.
  • the current drain current is then determined from the input variables ⁇ T (t), R on (Tj) and Z t hj-T se nse by means of the equation given above and serves as the control or monitoring variable of the circuit breaker.
  • the temperature Tj (t) can be used.
  • the invention can be used in particular for control devices for vehicles, for example for the steering of a vehicle. Also possible is an insert for power modules for hybrid or electric vehicles as well

Abstract

A semiconductor component (10) comprising a substrate and at least two temperature measuring elements (20, 22) is described. The two temperature measuring elements (20, 22) are arranged on the bare die (11) of the semiconductor component (10) at different positions within the semiconductor component (10). In particular, one temperature measuring element (20) can be arranged in an active region (14) and one temperature measuring element (22) can be arranged in a passive region (16) of the semiconductor component (10). The temperature measuring elements (20, 22) measure two different temperatures Tj, Tsense, with the aid of which the current IDS through the semiconductor component (10) can then be calculated. The semiconductor component may be a power MOSFET (18). Furthermore, a method for determining a current IDS flowing through a semiconductor component (10) is described, wherein two temperatures measured at different locations of the semiconductor component (10) are used. The semiconductor component (10) described and the method described are suitable for example for use in a control unit for a vehicle.

Description

Beschreibung  description
Titel title
HALBLEITERBAUELEMENT MIT EINEM ERSTEN SEMICONDUCTOR ELEMENT WITH A FIRST
TEMPERATURMESSELEMENT SOWIE VERFAHREN ZUM BESTIMMEN EINES DURCH EIN HALBLEITERBAUELEMENT FLIESSENDEN STROMES TEMPERATURE MEASURING ELEMENT AND METHOD FOR DETERMINING A FLOW THROUGH A SEMICONDUCTOR COMPONENT
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, bevorzugt ein Leistungs-MOSFET-Element, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines The present invention relates to a semiconductor device, preferably a power MOSFET element, and a method for producing a
Halbleiterbauelements und ein Steuergerät für ein Fahrzeug. Semiconductor device and a control device for a vehicle.
Stand der Technik State of the art
Die Anforderungen an moderne Halbleiterschalter wie PowerMOSFETs (Metall- Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, englisch Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) und IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, engl, insulated-gate bipolar Transistor) umfassen neben sehr geringen Durchlass- und Schaltverlusten sowie hoher Sperrfähigkeit immer mehr monolithisch integrierte Funktionen, welche Überbeanspruchung wie ESD-Pulse (Elektrostatische Entladung, engl. Electrostatic Discharge), Übertemperatur, Durchbruch oder Überstrom sicher detektierbar machen. In leistungselektronischen Systemen zum Beispiel zur Motoransteuerung ist der Phasenstrom zur Regelung des Systems von entscheidender Bedeutung. Ein zu hoher Strom während des The demands on modern semiconductor switches such as PowerMOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) and IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) include, in addition to very low transmission and switching losses as well as high blocking capability more and more monolithic integrated functions that make overuse such as ESD pulses (Electrostatic Discharge, Electrostatic Discharge), overtemperature, breakthrough or overcurrent safely detectable. In power electronic systems, for example for motor control, the phase current is of crucial importance for controlling the system. Too high a current during the
Schaltvorgangs kann zum Durchbruch des Elements und gegebenenfalls zu seiner Zerstörung führen. In vielen Fällen wird daher der Strom beispielsweise durch einen Shunt oder einen Magnetsensor gemessen. Dies ist aufwendig und teuer. Wird der Phasenstrom mittels eines Shunts gemessen wird hierfür zusätzliche Fläche auf dem DBC (Direct Bonded Copper) oder auf dem Switching operation can lead to the breakdown of the element and possibly to its destruction. In many cases, therefore, the current is measured for example by a shunt or a magnetic sensor. This is complicated and expensive. If the phase current is measured by means of a shunt, additional area on the DBC (Direct Bonded Copper) or on the
Stanzgitter benötigt. Weiterhin wird mit dem Shunt oder Magnetsensor ein weiteres Bauteil benötigt, was ebenfalls Kosten verursacht. Alternativ besteht die Möglichkeit, intern im Device durch abgetrennte Zellgebiete eine Messung des Phasenstroms vorzunehmen. Auch hier sind aber zumindest ein externer Widerstand sowie eine externe, oftmals analoge Auswerteschaltung notwendig. Punching grid required. Furthermore, another component is needed with the shunt or magnetic sensor, which also causes costs. Alternatively, it is possible to measure the phase current internally in the device by means of separated cell areas. Here too, however, at least one external resistor and an external, often analog, evaluation circuit are necessary.
Die DE 10 2011 001 185 A1 beschreibt eine Methode zur Stromsensierung mittels der Messung der Drain-Source-Spannung. Dabei wird die Temperatur der Sperrschicht ermittelt und aus dieser der temperaturabhängige Widerstand RDSOP berechnet, woraus wiederum der aktuelle Strom berechnet werden kann. DE 10 2011 001 185 A1 describes a method for current measurement by means of the measurement of the drain-source voltage. The temperature of the barrier layer is determined and calculated from this the temperature-dependent resistor RDS OP , from which in turn the current can be calculated.
Die US 2007/00061099 A1 beschreibt ebenfalls eine Methode, den Phasenstrom unter Zuhilfenahme der Drain-Source-Spannung und einer Temperatur zu bestimmen. Ein Thermistor, der in der Nähe eines FETs (Feldeffekttransistor) angeordnet ist, liefert eine Temperatur, aus der zusammen mit der Drain-Source- Spannung von einem Prozessor der Phasenstrom abgeschätzt wird. Dies erfolgt unter der Annahme, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Thermistor und der Sperrschicht des FETs im eingeschwungenen Zustand konstant ist. US 2007/00061099 A1 also describes a method for determining the phase current with the aid of the drain-source voltage and a temperature. A thermistor located near a FET (Field Effect Transistor) provides a temperature from which, along with the drain-source voltage from a processor, the phase current is estimated. This is done on the assumption that the temperature difference between the thermistor and the junction of the FET in the steady state is constant.
