DE102014109990A1

DE102014109990A1 - Messwiderstand und Verfahren zur Herstellung eines Messwiderstandes

Info

Publication number: DE102014109990A1
Application number: DE102014109990.7A
Authority: DE
Inventors: Uwe Kirchner; Severin Kampl
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: DE102014109990B4; US9824799B2; US20160020004A1

Abstract

Es wird ein Messwiderstand für Hochstrommessungen bereitgestellt, der einen definierten Widerstandswert aufweist. Der Messwiderstand hat eine Widerstandsschicht, die einen spezifischen Flächenwiderstand aufweist. Der Widerstandswert des Messwiderstands ist durch die Widerstandsschicht definiert und ist kleiner als der spezifische Flächenwiderstand der Widerstandsschicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messwiderstand für Hochstrommessungen sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben.
Ein Messwiderstand, auch Shunt-Widerstand genannt, wird verwendet, um einen elektrischen Strom zu messen. Der Messwiderstand wird hierfür in den Strompfad eingefügt. Um möglichst geringe ohmsche Verluste zu haben, ist dieser Widerstand in der Regel sehr klein, beispielsweise im milli-Ohm (mΩ) Bereich.
Im Bereich von Leistungsbauelementen sind häufig hohe Ströme zu messen. Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter Hochstrom ein elektrischer Strom von etwa einem Ampere bis zu mehreren hundert Ampere verstanden.
Eine Strommessung kann beispielsweise dazu verwendet werden, ein Bauelement zu steuern, d. h. die Strommessung ist in einer Rückkopplungsschleife verwendet. Es gibt darüber hinaus viele weitere Anwendungsfälle, bei denen ein hoher Strom zu messen ist, beispielsweise im Labor bei der Entwicklung/Qualifizierung. Für eine Strommessung ist ein rein ohmscher Widerstand wünschenswert, d. h. ein ohmscher Widerstand, der keine parasitären Komponenten wie insbesondere parasitäre Induktivitäten aufweist. Parasitäre Elemente in einer Leistungsschleife, d. h. beispielsweise in einem Hochstrompfad, können zu Überspannungsspitzen führen und einen erhöhten Stress auf Bauelemente bewirken. Dieser Stress kann, beispielsweise wenn es zu einem Spannungsdurchschlag kommt, Halbleiter beschädigen.
Ein beispielhafter Anwendungsbereich für einen Messwiderstand für eine Hochstrommessung sind Spannungskonverter bzw. Spannungswandler. Parasitäre Elemente, insbesondere Induktivitäten, verringern den Wirkungsgrad der Wandler. Die Induktivitäten können Schwingkreise ausbilden, die zu überlagerten Schwingungen führen. Schwingungen reduzieren das Signal-zu-Rauschverhältnis der Messung. Das heißt es wird notwendig, das Messsignal zu filtern. Hierfür wird ein Tiefpassfilter benötigt. Dieses Filtern verringert die Dynamik der Regelschleife, oder in anderen Worten die Ansprechzeit wird künstlich vergrößert.
Die wegen der parasitären Elemente notwendige Verlängerung der Ansprechzeit führt dazu, dass zeitkritische Funktionen, wie beispielsweise Schutzfunktionen in der Form eines Abschaltens bei Überstrom, eine künstlich niedrige Ansprechschwelle haben müssen, um die längere Schleifenzeit zu kompensieren. Damit kann die Leistungsfähigkeit eines Leistungsschalters nicht vollständig ausgenutzt werden.
Aus diesen und anderen Gründen besteht ein Bedarf für die vorliegende Erfindung.
Die beigefügten Zeichnungen sollen ein besseres Verständnis der Ausführungsbeispiele ermöglichen und bilden einen Teil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen illustrieren Ausführungsbeispiele und helfen zusammen mit der Beschreibung die den Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien zu erklären. Andere Ausführungsbeispiele und viele Vorzüge der Ausführungsbeispiele können damit besser verstanden werden. Die Elemente in den Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgerecht zueinander gezeichnet. Ähnliche Bezugszeichen bezeichnen in der Regel ähnliche Teile.
Merkmale und/oder Elemente sind mit bestimmten Abmessungen relativ zueinander in erster Linie der Klarheit halber und zur Erleichterung des Verständnisses dargestellt. Folglich können relative Abmessungen in tatsächlichen Implementierungen von den hierin dargestellten abweichen. Angaben wie oben, unten, vertikal, horizontal werden zur Erleichterung des Verständnisses der Figuren verwendet und sind nicht einschränkend zu verstehen.
1 zeigt eine mögliche Anwendungsschaltung für einen Messwiderstand aus dem Stand der Technik;
2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines Messwiderstandes in perspektivischer Ansicht für einen sogenannten vertikalen Stromfluss;
3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines Messwiderstandes in perspektivischer Ansicht für einen sogenannten horizontalen Stromfluss;
4 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform eines Messwiderstandes in Draufsicht und Seitenansicht (vertikaler Stromfluss);
5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer vierten Ausführungsform eines Messwiderstandes (vertikaler Stromfluss);
6 zeigt eine schematische Seitenansicht einer fünften Ausführungsform eines Messwiderstandes (vertikaler Stromfluss);
7 zeigt eine schematische Seitenansicht einer sechsten Ausführungsform eines Messwiderstandes (vertikaler Stromfluss);
8 zeigt eine schematische Seitenansicht einer siebten Ausführungsform eines Messwiderstandes (vertikaler Stromfluss);
9 zeigt schematisch einen Messwiderstand gemäß einer achten Ausführungsform in Draufsicht und in Seitenansicht (horizontaler Stromfluss);
10 zeigt eine schematische Seitenansicht einer neunten Ausführungsform eines Messwiderstandes (horizontaler Stromfluss);
11 zeigt eine schematische Seitenansicht einer zehnten Ausführungsform eines Messwiderstandes (horizontaler Stromfluss);
12 zeigt eine schematische Seitenansicht einer elften Ausführungsform eines Messwiderstandes (horizontaler Stromfluss);
13 zeigt eine schematische Seitenansicht einer zwölften.
