DE102008041680B4 - Schaltkreis für ein Insassenschutzsystem - Google Patents

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Abstract

Schaltkreis für ein Insassenschutzsystem mit folgenden Merkmalen:
einer integrierten Schaltung (220), die ausgebildet ist, um ein Auslösesignal für das Insassenschutzsystem bereitzustellen, wobei die integrierte Schaltung (220) einen Normalbetriebsmodus und einen dynamischen Betriebsmodus aufweist, wobei eine Verlustleistung der integrierten Schaltung im dynamischen Betriebsmodus größer als im Normalbetriebsmodus ist und wobei die Kühleinrichtung (224) ausgebildet ist, um eine Temperatur der integrierten Schaltung im Normalbetriebsmodus so zu begrenzen, dass eine durch einen Übergang vom Normalbetriebsmodus in den dynamischen Betriebsmodus hervorgerufene Temperaturerhöhung innerhalb eines zulässigen Temperaturbereichs der integrierten Schaltung liegt;
einem Gehäuse (222) für die integrierte Schaltung; und
einer Kühleinrichtung (224), die ausgebildet ist, um eine Wärmeableitung von der integrierten Schaltung zu bewirken.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schaltkreis für ein Insassenschutzsystem gemäß Anspruch 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltkreises gemäß Anspruch 10.
  • DE 10 2005 003 245 A1 beschreibt eine Ansteuerschaltung für ein Zündelement eines Insassenschutzsystems, das erste und zweite Versorgungspotentialanschlüsse und erste und zweite Zündelementanschlüsse, wenigstens ein erstes Halbleiterschaltelement, das in einem ersten Halbleiterkörper integriert ist und das einen ersten Lastanschluss, der an den ersten Versorgungspotentialanschluss gekoppelt ist und einen zweiten Lastanschluss, der an den ersten Zündelementanschluss gekoppelt ist, wenigstens ein zweites Halbleiterschaltelement, das in einem zweiten Halbleiterkörper integriert ist und das einen ersten Lastanschluss, der an den zweiten Zündelementanschluss gekoppelt ist und einen zweiten Lastanschluss, der an den zweiten Versorgungspotentialanschluss gekoppelt ist, ein thermisch leitendes Trägerelement, auf welches eder erste und zweite Halbleiterkörper aufgebracht sind, einen Temperaturdetektor zur Detektion einer Übertemperatur des ersten Halbleiterschaltelements, der in dem zweiten Halbleiterkörper integriert ist und der bei Detektion einer Übertemperatur ein Übertemperatursignal an einem Ausgang der Ansteuerschaltung zur Verfügung stellt, sowie ein den ersten und zweiten Halbleiterköper umgebendes Chipgehäuse aufweist.
  • DE 10 2004 056 415 A1 beschreibt einen integrierten Schaltkreis mit einem Gehäuse. Neben einer Energieversorgung, einer Sicherheitsfunktion und Schnittstellen kann der integrierte Schaltkreis Zündstufen für ein Personenschutzmittel aufweisen.
  • Weiterer Stand der Technik kann den Offenlegungsschriften DE 10 2006 034 679 A1 und DE 100 57 973 A1 sowie der Patentschrift DE 10 2005 022 226 B4 entnommen werden.
  • Eine Aktivierung der Zündstufen führt zu einer Erwärmung des integrierten Schaltkreises. Dabei muss gewährleistet werden, dass eine zulässige Kerntemperatur des integrierten Schaltkreises nicht überschritten wird.
  • Bereits in Anwendung befinden sich integrierte Schaltungen verpackt in TQFP (thin quad flat package). Ebenso in Anwendung bzw. vor Anwendung befinden sich TQFP-Verpackungen mit einem zusätzlichen sogenannten epad (exposed pad).
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Schaltkreis für ein Insassenschutzsystem gemäß dem unabhängigen Patentanspruch vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass Chipgehäuse mit epad oder vergleichbaren Kühleinrichtungen vorteilhaft im Airbag Bereich und für System-ASICS eingesetzt werden können, um eine Reduktion der Chipfläche von dynamisch hochbelasteten Airbag-Endstufen zu ermöglichen und somit zur Kostenreduktion beizutragen.
  • Die vorliegende Erfindung schafft einen Schaltkreis für ein Insassenschutzsystem mit einer integrierten Schaltung, die ausgebildet ist, um ein Auslösesignal für das Insassenschutzsystem bereitzustellen; einem Gehäuse für die integrierte Schaltung; und einer Kühleinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Wärmeableitung von der integrierten Schaltung zu bewirken.