Die US 201 1/021071 1 A1 beschreibt eine Möglichkeit, die Vorgänge innerhalb eines Halbleiterbauelements von einem Prozessor modellieren zu lassen, um eine Bewertung des Zustands des Bauelements und in der Folge gegebenenfalls eine Steuerung des Bauteils vornehmen zu können. Hierzu werden eine beispielsweise von einem Thermistor gelieferte Temperatur, die Drain-Source- Spannung und die Gate-Source-Spannung als Input-Parameter herangezogen. US 201 1/021071 1 A1 describes a possibility of having the processes within a semiconductor component modeled by a processor in order to be able to carry out an evaluation of the state of the component and, if appropriate, a control of the component. For this purpose, an example supplied by a thermistor temperature, the drain-source voltage and the gate-source voltage are used as input parameters.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauelement mit einem Substrat und einem ersten Temperaturmesselement zur Verfügung gestellt, bei dem das erste Temperaturmesselement in der Nähe eines Ortes großer Verlustleistung desAccording to the invention, a semiconductor component with a substrate and a first temperature measuring element is provided, in which the first temperature measuring element is located in the vicinity of a location of high power loss of the first
Halbleiterbauelements angeordnet ist, und bei dem ein zweites Semiconductor device is arranged, and in which a second
Temperaturmesselement räumlich beabstandet von dem ersten Temperature measuring element spatially spaced from the first
Temperaturmesselement auf dem Substrat angeordnet ist. Das Temperature measuring element is arranged on the substrate. The
Halbleiterbauelement kann beispielsweise ein MOSFET, ein IGBT oder ein sonstiger Leistungshalbleiter sein. Das Substrat kann ein Halbleitersubstrat, beispielsweise Silizium, ein anderes Halbleitersubstrat oder ein Silicon-on- Insulator (SOI) Substrat sein. Semiconductor device may be, for example, a MOSFET, an IGBT or other power semiconductor. The substrate may be a semiconductor substrate, For example, be silicon, another semiconductor substrate or a silicon-on-insulator (SOI) substrate.
Unter einem Ort hoher Verlustleistung wird dabei ein Ort auf dem Halbleiterchip verstanden, an dem im Betrieb, insbesondere im durchgeschalteten Zustand, eine hohe Verlustleistung abfällt und der sich daher stärker erwärmt als seine Umgebung. Der Begriff„hohe Verlustleistung" ist dabei insbesondere relativ zu anderen Orten auf dem Chip zu interpretieren. Vorzugsweise wird das erste Temperaturmesselement in der Nähe des Ortes der größten Verlustleistung, beispielsweise in der Nähe der Sperrzone, angeordnet. Bevorzugt ist die räumliche Entfernung zwischen dem Ort großer beziehungsweise größter Verlustleistung und dem ersten Temperaturmesselement möglichst klein, insbesondere so klein, wie es technisch möglich ist, ohne die Funktion der einzelnen Elemente zu beeinflussen. Mit anderen Worten befindet sich das erste Temperaturmesselement vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des Ortes großer beziehungsweise größter Verlustleistung. Beispielsweise kann das erste Temperaturmesselement direkt an die Sperrzone des Halbleiterbauelements angrenzen. A location of high power loss is understood to be a location on the semiconductor chip at which a high power loss drops during operation, in particular in the switched-through state, and which therefore heats up more than its surroundings. The term "high power dissipation" is to be interpreted in particular relative to other locations on the chip, Preferably, the first temperature measuring element is arranged in the vicinity of the location of the greatest power loss, for example in the vicinity of the exclusion zone the smallest or smallest possible power loss, as is technically possible, without influencing the function of the individual elements For example, the first temperature measuring element can be directly adjacent to the blocking zone of the semiconductor component.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen eines durch ein The inventive method for determining a by a
Halbleiterbauelement fließenden Stromes umfasst grundsätzlich folgende Schritte: Semiconductor component flowing current basically includes the following steps:
a) Auslesen des Werts einer von einem in einem Bereich hoher a) reading out the value of one of a high range
Verlustleistung angeordneten ersten Temperaturmesselement gelieferten ersten Temperatur  Power dissipation arranged first temperature measuring element supplied first temperature
b) Auslesen des Werts einer von einem vom ersten Temperaturelement beabstandeten zweiten Temperaturmesselement gelieferten zweiten Temperatur b) reading the value of a second temperature supplied by a second temperature sensing element spaced from the first temperature element
c) Berechnen des Stroms durch das Halbleiterbauelement unter c) calculating the current through the semiconductor device under
Einbeziehung der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur.  Inclusion of the first temperature and the second temperature.
Ein erfindungsgemäßes Steuergerät für ein Fahrzeug umfasst zumindest ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement. Vorteile der Erfindung An inventive control device for a vehicle comprises at least one inventive semiconductor device. Advantages of the invention
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement hat den Vorteil, dass nur wenige zusätzliche Elemente notwendig sind, um eine hinreichend genaue Aussage über den aktuellen Stromfluss durch das Halbleiterbauelement zu treffen. Zur The semiconductor device according to the invention has the advantage that only a few additional elements are necessary to make a sufficiently accurate statement about the current flow through the semiconductor device. to
Auswertung können lediglich die Logik und der AD-Wandler des System-ASIC (Anwendungsspezifische integrierte Schaltung, englisch application specific integrated circuit) genutzt werden, sodass wiederum nur wenige zusätzliche Bauteile gegenüber herkömmlichen Halbleiterbauelementen ohne die Evaluation can be used only the logic and the AD converter of the system ASIC (application specific integrated circuit), so again only a few additional components over conventional semiconductor devices without the
erfindungsgemäße Stromsensierung nötig sind. Current sensing according to the invention are necessary.