Ausführungsform eines Messwiderstandes (horizontaler Stromfluss);
14 zeigt eine schematische Seitenansicht einer dreizehnten Ausführungsform eines Messwiderstandes (horizontaler Stromfluss);
15 zeigt eine schematische Seitenansicht einer vierzehnten Ausführungsform eines Messwiderstandes (horizontaler Stromfluss);
16 zeigt eine schematische Seitenansicht einer fünfzehnten Ausführungsform eines Messwiderstandes (horizontaler Stromfluss);
17 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
18 zeigt ein Halbleiterpackage gemäß einer ersten Ausführungsform, in das ein Messwiderstand mit vertikalem Stromfluss integriert ist;
19 zeigt ein Halbleiterpackage gemäß einer zweiten Ausführungsform, in das ein Messwiderstand mit vertikalem Stromfluss integriert ist.
In der folgenden Beschreibung werden zu Zwecken der Erläuterung und nicht beschränkend durch Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen verschiedene Ausführungsformen einschließlich vieler spezifischer Details davon dargelegt, um ein eingehendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen, die sich in einem oder mehreren dieser spezifischen Details unterscheiden, umgesetzt werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist die folgende Beschreibung nur für veranschaulichende, nicht beschränkende Zwecke gedacht, und das Konzept der vorliegenden Erfindung soll durch die beigefügten Ansprüche definiert werden.
Es versteht sich zudem, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht speziell etwas anderes angegeben ist.
1 zeigt in schematischer Form einen Abwärtswandler 1, wie er im Stand der Technik bekannt ist. Zwei MOSFET-Transistoren HS und LS liegen in Reihe in einem Strompfad. Der Strompfad kann ein Hochstrompfad sein, über den ein elektrischer Strom I von einem Ampere bis zu mehreren hundert Ampere fließen kann, beispielsweise 700 A, 800 A oder 900 A. Der Strompfad ist an eine Eingangsspannungsquelle 2 angekoppelt, die eine Eingangsspannung V_in abgeben kann. Über einen Controller 3 können die beiden Transistoren HS und LS über ihre Gates an- und ausgeschaltet werden. Ein Messwiderstand R liegt im Strompfad. Die über den Messwiderstand R abfallende Spannung V_Mess wird gemessen und an den Controller 3 zurückgekoppelt. Gemäß dem ohmschen Gesetz ist die Messspannung V_Mess proportional zum Widerstand R und proportional zum zu messenden Strom I. Eine Ausgangsspannung V_out wird über ein LC-Glied über dem Transistor LS abgegriffen.
Im Stand der Technik ist der Messwiderstand R als diskreter Metallwiderstand ausgeführt. Er ist extern beispielsweise als konventioneller oberflächenmontierter Widerstand ausgeführt. Die damit verbundene parasitäre Induktivität ist abhängig von den geometrischen Abmessungen des Widerstandes. Um den notwendigen Widerstandswert zu erzielen, haben die Messwiderstände im Stand der Technik eine Länge, die über den Querschnittsabmessungen liegt. Damit verbunden ist eine parasitäre Induktivität, die die Bandbreite begrenzt. Die im Stand der Technik erreichte Bandbreite liegt daher bei maximal 100 MHz.
Die Erfindung stellt einen Messwiderstand für Hochstrommessungen bereit, der einen definierten Widerstandswert aufweist. Bei der Bestimmung des definierten Widerstandswerts ist zum einen die gewünschte Messspannung zu berücksichtigen, die sich zu U = R × I (1) berechnet. Der Messspannungsbereich liegt in der Regel bei etwa einigen hundert milli-Volt (mV) bis zu einem Volt. Bei zu messenden Strömen von einem Ampere bis zu mehreren Ampere, ergibt sich ein Widerstandswert im Bereich von einigen 100 milli-Ohm.
Zum anderen ist die am Messwiderstand abfallende Verlustleistung zu berücksichtigen. Die Verlustleistung am Widerstand R berechnet sich zu P = I² × R (2)
Um die Verlustleistung gering zu halten, ist auch unter dem Gesichtspunkt einer geringen Verlustleistung der Widerstandswert des Messwiderstandes R vorteilhafter Weise im Bereich von einigen hundert milli-Ohm.
Erfindungsgemäß ist der Widerstandswert des Messwiderstands durch eine Widerstandsschicht definiert, deren spezifischer Flächenwiderstand größer ist, als der Widerstandswert des Messwiderstands.
Die Widerstandsschicht kann durch eine Folie gebildet sein, oder in anderen Worten ein Folienwiderstand sein. Eine Folie kann auf einen Träger auflaminiert werden. Eine Widerstandsschicht kann aber auch durch andere Aufbringungstechniken ausgebildet werden.
Der spezifische Flächenwiderstand beschreibt einen elektrischen Widerstand einer Widerstandsschicht, die eine bestimmte definierte Dicke aufweist. Er kann aus dem spezifischen Widerstand des Materials, aus dem die Widerstandsschicht gebildet ist, hergeleitet werden.
Ein Material ist bekanntlich durch seinen spezifischen Widerstand ρ gekennzeichnet. Der Flächenwiderstand R_FL berechnet sich zu R_FL = ρ/d (3) wobei d die Dicke der Widerstandsschicht ist.