  • Bei dem Insassenschutzsystem kann es sich um ein Airbagsystem eines Fahrzeugs handeln. Die integrierte Schaltung (IC) kann ein Halbleiterchip und das Gehäuse ein Chipgehäuse sein. Das Auslösesignal kann ein Auslösestrom oder eine Auslösespannung sein. Beispielsweise kann das Auslösesignal zur Aktivierung eines Airbag Zündreises eingesetzt werden. Die Kühleinrichtung ermöglicht eine Ableitung der beim Betrieb der integrierten Schaltung entstehenden Wärme. Die Kühleinrichtung kann als Kühlelement ausgebildet sein, das in Bezug auf die integrierte Schaltung als Hitzesenke (heatsink) fungiert.
  • Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass beispielsweise Airbag-Endstufen die nur während der Aktivierung von Rückhaltemitteln dynamisch hoch belastet werden, kleiner und damit kostengünstiger in Airbag-System-ASICS integriert werden können, bzw. bei gleicher Größe, dynamisch eine höhere Leistung verkraften, z.B. aufgrund einer höheren Energiereserve-Spannung. Dies ist insbesondere notwendig, da neue Halbleiterprozesse deutlich geringere maximale Einschaltwiderstandswerte (Rdson_max) von Power-MOSFETs aufweisen und diese nur zur Flächenreduktion von Endstufen in Applikationen, wie dem Airbag Steuergerät bei prozessunabhängiger Vorgabe der umzusetzenden Endstufen-Energie nutzbar sind, wenn eine erhöhte dynamische Temperaturbelastung in der Endstufe durch Senkung der maximalen Starttemperatur (Tj_max) der Airbag-Endstufe vor Einsatz, durch die Verwendung von epad Gehäusen mit niedrigem Rthjc erfolgen kann.
  • Die integrierte Schaltung kann einen Normalbetriebsmodus und einen dynamischen Betriebsmodus aufweisen, wobei eine Verlustleistung der integrierten Schaltung im dynamischen Betriebsmodus größer als im Normalbetriebsmodus ist und die Kühleinrichtung kann ausgebildet sein, um eine Temperatur der integrierten Schaltung im Normalbetriebsmodus so zu begrenzen, dass eine durch einen Übergang vom Normalbetriebsmodus in den dynamischen Betriebsmodus hervorgerufene Temperaturerhöhung innerhalb eines zulässigen Temperaturbereichs der integrierten Schaltung liegt. Vorteilhafterweise kann durch die Kühleinrichtung die Grundtemperatur der integrierten Schaltung so weit gesenkt werden, dass eine dynamische Temperaturbelastung bei einem Bereitstellen des Auslösesignals noch verkraftet wird. Die Kühleinrichtung kann somit gewährleisten, dass die Temperatur der integrierten Schaltung im Normalbetrieb so weit unter einer maximal zulässigen Temperatur der integrierten Schaltung liegt, dass eine sich beim Bereitstellen des Auslösesignals zusätzlich ergebende Hitzeentwicklung nicht zu einer Überschreitung der maximal zulässigen dynamischen Temperatur in der aktiven Schicht eines Teilbereiches der integrierten Schaltung führt.
  • Um eine gute Wärmeableitung zu ermöglichen, kann die Kühleinrichtung eine thermische Anbindung an eine Oberfläche der integrierten Schaltung aufweisen. Dazu kann die Kühleinrichtung direkt an die Oberfläche der integrierten Schaltung angrenzen oder über eine Schicht mit guter Wärmeleitfähigkeit mit der Oberfläche verbunden sein. Vorteilhafterweise weist die Kühleinrichtung dabei eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Gehäuse auf. Beispielsweise kann die Kühleinrichtung als Kühlelement ausgebildet sein, das in das Gehäuse integriert ist.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann das Gehäuse einen Leiterrahmen aufweisen und die Kühleinrichtung kann durch einen Teil des Leiterrahmens gebildet sein. Dies ist eine kostengünstige Möglichkeit zur Realisierung der Kühleinrichtung. Beispielsweise kann die Kühleinrichtung ein epad des Gehäuses sein. Das Gehäuse kann ein TQFP-Gehäuse (Thin Quad Flat Pack) sein.