Weiterhin ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, den Phasenstrom durch das Bauelement zu ermitteln, ohne die Drain-Source-Spannung als Ausgangswert mit einzubeziehen. Stattdessen werden an zwei unterschiedlichen Punkten des Halbleiterbauelements die jeweiligen lokalen Temperaturen gemessen, wodurch in Kenntnis des thermischen Widerstands und der thermischen Kapazität zwischen den beiden Messpunkten auf die aktuelle Verlustleistung des Furthermore, with the aid of the semiconductor component according to the invention and the method according to the invention it is possible to determine the phase current through the component, without including the drain-source voltage as output value. Instead, the respective local temperatures are measured at two different points of the semiconductor component, whereby, with knowledge of the thermal resistance and the thermal capacity between the two measuring points, the current power loss of the semiconductor device is measured
Bauelements geschlossen werden kann, sodass sich mit Hilfe des Widerstands DSOP der Strom durch das Bauteil bestimmen lässt. Es lässt sich so eine Can be closed, so that with the help of the resistor DS OP, the current can be determined by the component. It can be such a
Überstrombegrenzung für das sichere Schalten von leistungselektronischen Komponenten wie MOSFETs oder IGBTs einrichten. Set up overcurrent limiting for the safe switching of power electronic components such as MOSFETs or IGBTs.
Das erste Temperaturmesselement kann mit dem zweiten The first temperature measuring element can with the second
Temperaturmesselement thermisch gekoppelt sein. In einer besonderen Temperature measuring element be thermally coupled. In a special
Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Temperaturmesselement und das zweite Temperaturmesselement jeweils eine Diode umfasst. Ein Maß für die Temperatur kann dabei jeweils die über der jeweiligen Diode abfallende Embodiment is provided, that the first temperature measuring element and the second temperature measuring element each comprises a diode. A measure of the temperature can in each case the falling over the respective diode
Spannung sein. Auf diese Art und Weise lässt sich die Temperatur mit einem geringen konstruktiven Aufwand für die Temperaturmesselemente ermitteln. Es lassen sich so Bauraum, Verlustleistung und Kosten für externe Bauteile einsparen und bei entsprechender Auslegung die Ansprechzeit und Genauigkeit der Stromüberwachung verbessern. Be tension. In this way, the temperature can be determined with a small design effort for the temperature measuring elements. This saves installation space, power loss and costs for external components and, with appropriate design, can improve the response time and accuracy of current monitoring.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Temperaturmesselement und das zweite Temperaturmesselement monolithisch in das Halbleiterbauelement integriert sind. Durch diese Maßnahme lässt sich der Aufwand bei der Inbetriebnahme des Halbleiterbauelements verringern, was die effektiven Kosten ebenfalls verringert. Es werden weniger einzelne Bauteile benötigt. Da sich die benötigten Funktionen mit geringem Aufwand in bekannte Halbleiterbauelemente integrieren lassen, ergibt sich insgesamt eine deutliche Kostenersparnis. Eine geringere Anzahl an According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the first temperature measuring element and the second temperature measuring element monolithically integrated into the semiconductor device. By this measure, the cost of commissioning the semiconductor device can be reduced, which also reduces the effective cost. Less individual components are needed. Since the required functions can be integrated with little effort into known semiconductor components, the overall result is a significant cost savings. A smaller number of
Einzelbauteilen bedeutet darüber hinaus eine geringere Anzahl an möglichen Fehlerquellen. In addition, individual components means a smaller number of possible sources of error.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Halbleiterbauelement ein drittes Temperaturmesselement. Ein zusätzliches viertes Temperaturmesselement oder noch mehr Temperaturmesselemente sind ebenfalls möglich. Durch die In a development of the invention, the semiconductor component comprises a third temperature measuring element. An additional fourth temperature measuring element or even more temperature measuring elements are also possible. By the
Einbeziehung weiterer Temperaturmesselemente kann die Genauigkeit der Strombestimmung erhöht werden. Auch die weiteren Temperaturmesselemente können monolithisch in den Chip integriert sein. Alle Temperaturmesselemente können beispielsweise als planare Polysilizium-Diode realisiert sein. Prinzipiell sind aber beliebige Kombinationen von verschiedenen Inclusion of further temperature measuring elements, the accuracy of the current determination can be increased. The other temperature measuring elements can be monolithically integrated into the chip. All temperature measuring elements can be realized for example as a planar polysilicon diode. In principle, however, are any combinations of different
Temperaturmesselementen denkbar, um die Erfindung umzusetzen. Ebenso ist auch der gleichzeitige Einsatz von monolithisch integrierten und externen Temperaturmesselementen, wie beispielsweise Thermistoren, möglich. Aufgrund der herstellungstechnischen Vorteile sind bevorzugt jedoch alle  Temperature measuring conceivable to implement the invention. Likewise, the simultaneous use of monolithic integrated and external temperature measuring elements, such as thermistors, is possible. Due to the manufacturing advantages, however, are all preferred
Temperaturmesselemente monolithisch integriert. Temperature measuring elements monolithically integrated.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen zwischen dem ersten Temperaturmesselement und dem zweiten Temperaturmesselement eine endliche thermische Kapazität und ein endlicher thermischer Widerstand vor. Die aktuelle Verlustleistung im Halbleiterbauelement lässt sich dann relativ genau bestimmen, wenn die erste Temperatur und die zweite Temperatur als Eingangsgrößen für die Berechnung verwendet werden. In a further preferred embodiment of the invention, a finite thermal capacitance and a finite thermal resistance exist between the first temperature measuring element and the second temperature measuring element. The current power loss in the semiconductor device can then be determined relatively accurately if the first temperature and the second temperature are used as input variables for the calculation.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Halbleiterbauelement zumindest einen aktiven Bereich und zumindest einen passiven Bereich auf, wobei das zweite Temperaturmesselement in dem passiven Bereich angeordnet ist. In dem passiven Bereich ist die Temperatur regelmäßig niedriger als im aktiven Bereich und insbesondere deutlich niedriger als in dem Bereich größter Verlustleistung. Eine größere Temperaturdifferenz zwischen den beiden von dem ersten Temperaturmesselement und dem zweiten Temperaturmesselement ermittelten Temperaturen vergrößert das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und verbessert somit die Genauigkeit des ermittelten Werts für den Strom. In one development of the invention, the semiconductor component has at least one active region and at least one passive region, the second temperature-measuring element being arranged in the passive region. In the passive region, the temperature is regularly lower than in the active region and in particular significantly lower than in the region of greatest power loss. A larger temperature difference between the two of the first Temperature measuring element and the second temperature measuring element detected temperatures increases the signal-to-noise ratio and thus improves the accuracy of the determined value for the current.