Der Widerstand einer begrenzten Widerstandsschicht mit einer Länge l und einer Breite b berechnet sich zu R = R_FL × 1/b (4) wobei der Strom über die Breite b eintritt und über die Länge l die Widerstandsschicht parallel durchfließt. Aus Gleichung (4) ergibt sich, dass der Widerstand R einer quadratischen Widerstandsschicht immer gleich dem Flächenwiderstand ist, unabhängig von der absoluten Kantenlänge des Quadrates.
Entscheidend für den Widerstandswert einer Widerstandsschicht ist also neben dem spezifischen Widerstand des Schichtmaterials und der Dicke d der Schicht lediglich das Verhältnis von Länge l zu Breite b.
Eine definierte Dicke d der Widerstandsschicht kann ein Mikrometer (10^–6 m) sein. Eine definierte Dicke d einer Widerstandsschicht kann auch 0,4 μm betragen. Eine andere Dicke d einer Widerstandsschicht kann 0,2 μm sein. Eine Dicke d einer Widerstandsschicht kann 0,1 μm sein.
Der Flächenwiderstand gilt, wenn die Widerstandsschicht parallel zur Schicht vom Strom durchflossen wird. Der Strom tritt dann beispielsweise an einer Stirnfläche ein und an einer gegenüberliegenden Stirnfläche wieder aus. Je dünner die Schicht ist, desto höher ist ihr Flächenwiderstand bei konstantem spezifischen Widerstand.
Eine Widerstandsschicht kann aus Nickelphosphor gebildet sein. Eine Nickelphosphor-Legierung kann je nach Schichtdicke einen anderen Flächenwiderstand aufweisen. Eine Nickelphosphor-Legierung kann ungefähr 90 Prozent Nickel und etwa 10 Prozent Phosphor enthalten. Eine Nickelphosphor-Legierung kann auch mehr als 90 Prozent Nickel und weniger als 10 Prozent Phosphor enthalten, wobei der spezifische elektrische Widerstand mit sinkendem Phosphorgehalt abnimmt. Eine Nickelphosphorschicht mit einer Dicke von 1 μm kann einen Flächenwiderstand von 10 Ω aufweisen. Eine Nickelphosphorschicht mit einer Dicke von 0,4 μm kann einen Flächenwiderstand von 25 Ω aufweisen. Eine Nickelphosphorschicht mit einer Dicke von 0,2 μm kann einen Flächenwiderstand von 50 Ω aufweisen. Eine Nickelphosphor-Widerstandsschicht mit einer Dicke von 0,1 μm kann einen Flächenwiderstand von 100 Ω aufweisen. Andere Widerstandsmaterialien als Nickelphosphor sind möglich, die einen spezifischen Widerstand in etwa in der gleichen. Größenordnung aufweisen.
Bei einer beispielhaften Verwendung einer Nickelphosphorschicht mit einer Dicke von 0,4 μm als Widerstandsschicht (Flächenwiderstand also 25 Ω), kann mit Gleichung (4) ein Widerstandswert von 250 mΩ erreicht werden, wenn das Verhältnis l/b (Länge zu Breite) 1/100 betragt, der Widerstand also hundertmal so breit wie lang ist und der Strom parallel zur Schichtdicke von einer Breitseite zur anderen fließt. In einer Ausführungsform kann die Länge l der vom Strom durchflossenen Schicht dann etwa 5 μm betragen, während die Breite auf der der Strom in die Schicht ein- und auskoppelt etwa 500 μm betragt.
Da die Länge l sehr viel kleiner sein sollte als die Breite b, sind auch Ausführungsformen denkbar, in denen der Strom nicht parallel zur Schicht sondern senkrecht zur Schicht fließt. Die Dicke d der Schicht wird dann zur Länge l, über die der elektrische Strom fließt.
Der Widerstand für eine senkrecht durchflossene Widerstandsschicht berechnet sich dann mit Gleichungen (3) und (4) zu: R = ρ × d/A, bzw. R = R_FL × d²/A (5) wobei A die Eintrittsflache des Stroms bezeichnet und d die Dicke der Widerstandsschicht.
Eine Nickelphosphorschicht kann je nach Zusammensetzung einen spezifischen Widerstand zwischen etwa ρ = 10^–7 Ωm bis etwa ρ = 10^–6 Ωm haben. Um beispielsweise bei einer Dicke von d = 1 μm einen gewünschten Messwiderstandswert von R = 100 mΩ zu erzielen, kann die Ein- und Austrittsfläche A etwa zwischen 1 und 10 μm² liegen.
Unabhängig davon, ob der Strom parallel zur Widerstandsschicht oder senkrecht zur Widerstandsschicht fließt, erfolgt eine Dimensionierung der Widerstandsschicht und der elektrischen Kontakte zum Ein- und Auskoppeln des Messstromes dergestalt, dass sich in der Widerstandsschicht ein Strompfad ausbildet, dessen Länge zwischen den elektrischen Kontakte kurzer ist als eine Breite des Strompfades, beispielsweise beträgt die Länge ein Zehntel, oder ein Hundertstel der Breite. Der elektrische Strom durchströmt somit ein Widerstandsvolumen auf einer Breite und/oder Höhe, die deutlich größer ist/sind, als die Länge, auf der der Strom durch das Volumen fließt. Durch diese relative kurze Länge wird die Ausbildung einer sehr geringen parasitären Induktivität erreicht.
