DE102005003245B4

DE102005003245B4 - Ansteuerschaltung für ein Zündelement eines Insassenschutzsystems

Info

Publication number: DE102005003245B4
Application number: DE102005003245A
Authority: DE
Inventors: Hubert Rothleitner; Alexander Mayer; Dieter Haerle
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2025-01-25
Also published as: DE102005003245A1; US7710704B2; US20060192599A1

Abstract

Ansteuerschaltung für wenigstens ein Zündelement (Z) eines Insassenschutzsystems, die folgende Merkmale aufweist:
– erste und zweite Versorgungspotentialanschlüsse (12, 23) und erste und zweite Zündelementanschlüsse (13, 22),
– wenigstens ein erstes Halbleiterschaltelement (11), das in einem ersten Halbleiterkörper (10) integriert ist und das einen ersten Lastanschluss (122), der an den ersten Versorgungspotentialanschluss (12) gekoppelt ist, und einen zweiten Lastanschluss (132), der an den ersten Zündelementanschluss (13) gekoppelt ist, aufweist,
– wenigstens ein zweites Halbleiterschaltelement (21), das in einem zweiten Halbleiterkörper (20) integriert ist und das einen ersten Lastanschluss (222), der an den zweiten Zündelementanschluss (22) gekoppelt ist, und einen zweiten Lastanschluss (232), der an den zweiten Versorgungspotentialanschluss (23) gekoppelt ist, aufweist,
– einen Temperaturdetektor (26) zur Detektion einer Übertemperatur des ersten Halbleiterschaltelements (11), der in dem zweiten Halbleiterkörper (20) oder einem dritten Halbleiterkörper (80) integriert ist und der bei Detektion einer Übertemperatur ein Übertemperatursignal (OTS) an einem...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für ein Zündelement eines Insassenschutzsystems eines Kraftfahrzeugs.
Insassenschutzsysteme eines Kraftfahrzeugs sind beispielsweise Airbags oder Gurtstraffer. Derartige Schutzsysteme werden durch eine Zündelement, beispielsweise eine pyrotechnische Zündpille, die weitere Vorgänge zur Öffnung eines Airbags oder zum Spannen eines Sicherungsgurtes einleitet, ausgelöst. Die Zündpille wird üblicherweise dadurch aktiviert, dass diese für eine vorgegebene Aktivierungsdauer, beispielsweise 0,5 ms bis 5 ms, durch eine Ansteuerschaltung mit einem vorgegebenen Aktivierungsstrom/Zündstrom, beispielsweise 1A bis 3 A, beaufschlagt wird.
Aus Sicherheitsgründen muss die Ansteuerschaltung wenigstens zwei Schaltelemente aufweisen, die in der Ansteuerschaltung in den Laststromkreis des Zündelements geschaltet sind und die das Zündelelement jeweils gegenüber Versorgungspotentialen trennt. Zur Aktivierung des Zündelements müssen dabei beide leitend angesteuert sein müssen. Eine solche Ansteuerschaltung für ein Zündelement eines Insassenschutzsystems ist beispielsweise bekannt aus den Veröffentlichungen DE 196 17 250 C1 , DE 199 34 559 C1 , US 2001/0006309 A1 oder DE 102 55 115 B3 .
Bezugnehmend auf die genannte DE 102 55 115 B3 sind bekannte Ansteuerschaltungen für solche Zündelemente so aufgebaut, dass die zwei Halbleiterbauelemente bzw. Halbleiterschalter, zu denen das Zündelement in Reihe geschaltet wird, in einem gemeinsamen Halbleiterkörper bzw. Halbleiterchip integriert sind. Diese Integration der beiden Halbleiterschalter auf ei nem Halbleiterchip kann dazu führen dazu, dass es bei einem schwerwiegenden Fehler auf dem Chip, beispielsweise ausgelöst durch einen unkontrollierten Einfluss von außen, zu einer unkontrollierten Aktivierung (IAD = inadvertent deployment) des Insassenschutzsystems kommen kann. Eine vollständige Redundanz des Systems in dem Sinn, dass bei einem Fehler eines Halbleiterschaltelements das andere Halbleiterschaltelement ein fehlerhaftes Auslösen des Zündelements sicher verhindert, ist bei Integration beider Schaltelemente auf einem Chip nicht vollständig gegeben. Fehler auf dem Halbleiterchip, die beispielsweise zu einem unbeabsichtigten Einschalten eines Halbleiterschalters führen können, können in vielen Fällen auch zu einem unbeabsichtigten Einschalten des zweiten Halbleiterschalters führen.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es aus der DE 101 09 620 C1 bekannt, zwei gleichartige integrierte Ansteuerschaltungen mit je zwei Halbleiterschaltelementen vorzusehen und diese beiden Ansteuerschaltungen kreuzverkoppelt zu verschalten. Ein Zündelement ist hierbei jeweils zwischen ein Halbleiterschaltelement der einen Ansteuerschaltung und ein Halbleiterschaltelement der anderen Ansteuerschaltung geschaltet. Bei einer kreuzverkoppelten Schaltung ist also vorgesehen, zur Ansteuerung eines Zündelements Halbleiterschalter unterschiedlicher Ansteuerschaltungen zu verwenden. Nachteil einer solchen Anordnung ist die vergleichsweise komplexe Verdrahtung, insbesondere bei Mehrkanalsystemen, bei denen mehr als zwei Zündpillen angesteuert werden sollen.
Aus der WO 97/32757 A1 eine Ansteuerschaltung für ein Zündelement eines Insassenschutzsystems bekannt, bei dem zwei zur Ansteuerung eines Zündelements vorgesehene Halbleiterschalter als diskrete Bauelemente realisiert sind, d.h. als Bauelemente, die in unterschiedlichen Halbleiterkörpern integriert sind.