5 In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das In a preferred embodiment of the invention, the
Halbleiterbauelement ein MOSFET und eines der Temperaturmesselemente die Bodydiode dieses MOSFETs sein. Ein MOSFET ist besonders gut geeignet zur Ausbildung eines Leistungshalbleiterbauelements, beispielsweise eines  Semiconductor device is a MOSFET and one of the temperature sensing elements to be the body diode of this MOSFET. A MOSFET is particularly well suited to the formation of a power semiconductor device, such as a
Leistungsschalters. Wenn die Bodydiode des MOSFETs als eines der l o Temperaturmesselemente genutzt wird, verringert sich die Anzahl der zur  Circuit breaker. If the body diode of the MOSFET is used as one of the l o temperature measuring elements, the number of drops to
Ausführung der Erfindung notwendigen zusätzlichen Elemente, da eine solche Bodydiode inhärent in jedem MOSFET vorhanden ist.  Implementation of the invention necessary additional elements, since such a body diode is inherently present in each MOSFET.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine erste Temperaturmessspannung über dem ersten Temperaturmesselement und/oder eine zweite Temperaturmessspannung über dem zweiten In an advantageous development of the invention, it is provided that a first temperature measuring voltage across the first temperature measuring element and / or a second temperature measuring voltage across the second
Temperaturmesselement jeweils über dezidierte Pads abgenommen werden kann. Mit anderen Worten lassen sich die für die Messung der beiden Temperaturmessspannungen relevanten Punkte in der Schaltung von außen Temperature measuring element can be removed in each case via dedicated pads. In other words, the relevant points in the circuit for the measurement of the two temperature measuring voltages from the outside
20 kontaktieren. Eine solche Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass der Aufbau flexibel von außen weiter beschaltet werden kann. Weiterhin kann so die für die Ermittlung der Temperatur benötigte Spannung auf einfache Art und Weise gemessen werden, beispielsweise indem die Pads mit einer Auswerteschaltung wie zum Beispiel dem System-ASIC verbunden werden. 20 contact. Such an embodiment has the advantage that the structure can be connected flexibly from the outside further. Furthermore, the voltage required for determining the temperature can thus be measured in a simple manner, for example by connecting the pads to an evaluation circuit such as, for example, the system ASIC.
25  25
In einer besonderen Ausführungsform sind das erste Temperaturmesselement und das zweite Temperaturmesselement in Serie geschaltet. Die beiden  In a particular embodiment, the first temperature measuring element and the second temperature measuring element are connected in series. The two
Temperaturmesselemente können dann von einer gemeinsamen Stromquelle gespeist werden und von demselben Strom durchflössen werden. Auch die gegebenenfalls vorhandenen weiteren Temperaturmesselemente können mit dem ersten und zweiten Temperaturmesselement in Serie beschaltet und mit einem einzigen Sense-Strom bestromt werden.  Temperature measuring elements can then be fed by a common power source and flowed through by the same current. The optionally existing further temperature measuring elements can be connected in series with the first and second temperature measuring element and energized with a single sense current.
Alternativ ist es möglich, dass das erste Temperaturmesselement und das zweite 35 Temperaturmesselement parallel geschaltet sind. Zur Ausführung der Erfindung sind besonders schnelle und genaue Dioden, die idealerweise von ihrem Flussspannungsverlauf über Temperatur sehr gut gematcht sind, vorteilhaft. Durch die relativ kleinen thermischen Widerstände und thermischen Kapazitäten zwischen Hotspot, also dem Ort großer Alternatively, it is possible for the first temperature measuring element and the second temperature measuring element to be connected in parallel. For carrying out the invention, particularly fast and accurate diodes, which are ideally matched very well by their flux voltage variation over temperature, are advantageous. Due to the relatively small thermal resistances and thermal capacities between hotspot, so the place big
beziehungsweise größter Verlustleistung auf dem Chip, und dem Chip-Rand beziehungsweise einem anderen Ort innerhalb des passiven Gebiets, ergeben sich sehr gute Signal-zu-Rausch-Verhältnisse und wenig Einfluss vom or the largest power loss on the chip, and the chip edge or any other location within the passive area, resulting in very good signal-to-noise ratios and little impact of
Temperaturverlauf in den Schwankungen unterlegenen weiteren Schichten wie beispielsweise Lot, Lunker, DBC (direct bonded copper) oder Kleber. Temperature variation in the fluctuations inferior other layers such as solder, voids, DBC (direct bonded copper) or adhesive.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, um die aktuellen Temperatur-, Verlustleistungs- und Stromwerte eines Leistungsschalters sowie The inventive method is suitable to the current temperature, power dissipation and current values of a circuit breaker and
Regelungsgrößen zur Vermeidung von beschleunigter Alterung beziehungsweise Zerstörung des Bauelements zu bestimmen. To determine control variables to avoid accelerated aging or destruction of the device.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.