2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht schematisch eine erste Ausführungsform eines Messwiderstandes 10. Der Messwiderstand 10 weist eine Widerstandsschicht 11 mit einer Dicke d auf. Die Widerstandsschicht 11 definiert einen Widerstandsbereich. Auf einer oberen Oberfläche der Widerstandsschicht 11 ist eine erste Metallschicht 12 angeordnet. Die erste Metallschicht 12 bildet einen ersten elektrischen Kontakt, der die Widerstandsschicht 11 kontaktiert. An einer unteren Oberfläche der Widerstandsschicht 11 ist eine zweite Metallschicht 13 angeordnet. Die untere Metallschicht 13 ist von der oberen Metallschicht 12 durch die Dicke d der Widerstandsschicht 11 beabstandet. Die untere Metallschicht 13 bildet einen zweiten elektrischen Kontakt, der den Widerstandsbereich 11 kontaktiert. Ein zu messender Hochstrom I kann von dem ersten elektrischen Kontakt zu dem zweiten elektrischen Kontakt geleitet werden. Der zu messende Strom fließt dann entlang der Pfeile 14, die den Stromfluss andeuten. Der zu messende Strom fließt also durch die Dicke der Widerstandsschicht von der ersten Metallschicht 12 zu der zweiten Metallschicht 13. Die Widerstandsschicht 11 ist zwischen den Metallschichten 12 und 13 angeordnet.
Die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht berühren einander nicht. Die Widerstandsschicht 11 kann eine Widerstandsschicht wie oben beschrieben sein. Insbesondere kann die Widerstandsschicht 11 eine Nickel-Phosphor-Legierung umfassen. Der spezifische Flächenwiderstand der Widerstandsschicht 11 kann zwischen 10 Ω und 30 Ω liegen. Der spezifische Widerstand des Materials aus dem die Widerstandsschicht 11 gebildet ist, kann zwischen ρ = 10^–7 Ωm bis etwa ρ = 10^–6 Ωm liegen.
In der weiteren Anmeldung werden Anordnungen wie in 2 dargestellt, bei denen der elektrische zu messende Strom durch die Dicke der Widerstandsschicht fließt als Ausführungsformen mit vertikalem Stromfluss bezeichnet.
3 zeigt in perspektivischer Ansicht schematisch eine zweite Ausführungsform eines Messwiderstandes 20. Der Messwiderstand 20 weist eine Widerstandsschicht 21 auf. Die Widerstandsschicht 21 hat eine Dicke d, die einen Abstand zwischen einer oberen Oberfläche 21.1 und einer unteren Oberfläche 21.2 der Widerstandsschicht 21 bezeichnet.
Der Messwiderstand 20 weist einen ersten elektrischen Kontakt 22 und einen zweiten elektrischen Kontakt 23 auf, die im wesentliche koplanar zu der Widerstandsschicht 21 angeordnet sind, d. h. mit dieser in einer Ebene liegen. Der erste elektrische Kontakt 22 wird durch eine erste Metallschicht gebildet, der zweite elektrische Kontakt 23 wird durch eine zweite Metallschicht gebildet. Die Widerstandsschicht 21 ist zwischen der ersten Metallschicht 22 und der zweiten Metallschicht 23 angeordnet. Die erste und die zweite Metallschicht sind so angeordnet, dass sie einander nicht berühren. Auf einer Breite b weisen sie einen Abstand l voneinander auf.
Mit anderen Worten, die Widerstandsschicht 21 weist eine Breite b und eine Länge l auf. Pfeile 24 deuten an, dass ein zu messender Strom vom ersten elektrischen Kontakt 22 zum zweiten elektrischen Kontakt 23 durch die Widerstandsschicht 21 fließt. Der Strom fließt parallel zur Schichtausdehnung der Widerstandsschicht 21. Er wird über die Breite b eingespeist und fließt über die Länge l.
Ausführungsformen gemäß der 3, in denen der Strom parallel zur Schichtausdehnung fließt, werden im Weiteren als Ausführungsformen mit horizontalem Stromfluss bezeichnet werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Bezeichnung vertikaler und horizontaler Stromfluss keine Aussage über die tatsächliche Orientierung der Widerstandsschicht im Raum treffen. ”Vertikal” bedeutet lediglich senkrecht zur Schichtausdehnung und ”horizontal” bedeutet parallel zur Schichtausdehnung.
Im Folgenden werden eine dritte bis siebte Ausführungsform eines Messwiderstandes anhand der 4 bis 8 beschrieben. Die Ausführungsformen 3 bis 7 basieren alle auf einem vertikalen Stromfluss.
4 zeigt schematisch einen Messwiderstand 30 für Hochstrommessungen gemäß der dritten Ausführungsform. Der Messwiderstand 30 weist einen definierten Widerstandswert auf. Der Messwiderstand 30 umfasst eine Widerstandsschicht 31, die den Widerstandswert definiert. Die dritte Ausführungsform basiert auf einem vertikalen Stromfluss.
Messwiderstand 30 weist einen ersten elektrischen Kontakt 32 und einen zweiten elektrischen Kontakt 33 auf. Messwiderstand 30 weist ferner einen Träger 34 auf. Der zweite elektrische Kontakt 33 ist auf dem Träger 34 angeordnet. Auf dem zweiten elektrischen Kontakt 33 ist die Widerstandsschicht 31 angeordnet. Auf der Widerstandsschicht 31 ist der erste elektrische Kontakt 32 angeordnet. Der erste und der zweite elektrische Kontakt können aus Metallschichten, beispielsweise aus Kupfer, gebildet sein. Der Träger 34 kann ein FR4-Substrat sein. Bei FR4 handelt es sich um eine mit Epoxidharz getränkte Glasfasermatte, ein Material, das häufig für Leiterplatten verwendet wird. Der Träger 34 kann auch aus einem anderen geeigneten Material gebildet sein. Der Träger 34 ist optional.
Die Widerstandsschicht 31 hat eine Breite b und eine Dicke d, die eine elektrische Länge l bezeichnet. Die elektrische Länge l der Widerstandsschicht ist bestimmt durch den Abstand des ersten elektrischen Kontakts 32 zum zweiten elektrischen Kontakt 33, bzw. durch die Dicke d der Widerstandsschicht 31. Ein elektrischer Strom fließt von dem ersten elektrischen Kontakt 32 zu dem zweiten elektrischen Kontakt 33.