In der DE 103 44 841 A1 der Anmelderin ist eine Ansteuerschaltung für ein Zündelement eines Insassenschutzsystems beschrieben, bei dem zwei zur Ansteuerung eines Zündelements vorgesehene Halbleiterschalter in unterschiedlichen Halbleiterkörpern integriert sind, die auf einen gemeinsamen Träger aufgebracht und in einem gemeinsamen Chipgehäuse angeordnet sind.
Die DE 195 22 517 C1 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungs-MOSFET und mit einem den Leistungs-MOSFET ansteuernden temperaturgesteuerten Schalter. Der Leistungs-MOSFET und der temperaturgesteuerte Schalter sind dabei in separaten Halbleiterkörpern integriert, die in thermischem Kontakt zueinander stehen.
Bei einer solchen Anordnung der beiden Halbleiterschaltelemente in einem gemeinsamen Chipgehäuse kann ein Fehler eines Halbleiterschaltelements, beispielsweise eine thermische Überhitzung eines Bauelements infolge eines Kurzschlusses zu einer unerwünschten Aktivierung des anderen Halbleiterschaltelements, und damit zu einem unerwünschten Zünden des Zündelements führen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Ansteuerschaltung für ein Zündelement eines Insassenschutzsystems zur Verfügung zu stellen, das wenigstens zwei Halbleiterschaltelemente aufweist, die in getrennten Halbleiterkörpern integriert sind und in einem gemeinsamen Chipgehäuse angeordnet sind, und das eine reduzierte Störanfälligkeit aufweist.
Dieses Ziel wird durch eine Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine Schaltungsanordnung mit der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung ist Gegenstand des Anspruchs 10.
Die Ansteuerschaltung für ein Zündelement eines Insassenschutzsystems umfasst erste und zweite Versorgungspotentialanschlüsse, erste und zweite Zündelementanschlüsse, wenigstens ein erstes Halbleiterschaltelement, das in einem ersten Halbleiterkörper integriert ist, wenigstens ein zweites Halbleiterschaltelement, das in einem zweiten Halbleiterkörper integriert ist, ein thermisch leitendes Trägerelement, auf welches der erste und zweite Halbleiterkörper aufgebracht sind, und ein den ersten und zweiten Halbleiterkörper umgebendes Chipgehäuse.
Das erste Halbleiterschaltelement weist einen ersten Lastanschluss, der an den ersten Versorgungspotentialanschluss gekoppelt ist, und einen zweiten Lastanschluss, der an den ersten Zündelementanschluss gekoppelt ist, auf. Das zweite Halbleiterschaltelement weist einen ersten Lastanschluss, der an den zweiten Zündelementanschluss gekoppelt ist, und einen zweiten Lastanschluss, der an den zweiten Versorgungspotentialanschluss gekoppelt ist, auf.
Es sei darauf hingewiesen, dass unter "Kopplung" der Lastanschlüsse der Halbleiterschaltelemente an Versorgungspotentialanschlüsse oder Zündelementanschlüsse im Zusammenhang mit der Erfindung entweder ein unmittelbares Anschließen des jeweiligen Lastanschlusses an den jeweiligen Versorgungspotential- oder Zündelementanschluss oder ein mittelbares Anschließen über ein weiteres Bauelement, beispielsweise eine Diode oder ein weiteres Schaltelement, zu verstehen ist.
Zur Detektion einer Übertemperatur des ersten Halbleiterschaltelements ist ein Temperaturdetektor vorhanden, der in dem zweiten Halbleiterkörper integriert ist und der bei Detektion einer Übertemperatur ein Übertemperatursignal an einem Ausgang zur Verfügung stellt.
Alternativ besteht die Möglichkeit, den Temperaturdetektor in einem zu dem ersten und zweiten Halbleiterkörper separaten dritten Halbleiterkörper zu integrieren, der ebenfalls auf dem Trägerelement angeordnet ist.
Ein Ansprechen des in dem zweiten oder dritten Halbleiterkörper integrierten Temperaturdetektors bei einer Übertemperatur des in dem ersten Halbleiterkörper integrierten ersten Halbleiterschaltelements ist durch das thermisch leitende Trägerelement gewährleistet, welches den ersten und zweiten Halb leiterkörper thermisch miteinander koppelt. Durch die Anordnung der beiden Halbleiterschaltelemente in separaten Halbleiterkörpern ist dabei sichergestellt, dass selbst eine temperaturbedingte Zerstörung des ersten Halbleiterkörpers nicht unmittelbar zu einer Zerstörung des zweiten Halbleiterkörpers führt.
Die Halbleiterkörper mit den Halbleiterschaltelementen und dem Temperaturdetektor können auf derselben Seite des üblicherweise flachen Trägerelements oder auf gegenüberliegenden Seiten des Trägerelements angeordnet sein.
Die Ansteuerschaltung kann beispielsweise zusammen mit einer Steuerschaltung verwendet werden, der das Übertemperatursignal zugeführt wird und die bei einer erkannten Übertemperatur geeignete Maßnahmen, beispielsweise ein Abschalten der Versorgungsspannung, einleitet.
Das Trägerelement kann als herkömmlicher Leadframe ausgebildet sein und besteht beispielsweise aus einem Metall, wie Kupfer, Aluminium oder einem weiteren herkömmlichen Leadframe-Material. Auch ein Träger mit einem metallischen Grundmaterial und einer darauf aufgedampften oder anderweitig aufgebrachten weiteren Metallschicht ist einsetzbar. Des weiteren kann das Trägerelement auch als sogenanntes DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonding) ausgebildet sein, das einen Keramikträger mit einer darauf aufgebrachten elektrisch leitenden Schicht, üblicherweise aus Kupfer, umfasst.
Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste und zweite Halbleiterkörper elektrisch leitend mit dem Trägerelement verbunden sind, während bei einer anderen Ausführungsform der erste und zweite Halbleiterkörper thermisch leitend aber elektrisch isolierend mit dem Trägerelement verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung mit zwei Halbleiterschaltelementen, die in separaten Halbleiterkörpern integriert und auf ein thermisch leitfähiges Trägerelement aufgebracht sind.
2 zeigt einen Querschnitt durch ein Gehäuse der Ansteuerschaltung gemäß 1 in Seitenansicht (2a) und in Draufsicht (2b).
3 zeigt ausschnittsweise einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper mit einem darin integrierten Halbleiterschaltelement.
4 zeigt ein schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel für einen Temperatursensor der Ansteuerschaltung.
5 zeigt eine Anwendungsschaltung für die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung.
6 zeigt ausschnittsweise eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung, bei der ein Halbleiterkörper thermisch leitend aber elektrisch isolierend auf ein Trägerelement aufgebracht ist.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung mit zwei Halbleiterschaltelementen, die in separaten Halbleiterkörpern integriert und auf ein thermisch leitfähiges Trägerelement aufgebracht sind und mit einem in einem separaten Halbleiterkörper integrierten Temperatursensor.
8 zeigt einen Querschnitt durch ein Gehäuse der Ansteuerschaltung gemäß 7 in Seitenansicht (8a) und in Draufsicht (8b).
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Schaltungskomponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt auf Schaltungsebene ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung für ein Zündelement eines Insassenschutzsystems. Die Ansteuerschaltung umfasst erste und zweite Versorgungspotentialanschlüsse 12, 23, die zum Anschließen der Ansteuerschaltung an Klemmen für Versorgungspotentiale V+, GND dienen, sowie erste und zweite Zündelementanschlüsse 13, 22, die zum Anschließen eines Zündelements Z dienen. Ein solches Zündelement Z, das nicht Bestandteil der Ansteuerschaltung ist, ist zum besseren Verständnis in 1 ebenfalls dargestellt.
Die Ansteuerschaltung weist ein erstes Halbleiterschaltelement 11 und ein zweites Halbleiterschaltelement 21 auf, die in dem Beispiel jeweils als n-Kanal-MOSFET ausgebildet sind. Die beiden Halbleiterschaltelemente 11, 21 sind in separaten Halbleiterkörpern 10, 20 integriert, die in 1 schematisch als strichpunktierte Blöcke dargestellt sind. Das in einem ersten Halbleiterkörper (engl.: die) 10 integrierte erste Halbleiterschaltelement 11 weist einen ersten Lastanschluss 122, der an den ersten Versorgungspotentialanschluss 12 angeschlossen ist, und einen zweiten Lastanschluss 132, der an den ersten Zündelementanschluss 13 angeschlossen ist, auf. Das in einem zweiten Halbleiterkörper 20 integrierte zweite Halbleiterschaltelement 21 weist einen ersten Lastanschluss 222, der an den zweiten Zündelementanschluss 22 angeschlossen ist, und einen zweiten Lastanschluss 232, der an den zweiten Versorgungspotentialanschluss 23 angeschlossen ist, auf. Die ersten Lastanschlüsse 122, 222 der beiden Halbleiterschaltelemente 11, 21 sind in dem Beispiel Drain- Anschlüsse der MOSFET, während die zweiten Lastanschlüsse 132, 232 deren Source-Anschlüsse sind.
Zur Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente 11, 21 sind Treiberschaltungen 15, 25 vorhanden, die jeweils an die Steueranschlüsse 14, 24, in dem Beispiel die Gate-Anschlüsse, der Halbleiterschaltelemente 11, 21 angeschlossen sind.
Das Zündelement Z zündet, wenn zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen 12, 23 der Ansteuerschaltung geeignete Versorgungspotentiale anliegen, die in 1 mit V+ für ein positives Versorgungspotential und GND für ein Bezugspotential bezeichnet sind, und wenn beide Halbleiterschaltelemente 11, 21 leitend angesteuert sind, so dass das Zündelement Z für eine vorgegebene Zeitdauer von einem definierten Strom durchflossen wird. Die Detektion eines Unfallereignisses, bei dem ein auslösendes Zündelement Z erforderlich ist, erfolgt mittel hinlänglich bekannter Beschleunigungs- oder Aufprallsensoren.
Zur leitenden Ansteuerung der beiden Halbleiterschaltelemente 11, 21 mit dem Ziel, das Zündelement Z auszulösen, besteht die Möglichkeit, den Treiberschaltungen 15, 25 über Anschlüsse 18, 28 getrennt Ansteuersignale für die beiden Halbleiterschaltelemente zuzuführen. Diese Ansteuersignale werden beispielsweise durch einen an Aufprall- oder Beschleunigungssensoren angeschlossenen Mikrocontroller erzeugt. Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, nur der Treiberschaltung eines der beiden Halbleiterschaltelemente, beispielsweise der Treiberschaltung 25 des zweiten Halbleiterschaltelements 21, ein Zündsignal zuzuführen und die zweite Treiberschaltung 25 dabei so auszugestalten, dass diese intern in der Ansteuerschaltung ein Zündsignal für den ersten Halbleiterschalter 11 erzeugt, das der ersten Treiberschaltung 15 zugeführt ist. Mit den Bezugszeichen 19, 29 sind Anschlüsse der ersten und zweiten Treiberschaltung 15, 25 bezeichnet, über welche der zweiten Treiberschaltung 25 ein solches Zündsignal von der ersten Treiberschaltung 15 zugeführt werden kann. Auf den externen Anschluss 18 der ersten Treiberschaltung 15 kann in diesem Fall verzichtet werden.
