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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach Anspruch 1, eine Schaltung nach Anspruch 4 und ein Verfahren nach Anspruch 10.
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Unter einer Schaltung wird der Zusammenschluss von elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen, wie beispielsweise Dioden und Transistoren, zu einer Anordnung verstanden, in der elektrische Energie zwischen einem Schaltungseingang und einem Schaltungsausgang übertragen wird. Schaltungen zur Umformung elektrischer Energie werden elektrische Schaltungen genannt, während Schaltungen zur Signal- und Datenverarbeitung elektronische Schaltungen genannt werden.
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Schaltungen können unter anderem als integrierte Schaltungen auf einem Chip oder als Schaltkreise auf einer Leiterplatte ausgeführt werden. Auch können Schaltungen logisch geschichtet sein, wobei einzelne Bauelemente der Schaltung als Funktionsblock in einer Unterschaltung zusammengefasst werden, die auf der Schaltung getragen wird. Integrierte Schaltungen sind das bekannteste Beispiel für derartige Unterschaltungen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den fehlerfreien Betrieb derartiger Schaltungen zu sichern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung geht davon aus, dass es insbesondere in sicherheitskritischen Applikationen wie beispielsweise in Kraftfahrzeugen, Zügen oder in der Luftfahrtindustrie erforderlich ist, sicherheitskritische Bauelemente oder Funktionsblöcke mit geeigneten Maßnahmen zu separieren, damit diese im Fehlerfall nicht benachbarte Bauelemente oder Funktionsblöcke negativ beeinflussen. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass es eine Maßnahme zur Separierung ist, möglichst große Abstände zwischen gefährdeten Bauelementen oder Funktionsblöcken einzuhalten. Dies führt zu einem hohen Flächenbedarf beziehungsweise den eingangs genannten hohen Platzbedarf der Schaltung.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung die Überlegung zugrunde, dass Schaltungen in der Regel auf Substraten, wie Leiterplatten oder Halbleitersubstrate integrierter Schaltungen, getragen werden, deren Material meist aus einem porösen Werkstoff, wie Silizium besteht. Das poröse Material lässt nur bedingt mechanischen Stress in Form von Druck und Verbiegung zu, ohne Beschädigungen wie Risse, Brüche, Fehlstellen oder gar Durchbrüche zu bilden. Derartige Beschädigungen sind auch unter dem Begriff Cracks bekannt. Weiter liegt der Erfindung die Überlegung zugrunde, dass diese Beschädigungen durch mechanischen Stress oder Verspannungen des Substrates hervorgerufen werden können. Die Verspannungen des Substrates können in einem Gehäuse entstehen, weil auf das Substrat beim Molden des Gehäuses ein zu hoher Druck ausgeübt wird.
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Auch können die Verspannungen durch Feuchtigkeit im gemoldeten Gehäuse hervorgerufen werden. Trägt das Substrat eine Unterschaltung, so können die Verspannungen auch durch die die Unterschaltung tragenden Schaltung hervorgerufen werden. In diesem Fall können eine falsch montierte Unterschaltung und/oder hohe Temperaturhübe der die Unterschaltung tragenden Schaltung zu Verspannung im Substrat führen. Außerdem können die Verspannungen auch aus zu hohen Kräften beim Bonden oder aus Montagefehlern beim elektrischen Kontaktieren der Unterschaltung mit der Schaltung herrühren. Hauptursache ist dabei ein zu hoher Anpressdruck des Substrats auf die Schaltung und/oder Partikel zwischen dem Substrat und der Schaltung. Schließlich können Verspannungen auch durch eine Überhitzung von Bauelementen, wie Transistoren, hervorgerufen werden, wenn die Bauelemente beispielsweise durch Defekte überlastet werden.
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Je nach Lage und Verlauf einer Beschädigung im und durch das Substrat, können mehrere Bauelemente oder Funktionsblöcke der Schaltung auf dem Substrat von der Beschädigung betroffen sein. Eine Beschädigung des Halbleitersubstrats einer integrierten Schaltung kann beispielsweise zum Kurzschluss eines Transistors auf dem Halbleitersubstrat der integrierten Schaltung führen. Da die Länge beziehungsweise der Verlauf der Beschädigung gewöhnlich nicht vorhersehbar ist, kann nicht ausgeschlossen werden, dass auch andere Transistoren auf dem Halbleitersubstrat der integrierten Schaltung von der Beschädigung betroffen sind und eine kritische Situation hervorrufen.