Die Länge l/Dicke d ist kleiner als die Breite b. Die Dicke d zum Quadrat ist insbesondere kleiner als eine Eintrittsfläche A des Stromes, die sich aus der Breite b mal einer Ausdehnung a senkrecht zur Breite b ergibt. Damit liegt der definierte Widerstandswert des Messwiderstandes 30 unter dem Flächenwiderstand der Widerstandsschicht 31, der sich aus dem spezifischen Widerstand ρ des Materials der Widerstandsschicht und der Dicke der Widerstandsschicht ergibt (siehe Gleichungen 3 und 5). In einer Ausführungsform hat die Widerstandsschicht 31 einen spezifischen Flächenwiderstand von 10 Ω. Ein Flächenwiderstand von 10 Ω kann beispielsweise erreicht werden, wenn als Material Nickelphosphor gewählt wird und die Dicke der Nickelphosphorschicht 1 μm beträgt. In dieser Ausführungsform ist beispielsweise die Eintrittsfläche A des Stromes 100 μm, so dass der definierte Widerstandswert des Messwiderstands 30 100 mΩ beträgt.
5 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Messwiderstandes 40 gemäß der vierten Ausführungsform, d. h. mit vertikalem Stromfluss. Der Messwiderstand 40 weist eine Widerstandsschicht 41 auf. Auf einer oberen Oberfläche der Widerstandsschicht 41 ist eine erste Metallschicht 42 aufgebracht, die einen ersten elektrischen Kontakt darstellt. Auf einer unteren Oberfläche der Widerstandsschicht 41 ist eine zweite Metallschicht 43 aufgebracht, die einen zweiten elektrischen Kontakt darstellt. Für die Dimensionierung der Widerstandsschicht 41 gelten die zuvor gemachten Ausführungen. Der Aufbau aus Metallschicht-Widerstandsschicht-Metallschicht ist wiederum auf einem Träger 44 angeordnet, der ein Substrat wie FR4 oder ähnliches umfassen kann. Der Träger 44 ist optional.
Die vierte Ausführungsform, die in 5 dargestellt ist, unterscheidet sich von der in 4 dargestellten dritten Ausführungsform durch kapazitive Schichten 45, die seitlich der Widerstandsschicht 41 angeordnet sind und sich ebenfalls zwischen den beiden elektrischen Kontakten 42 und 43 erstrecken. Die kapazitiven Schichten 45 sind im Wesentlichen koplanar zu der Widerstandsschicht 41 angeordnet.
Eine kapazitive Schicht ist aus einem elektrisch nicht leitendem Material gefertigt. Die kapazitive Schicht 45 kann eine Dielektrizitätskonstante oder relative Permittivität aufweisen, deren Wert zwischen etwa 4 und 5 liegt. Die relative Permittivität kann insbesondere einen Wert von 4,4 aufweisen. Die kapazitive Schicht 45 bzw. die kapazitiven Schichten 45 weisen eine obere Oberfläche, die der ersten Metallschicht 42 zugewandt ist, und eine untere Oberfläche, die der zweiten Metallschicht 43 zugewandt ist, auf. Die obere Oberfläche und die untere Oberfläche der kapazitiven Schicht 45 sind durch die Dicke der kapazitiven Schicht voneinander beabstandet. Die erste elektrische Schicht 42 erstreckt sich somit über die obere Oberfläche der kapazitiven Schicht bzw. der kapazitiven Schichten 45 sowie über die obere Oberfläche der Widerstandsschicht 41. Die Metallschicht 43 erstreckt sich über die untere Oberfläche der kapazitiven Schicht bzw. Schichten 45 und der Widerstandsschicht 41.
5 zeigt eine Seitenansicht bzw. eine Querschnittsansicht der vierten Ausführungsform. Es ist zu verstehen, dass gemäß den oben stehenden Ausführungen die Widerstandsschicht 41 strukturiert ist, um einen definierten Widerstandswert bereitzustellen. Die in 5 getrennt dargestellten kapazitiven Schichten 45 können sich außerhalb der dargestellten Schnittebene/Seitenansicht berühren, d. h. eine gemeinsame kapazitive Schicht 45 bilden.
Der erfindungsgemäße Messwiderstand, unabhängig von der jeweiligen Ausführungsform, weist durch seine sehr geringe elektrische Länge eine sehr geringe parasitäre Induktivität auf. Damit kann die Bandbreite im Anwendungsfall in den Gigahertz-Bereich gehoben werden. Die Einführung einer kapazitiven Folie führt zu einer Ausbildung eines Kondensators zwischen dem elektrischen Kontakt 42 und dem zweiten elektrischen Kontakt 43. Im Ersatzschaltbild ist damit ein. Kondensator C dem Messwiderstand R parallel geschaltet. Hiermit wird die erreichte, sehr hohe Bandbreite gezielt beeinflusst. Sie kann etwas abgesenkt werden, um Schwingungstendenzen entgegenzuwirken. Mit Hilfe der zusätzlichen Kondensatoren kann die Bandbreite gezielt verschoben werden.