Der erste und zweite Halbleiterkörper 10, 20 mit den darin integrierten ersten und zweiten Halbleiterschaltelementen 11, 21 sind gemeinsam auf einem thermisch leitenden Träger 30 angeordnet, der die beiden Halbleiterkörper 10, 20 thermisch miteinander koppelt.
In dem zweiten Halbleiterkörper 20 ist darüber hinaus ein Temperatursensor 26 integriert, der dazu ausgebildet ist, das Vorliegen einer Übertemperatur in dem zweiten Halbleiterkörper 20 zu detektieren und bei Detektion einer solchen Übertemperatur ein Übertemperatursignal OTS an einem Detektorausgang 27 zur Verfügung zu stellen. Dieses Übertemperatursignal OTS kann in noch zu erläuternder Weise beispielsweise dazu genutzt werden, die Spannungsversorgung der Ansteuerschaltung 40 abzuschalten, um bei Detektion einer solchen Übertemperatur vor allem ein fehlerhaftes Zünden des Zündelements Z zu verhindern.
Besonders das während des Betriebs an das positive Versorgungspotential V+ angeschlossene erste Halbleiterschaltelement 11 kann sich bei Vorliegen eines fehlerhaften Betriebszustandes stark erhitzen.
Ein solcher Fehlerzustand liegt beispielsweise vor, wenn das Versorgungspotential +V fehlerhafterweise eine maximal erlaubte Betriebsspannung überschreitet, die zu einer lokalen Beschädigung im Halbleiterkörper 10, der üblicherweise aus Silizium besteht, führt. Diese lokale Beschädigung führt bei weiter anliegendem zu hohem Versorgungspotential zu einer thermischer Überhitzung.
Ursache für eine Überhitzung kann auch ein mechanischer Schaden sein, der während des Herstellungsprozesses beim Bonden, d.h. dem Anbringen von Anschluss-Bonddrähten an den Halbleiterkörpern, oder beim Aufbringen der Halbleiterkörper 10, 20 auf den Träger 30, entstehen kann. Ein solcher mechanischer Schaden, der möglicherweise unmittelbar im Anschluss an die Herstellung nicht erkannt wird, kann zu einer erhöhten Energieabsorption führen, wenn das Bauelement aufgrund des Schadens unkontrolliert von einem Strom durchflossen wird.
Eine thermische Überhitzung des ersten Halbleiterkörpers 10 kann zu einem unkontrollierten Aktivieren des darin angeordneten Halbleiterschaltelements führen.
Die beiden Halbleiterkörper 10, 20 sind in einem gemeinsamen Chipgehäuse 40 angeordnet, das aus einem herkömmlichen Gehäusematerial, wie beispielsweise Kunststoffpressmasse bestehen kann. Aufgrund dieser Anordnung der beiden Halbleiterkörper 10, 20 in dem gemeinsamen Gehäuse 40 könnte eine starke Erhitzung des ersten Halbleiterkörpers 10 auch ohne das Vorhandensein eines thermisch leitfähigen Trägers 30 zu einer so starken Erhitzung des zweiten Halbleiterkörpers 20 führen, dass ein Fehlerzustand auftritt, bei dem das zweite Halbleiterschaltelement 21 einschaltet, was bei einem ebenfalls fehlerhaft eingeschalteten ersten Halbleiterschaltelement 11 zu einem Zünden des Zündelements Z führen kann. Der thermisch leitfähige Träger bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung führt nun dazu, dass sich bei einer fehlerhaften Erhitzung des ersten Halbleiterkörpers 10 der zweite Halbleiterkörper 20 gleichmäßig erwärmt, um mittels des in dem zweiten Halbleiterkörper 20 integrierten Temperaturdetektors 26 eine fehlerbedingte Überhitzung des ersten Halbleiterkörpers 10 detektieren zu können. Die Temperatur des zweiten Halbleiterkörpers 20 wird wegen der räumlichen Trennung des ersten und zweiten Halbleiterkörpers 10, 20 üblicherweise durch einen sich ergebenden Temperaturgradienten unterhalb der Temperatur des ersten Halbleiterkörpers 10 bleiben. Jedoch ist sichergestellt, dass die in dem zweiten Halbleiterkörper 20 angeordneten Schaltungskomponenten, insbesondere der Temperaturde tektor 26 auch im Extremfall dann noch – zumindest für eine gewisse Zeitdauer – funktioniert, wenn sich der erste Halbleiterkörper 10 fehlerbedingt so stark erhitzen sollte, dass es zu einer Zerstörung der darin angeordneten Schaltungskomponenten kommt.
2 zeigt die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung auf Verpackungsebene. 2a zeigt dabei einen Querschnitt durch das Gehäuse 40 mit den darin angeordneten Halbleiterkörpern 10, 20 in Seitenansicht im Querschnitt, während 2b einen Querschnitt auf das Gehäuse 40 in Draufsicht zeigt. Die beiden Halbleiterkörper 10, 20 mit den darin integrierten Halbleiterschaltelementen (11, 21 in 1) sind beabstandet zueinander auf den thermisch leitfähigen Träger 30 aufgebracht. Dieser Träger 30 kann ein herkömmlicher Leadframe aus Kupfer oder Aluminium sein. Denkbar ist auch ein Träger 30 mit einem metallischen Grundmaterial und einer darauf aufgedampften oder anderweitig aufgebrachten Metallschicht. Weiterhin einsetzbar sind Träger aus Verbundwerkstoffen, wie beispielsweise sogenannte DCB-Substrate, die einen Keramikträger oder ein bekanntes PCB-Material mit einer darauf aufgebrachten Metallschicht, üblicherweise Kupfer, aufweisen.