Zeichnungen drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:
Figur 1 eine Möglichkeit zur Ermittlung des Stroms durch ein Figure 1 shows a way to determine the current through a
Halbleiterbauelement gemäß dem Stand der Technik, Semiconductor device according to the prior art,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, Figur 3 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2, FIG. 2 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention, FIG. 3 shows a plan view of the exemplary embodiment according to FIG. 2,
Figur 4 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2, FIG. 4 shows a side view of the exemplary embodiment according to FIG. 2,
Figur 5 eine erste Ausführungsform der Beschaltung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, Figur 6 eine zweite Ausführungsform der Beschaltung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, FIG. 5 shows a first embodiment of the wiring of a semiconductor component according to the invention, FIG. 6 shows a second embodiment of the circuit of a semiconductor component according to the invention,
Figur 7 eine dritte Ausführungsform der Beschaltung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, FIG. 7 shows a third embodiment of the wiring of a semiconductor component according to the invention,
Figur 8 ein thermisches Ersatzschaltbild einer Ausführungsform des FIG. 8 shows a thermal equivalent circuit of an embodiment of the invention
erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, Figur 9 eine Darstellung von beispielhaften Messergebnissen, und 9 shows a representation of exemplary measurement results, and
Figur 10 eine Darstellung einer möglichen Integration eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in ein Schaltungssystem. FIG. 10 shows a representation of a possible integration of a semiconductor component according to the invention into a circuit system.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Zunächst ist in Figur 1 eine Möglichkeit zur Ermittlung des Stroms durch ein Halbleiterbauelement 10 in Form eines Stromsensors mit abgeteilten Zellen gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Im rechten Teil der Figur ist der Haupt-1 shows a possibility for determining the current through a semiconductor component 10 in the form of a current sensor with divided cells according to the prior art. In the right part of the figure, the main
FET (Feldeffekttransistor) 2 gezeigt. Er ist wie üblich mit einem Sourcekontakt 3, einem Drainkontakt 4 und einem Gatekontakt 5 beschaltet. In linken Bereich der Figur ist der Mess-FET 6 dargestellt. Dieser ist parallel zum Haupt-FET 1 geschaltet und besteht aus einigen abgeteilten, aber ansonsten zu den Zellen des Haupt-FETs 1 identischen Zellen. Die abgespaltenen Zellen dienen alsFET (field effect transistor) 2 shown. As usual, it is connected to a source contact 3, a drain contact 4 and a gate contact 5. In the left part of the figure, the measuring FET 6 is shown. This is connected in parallel to the main FET 1 and consists of a few divided, but otherwise identical to the cells of the main FETs 1 cells. The cleaved cells serve as
Stromspiegel. Mittels des externen Widerstands 7 kann am Strommesspunkt 8 ein Strom Isense ausgelesen werden, der direkte Rückschlüsse auf den durch den Haupt-FET 1 fließenden Strom erlaubt. Der Widerstand 7 kann allerdings Dynamik und Genauigkeit der Strommessung beschränken. Außerdem wird in den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen oftmals ein Current mirror. By means of the external resistor 7, a current Isense can be read out at the current measuring point 8, which allows direct conclusions to be drawn about the current flowing through the main FET 1. The resistor 7, however, can limit the dynamics and accuracy of the current measurement. In addition, in the known from the prior art solutions often
Temperatursensor und ein Stromsensor gemeinsam verwendet, um eine Überwachung zu ermöglichen, was wiederum zu einem relativ hohen  Temperature sensor and a current sensor used together to allow monitoring, which in turn leads to a relatively high
konstruktiven und steuertechnischen Aufwand führt. Figur 2 zeigt schematisch den Bare Die 1 1 eines Halbleiterbauelements 10 inconstructive and tax technical effort leads. FIG. 2 schematically shows the bare die 1 1 of a semiconductor component 10 in FIG
Form eines Leistungsschalters, beispielsweise eines MOSFETs. Dieser beinhaltet sowohl aktive Flächen 14, also in welchem die gegebenenfalls, mikroskopisch kleinen Schaltelemente platziert sind und in welchem die elektrische Verlustleistung entsteht als auch passive Bereiche 16, welche inaktiv und somit ohne Verlustleistung sind. Bei den passiven Bereichen 16 kann es sich beispielsweise um Bondpadbereiche, Randbereiche des Bauelements 10 oder um Gaterunner handeln. In jedem der genannten passiven Bereiche 16 kann das zweite Strommesselement 22 angeordnet sein. Form of a circuit breaker, such as a MOSFET. This includes both active surfaces 14, so in which the optionally, microscopically small switching elements are placed and in which the electrical power loss arises as well as passive areas 16, which are inactive and thus without power loss. The passive areas 16 may be, for example, bond pad areas, edge areas of the component 10 or gate runners. In each of the said passive regions 16, the second current measuring element 22 may be arranged.
Figur 3 zeigt das Halbleiterbauelement aus Figur 2 in Draufsicht. Auf dem Bare Die 11 sind zwei Temperaturmesselemente 20, 22 angeordnet. Diese FIG. 3 shows the semiconductor component from FIG. 2 in plan view. On the bare 11, two temperature measuring elements 20, 22 are arranged. These
sogenannten Temperatur-Sensing-Strukturen sind derart platziert, dass das erste Temperaturmesselement 20 in dem aktiven Bereich 14 oder zumindest sehr nahe an dem aktiven Bereich 14 angeordnet ist. Das zweite So-called temperature-sensing structures are placed such that the first temperature sensing element 20 is disposed in the active region 14 or at least very close to the active region 14. The second
Temperaturmesselement 22 befindet sich in einer gewissen räumlichen Temperature measuring element 22 is located in a certain spatial
Entfernung von dem ersten Temperaturmesselement, beispielsweise im Distance from the first temperature measuring element, for example in
Randbereich 18 des Bauelements. Im aktiven Bereich 14 ist die Verlustleistung höher als im passiven Bereich 16. Vorzugsweise kann das erste  Edge region 18 of the component. In the active region 14, the power loss is higher than in the passive region 16. Preferably, the first
Temperaturmesselement 20 nahe an der Sperrzone des Halbleiterbauelements 10 angeordnet sein, da die Verlustleistung besonders hoch ist. Eine große Temperaturdifferenz zwischen den vom ersten Temperaturmesselement 20 und vom zweiten Temperaturmesselement 22 gemessenen Temperaturen ist wünschenswert, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Temperature sensing element 20 may be located close to the blocking zone of the semiconductor device 10, since the power loss is particularly high. A large temperature difference between the temperatures measured by the first temperature sensing element 20 and the second temperature sensing element 22 is desirable to improve the signal-to-noise ratio.