6 zeigt in einer schematischen Seitenansicht oder Schnittansicht einen Messwiderstand 50 gemäß der fünften Ausführungsform, d. h. wieder mit vertikalem Stromfluss. Der Messwiderstand 50 weist eine Widerstandsschicht 51, einen ersten elektrischen Kontakt 52, einen zweiten elektrischen Kontakt 53.1, 53.2, 53.3, einen Träger 54, kapazitive Schichten 55 und Begrenzungsräume 56 auf. Die Widerstandsschicht 51 liegt zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 52 und dem zweiten elektrischen Kontakt 53.1. Der zweite elektrische Kontakt 53.1 sowie die Widerstandsschicht 51 sind seitlich durch Begrenzungsräume 56 begrenzt. Diese Begrenzungsräume 56 können leer bzw. mit Luft gefüllt sein, oder durch ein geeignetes nicht leitendes Material gefüllt sein. Der zweite elektrische Kontakt 53.1 sowie die Räume 56 sind auf dem Träger 54 angeordnet. Der zweite elektrische Kontakt 53.1 ist links und rechts der Räume 56 fortgesetzt als zweiter elektrischer Kontakt 53.2 und 53.3. Die elektrischen Kontakte 53.1, 53.2 und 53.3 sind im Wesentlichen koplanar und zueinander beabstandet, d. h. sie berühren sich gegenseitig nicht. Sie können durch Strukturieren einer zunächst durchgehenden Metallschicht hergestellt sein. Seitlich der Widerstandsschicht 51 und getrennt von dieser durch die Räume 56 befinden sich kapazitive Schichten 55.
Die fünfte Ausführungsform unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform dadurch, dass nur der erste elektrische Kontakt bzw. die erste Metallschicht 52 durchgängig ist, aber die zweite Metallschicht strukturiert ist. Ferner unterscheidet sich die fünfte Ausführungsform von der vierten Ausführungsform dadurch, dass die kapazitive Schicht 55 bzw. die kapazitiven Schichten 55 von der Widerstandsschicht 51 getrennt sind. Im elektrischen Ersatzschaltbild bedeutet dies, dass zu dem Messwiderstand R ein bzw. zwei Kapazitäten C angekoppelt sind, die einen gemeinsamen Anschluss mit dem Widerstand R aufweisen, wobei der zweite Anschluss der Kapazität bzw. der Kapazitäten elektrisch getrennt angeschlossen sein kann, beispielsweise an Masse gelegt sein kann.
7 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Messwiderstandes 60 gemäß der sechsten Ausführungsform wiederum mit einem vertikalen Stromfluss. Der Messwiderstand 60 weist eine Widerstandsschicht 61, einen ersten elektrischen Kontakt 62, einen zweiten elektrischen Kontakt 63.1, 63.2, 63.3, einen Träger 64, kapazitive Schichten 65.1, 65.2, 65.3 und Begrenzungsräume 66 auf. Auf den Träger 64 ist eine strukturierte zweite Metallschicht 63.1, 63.2 und 63.3 aufgebracht. Die Metallschichten 63.1, 63.2 und 63.3 berühren einander nicht. In dem Abstand zwischen dem zweiten elektrischen Kontakt 63.2 und dem elektrischen Kontakt 63.1 ist eine kapazitive Schicht 65.2 angeordnet. In dem Abstand zwischen dem elektrischen Kontakt bzw. der Metallschicht 63.1 und dem Abschnitt 63.3 ist eine kapazitive Schicht 65.3 angeordnet. Die kapazitiven Schichten 65.2 und 65.3 sind im Wesentlichen koplanar zu den Metallschichten 63.1, 63.2 und 63.3. Alle fünf zuvor genannten Schichten sind auf dem Träger 64 angeordnet. Für den Träger 64 gilt das für die zuvor erläuterten Träger Genannte.
Auf den Metallschichtabschnitten 63.2 und 63.3 sind die kapazitiven Schichten 65.1 angeordnet. Die kapazitiven Schichten 65.1 und 65.2 sowie 65.3 können alle aus dem gleichen Material sein und die gleiche Dielektrizitätskonstante aufweisen. Es ist aber auch möglich unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten bzw. unterschiedliche Materialien zu verwenden.
Auf dem Metallschichtabschnitt 63.1 ist die Widerstandsschicht 61 aufgebracht. Für die Dimensionierung und das Material der Widerstandsschicht 61 gilt das zuvor für Widerstandsschichten Ausgeführte. Die Widerstandsschicht 61 ist von den koplanaren kapazitiven Schichten bzw. der kapazitiven Schicht 65.1 durch den Raum 66 beabstandet. Der Raum 66 kann mit Luft gefüllt sein oder mit einem anderen geeigneten, nicht leitenden Füllmaterial. Auf einer oberen Oberfläche der Widerstandsschicht 61, des Leerraumes 66 und der kapazitiven Schicht 65.1 ist der erste elektrische Kontakt bzw. die erste Metallschicht 62 aufgebracht. Die elektrische Kontaktschicht bzw. Metallschicht 62 ist durchgehend und kontaktiert die obere Oberfläche der Widerstandsschicht 61 sowie die oberen Oberflächen der kapazitiven Schichten 65.1. Die sechste Ausführungsform unterscheidet sich von der fünften Ausführungsform durch die kapazitiven Schichten 65.2 und 65.3, die einen Teil des Raumes 56 aus der 6 ausfüllen.
Im Ersatzschaltbild ist somit zu dem Widerstand R an einem ersten Anschluss eine Kapazität C angeschlossen, die mit ihrem zweiten Anschluss an eine andere Spannung oder an Masse angekoppelt sein kann. Der zweite Anschluss des Widerstandes R ist dann ebenfalls über eine Kapazität C an den gleichen Anschluss angekoppelt. Damit sind an beide Anschlussseiten des Widerstandes R Kondensatoren angekoppelt, die auf ein gemeinsames Potential gelegt werden können.
8 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Messwiderstand 70 gemäß einer siebten Ausführungsform, d. h. wiederum mit vertikalem Stromfluss. Der Messwiderstand 70 weist eine Widerstandsschicht 71, eine erste Metallschicht 72, eine strukturierte zweite Metallschicht 73.1, 73.2 und 73.3, einen Träger 74, sowie eine kapazitive Schicht/kapazitive Schichten 75 auf. Der Träger 74 und die Metallschichten 72 und 73 sowie die Widerstandsschicht 71 sind in gleicher Weise angeordnet wie in den Ausführungsformen gemäß 6 und 7, sodass sich weitere Ausführungen hierzu erübrigen.