Das Gehäuse 40 kann bezugnehmend auf 2a so ausgestaltet sein, dass es die Halbleiterkörper 10, 20 oberhalb des Trägers 30 vollständig umgibt, dass jedoch eine den Halbleiterkörpern 10, 20 abgewandte Rückseite des Trägers 30 freiliegt.
Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, einer der Halbleiterkörper 10, 20 auf einer Vorderseite des Trägers 30 und den anderen der Halbleiterkörper 10, 20 auf einer der Vorderseite abgewandten Rückseite des Trägers 30 zu montieren. Der Träger 30 sorgt auch in diesem Fall für eine ausreichende thermische Kopplung zwischen den beiden Halbleiterkörpern 10, 20. Des Weiteren besteht in nicht dargestellter Weise auch die Möglichkeit, dass das Gehäuse 40 den Träger 30 mit den darauf aufgebrachten Halbleiterkörpern 10, 20 vollständig umgibt.
Bezugnehmend auf 2b ragen Anschlussbeine aus dem Gehäuse 40 heraus, die die externen Anschlüsse der Ansteuerschaltung bilden. Zum besseren Verständnis sind für die Anschlussbeine in 2b die Bezugszeichen der Anschlussklemmen gemäß 1 verwendet. Diese Anschlussbeine sind über Bonddrähte mit zugehörigen Anschlusskontakten der Halbleiterkörper 10, 20 verbunden, die auf den dem Träger 30 abgewandten Seiten dieser Halbleiterkörper 10, 20 angeordnet sind. Die Anschlusskontakte für die ersten und zweiten Lastanschlüsse 122, 132 des ersten Halbleiterschaltelements sind dabei über Bonddrähte 121, 131 mit den jeweiligen Anschlussbeinen 12, 13 verbunden. Entsprechend sind Anschlusskontakte für die ersten und zweiten Lastanschlüsse 222, 232 des zweiten Halbleiterschaltelements über Bonddrähte 221, 231 mit den zugehörigen Anschlussbeinen 22, 23 verbunden. Anschlusskontakte 182, 282 der beiden Halbleiterkörper 10, 20 dienen zur Zuführung von Ansteuersignalen für die in den Halbleiterkörpern 10, 20 integrierten Treiberschaltungen (15, 25 in 1). Je nach Ausführungsform sind beide Anschlusskontakte 182, 282 über Bonddrähte 181, 281 mit Anschlussbeinen 18, 28 verbunden, die zur Zuführung von separaten Ansteuersignalen für die beiden Halbleiterschaltelemente dienen. Wie bereits erläutert besteht jedoch auch die Möglichkeit, das erste Halbleiterschaltelement intern über die Treiberschaltung des zweiten Halbleiterschaltelements anzusteuern. In diesem Fall kann auf das Anschlussbein 18 und den zugehörigen Bonddraht 181 verzichtet werden. Ein Ansteuersignal ist dem Anschlusskontakt 182 in diesem Fall über einen weiteren Bonddraht 132 von einem Anschluss 232 des zweiten Halbleiterkörpers 20 zugeführt. Der Anschlusskontakt 182 auf dem ersten Halbleiterkörper 10 erfüllt die Funktion des internen Anschlusses 19 gemäß 1, und der Anschlusskontakt 232 auf dem zweiten Halbleiterkörper 20 erfüllt die Funktion des internen Anschlusses 29 gemäß 1.
Je nach Ausgestaltung der in den Halbleiterkörpern 10, 20 integrierten Halbleiterschaltelemente kann der Träger 30 auf das Bezugspotential GND der Ansteuerschaltung gelegt werden. Zum Anschließen des Bezugspotentials an den Träger 30 kann bezugnehmend auf 2b ein zusätzliches Anschlussbein 31 vorgesehen werden, das aus dem Gehäuse 40 herausragt und das insbesondere ein einstückig an den Träger 30 angeformt sein kann. Als Träger eignen sich in diesem Fall insbesondere Träger, die vollständig aus einem metallischen Leadframe-Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium bestehen.
Die beiden Halbleiterkörper 10, 20 können elektrisch leitend mit dem Träger 30 verbunden sein, wenn die dem Träger 30 zugewandten Seiten der Halbleiterkörper keine spannungsführenden Anschlüsse aufweisen. Ein Beispiel für ein solches Bauelement ist ein in 3 ausschnittsweise im Querschnitt dargestellter vertikaler Leistungstransistor. Dieser Transistor basiert auf einem Halbleitersubstrat 103, das bei einem n-leitenden Transistor p-dotiert ist. Auf diesem Halbleitersubstrat 103 befindet sich eine die Drain-Zone des Bauelements bildende Halbleiterzone 104, auf der sich wiederum eine die Driftzone des Bauelements bildende Halbleiterzone 105 befindet. Die Drain-Zone 104 und die Driftzone 105 sind bei einem n-leitenden MOSFET n-dotiert.