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Zum Schutz einzelner Bauelemente und Funktionsblöcke auf einem Substrat vor Beschädigungen, deren Ursprung in anderen Bauelementen oder Funktionsblöcken auf dem Substrat liegt, wäre es eine Schutzmöglichkeit, insbesondere sicherheitskritische Funktionsblöcke und/oder Bauelemente auf dem Substrat zu partitionieren. Dabei werden die einzelnen Bauelemente und/oder Funktionsblöcke so gelegt, dass sie geometrisch möglichst weit auseinander liegen und beispielsweise ein Kurzschluss in einem Bauelement ein angrenzendes Bauelement oder einen angrenzenden Funktionsblock kaum beeinflusst. Dies senkt zwar die Wahrscheinlichkeit, dass eine Beschädigung eines Bauelements oder Funktionsblocks zu einer Beeinflussung weiterer Bauelemente und/oder Funktionsblöcke auf dem Substrat führt, vollständig ausschließen lassen sich derartige Folge-Beschädigungen jedoch nicht.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass ein vollständiger Ausschluss dieser Folge-Beschädigungen nur möglich ist, wenn die der Folgebeschädigung zugrundeliegende Beschädigungen des Substrats erfasst und entsprechend darauf reagiert wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auf eine zu einem fehlerhaften Betrieb der Schaltung führende Beschädigung des Substrats zuverlässig reagiert werden kann, so dass der fehlerfreie Betrieb der Schaltung besser gesichert ist.
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Die Erfindung gibt daher eine Vorrichtung zum Schutz einer Schaltung vor unkontrollierten Strömen an, die folgende Merkmale umfasst:
- – eine Messeinrichtung zum Erfassen einer Beschädigung in einem die Schaltung tragenden Substrat; und
- – eine Aktivierungseinrichtung zum Aktivieren einer Schutzmaßnahme, wenn das Substrat beschädigt ist.
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Die Messeinrichtung kann die Beschädigung mit jedem beliebigen Messprinzip erfassen. So können Messverfahren basierend auf Ultraschall genauso verwendet werden, wie eine Überwachung der Oberfläche beispielsweise mit bildgebenden Verfahren. An späterer Stelle wird ein besonders bevorzugtes Messprinzip vorgestellt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassung einer Beschädigung auf einem Substrat und zum anschließenden Aktivieren einer Schutzmaßnahme können insbesondere sicherheitskritische Bauelemente und Funktionsblöcke auf dem Substrat im Fehlerfall wirksam vor Beeinflussungen durch benachbarte Bauelemente und Funktionsblöcke geschützt werden, die aufgrund einer Beschädigung des Substrates nicht voll funktionsfähig sind. Darüber hinaus können auf dem Substrat alle Bauelemente und/oder Funktionsblöcke unabhängig von ihrer Sicherheitsrelevanz nah aneinander platziert werden, so dass das Substrat und damit die Schaltung platzsparend ausgestaltet werden kann. Durch die resultierenden kürzeren Leitungslängen resultiert auch eine geringere Leistungsaufnahme der Schaltung.
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In einer bevorzugten Ausführung ist die Messeinrichtung eingerichtet, ein Signal an einer ersten Stelle der Schaltung einzuspeisen und die Beschädigung anhand einer Antwort an einer zweiten Stelle der Schaltung festzustellen. Auf diese Weise können um kritische Bauelemente und/oder Funktionsgruppen geführte Signalleitungen der Schaltung zum Führen von Testsignalen und die kritischen Bauelemente und/oder Funktionsgruppen genutzt werden. Eine Auswertung dieser Testsignale erlaubt es direkt Rückschlüsse auf die fehlerfreie Funktion der kritischen Bauelemente und/oder Funktionsgruppen zu ziehen. Eine Fehlstelle als Beschädigung des Substrats, die sich von einer Stelle im Substrat, zum Beispiel eines überhitzten Transistors einer Funktionsgruppe, in die Richtung einer benachbarten kritischen Funktionsgruppe ausbreitet, verläuft quer durch die das Testsignal führende Signalleitung und unterbricht sie, was dann in einem Ausfall des Testsignals bemerkbar ist. Alternativ kann das Testsignal auch verzerrt sein, wenn die das Testsignal führende Signalleitung durch die Fehlstelle im Substrat nicht vollständig zerstört sondern nur leicht beschädigt ist.
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Die Verwendung eines Testsignals kann besonders effizient sein, wenn das Testsignal und das Nutzsignal der Schaltung unkorreliert sind. In diesem Fall können sich normale Leitungen der Schaltung als die das Testsignal führende Signalleitung gleichfalls nutzen lassen, da das Testsignal keine eigene Signalleitung benötigt, so dass sich der Platzbedarf der angegebenen Vorrichtung auf einer Schaltung weiter reduzieren lässt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Messeinrichtung zum Erfassen der Beschädigung geeignet sein, die Antwort einer vorbestimmten Antwort, insbesondere dem eingespeisten Testsignal, gegenüberzustellen. Auf diese Weise kann eine Beschädigung durch eine einfache Auswertelogik erkannt und weitergemeldet werden. Hieraus können dann Reaktionen wie eine Fehlermeldung, eine Stilllegung oder eine Sicherheitsabschaltung abgeleitet werden.