Die siebte Ausführungsform unterscheidet sich von der fünften und sechsten Ausführungsform durch die kapazitive Schicht 75, die zum einen angeordnet ist zwischen der zweiten Metallschicht 73.2 und 73.3 und der ersten Metallschicht 72, d. h. im Wesentlichen koplanar zu der Widerstandsschicht 71, sowie zwischen den zweiten Metallschichtabschnitten 73.2 und 73.1 bzw. 73.1 und 73.3. Die siebte Ausführungsform weist keinen getrennten Begrenzungsraum auf wie in 6 mit Bezugszeichen 56 und in 7 mit Bezugszeichen 66 bezeichnet. Die kapazitive Schicht 75 verläuft nicht nur in der Ebene der Widerstandsschicht 71 sondern auch in der Ebene der zweiten Metallschicht 73. Sie füllt praktisch auch die Räume 56, 66 aus. Ersatzschaltbildmäßig entspricht die siebte Ausführungsform der sechsten Ausführungsform.
Die zuvor beschriebenen Messwiderstände mit vertikalem Stromfluss ermöglichen eine leichte Integration in ein, Halbleitergehäuse. Die erste Metallschicht kann eine Rückseitenmetallisierung eines Halbleiter-Die umfassen. Die erste Metallschicht kann eine Halbleiter-Kontaktfläche umfassen, auf die ein Halbleiter-Die aufgelötet wird. Die zweite Metallschicht kann einen Leiterrahmen umfassen. Die zweite Metallschicht kann ein Leiterrahmen sein. Es ist also möglich, auf einen Leiterrahmen zunächst eine Widerstandsschicht und wahlweise zusätzlich eine kapazitive Schicht aufzubringen. Die Widerstandsschicht kann so strukturiert sein, dass sie einen definierten Widerstandswert aufweist wie zuvor beschrieben. Auf die Widerstandsschicht und gegebenenfalls die kapazitive Schicht kann dann die zweite Metallschicht aufgebracht werden, auf die in herkömmlicher Art ein Leistungsbauelement aufgebracht wird. Die Aufbringung kann ein Auflöten, Aufkleben oder eine andere Aufbringungsart umfassen. Anschließend kann der Leistungshalbleiter zusammen mit dem integrierten Messwiderstand gehäust werden. Der Messwiderstand befindet sich dann bereits innerhalb des Gehäuses im Strompfad und kann über den Leiterrahmen kontaktiert werden. Damit umfasst ein Halbleitergehäuse oder Halbleiter-Package bereits einen Messwiderstand. In diesem Fall kann auch auf den Träger 34, 44, 54, 64, 74 verzichtet werden.
In einer anderen Ausführungsform ist der Messwiderstand in eine gedruckte Leiterplatte (printed circuit board – PCB) integriert bzw. eingebettet. In einer derartigen Ausführungsform können die erste Metallschicht und/oder die zweite Metallschicht Metallschichten der gedruckten Leiterplatte darstellen.
Im Weiteren werden anhand der 9 bis 16 Ausführungsformen beschrieben, denen ein horizontaler Stromfluss zugrunde liegt.
9 zeigt schematisch einen Messwiderstand 80 gemäß einer achten Ausführungsform in Draufsicht und in Seitenansicht. Messwiderstand 80 umfasst eine Widerstandsschicht 81, die eine Dicke d aufweist, eine erste Metallschicht 82, eine zweite Metallschicht 83 und einen Träger 84. Die Widerstandsschicht 81 hat eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche, die durch die Dicke d der Widerstandsschicht voneinander beabstandet sind. Die erste Metallschicht 82 ist auf der oberen Oberfläche der Widerstandsschicht 81 angeordnet. Sie bildet einen ersten elektrischen Kontakt. Die zweite Metallschicht 83 ist ebenfalls auf der oberen Oberfläche der Widerstandsschicht 81 angeordnet. Sie bildet einen zweiten elektrischen Kontakt. Die erste Metallschicht 82 und die zweite Metallschicht 83 sind so angeordnet, dass sie einander nicht berühren und auf einer ersten Breite b einen ersten Abstand l zueinander aufweisen. Der Abstand 1 ist kleiner als die Breite b.
Ein in den ersten elektrischen Kontakt 82 eingekoppelter oder eingespeister elektrischer Strom wird den Abstand zwischen der ersten Metallschicht 82 und der zweiten Metallschicht 83 innerhalb der Widerstandsschicht 81 überwinden. Das heißt, der elektrische Strom wird über die Breite b in die Widerstandsschicht 81 eingekoppelt und über die Länge l durch die Widerstandsschicht fließen. Der Stromfluss erfolgt parallel zur Schichtausdehnung. Der Strom wird über die Breite b in den zweiten elektrischen Kontakt 83 einkoppeln. Dadurch dass die Breite b deutlich größer ist als die Länge l weist der Widerstand eine geringe parasitäre Induktivität auf.
Die Widerstandsschicht 81 kann auf dem Träger 84 angeordnet sein. Der Träger 84 kann, wie zuvor ausgeführt, beispielsweise aus dem Material FR4 sein. In einer Ausführungsform kann auf der unteren Oberfläche der Widerstandsschicht 81 eine bedruckte Leiterplatte angeordnet sein.
10 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Messwiderstandes 90 gemäß einer neunten Ausführungsform mit horizontalem Stromfluss. Der Messwiderstand 90 weist eine Widerstandsschicht 91, eine erste Metallschicht 92 sowie eine zweite Metallschicht 93 einen Träger 94 und Abstandsraum 95 auf. Für die Widerstandsschicht 91 gilt das zuvor Gesagte für ihre Dicke und die Materialauswahl. Die elektrischen Kontakte 92 und 93 sind so angeordnet wie mit Bezug auf 9 für die elektrischen Kontakte 82 und 83 der achten Ausführungsform beschrieben.