Das Bauelement weist eine Vielzahl gleichartiger Transistorzellen auf. Hierzu sind im Bereich einer dem Substrat 103 abgewandten Seite Body-Zonen 106 in die Driftzone 105 eingebracht. In diesen Body-Zonen 106 sind Source-Zonen 107 angeordnet, wobei Source-Zonen 107 und Body-Zonen 106 üblicherweise gemeinsam durch eine auf den Halbleiterkörper aufgebrachte Source-Elektrode 110 kontaktiert sind. Zur Ansteuerung des Bauelements ist eine Gate-Elektrode 109 vorhanden, die isoliert durch eine Gate-Isolation 108 gegenüber dem Halbleiterkörper angeordnet ist und die zur Ausbildung eines leitenden Kanals in den Body-Zonen 107 zwischen den Source- Zonen 106 und der Driftzone 105 dient. Die Drain-Zone 104 ist durch eine stark n-dotierte Anschlusszone 111 an die Vorderseite des Halbleiterkörpers geführt, um sowohl die Source-Zonen (über die Source-Elektrode 110) als auch die Drain-Zone über eine Seite des Halbleiterkörpers kontaktieren zu können. Das Halbleitersubstrat 103 wird bei derartigen Bauelementen auf das niedrigste in der Schaltung vorkommende Potential gelegt, wodurch sichergestellt ist, dass der pn-Übergang zwischen dem Substrat 103 und der DrainZone 104 stets in Sperrrichtung gepolt ist. Die Rückseite des Halbleiterkörpers 103 weist auf diese Weise keine spannungsführenden Anschlüsse auf und kann somit elektrisch leitend mit dem Träger 30 verbunden werden.
Bezugnehmend auf 3b können die Schaltungskomponenten des Temperatursensors 26 in einem Bereich des Halbleiterkörpers integriert sein, der von einer komplementär zu der Driftzone 105 dotierten Halbleiterzone 112 umgeben ist, um die Komponenten des Temperatursensors 26 isoliert durch einen pn-Übergang von den Bauelementkomponenten des Leistungstransistors, der das Halbleiterschaltelement 21 bildet, zu isolieren.
Es sei darauf hingewiesen, dass die beiden in getrennten Halbleiterkörpern integrierten Halbleiterschaltelemente 11, 21 auch in unterschiedlichen Technologien realisiert sein können. So besteht insbesondere die Möglichkeit, das als High-Side-Schalter dienende zweite Halbleiterschaltelement gemäß 3a zu realisieren und das als Low-Side-Schalter dienende erste Halbleiterschaltelement in BCD-Technologie zu realisieren. Bei dieser Technologie werden beispielsweise in einem p-dotierten Substrat ausgehend von einer der Seiten n-dotierte Wannen erzeugt, in denen die einzelnen Bauelemente realisiert werden. Während des Betriebs der Schaltung wird das p-Substrat auf das negativste in der Schaltung vorkommende Potential gelegt, um die Bauelemente in verschiedenen n-dotierten Wannen gegeneinander zu isolieren.
Ein Beispiel für die Realisierung eines Temperatursensors 26 ist in 4 dargestellt. Er umfasst eine Konstantstromquelle 263, die in Reihe zu wenigstens einer Diode geschaltet ist. Die Schaltungsanordnung gemäß 4 weist drei solcher Dioden auf, es sind jedoch auch mehr als drei Dioden in Serie denkbar, um die Temperaturempfindlichkeit zu erhöhen. Ein von der Stromquelle 263 gelieferter Strom I ruft einen von der Temperatur abhängigen Spannungsabfall Vt über der Reihenschaltung dieser Dioden 264–266 hervor, die mittels eines Komparators 261 mit einer von einer Referenzspannungsquelle 262 zur Verfügung gestellten Referenzspannung Vref verglichen wird. Das Übertemperatursignal OTS steht am Ausgang dieses Komparators 261 zur Verfügung. Dieses Übertemperatursignal OTS nimmt in dem Beispiel, bei dem Plus-Eingang des Komparators 261 die Referenzspannung Vref und dem Minus-Eingang die Temperaturspannung Vt zugeführt ist, einen High-Pegel an, solange die Temperaturspannung Vt kleiner als die Referenzspannung Vref ist. Mit steigender Temperatur des Halbleiterbereiches, in dem die Dioden realisiert sind, nimmt die über den Dioden anliegende Temperaturspannung Vt ab, die durch den konstanten Strom I hervorgerufen wird. Steigt die Temperatur dabei soweit an, dass die Temperaturspannung Vt den Referenzwert Vref unterschreitet, so nimmt das Übertemperatursignal OTS einen High-Pegel an, um das Vorliegen einer Übertemperatur anzuzeigen.
Dieses Übertemperatursignal OTS kann bezugnehmend auf 5 beispielsweise dazu verwendet werden, die Spannungsversorgung der Ansteuerschaltung zu unterbrechen. Zur Unterbrechung der Spannungsversorgung ist ein Schalter 70 vorgesehen, der zwischen einen der Versorgungspotentialanschlüsse, in dem Beispiel den ersten Versorgungspotentialanschluss 12, und das Versorgungspotential V+ geschaltet ist. Dieser Schalter 70, der insbesondere als Halbleiterschaltelement ausgebildet sein kann, wird durch eine Steuerschaltung 50, beispielsweise einen Mikrocontroller, angesteuert, der das Übertemperatursig nal OTS zugeführt ist. Zur Umsetzung eines von der Steuerschaltung 50 gelieferten Abschaltsignals auf einen zur Ansteuerung des Schalters 70 geeigneten Signalpegel ist eine Treiberschaltung 60 zwischen die Steuerschaltung 50 und den Schalter 70 geschaltet. Die Steuerschaltung 50 kann insbesondere die Steuerschaltung sein, die auch die Zündsignale für die Halbleiterschaltelemente 11, 21 abhängig von Sensorsignalen erzeugt, die in 5 gestrichelt als Eingangssignale der Steuerschaltung 50 dargestellt sind.