  • Die integrierte Schaltung kann ausgebildet sein, um eine Funktionalität einer oder mehrerer Airbag-Endstufen bereitzustellen. Somit kann der erfindungsgemäße Schaltkreis vorteilhaft bei einem Airbag-System eingesetzt werden. Zur Bereitstellung weiterer Systemfunktionalitäten kann die integrierte Schaltung eine Energieversorgung, eine Mikrocontrollerüberwachung und redundante Systemüberwachung, eine Auswerteeinrichtung zur Erkennung eines Insassenstatus, Interfaces zu peripheren Crash-Sensoren, eine Kommunikationsschnittstelle, ein Sensorelement und/oder einen Mikrocontroller aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltkreises für ein Insassenschutzsystem, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Gehäuses für eine integrierte Schaltung, die ausgebildet ist, um ein Auslösesignal für das Insassenschutzsystem bereitzustellen; Bereitstellen einer Kühleinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Wärmeableitung von der integrierten Schaltung zu bewirken; und Dimensionieren der integrierten Schaltung basierend auf der Wärmeableitung, so dass eine Betriebstemperatur der integrierten Schaltung innerhalb eines zulässigen Temperaturbereichs der integrierten Schaltung bleibt. Vorteilhafterweise ermöglicht die Kühleinrichtung eine zusätzliche Wärmeableitung. Durch die zusätzliche Wärmeableitung kann gewährleistet werden, dass die Betriebstemperatur der integrierten Schaltung unterhalb einer maximal zulässigen Betriebstemperatur bleibt. Im Vergleich zu einer integrierten Schaltung, die keine Kühleinrichtung aufweist, wird erfindungsgemäß im Bezug auf die Betriebstemperatur eine dynamische Reserve geschaffen bzw. es wird eine vorhandene dynamische Reserve erhöht. Die dynamische Reserve wird erfindungsgemäß zum Dimensionieren der integrierten Schaltung eingesetzt.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann eine Erhöhung einer dynamischen Reserve in einer Temperaturerhöhung der integrierten Schaltung, geschaffen durch die Kühleinrichtung zur Reduktion einer aktiven Fläche der integrierten Schaltung genutzt werden. Zusätzlich zur Kühleinrichtung kann eine Wärmeableitung durch einen Bauelementeträger (Leiterplatte) zur Reduktion der aktiven Fläche genutzt werden. Durch die Reduktion der aktiven Fläche lassen sich beispielsweise Airbag-Endstufen kleiner und damit kostengünstiger realisieren.
  • Erfindungsgemäß kann die Reduktion der aktiven Fläche und einer damit umgekehrt proportionalen Erhöhung des „ON Widerstandes“ durch Verwendung eines Halbleiterprozesses mit geringerem Flächenwiderstand von MOSFET Leistungstransistoren der integrierten Schaltung kompensieren. Somit lassen sich neue Halbleiterprozesse vorteilhaft einsetzen. Dabei ist der Flächenwiderstand Rdson der „On Widerstand“ eines leitenden MOSFETs und ergibt sich bei gleicher elektrischer Ansteuerung (Gatespannung) aus dem Quotienten des prozeßspezifischen Flächenwiderstandes und der aktiver Fläche (Größe) des MOSFETS. Somit gilt: Rdson = Flächenwiderstand / aktive MOSFET Fläche (Beispiel: 0.25Ω = 0.5Ωmm2 / 2mm 2).
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Erhöhung der dynamischen Reserve zur Erhöhung einer treibenden Energiereservespannung der integrierten Schaltung, beispielsweise von 25V auf 35V, zur Erhöhung eines Stromniveaus der integrierten Schaltung und/oder zur Erhöhung der Aktivierungsdauer der integrierten Schaltung Endstufe genutzt werden. Somit kann die Leistungsfähigkeit des Schaltkreises erhöht werden.
  • Das Verfahren kann zur Herstellung oder Dimensionierung des erfindungsgemäßen Schaltkreises und insbesondere von Airbag Endstufen eingesetzt werden. Somit kann bei den Airbag Endstufen die Erhöhung der dynamischen Reserven in der Temperaturerhöhung der Airbag Endstufen, geschaffen durch die Kühleinrichtung und des Bauelementeträgers (Leiterplatte) zur Reduktion der aktiven Fläche dieser Endstufen genutzt werden. Dabei kann die Reduktion der aktiven Fläche der Airbag Endstufen und der damit umgekehrt proportionalen Erhöhung des „ON Widerstandes“ durch Verwendung neuer Halbleiterprozess mit geringerem Flächenwiderstand der MOSFET Leistungstransistoren kompensiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Erhöhung der dynamischen Reserven in der Temperaturerhöhung der Airbag Endstufen, geschaffen durch die Kühleinrichtung und des Bauelementeträgers (Leiterplatte) ohne Änderung der Endstufengröße voll ausgenutzt werden, durch Erhöhung der treibenden Energiereservespannung von z.B. 25V auf 35V oder zur Erhöhung des Stromniveaus der Endstufe oder zur Erhöhung der Aktivierungsdauer der Endstufe.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Blockschaltbild eines System-ASICs mit einer Airbag-Endstufen-Gruppe;
    • 2 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltkreises; und
    • 3 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen System ASICs mit einer Airbag-Endstufen-Gruppe.
  • Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild eines System-ASICs aus dem Airbag Bereich. Der System-ASIC kann verschiedene Funktionsgruppen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107 mit 1-n Airbag Endstufen 111 enthalten. Die Endstufen 111 können sich aus High-Side und/oder Low-Side Endstufen zusammensetzen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der System-ASIC m Funktionsgruppen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107 und eine Airbag Endstufen Gruppe bestehend aus Endstufen 111 für 1 - n pyrotechnische Zündkreise auf.