Figur 4 zeigt das Ausführungsbeispiel aus den Figuren 2 und 3 in einer seitlichen Schnittansicht. Es ist das Substrat 12 zu erkennen, in das die weiteren Figure 4 shows the embodiment of Figures 2 and 3 in a side sectional view. It can be seen the substrate 12, in which the other
Strukturen eingearbeitet sind. Darüber hinaus ist der aus mehreren Schichten 40, 42, 44 und 46 bestehende Unterbau gezeigt.  Structures are incorporated. In addition, the substructure consisting of several layers 40, 42, 44 and 46 is shown.
Die Temperaturmesselemente 20, 22 können elektrisch verschiedenartig angeschlossen werden. Figur 5 zeigt eine erste Möglichkeit der Verschaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 10. Zu erkennen sind die bekannten Anschlüsse für Source 30, Drain 32 und Gate 34. Die erste Diode 20, die als erstes Temperaturmesselement dient, und die zweite Diode 22, die als zweites Temperaturmesselement dient, sind in Reihe geschaltet. Beide Dioden 20, 22 werden von einem zeitlich konstantem Strom nse durchflössen, der The temperature measuring elements 20, 22 can be electrically connected in different ways. FIG. 5 shows a first possibility of interconnection of the semiconductor component 10 according to the invention. The known connections for source 30, drain 32 and gate 34 can be seen. The first diode 20, which serves as the first temperature measuring element, and the second diode 22, which serve as the second temperature measuring element serves, are connected in series. Both diodes 20, 22 are traversed by a time-constant current nse, the
beispielsweise vom ASIC 70 bereitgestellt werden kann. Die Spannungsabfälle UDI beziehungsweise UD2 sind proportional zu der jeweiligen lokalen Temperatur im Bereich der ersten Diode 20 beziehungsweise der zweiten Diode 22. for example, can be provided by the ASIC 70. The voltage drops UDI and UD2 are proportional to the respective local temperature in the region of the first diode 20 and the second diode 22, respectively.
Figur 6 zeigt eine zweite Möglichkeit der Verschaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 10. Die erste Diode 20 und die zweite Diode 22 sind dabei parallel geschaltet. Sie werden dabei von einer ersten Stromquelle 26 und einer zweiten Stromquelle 27 mit Strom gespeist. FIG. 6 shows a second possibility of the interconnection of the semiconductor component 10 according to the invention. The first diode 20 and the second diode 22 are connected in parallel. They are powered by a first current source 26 and a second current source 27 with power.
In Figur 7 ist eine Ausführungsform dargestellt, in der als zweite Diode die Bodydiode 24 des verwendeten Leistungs-MOSFETs 18 zur In Figure 7, an embodiment is shown, in which as the second diode, the body diode 24 of the power MOSFET 18 used for
Temperaturmessung verwendet wird. Temperature measurement is used.
Figur 8 zeigt ein thermisches Ersatzschaltbild in Form eines äquivalenten Foster- Netzwerks einer Ausführungsform der Erfindung. Das thermische Verhalten von einer Ausführungsform der Erfindung als MOSFETs auf DBC (Direct Bonded Copper) oder Stanzgitter kann so beschrieben werden. Das erste Figure 8 shows a thermal equivalent circuit in the form of an equivalent Foster network of an embodiment of the invention. The thermal behavior of one embodiment of the invention as MOSFETs on DBC (Direct Bonded Copper) or punched grid can thus be described. The first
Temperaturmesselement in Form der ersten Diode 20 misst die Temperatur Tj am ersten Knotenpunkt 50. Tj steht hierbei für TjUnction, also der Temperatur im Bereich der Sperrschicht, was oftmals dem Bereich größter Verlustleistung auf dem Halbleiterbauelement 10 entspricht. Die zweite Diode 22 hingegen misst die Temperatur Tisense am zweiten Knoten 52. Wegen der räumlich unterschiedlichen Anordnung zur Verlustleistungsquelle 54 auf dem Chip liegen zwischen beiden Knoten 50, 52 endliche thermische Wderstände 56 und thermische Kapazitäten 58. Es ergibt sich daraus im Normalfall eine niedrigere Temperatur Tisense als die Temperatur Tj. Im rechten Teil der Figur ist der Abschluss des Netzwerks bei Raumtemperatur Tambient dargestellt. Temperature measuring element in the form of the first diode 20 measures the temperature Tj at the first node 50. Tj here stands for Tj Un ction, ie the temperature in the region of the barrier layer, which often corresponds to the region of greatest power loss on the semiconductor device 10. The second diode 22, however, measures the temperature Tisense at the second node 52. Because of the spatially different arrangement to the power loss source 54 on the chip lie between two nodes 50, 52 finite thermal Wests 56 and thermal capacitances 58. It usually results in a lower temperature Tisense as the temperature Tj. In the right part of the figure, the termination of the network at room temperature T is shown on the bient.