Unter Bezugnahme auf 3 wurde die Möglichkeit erläutert, die Halbleiterkörper 10, 20 thermisch und elektrisch leitend mit dem Träger 30 zu verbinden. Bezugnehmend auf 6 besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Halbleiterkörper zwar thermisch leitend mit dem Träger 30 zu verbinden, diese jedoch elektrisch gegenüber dem Träger 30 zu isolieren. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn die Halbleiterkörper an der Seite, mit welcher sie auf dem Träger befestigt werden sollen, spannungsführende Anschlüsse besitzen. Bezugnehmend auf 6 wird in diesem Fall eine elektrisch isolierende Schicht 34 auf den Träger aufgebracht, auf welche wiederum eine elektrisch leitende Schicht 35 aufgebracht wird. Diese elektrisch leitende Schicht 35 dient zur Kontaktierung des Bauelementanschlusses, der sich an der dem Träger 30 zugewandten Seite des Halbleiterkörpers 20 befindet. Ein solches Vorgehen ist insbesondere bei Verwendung von solchen vertikalen Leistungs-MOSFET erforderlich, bei denen der Drain-Anschluss nicht an die Vorderseite geführt sondern durch die Rückseite des Bauelements gebildet ist.
Geeignete Materialien für die thermisch leitende, jedoch elektrisch isolierende Schicht 34 sind beispielsweise Keramikmaterialen.
Die 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung. 7 zeigt die Ansteuerschaltung auf Schaltungsebene. 8 zeigt die An steuerschaltung auf Verpackungsebene im Querschnitt durch ein Gehäuse 40 in Draufsicht (8a) und in Seitenansicht.
Bei dieser Ansteuerschaltung ist der Temperaturdetektor 26 in einem zu dem ersten und zweiten Halbleiterkörper 10, 20 separaten Halbleiterkörper 80 integriert, der ebenfalls thermisch leitend auf das Trägerelement 30 aufgebracht ist. Der dritte Halbleiterkörper 80 ist in dem Beispiel räumlich zwischen dem ersten und zweiten Halbleiterkörper 10, 20 angeordnet. Die drei Halbleiterkörper sind dabei auf einer Seite des Trägerelements jeweils beabstandet zueinander angeordnet.
In nicht näher dargestellter Weise besteht insbesondere auch die Möglichkeit, die ersten und zweiten Halbleiterkörper 10, 20 auf einer ersten Seite und den dritten Halbleiterkörper 80 auf einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite des flachen Trägerelements 30 anzuordnen. Die räumliche Trennung zwischen dem dritten Halbleiterkörper 80 und den ersten und zweiten Halbleiterkörpern 10, 20 erfolgt dann durch das Trägerelement 30, das zudem eine gute thermische Kopplung gewährleistet. Der dritte Halbleiterkörper 80 mit dem Temperaturdetektor kann dabei insbesondere unmittelbar gegenüberliegend zu dem ersten Halbleiterkörper mit dem ersten Halbleiterschaltelement angeordnet werden.
Die Anschlüsse dieser Ansteuerschaltung entsprechen den Anschlüssen der bereits anhand der 1 und 2 erläuterten Ansteuerschaltung. Das Anschlussbein 27, über welches das Ausgangssignal des Temperaturdetektors 26 abgreifbar ist, ist bei der Ansteuerschaltung gemäß der 7 und 8 an einen Anschlusskontakt des dritten Halbleiterkörpers 80 angeschlossen.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass die Lastanschlüsse der Halbleiterschaltelemente 11, 21 in den 1 und 7 zwar unmittelbar an die Versorgungspotentialanschlüsse 12, 23 und die Zündelementanschlüsse 13, 22 angeschlossen sind, dass je nach Anwendungsfall selbstverständlich jedoch weitere Bauelemente zwischen die Lastanschlüsse und die entsprechenden Versorgungspotentialanschlüsse bzw. Zündanschlüsse geschaltet werden können. Solche Bauelemente sind insbesondere Dioden, die einen Stromfluss über die bei Leistungs-MOSFET integrierten Body-Dioden bei einer Verpolung der Versorgungspotentialanschlüsse verhindern sollen.
Des weiteren sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, in jedem der beiden Halbleiterkörper 10, 20 nur ein Halbleiterschaltelement anzuordnen. Selbstverständlich können in jedem der Halbleiterkörper 10, 20 mehrere separat ansteuerbare Halbleiterschaltelemente angeordnet sein, um durch die Ansteuerschaltung mehrere Zündelemente eines Insassenschutzsystems separat ansteuern zu können. Je ein Halbleiterschaltelement in dem ersten Halbleiterkörper und ein Halbleiterschaltelement in dem zweiten Halbleiterkörper bilden dabei ein Schalterpaar zur Ansteuerung eines Zündelements. Die Ansteuerschaltung weist eine der Anzahl der Schalterpaare entsprechende Anzahl erste und zweite Zündelementanschlüsse auf, wobei an die ersten Zündelementanschlüsse zweite Lastanschlüsse der in dem ersten Halbleiterkörper integrierten ersten Halbleiterschaltelemente angeschlossen sind und wobei an die zweiten Zündelementanschlüsse erste Lastanschlüsse der in dem zweiten Halbleiterkörper integrierten zweiten Halbleiterschaltelemente angeschlossen sind. Erste Lastanschlüsse der ersten Halbleiterschaltelemente können dabei an einen gemeinsamen ersten Versorgungspotentialanschluss oder an separate erste Versorgungspotentialanschlüsse der Ansteuerschaltung angeschlossen sein, und zweite Lastanschlüsse der zweiten Halbleiterschaltelemente können dabei an einen gemeinsamen zweiten Versorgungspotentialanschluss oder an separate zweite Versorgungspotentialanschlüsse der Ansteuerschaltung angeschlossen sein.