  • Als Funktionsgruppen sind in 1 eine Energieversorgung (Power) 101, eine Mikrocontrollerüberwachung und redundante Systemüberwachung (SCON) 102, eine Auswerteeinrichtung zur Erkennung eines Insassenstatus (AIO/AIN) 103, Interfaces zu peripheren Crash-Sensoren (PSI5) 104, eine Kommunikationsschnittstelle (CAN) 105, ein Sensorelement (x, y-SENSOR) 106 und/oder ein Mikrocontroller (µC) 107 gezeigt. Ferner zeigt 1 die Endstufen (FLIC, N x High, N x Low) 111.
  • Die m Funktionsgruppen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107 müssen nicht alle vorhanden sein. Beispielsweise sind CAN 105 und x,y-Sensor 106 und µC 107 aus Sicherheitsgründen optional.
  • Kommt für den abgebildeten Airbag System-ASIC eine TQFP Verpackung mit 100 pins zur Anwendung so wird mit dieser Standardverpackung ein Wärmewiderstand Rthjc von ca. 30K/W erreicht, sofern dieser sich auf einer definierten Leiterplatte befindet. Verursachen die integrierten m Funktionsgruppen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107 z.B. 1.5W Verlustleistung, so führt dies bei einer max. Steuergeräteumgebungstemperatur von 85°C und einer CASE Temperatur des SYSTEM-ASICS von 105°C im geschlossenen Airbag Steuergerät, zu einer maximalen Chiptemperatur von Tj_max= 105°C + 1.5W x 30K/W = 150°C. In der Regel entspricht dies der maximal zulässigen Dauer-Junction Temperatur des ASICs. Erlaubt der Prozess eine maximale dynamische Junction Temperatur der integrierten Strukturen von 200°C, so dürfen beim singulären aktivieren der Airbag Endstufen nicht mehr als zusätzliche 50°C im worst case Fall, also im schlimmsten Fall, entstehen.
  • Dieser worst case Fall, kann z.B. für eine Airbag-Endstufe mit 1mm2 Chipfläche bei einer Drain-Source Spannung von 25V und einem Drain Source Strom von 2A bei 1ms Aktivierung entstehen. Die Endstufe kann damit nicht kleiner gemacht werden, da der worst case Fall durch die Verwendung vorgegeben ist, selbst wenn die Rdson - Werte pro Endstufen-Fläche neuerer Halbleiter-Prozesse sinken, da nur eine definierte Fläche, die sich nicht ändernde Verlustleistung im worst case Fall aufnehmen kann und damit sicherstellt, dass die max. dynamische Temperatur der aktiven Struktur den Grenzwert von z.B. 200°C nicht übersteigt.
  • Durch eine erfindungsgemäße Verwendung einer TQFP 100 epad Verpackung reduziert die zusätzliche thermischen Anbindung des Halbleiter durch das epad den Rth-jc Wert ohne wesentliche Kosten zu verursachen auf Werte < 10K/W.
  • 2 zeigt eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltkreises für ein Insassenschutzsystem, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Schaltkreis weist eine integrierte Schaltung 220 auf. Die integrierte Schaltung 220 ist ausgebildet, um ein Auslösesignal, beispielsweise eine Auslösespannung oder einen Auslösestrom für das Insassenschutzsystem bereitzustellen. Die integrierte Schaltung 220 ist in einem Gehäuse 222 angeordnet. Ferner ist eine Kühleinrichtung 224 gezeigt, die ausgebildet ist, um die integrierte Schaltung 220 zu kühlen.
  • Bei der integrierten Schaltung 220 kann es sich um einen Halbleiterchip (die) handeln. Das Gehäuse 222 kann als TQFP x pin epad Verpackung von Halbleiterchips ausgeführt sein. Das Gehäuse 222 kann ein leadframe 226 (Anschlussrahmen und Die -Träger), beispielsweise einen Cu-leadframe aufweisen. Ein Bereich des leadframes 226 kann als Kühleinrichtung 224 ausgebildet sein und als Exposed Pad einen Teil einer Außenfläche des Gehäuses 222 bilden. Das Exposed Pad kann zur besseren Wärmeabführung mit einer Leiterplatte verbunden werden, auf der das Gehäuse 222 angeordnet werden kann. Die integrierte Schaltung 220 kann mittels einer Chipbefestigung (die attach) 228 auf dem Bereich des Leiterrahmens 226 angeordnet sein, der als Kühleinrichtung 224 ausgebildet ist. Somit kann mindestens eine Seite der integrierten Schaltung 220 an die Kühleinrichtung 224 angrenzen. Die übrigen Seiten der integrierten Schaltung 220 können von dem Gehäuse 222 umgeben sein. Das Gehäuse 222 kann als Schmelzguss (mold compound) gefertigt sein. Die integrierte Schaltung 220 kann über Gold Drähte (bonds) 230 mit den Außenkontakten (PINS) des Gehäuses 222 (100 PINS mehr oder weniger) verbunden sein. Ebenso ist eine Bondverbindung (ground bond) 232 vom epad zu einem die (220) pad im allgemeinen Massepotential möglich.
