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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für ein Zündelement
eines Insassenschutzsystems eines Kraftfahrzeugs.
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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.
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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 .
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Halbleiterkörper
mit den Halbleiterschaltelementen und dem Temperaturdetektor können auf derselben
Seite des üblicherweise
flachen Trägerelements
oder auf gegenüberliegenden
Seiten des Trägerelements
angeordnet sein.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung
mit zwei Halbleiterschaltelementen, die in separaten Halbleiterkörpern integriert
und auf ein thermisch leitfähiges
Trägerelement
aufgebracht sind.
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2 zeigt einen Querschnitt durch ein Gehäuse der
Ansteuerschaltung gemäß 1 in
Seitenansicht (2a) und in Draufsicht (2b).
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3 zeigt ausschnittsweise einen Querschnitt
durch einen Halbleiterkörper
mit einem darin integrierten Halbleiterschaltelement.
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4 zeigt
ein schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel für einen
Temperatursensor der Ansteuerschaltung.
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5 zeigt
eine Anwendungsschaltung für die
erfindungsgemäße Ansteuerschaltung.
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6 zeigt
ausschnittsweise eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung, bei der
ein Halbleiterkörper
thermisch leitend aber elektrisch isolierend auf ein Trägerelement
aufgebracht ist.
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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.
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8 zeigt einen Querschnitt durch ein Gehäuse der
Ansteuerschaltung gemäß 7 in
Seitenansicht (8a) und in Draufsicht (8b).
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Schaltungskomponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Besonders
das während
des Betriebs an das positive Versorgungspotential V+ angeschlossene erste
Halbleiterschaltelement 11 kann sich bei Vorliegen eines
fehlerhaften Betriebszustandes stark erhitzen.
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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.
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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.
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Eine
thermische Überhitzung
des ersten Halbleiterkörpers 10 kann
zu einem unkontrollierten Aktivieren des darin angeordneten Halbleiterschaltelements
führen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Geeignete
Materialien für
die thermisch leitende, jedoch elektrisch isolierende Schicht 34 sind beispielsweise
Keramikmaterialen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 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