GND: Bezugspotential
OTS: Übertemperatursignal
V+: positives Versorgungspotential
Vref: Referenzspannung
Vt: Temperaturspannung
Z: Zündelement
264–266: Dioden
10, 20: Halbleiterkörper
11, 21: Halbleiterschaltelemente
12, 23: Versorgungspotentialanschlüsse
13, 22: Zündelementanschlüsse
14, 24: Steueranschlüsse
15, 25: Treiberschaltungen
18, 28: Steueranschlüsse
19: Steueranschluss
192: Bonddraht
26: Temperaturdetektor
27: Ausgang des Temperaturdetektors
29: Steuersignalausgang
30: thermisch leitfähiges Trägerelement, Leadframe
31: Bezugspotentialanschluss des Trägerelements
34: thermisch leitende und elektrisch isolierende Schicht
35: elektrisch leitende Schicht
40: Gehäuse
50: Steuerschaltung
60: Treiber
70: Schalter
103: Halbleitersubstrat
104: Drain-Zone
105: Driftzone
106: Body-Zone
107: Source-Zone
108: Isolationsschicht
109: Gate-Elektrode
110: Source-Elektrode
111: Halbleiterverbindungszone
112: komplementär zu der Driftzone dotierte Halbleiterzone
121, 131: Bonddrähte
122, 132: Lastanschlüsse
132: Bonddraht
181, 281: Bonddrähte
182, 282: Anschlusskontakte
221, 231: Bonddrähte
222, 232: Lastanschlüsse
261: Komparator
262: Referenzspannungsquelle
263: Stromquelle
272: Anschlusskontakt des Temperaturdetektor

Claims

Ansteuerschaltung für wenigstens ein Zündelement (Z) eines Insassenschutzsystems, die folgende Merkmale aufweist: – erste und zweite Versorgungspotentialanschlüsse (12, 23) und erste und zweite Zündelementanschlüsse (13, 22), – wenigstens ein erstes Halbleiterschaltelement (11), das in einem ersten Halbleiterkörper (10) integriert ist und das einen ersten Lastanschluss (122), der an den ersten Versorgungspotentialanschluss (12) gekoppelt ist, und einen zweiten Lastanschluss (132), der an den ersten Zündelementanschluss (13) gekoppelt ist, aufweist, – wenigstens ein zweites Halbleiterschaltelement (21), das in einem zweiten Halbleiterkörper (20) integriert ist und das einen ersten Lastanschluss (222), der an den zweiten Zündelementanschluss (22) gekoppelt ist, und einen zweiten Lastanschluss (232), der an den zweiten Versorgungspotentialanschluss (23) gekoppelt ist, aufweist, – einen Temperaturdetektor (26) zur Detektion einer Übertemperatur des ersten Halbleiterschaltelements (11), der in dem zweiten Halbleiterkörper (20) oder einem dritten Halbleiterkörper (80) integriert ist und der bei Detektion einer Übertemperatur ein Übertemperatursignal (OTS) an einem Ausgang (27) der Ansteuerschaltung zur Verfügung stellt, – ein thermisch leitendes Trägerelement (30), auf welches die Halbleiterkörper (10, 20; 10, 20, 80) aufgebracht sind, – ein die Halbleiterkörper (10, 20; 10, 20, 80) umgebendes Chipgehäuse (40).
Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, bei dem das Trägerelement (30) aus einem Metall besteht.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 2, bei dem das Metall aus Kupfer, oder Aluminium besteht.
Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste und zweite Halbleiterkörper (10, 20) elektrisch leitend mit dem Trägerelement (30) verbunden sind.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem wenigstens einer der ersten und zweite Halbleiterkörper (10, 20) thermisch leitend aber elektrisch isolierend mit dem Trägerelement (30) verbunden ist.
Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der dritte Halbleiterkörper (80) elektrisch isolierend auf dem Träger (30) angeordnet ist.
Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Temperaturdetektor (26) folgende Merkmale aufweist: – eine temperaturabhängige Spannungsquelle (263–266), die eine Temperaturspannung (Vt) bereitstellt, – eine Referenzspannungsquelle (262), die eine Referenzspannung (Vref) bereitstellt, – einen Vergleicher (261), der die Temperaturspannung (Vt) mit der Referenzspannung (Vref) vergleicht und der das Übertemperatursignal (OTS) bereitstellt.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 7, bei der die temperaturabhängige Spannungsquelle (263–266) eine Stromquelle (263) und wenigstens eine in Reihe zu der Stromquelle (263) geschaltete Diode (264–266) aufweist, über der die Temperaturspannung (Vt) abgreifbar ist.
Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die erste und zweite Ansteueranschlüsse (18, 28) zum Zuführen von ersten und zweiten Ansteuersignalen für das erste und zweite Halbleiterschaltelement (11, 21) aufweist.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die folgende Merkmale aufweist: – einen Ansteueranschluss (28) zum Zuführen eines Ansteuersignals, – eine Treiberschaltung (25), die Ansteuersignale für das erste und zweite Halbleiterschaltelement (11, 21) aus dem an dem einen Eingang (28) zugeführten Ansteuersignal erzeugt.
Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in dem ersten Halbleiterkörper (10) und zweiten Halbleiterkörper (20) jeweils wenigstens zwei separat ansteuerbare Halbleiterschaltelemente integriert sind.
Schaltungsanordnung, die folgende Merkmale aufweist: – eine Ansteuerschaltung für ein Zündelement (Z) nach einem der vorangehenden Merkmale, – wenigstens ein Schaltelement (70), das zwischen einen der Versorgungspotentialanschlüsse (12) der Zündelement-Ansteuerschaltung und eine Klemme für ein Versorgungspotential (V+) geschaltet, – eine Ansteuerschaltung (50) zur Ansteuerung des Schaltelements (70), der das Übertemperatursignal (OTS) von der Zündelement-Ansteuerschaltung zugeführt ist und die dazu ausgebildet ist, das Schaltelement (70) nach Maßgabe des Übertemperatursignals (OTS) anzusteuern.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, bei der das Schaltelement (70) ein Halbleiterschaltelement ist.