  • Wird in dem, anhand von 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel wiederum 1.5W Dauerleistung durch die m Funktionsgruppen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107 des Airbag System IC bei einer maximalen Steuergeräteumgebungstemperatur von 85°C und einer CASE Temperatur des SYSTEM-ASICS von 105°C im geschlossenen Airbag Steuergerät erzeugt, so ergibt sich eine maximale Chiptemperatur in einem TQFP 100 epad Gehäuse zu ca. Tj_max= 105°C + 1.5W * 10K/W = 120°C.
  • Dieser Wert ist 30°C niedriger als die Dauergrenz-Junction-Temperatur von Tj_limit = 150°C, die in manchen Prozessen auch 175°C beträgt. Dieser Gewinn kann nun genutzt werden, um entweder bestehende nur singulär dynamisch benutzte Endstufen für Airbag-Systeme, bei gleicher Performance, in Ihrer Fläche zu verkleinern, oder die Performance zu steigern, um höhere Energiereservespannungen zu ermöglichen. Höhere Energiereservespannungen tragen zur Verbesserung der Zündfähigkeit bzw. Verringerung des ER Kondensators bei.
  • Entsprechend obigem Beispiel gilt: Die max. zulässige dynamische Temperaturerhöhung der singulär benutzten Airbag Endstufe beträgt 50°C für den angegebenen worst case Fall von 25V Energiereservespannung, die der maximalen Drain-Source Spannung entspricht und 2A Zündstrom bei einer Aktivierung von 1ms auf einer Endstufenfläche von 1mm2.
  • Bei einer dynamischen Junction Grenztemperatur von 200°C ergibt sich im TQFP 100 epad Gehäuse bei einer max. Dauer Junction Temperatur der Applikation von nunmehr Tj_max = 120°C ein Wert von Tjdyn_max = 120°C + 50°C = 170°C entsprechend obigen Ausführungen.
  • Die Absenkung der max. Junction Temperatur durch das TQFP x pin epad Gehäuse führt zu einer Reserve in diesem Beispiel von 30°C (Tjdyn_limit - Tjdyn_max), welche zur Verkleinerung der Endstufenfläche oder der Performance Steigerung benutzt werden kann.
  • Sind die Vorgänge in erster Näherung linear, so gilt für das beschriebenen Ausführungsbeispiel:
  • Eine 1mm2 Endstufenfläche erfährt eine dynamische Temperaturerhöhung von 50°C bei einer Belastung von 2A Drain-Strom und 25V Drain-Source Spannung bei einer Aktivierung von 1ms.
  • Ergibt sich aufgrund der Absenkung der max. Dauer-Junction-Temperatur, die Möglichkeit 80°C maximale dynamische Temperaturerhöhung zuzulassen, so kann in erster Näherung die Chipfläche der Airbag-Endstufe auf den Wert 80°C/50°C x 1mm2 = 0.625mm2 gesenkt werden, ohne die Performance der Endstufe zu reduzieren, sofern der durch die Flächenreduktion verursachte Anstieg des Rdson der Endstufe für die Anwendung unproblematisch ist, oder durch neue Halbleiterprozesse mit ständig sinkenden Rdson Werten (bei gleicher Fläche) von lateralen oder vertikalen DMOS Transistoren bereits vorgegeben, aber nicht nutzbar war.
  • Diese Flächenreduktion um nahezu 40% auf Airbag Endstufen durch Ausnutzung des Potentials von TQFP-x PIN epad Gehäusen von Airbag System-ASICS in Verbindung mit dem vorgegebenen Verbesserungspotential der Rdson Werte von MOSFET Transistoren neuer Halbleiterprozesse, ermöglicht eine enorme Kostenreduktion zukünftiger System-ASICs.
  • Ist kein neuer Halbleiterprozess mit reduzierten Rdson-Werten verfügbar, so kann bei gleicher Fläche der Endstufe, damit gleichem Rdson in erster Näherung in unserem obigen Beispiel die Performance um 40% gesteigert werden, z.B. durch Erhöhung der Energiereservespannung von 25V auf 35V.
  • Dies führt zu kleineren Energiereserven, besserer Ausnutzung der gespeicherten Energie für die Zündanforderungen in Airbag Systemen und damit ebenfalls zu Kosteneinsparungen.
  • Anhand von 3 werden im Folgenden unterschiedliche Entwärmungskonzepte von System-ASICs in Airbag Steuergeräten beschrieben. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines System-ASICs aus dem Airbag Bereich mit den anhand von 1 beschriebenen Funktionsgruppen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107 und Airbag Endstufen 111.