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Die Erfindung gibt auch eine Schaltung an, die folgende Merkmale umfassend:
- – ein Substrat;
- – ein Bauelement auf dem Substrat; und
- – eine angegebene Vorrichtung.
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Das Bauelement kann Teil eines kritischen Funktionsblocks sein oder den kritischen Funktionsblock vollständig realisieren.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Schaltung eine Leiterbahn neben dem Bauelement, wobei die Messeinrichtung zum Erfassen der Beschädigung eingerichtet ist, den Widerstand der Leiterbahn zu überwachen. Eine Leiterbahn neben dem Bauelement kann beliebig geformt sein. Beispielsweise kann die Leiterbahn umfänglich um das Bauelement gelegt sein, um alle Seiten Bauelements zu überwachen, oder nur um einen bestimmten Teil des Bauelements, wenn mit ausreichender Sicherheit davon ausgegangen werden kann, dass eine Beschädigung von den anderen Seiten des Bauelements her auszuschließen ist. Der Widerstand der Leiterbahn kann mit Funktionen überwacht werden, die im Idealfall von den zu überwachenden Bauelementen oder Funktionsgruppen ohnehin bereitgestellt werden müssen, so dass die angegebene Vorrichtung gegebenenfalls in das zu überwachende Bauelement oder in die zu überwachende Funktionsgruppe selbst oder in ein anderes auf dem Substrat ohnehin vorhandenes Bauelement (oder in eine vorhandene Funktionsgruppe) mit integriert werden kann.
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In einer anderen Weiterbildung ist die Messeinrichtung zum Überwachen des Widerstandes eingerichtet, eine Signalübertragung über die Signalleitung zu überwachen. Die Signalübertragung kann eindimensional oder mehrdimensional erfolgen. Bei der Überwachung einer eindimensionalen Signalübertragung wird eine Schicht oder ein Layer des Substrats auf Beschädigungen überwacht. Die Ausführung oder die Form der das Testsignal führenden Signalleitung kann beliebige Verläufe oder Formen annehmen. In die Signalleitung kann jedes beliebige Testsignal wie beispielsweise ein Rechtecksignal an einem Ende der Signalleitung zur Signalüberwachung eingespeist werden. Der Abgriff oder der Empfang des eingespeisten Testsignals kann dann am anderen Ende der Signalleitung erfolgen.
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Zur genaueren Ortung der Fehlerstelle können auch mehrere Abgriffe des eingespeisten Testsignals entlang der Signalleitung erfolgen.
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Eine mehrdimensionaler, wie beispielsweise dreidimensionaler Verlauf der Signalleitung durch das Substrat zur mehrdimensionalen Überwachung des Substrats auf Beschädigungen hin kann in analoger Weise über verschiedene Schichten oder Layer des Substrats erfolgen, wobei die das eingespeiste Testsignal führende Signalleitung über verschiedene Schichten des Substrats gelegt ist.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung kann die Schaltung ein zweites Bauelement aufweisen, wobei die Signalleitung zwischen dem ersten und zweiten Bauelement angeordnet ist. Weist eines der Bauelemente eine Fehlfunktion auf und beschädigt dadurch das Substrat so kann dies über die Signalleitung zwischen beiden Bauelementen ermitteln, ob die durch das eine Bauelement hervorgerufene Beschädigung des Substrats sich auf das andere Bauelement ausdehnt und dieses entsprechend beeinflussen könnte.
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In einer bevorzugten Weiterbildung kann die Schaltung ein drittes Bauelement umfassen, wobei die Signalleitung meanderförmig um das erste, zweite und dritte Bauelement gelegt ist. Durch diesen meanderförmigen Aufbau kann der Zwischenraum zwischen beliebig vielen Bauelementen mit nur einer einzigen Signalleitung überwacht werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung kann die Messeinrichtung eingerichtet sein, den Widerstand der Leiterbahn zwischen dem ersten und zweiten Bauelement und den Widerstand der Leiterbahn zwischen dem zweiten und dritten Bauelement getrennt zu überwachen. Auf diese Weise lässt sich nicht nur die Existenz einer Beschädigung des Substrats feststellen, die Beschädigung selbst lässt sich auch lokalisieren.