Mit Kenntnis der beiden Temperaturen Tj und Tisense kann die With knowledge of the two temperatures Tj and Tisense the
Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen den beiden Knoten 50, 52 bestimmt werden. Beispielhaft durchgeführte Messreihen sind in Figur 9 dargestellt. Dabei wurde jeweils der Wärmewiderstand zwischen den Knoten 50, 52 und dem Gehäuse ermittelt. Die als Kreissymbole eingezeichneten Datenpunkte stammen von der Messung Zth(t)jUnction-case, also dem zeitabhängigen thermischen Widerstand zwischen dem ersten Knoten 50 und dem Gehäuse. Entsprechend sind als Quadrate die Werte für Zth(t)Tsense-case, also der thermische Widerstand zwischen dem zweiten Knoten 52 und dem Gehäuse, eingezeichnet. Als dritte Kurve ist in Form von Dreieckssymbolen die Differenz der beiden Messkurven eingezeichnet. Die durchgezogenen Linien zeigen entsprechende Fits im Foster-Modell mit jeweils 7 RC-Gliedern für die beiden Messkurven beziehungsweise mit 2 RC-Gliedern für die Differenzkurve. Die Beschreibung derTemperature difference .DELTA.Τ between the two nodes 50, 52 are determined. Exemplary performed measurement series are shown in Figure 9. In each case, the thermal resistance between the nodes 50, 52 and the housing was determined. The data points plotted as circular symbols originate from the measurement Z t h (t) j U nction-case, ie the time-dependent thermal resistance between the first node 50 and the housing. Accordingly, the values for Zth (t) T se nse-case, ie the thermal resistance between the second node 52 and the housing, are shown as squares. The third curve shows the difference between the two traces in the form of triangular symbols. The solid lines show corresponding fits in the Foster model with 7 RC elements each for the two measurement curves or with 2 RC elements for the difference curve. The description of
Kurven im Foster-Modell ermöglicht eine Nachbildung des zeitlichen thermischen Verhaltens im ASIC. Curves in the Foster model allow a simulation of the temporal thermal behavior in the ASIC.
Es ist zu erkennen, dass im eingeschwungenen Zustand, also nach etwa 50 bis 1 00 ms, die Differenzkurve im Wesentlichen waagerecht verläuft, die Differenz der beiden thermischen Wderstandswerte Zth(t)jUnction-case Und Zth(t)TSense-Case alSO nahezu konstant bleibt. Mittels ΔΤ und dem nunmehr zeitlich konstanten ÄZth = Zth(t)junction-case - Zth(t)TSense-case lässt sich nun nach der Formel It can be seen that in the steady state, ie after about 50 to 1 00 ms, the difference curve is substantially horizontal, the difference between the two thermal resistance values Z t h (t) j U nction-case and Zth (t) T S ense-Case alSO remains almost constant. Means ΔΤ and the now constant over time AEZ t h = Z t h (t) junction-case - Z t h (t) T S ense-case can now be according to the formula
P(t) = -^ = /2 - R (7}) (1 ) die aktuelle Verlustleistung im Die berechnen. Da sich der elektrische Wderstand RDSOP des Bauelements im eingeschalteten und eingeschwungenen Zustand beispielsweise mit der Formel P (t) = - ^ = / 2 - R (7}) (1) calculate the current power dissipation in the die. Since the electrical Wderstand RDS OP of the device in the on and steady state, for example, with the formula
( a \ TJ-25°C (a \ T J- 25 ° C
Ron { Tj) = RDSon,2S°C ' [ 1 + (2) berechnen lässt, wobei a~0,4 ist, kann anhand der Formel Ron {Tj) = RDSon, 2S ° C ' [1 + (2), where a ~ 0.4 can be calculated using the formula
AT(t) AT (t)
/(t) =  / (t) =
lon(Tj) I zthJ-TS'Ron(Tj) der aktuelle Strom bestimmt werden. Alle genannten Berechnungen können beispielsweise in dem gegebenenfalls ohnehin vorhandenen ASIC vorgenommen werden. lon (Tj) I z thJ-TS 'R on ( T j) the current current can be determined. All of the calculations mentioned can be made, for example, in the possibly already existing ASIC.
Ein möglicher Aufbau eines solchen ASICs ist schematisch in Figur 10 A possible construction of such an ASIC is schematically in FIG. 10
dargestellt. Der ASIC 70 kann zunächst einen konstanten Strom nse für die beiden Strommesselemente 20, 22 bereitstellen. In den Berechnungselementen 72, 74 werden dann zunächst die beiden Flussspannungs-Signale UDI , UD2 der Temperaturmesselemente 20, 22, die wiederum in Form von Dioden ausgebildet sein können, in Temperaturwerte Tsense, Tj umgerechnet. Gegebenenfalls kann hierfür zuvor eine entsprechende Kennlinien-Linearisierung bereitgestellt werden. shown. The ASIC 70 may initially provide a constant current nse for the two current measuring elements 20, 22. In the calculation elements 72, 74 are then first the two Flussspannungs signals UDI, UD2 of the temperature measuring elements 20, 22, which in turn formed in the form of diodes can be in terms of temperature T se nse, Tj converted. If appropriate, a corresponding characteristic linearization can be provided beforehand for this purpose.
Zur Bestimmung der Temperaturdifferenz wird dann in dem Differenziermodul 76 eine Differenz ΔΤ gebildet. Mit Kenntnis der Temperatur Tj wird dann über die oben genannte Gleichung (2) der aktuelle Widerstand Ron(Tj) abgeschätzt. To determine the temperature difference, a difference ΔΤ is then formed in the differentiation module 76. Knowing the temperature Tj, the current resistance R on (Tj) is then estimated via the above equation (2).
Weiterhin ist das thermische Verhalten des thermischen Differenzwiderstands Zthj-Tsense vorab durch Messung oder Simulation bestimmt worden und fest im ASIC hinterlegt worden, beispielsweise als zweigliedriges Foster-Netzwerk oder als Tabelle 78. Dies ist hinreichend genau, da sich der Wert für Zthj-Tsense lediglich aus fest auf dem Chip angeordneten Elementen ableitet und daher keine Streuungen durch die Aufbau- und Verbindungstechnik zu erwarten sind. Aus den Eingangsgrößen ÄT(t), Ron(Tj) und Zthj-Tsense wird dann mittels der oben angeführten Gleichung der aktuelle Drainstrom bestimmt und dient als Steuerbeziehungsweise Überwachungsgröße des Leistungsschalters. Als weitere Steuer- und/oder Überwachungsgröße kann beispielsweise auch die Temperatur Tj(t) herangezogen werden. Furthermore, the thermal behavior of the thermal differential resistance Zthj-Tsense has been previously determined by measurement or simulation and has been firmly stored in the ASIC, for example as a two-link Foster network or as Table 78. This is sufficiently accurate, since the value for Z t hj- T se nse only derived from firmly arranged on the chip elements and therefore no scattering can be expected by the construction and connection technology. The current drain current is then determined from the input variables ÄT (t), R on (Tj) and Z t hj-T se nse by means of the equation given above and serves as the control or monitoring variable of the circuit breaker. As a further control and / or monitoring variable, for example, the temperature Tj (t) can be used.