  • Zusätzlich zeigt 3 eine High-Side Endstufe 340 der Airbag Endstufen 111. Die High-Side Endstufe 340 ist ausgebildet, um eine Zündspannung oder einen Zündstrom 342 an einen Airbag Zündkreis 344 bereitzustellen. Beispielsweise kann der Zündstrom 2A betragen und für eine Zeitdauer von 1ms bereitgestellt werden. Durch die gestrichelte Line ist ein Kurzschluss des Airbag Zündkreises 344 angedeutet. Im Kurzschlussfall verursacht der Airbag Zündkreis 344 eine maximale dynamische Temperaturerhöhung der High Side Endstufe 340. Der System-ASIC weist ein Gehäuse 222 auf und kann in einem Steuergerät 350 angeordnet sein.
  • Zunächst wird an Hand von 3 ein Entwärmungskonzept für einen System-ASIC in einem Airbag Steuergerät bei maximaler thermischer Dauerbelastung und Applikationsanforderungen an die Zündendstufen und den Halbleiterprozess mit einem TQFP Gehäuse beschrieben.
  • Die maximale Steuergeräteumgebungstemperatur (ambient) Tamb max beträgt 85°C und die CASE Temperatur Tc max des SYSTEM-ASICS beträgt 105°C.
  • Die maximale Chiptemperatur beträgt Tj_max= 150°C ohne epad. Die Verlustleistung Pv beträgt 1.5W, die Dauer Grenz-Junction-Temperatur Tj_limit beträgt 150°C und die dynamische Grenz-Junction-Temperatur Tj_dyn_limit beträgt 200°C. Als Halbleiter Prozessparameter gilt für einen n-Kanal MOSFET Rdson_max = 1Ω bei einer Größe von 1 mm2 bzw. der Flächenwiderstand rdson_max=1Ωmm2.
  • Die xmm2 High-Side Endstufe 340 weist die Parameter Fläche 1mm2, max. Drain-Strom 2A, max. Drain-Source Spannung 25V, max. dynamische Temperaturerhöhung dTj_dyn = 50°C nach max. Aktivierungszeit 1ms und einen Rdson_max = 1Ω auf. Dies ist die maximale Rdson Anforderung an die High Side Endstufe 340 bei fehlerfreiem Zündkreis. Gegeben durch den maximal erlaubten Spannungs-Drop der High Side Endstufe bei 2A von z.B. 2V ergibt sich Rdson_max = 1Ω.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird an Hand von 3 ein Entwärmungskonzept für einen System-ASIC in einem Airbag Steuergerät bei maximaler thermischer Dauerbelastung und Applikationsanforderungen an die Zündendstufen in Verbindung mit neuen Halbleiterprozessen in einem TQFP x pin epad Gehäuse beschrieben.
  • Die maximale Steuergeräteumgebungstemperatur (ambient) Tamb max beträgt 85°C und die CASE Temperatur Tc max des SYSTEM-ASICS beträgt 105°C.
  • Die maximale Chiptemperatur beträgt Tj_max= 120°C mit epad. Die Verlustleistung Pv beträgt 1.5W, die Dauer Grenz-Junction-Temperatur Tj_limit beträgt 150°C und die dynamische Grenz-Junction-Temperatur Tj_dyn_limit beträgt 200°C. Als neuer Halbleiter Prozessparameter gilt für einen n-Kanal MOSFET Rdson_max = 0.625Ω bei einer Größe von 1 mm2 bzw. der Flächenwiderstand rdson_max=0.6250mm2.
  • Die xmm2 High-Side Endstufe 340 weist die Parameter Fläche 0.625mm2, max. Drain-Strom 2A, max Drain - Source Spannung 25V, max. dynamische Temperaturerhöhung dTj_dyn = 80°C nach max. Aktivierungszeit 1ms und einen Rdson_max = 1Ω auf.
  • Als erste Bedingung gilt, dass der Airbag Zündkreis 344 im Kurzschlussfall eine maximale dynamische Temperaturerhöhung der High Side Endstufe 340 verursacht, so dass die dynamische Temperaturerhöhung in der Endstufe 340 zusammen mit der Chiptemperatur kleiner gleich der Grenz-Junction-Temperatur Tj_dyn_limit z.B. 200°c bleibt.
  • Als zweite Bedingung gilt, dass die maximale Rdson Anforderung an die High Side Endstufe 340 bei fehlerfreiem Zündkreis durch den maximal erlaubten Spannungs-Drop der High Side Endstufe 340 bei 2A von z.B. 2V durch einen Wert Rdson = 1Ω gegeben ist.