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Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Schutz einer Schaltung vor unkontrollierten Strömen an, das folgende Schritte umfasst:
- – Erfassen einer Beschädigung in einem die Schaltung tragenden Substrat; und
- – Aktivieren einer Schutzmaßnahme, wenn das Substrat beschädigt ist.
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Weiterbildungen des Verfahrens können Verfahrensschritte sein, die die Merkmale der angegebenen Vorrichtung oder der Schaltung gemäß den Unteransprüchen sinngemäß realisieren.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
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1 eine Dreitafelprojektion einer Schaltung mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;
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2 Messergebnisse aus der Schaltung aus 1;
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3 eine Dreitafelprojektion der Schaltung aus 1 mit einer Beschädigung des Substrats der Schaltung; und
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4 Messergebnisse aus der Schaltung aus 3 zeigen.
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In 1 ist eine Dreitafelprojektion einer Schaltung 2 mit einer Vorrichtung 4 gemäß der Erfindung gezeigt.
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Die Vorrichtung 4 wird auf einem Substrat 6 getragen, das ferner mehrere Bauelemente 8 trägt, die in einer nicht gezeigten Weise miteinander verschaltet sind. Die Bauelemente 8 können beispielsweise Transistoren sein.
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Meanderförmig um die Bauelemente 8 ist eine Leiterbahn als Signalleitung gelegt, die als Prüfsignalleitung 10 dient. Die Prüfsignalleitung 10 wird durch einen Signaleingang 12 mit einem noch zu beschreibenden Testsignal gespeist. Ferner weist die Prüfsignalleitung 10 mehrere Abgriffe, die entsprechend mit Prüfanschlüssen verbunden sind. In 1 sind davon ein erster bis sechster Prüfanschluss 14 bis 24 gezeigt.
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In 1 ist der Signaleingang 12 sowie jeder Prüfanschluss 14 bis 24 mit der Vorrichtung 4 elektrisch verbunden. Dabei speist die Vorrichtung 4 am Signaleingang 12 das noch zu beschreibende Testsignal ein und greift es an den einzelnen Prüfanschlüssen 14 bis 24 ab. Im fehlerfreien Zustand dürfen sich das am Signaleingang 12 eingespeiste Testsignal und die an den Prüfanschlüssen 14 bis 24 abgegriffenen Signale nicht unterscheiden.
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Anhand von 2 werden das Testsignal 26 sowie die abgegriffenen Signale 28 bis 38 näher beschrieben. Dazu sind in 2 in Diagrammen Spannungen 40 über die Zeit 42 aufgetragen.
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Das den Signaleingang 12 repräsentierende Diagramm zeigt den Verlauf des Testsignals 26, das in der vorliegenden Ausführungsform einen rechteckförmigen Verlauf aufweist. Dies kann für eine umfassende Überwachung vorteilhaft sein, da ein rechteckförmiges Signal sehr breitbandig ist, so dass sich Beschädigungen in der Prüfsignalleitung 10, die lediglich zu Signalverzerrungen in bestimmten Frequenzbereich führen aus dem Testsignal 26 genauso gut erkennen lassen, wie eine vollständige Auftrennung der Prüfsignalleitung 10.
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Das am Signaleingang 12 angelegte Testsignal 26 wird im unbeschädigten Zustand des Substrates 6 über die Prüfsignalleitung 10 unverfälscht übertragen. Wie sich den die Prüfanschlüsse 14 bis 24 repräsentierenden Diagrammen entnehmen lässt, wird an jedem Prüfanschluss 14 bis 24 ein Prüfsignal 28 bis 38 empfangen, dass die gleiche Form besitzt wie das Testsignal 26.
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Über einen Ausgabepin 44 kann die Vorrichtung 4 damit anzeigen, dass das Substrat 6 unbeschädigt ist und keine Fehler in die Schaltung 2 einprägt.
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In 4 ist die Schaltung 2 mit einem Crack 46 als Beschädigung im Substrat 6 gezeigt, der zu einer Unterbrechung in der Prüfsignalleitung 10 führt.
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Der Crack 46 und damit die Unterbrechung der Prüfsignalleitung 10 befinden sich zwischen dem zweiten Prüfanschluss 16 und dem dritten Prüfanschluss 18.
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Wie in 4 gezeigt, führt dies dazu, dass ab dem dritten Prüfanschluss 18 kein dem Testsignal 26 entsprechendes Prüfsignal 32 bis 38 mehr abgreifbar ist.
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Die Vorrichtung 4 kann über den Ausgabepin 44 eine entsprechende Fehlermeldung ausgeben, aus der auch der Ort des Cracks 46 auf dem Substrat 6 hervorgeht.