Die Erfindung kann insbesondere für Steuergeräte für Fahrzeuge, beispielsweise für die Lenkung eines Fahrzeugs genutzt werden. Ebenfalls möglich ist ein Einsatz für Leistungsmodule für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge sowie The invention can be used in particular for control devices for vehicles, for example for the steering of a vehicle. Also possible is an insert for power modules for hybrid or electric vehicles as well
„selbstsichernde" MOSFETs. Eine Vielzahl von weiteren Anwendungen für Leistungs-MOSFETs und IGBTs ist ebenfalls denkbar. "Self-locking" MOSFETs A variety of other applications for power MOSFETs and IGBTs are also conceivable.

Claims

Ansprüche claims
Halbleiterbauelement (10) mit einem Substrat (12) und einem ersten Temperaturmesselement (20), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Temperaturmesselement (20) in der Nähe eines Ortes großer Verlustleistung des Halbleiterbauelements (10) angeordnet ist, und dass ein zweites Temperaturmesselement (22) räumlich beabstandet von dem ersten Temperaturmesselement (20) auf dem Substrat (12) angeordnet ist. Semiconductor component (10) having a substrate (12) and a first temperature measuring element (20), characterized in that the first temperature measuring element (20) is disposed in the vicinity of a location of high power dissipation of the semiconductor device (10), and in that a second temperature measuring element (22 ) spaced apart from the first temperature sensing element (20) on the substrate (12) is arranged.
Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Temperaturmesselement (20) und das zweite Semiconductor component (10) according to claim 1, characterized in that the first temperature measuring element (20) and the second
Temperaturmesselement (22) jeweils eine Diode umfasst.  Temperature measuring element (22) each comprises a diode.
Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Temperaturmesselement (20) und das zweite Temperaturmesselement (22) monolithisch in das Semiconductor component (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first temperature measuring element (20) and the second temperature measuring element (22) monolithically into the
Halbleiterbauelement (10) integriert sind.  Semiconductor component (10) are integrated.
Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Semiconductor component (10) according to one of the preceding claims, characterized in that between the first
Temperaturmesselement (20) und dem zweiten Temperaturmesselement (22) eine endliche thermische Kapazität (58) und ein endlicher thermischer (56) Widerstand vorliegen.  Temperature measuring element (20) and the second temperature measuring element (22) have a finite thermal capacity (58) and a finite thermal (56) resistance.
Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (10) zumindest einen aktiven Bereich (14) und zumindest einen passiven Bereich (16) aufweist, wobei das zweite Temperaturmesselement (22) in dem passiven Bereich (16) angeordnet ist. Semiconductor component (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor component (10) has at least one active region (14) and at least one passive region (16), wherein the second temperature measurement element (22) in the passive region (16). is arranged.
6. Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (10) ein MOSFET ist und dass eines der Temperaturmesselemente (20, 22) die Bodydiode (24) des MOSFETs ist. 6. The semiconductor device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor device (10) is a MOSFET and that one of the temperature measuring elements (20, 22) is the body diode (24) of the MOSFET.
7. Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, 7. Semiconductor component (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Temperaturmessspannung (UDI) über dem ersten Temperaturmesselement (20) und/oder eine zweite  characterized in that a first temperature measuring voltage (UDI) across the first temperature measuring element (20) and / or a second
Temperaturmessspannung (UD2) über dem zweiten Temperaturmesselement (22) jeweils über dezidierte Pads abgenommen werden kann.  Temperature measuring voltage (UD2) on the second temperature measuring element (22) can be removed in each case via dedicated pads.
8. Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, 8. Semiconductor component (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Temperaturmesselement (20) und das zweite Temperaturmesselement (22) in Serie geschaltet sind.  characterized in that the first temperature measuring element (20) and the second temperature measuring element (22) are connected in series.
9. Verfahren zur Bestimmung eines durch ein Halbleiterbauelement (10) 9. Method for Determining a By a Semiconductor Device (10)
fließenden Stromes, mit den Schritten:  flowing stream, with the steps:
a) Auslesen des Werts einer von einem in einem Bereich hoher  a) reading out the value of one of a high range
Verlustleistung angeordneten ersten Temperaturmesselement (20) gelieferten ersten Temperatur (Tj )  Power dissipation arranged first temperature measuring element (20) supplied first temperature (Tj)
b) Auslesen des Werts einer von einem vom ersten  b) reading out the value of one of the first
Temperaturelement (20) räumlich beabstandeten zweiten  Temperature element (20) spatially spaced second
Temperaturmesselement (22) gelieferten zweiten Temperatur Temperature measuring element (22) supplied second temperature
(Tsense) (Tsense)
c) Berechnen des Stroms durch das Halbleiterbauelement (10) unter  c) calculating the current through the semiconductor device (10) under
Einbeziehung der ersten Temperatur (Tj) und der zweiten  Inclusion of the first temperature (Tj) and the second
Temperatur (Tsense). Temperature (T se nse).
10. Steuergerät für ein Fahrzeug, umfassend zumindest ein 10. Control device for a vehicle, comprising at least one
Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.  Semiconductor component (10) according to one of Claims 1 to 8.
PCT/EP2016/073733 2015-11-26 2016-10-05 Semiconductor component comprising a first temperature measuring element and method for determining a current flowing through a semiconductor component WO2017089018A1 (en)

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