  • Diese Forderung ergibt sich aus der Tatsache, die Energiereservespannung, welche die maximale Zündkreisspannung darstellt, in einem vernünftigen Umfang nutzen zu können, ohne die für den externen Zündkreis bereitzustellende Spannung zu unterschreiten. Beispiel: Geforderte maximale externe Zündspannung 13V (=2A*6.5 Ω, 6.5 Ω max. externer Zündkreiswiderstand) + interner Spannungsabfall an der High und Low- Side Endstufe 4V (2A * 2 Ω, 2 Ω ist der max. Rdson der High (340) und Low Side Endstufe) → 17V ist die untere nutzbare Grenzspannung der Energiereserve. In einem Airbag System mit 25V nominaler Energiereservespannung = Zündkreisspannung, ist eine Abnahme nur bis 17V zulässig, da beim unterschreiten die geforderte max. Zündspannung nicht mehr gewährleistet ist. Dadurch Anforderung an kleine Rdson Werte der Endstufen z.B. 1 Ω.
  • Somit lässt sich mit dem TQFP x pin epad Gehäuse das Verbesserungspotential von neuen Halbleiterprozessen in Bezug auf den Rdson von POWER MOSFET TRANSISTOREN (Lateral oder vertikal D-MOS) zur Flächenreduktion der Airbag Endstufen, hier im Beispiel die High-Side Endstufe nutzen.
  • Der niedrigere Flächenwiderstand rdson_max der Endstufe von<0.625Ωmm2 im neuen Halbleiterprozess kann zunächst nicht sinnvoll genutzt werden, da die Verringerung der Fläche der High-Side Endstufe auf 0.625mm2 zu einer Temperaturerhöhung von 80°C bei einer geforderten Aktivierung mit z.B. 2A, 25V, 1ms (Bedingung 1) führt und damit die Grenztemperatur von z.B. Tj_dyn_max=200°C überschritten wird.
  • Erst durch Verwendung des TQFP x pin -epad Gehäuses mit deutlich verringertem Rthjc <10K/W lässt sich die Temperatur Tj_max auf 120°C senken und damit die Eigenschaften neuer Halbleiterprozesse in Bezug auf Power-MOS nutzen und die Airbag Endstufen drastisch verkleinern.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird an Hand von 3 ein Entwärmungskonzept für einen System-ASIC in einem Airbag Steuergerät bei maximaler thermischer Dauerbelastung und erhöhten Applikationsanforderungen an die Zündendstufen in Verbindung mit bisherigen Halbleiterprozessen mit einem TQFP x pin epad Gehäuse beschrieben.
  • Die maximale Steuergeräteumgebungstemperatur (ambient) Tamb max beträgt 85°C und die CASE Temperatur Tc max des SYSTEM-ASICS beträgt 105°C.
  • Die maximale Chiptemperatur beträgt Tj_max= 120°C mit epad. Die Verlustleistung Pv beträgt 1.5W, die Dauergrenz-Junction-Temperatur Tj_limit beträgt 150°C und die dynamische Grenz-Junction-Temperatur Tj_dyn_limit beträgt 200°C. Als Halbleiter Prozessparameter gilt der MOSFET Flächenwiderstand rdson_max = 1Ωmm2.
  • Die xmm2 High-Side Endstufe 340 weist die Parameter Fläche 1mm2, Drain-Strom 2A, Drain-Source spannung 35V, dTj_dyn = 80°C nach 1ms Aktivierungszeit und Rdson_max = 1Ω auf.
  • Als erste Bedingung gilt, dass der Airbag Zündkreis 344 im Kurzschlussfall eine maximale dynamische Temperaturerhöhung der High Side Endstufe 340 verursacht.
  • Als zweite Bedingung gilt, dass die maximale Rdson Anforderung an die High Side Endstufe 340 bei fehlerfreiem Zündkreis durch den maximal erlaubten Spannungs-Drop der High Side Endstufe 340 bei 2A von z.B. 2V durch einen Wert Rdson = 1Ω gegeben ist.
  • Somit lässt sich mit dem TQFP x pin epad Gehäuse auch für gegebene Halbleiterprozesse die Performance der Airbag Endstufen bei gleicher Fläche drastisch verbessern, so dass anstatt 25V Energiereservespannung 35V an die Endstufen gelegt werden kann und dadurch die Energiereserve-Kapazität verringert werden kann. Dies ermöglicht eine Kosteneinsparung.
  • Die Verringerung der Energiereserve Kapazität ergibt sich, da erstens mehr Energie bei höherer ER Spannung pro ELKO Volumen gespeichert werden kann und zum anderen, die nutzbare Energie der Energiereserve für das Aktivieren von Zündkreisen mit zB. 2A bei einem max. externer Zündkreiswiderstand von 6.5Ω drastisch erhöht wird.
  • In einem 25V System ist nur der Spannungsbereich 25V bis 17V Energiereservespannungsabnahme nutzbar in einem 35V System ist dagegen der Spannungsbereich 35V bis 17V nutzbar. ELKO Spannungen < 17V=2A*6.5Q+2A*2 Ω können nicht genutzt werden, da die geforderte externe Zündkreisspannung von 13V nicht erreicht werden kann.
  • Gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Entwärmungskonzeptes dynamisch belasteter Airbag Endstufen innerhalb von System-ASICS wird ein TQFP x pin epad Gehäuse für einen Airbag System IC verwendet. In dem Gehäuse sind Airbag Endstufen enthalten sind. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind jedoch nur beispielhaft gewählt. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Ansatz auch für andere Schaltungen eingesetzt werden, bei denen kurzzeitig erhöhte Verlustleistungen und damit verbundene Wärmespitzen auftreten. Neben den beschriebenen Gehäusen und Kühleinrichtungen können andere geeignete Gehäuse und Kühleinrichtungen eingesetzt werden. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden.

Claims (12)

  1. Schaltkreis für ein Insassenschutzsystem mit folgenden Merkmalen: einer integrierten Schaltung (220), die ausgebildet ist, um ein Auslösesignal für das Insassenschutzsystem bereitzustellen, wobei die integrierte Schaltung (220) einen Normalbetriebsmodus und einen dynamischen Betriebsmodus aufweist, wobei eine Verlustleistung der integrierten Schaltung im dynamischen Betriebsmodus größer als im Normalbetriebsmodus ist und wobei die Kühleinrichtung (224) ausgebildet ist, um eine Temperatur der integrierten Schaltung im Normalbetriebsmodus so zu begrenzen, dass eine durch einen Übergang vom Normalbetriebsmodus in den dynamischen Betriebsmodus hervorgerufene Temperaturerhöhung innerhalb eines zulässigen Temperaturbereichs der integrierten Schaltung liegt; einem Gehäuse (222) für die integrierte Schaltung; und einer Kühleinrichtung (224), die ausgebildet ist, um eine Wärmeableitung von der integrierten Schaltung zu bewirken.
  2. Schaltkreis gemäß Anspruch 1, bei dem die Kühleinrichtung (224) eine thermische Anbindung (228) an eine Oberfläche der integrierten Schaltung (220) aufweist.
  3. Schaltkreis gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Kühleinrichtung (224) eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als das Gehäuse (222).
  4. Schaltkreis gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Kühleinrichtung (224) als Kühlelement ausgebildet ist, das in das Gehäuse (222) integriert ist.
  5. Schaltkreis gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Gehäuse einen Anschlussrahmen und Die-Träger (leadframe) aufweist und die Kühleinrichtung durch einen Teil des Anschlussrahmens und Die-Trägers gebildet ist.
  6. Schaltkreis gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Kühleinrichtung (224) ein epad des Gehäuses (222) ist.
  7. Schaltkreis gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Gehäuse (222) ein Thin-Quad-Flat-Pack-Gehäuse ist.
  8. Schaltkreis gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die integrierte Schaltung (220) ausgebildet ist, um eine Funktionalität einer Airbag-Endstufe bereitzustellen.
  9. Schaltkreis gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem bei der die integrierte Schaltung eine Energieversorgung (101), eine Mikrocontrollerüberwachung und redundante Systemüberwachung (102), eine Auswerteeinrichtung zur Erkennung eines Insassenstatus (103), Interfaces zu peripheren Crash-Sensoren (104), eine Kommunikationsschnittstelle (105), ein Sensorelement (106) und/oder einen Mikrocontroller (107) aufweist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Schaltkreises für ein Insassenschutzsystem, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Gehäuses (222) für eine integrierte Schaltung (220), die ausgebildet ist, um ein Auslösesignal für das Insassenschutzsystem bereitzustellen; Bereitstellen einer Kühleinrichtung (224), die ausgebildet ist, um eine Wärmeableitung von der integrierten Schaltung zu bewirken; und Dimensionieren der integrierten Schaltung basierend auf der Wärmeableitung, so dass eine Betriebstemperatur der integrierten Schaltung innerhalb eines zulässigen Temperaturbereichs der integrierten Schaltung bleibt; und Erhöhen einer dynamischen Reserve in der Temperaturerhöhung der integrierte Schaltung (220) durch die Kühleinrichtung (224) zur Erhöhung einer treibenden Energiereservespannung der integrierten Schaltung, zur Erhöhung eines Stromniveaus der integrierten Schaltung und/oder zur Erhöhung der Aktivierungsdauer der integrierten Schaltung Endstufe.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem eine Erhöhung einer dynamischen Reserve in einer Temperaturerhöhung der integrierte Schaltung (220), geschaffen durch die Kühleinrichtung (224) zur Reduktion einer aktiven Fläche der integrierten Schaltung genutzt wird.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die Reduktion der aktiven Fläche der und einer damit umgekehrt proportionalen Erhöhung des „ON Widerstandes“ durch Verwendung eines Halbleiterprozesses mit geringerem Flächenwiderstand von MOSFET Leistungstransistoren der integrierten Schaltung (220) kompensiert wird.
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