Die neunte Ausführungsform unterscheidet sich von der achten Ausführungsform dahingehend, dass der Träger 94, bei dem es sich um eine Leiterplatte handeln kann, an den elektrischen Kontakten 92 und 93 an der der Widerstandsschicht abgewandten Oberfläche angeordnet ist. Ein Abstandsraum 95 zwischen der ersten Metallschicht 92 und der zweiten Metallschicht 93 kann frei, d. h. mit Luft gefüllt sein, oder mit einem geeigneten elektrisch nicht leitendem Füllmaterial gefüllt sein.
11 zeigt einen Messwiderstand 100 in einer schematischen Seitenansicht gemäß einer zehnten Ausführungsform mit horizontalem Stromfluss. Der Messwiderstand 100 weist eine Widerstandsschicht 101.1, 101.2, einen ersten elektrischen Kontakt 102, einen zweiten elektrischen Kontakt 103 und einen Träger 104 auf. Die Anordnung der einzelnen Teile zueinander entspricht der Anordnung wie sie in 10 für die neunte Ausführungsform dargestellt ist. Nähere Ausführungen hierzu erübrigen sich daher.
Die zehnte Ausführungsform unterscheidet sich von der neunten Ausführungsform dadurch, dass der Leerraum 95 der neunten Ausführungsform in der zehnten Ausführungsform durch eine weitere Widerstandsschicht gefüllt ist. Damit kann ein am ersten elektrischen Kontakt angelegter elektrischer Strom auch über eine Seitenfläche in den Widerstandsbereich einkoppeln. Der Widerstandsbereich, der im Wesentlichen koplanar zu den Metallschichten 102 und 103 liegt, ist mit dem Bezugszeichen 101.2 bezeichnet. Darüber liegt mit dem Bezugszeichen 101.1 gekennzeichnet die Widerstandsschicht, die eine obere Oberfläche der ersten Metallschicht und eine obere Oberfläche der zweiten Metallschicht 103 sowie eine obere Oberfläche der Widerstandsschicht 101.2 kontaktiert. Die Widerstandsschichten 101.1 und 101.2 können aus dem gleichen Material bestehen oder aus unterschiedlichem Material.
12 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Messwiderstandes 110 gemäß einer elften Ausführungsform mit horizontalem Stromfluss. Der Messwiderstand 110 weist eine Widerstandsschicht 111 und einen Träger 114 auf, auf dem zwei Metallschichten 112 und 113 angeordnet sind. Die Anordnung des Trägers 114 und der Metallschichten 112 und 113 zueinander entspricht der Anordnung der Träger 94, 104 zu den Metallschichten 92, 102 und 93, 103 in den Ausführungsformen 9 und 10 (10 und 11). Die Widerstandsschicht 111 ist auf die oberen Oberflächen der Metallschichten 112 und 113 sowie auf die freiliegende obere Oberfläche des Trägers 114 aufgebracht. Eine derartige Struktur ergibt sich beispielsweise beim Auflaminieren einer Widerstandsfolie. Sie kann aber auch durch einen anderen Beschichtungsvorgang entstehen.
Für die Dimensionierung und die Materialauswahl der Widerstandsschicht 111 gilt das bereits zuvor Ausgeführte.
Damit ist sowohl in der zehnten Ausführungsform, wie in 11 dargestellt, als auch in der elften Ausführungsform, wie in 12 dargestellt, der Zwischenraum zwischen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht über die Breite b und den Abstand l durch eine Widerstandsschicht ausgefüllt.
13 zeigt einen Messwiderstand 120 in einer schematischen Seitenansicht gemäß einer zwölften Ausführungsform mit horizontalem Stromfluss. Messwiderstand 120 umfasst eine Widerstandsschicht 121, eine erste Metallschicht 122, eine zweite Metallschicht 123 und einen Träger 124, sowie eine dritte Metallschicht 127 und eine vierte Metallschicht 128. Die zwölfte Ausführungsform baut auf der elften Ausführungsform auf. Die Anordnung des Trägers 124, der Metallschichten 122 und 123 sowie der Widerstandsschicht 121 entsprechen der Anordnung der entsprechenden Elemente 114, 112, 113 und 111.
Die zwölfte Ausführungsform unterscheidet sich von der elften Ausführungsform durch die dritte Metallschicht 127, die auf der oberen Oberfläche der Widerstandsschicht gegenüber der ersten Metallschicht angeordnet ist und durch die vierte Metallschicht 128, die auf der oberen Oberfläche der Widerstandsschicht gegenüber der zweiten Metallschicht angeordnet ist. Die dritte Metallschicht 127 und die vierte Metallschicht 128 berühren einander nicht. Sie liegen sich auf einer Breite b₂, die kleiner oder gleich ist der ersten Breite b gegenüber mit einem zweiten Abstand l₂, der größer oder gleich ist dem ersten Abstand l. In vorteilhafter Weise kann damit die Stromeinkopplung in die Widerstandsschicht von zwei Seiten erfolgen, nämlich über die erste Metallschicht 122 und die dritte Metallschicht 127. Entsprechend kann die Auskopplung aus der Widerstandsschicht über zwei Metallschichten, nämlich die zweite Metallschicht 123 und die vierte Metallschicht 128, erfolgen. Bei Hochstromanwendungen mit Strömen im Bereich von 1 A bis zu mehreren hundert Ampere liegt eine hohe thermische Belastung der Bauelemente vor. Durch eine Vergrößerung der Einkoppelfläche oder Kontaktfläche zwischen Metall- und Widerstandsschicht wird diese thermische Belastung gemindert.
14 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Messwiderstand 130 gemäß einer dreizehnten Ausführungsform mit horizontalem Stromfluss. Der Messwiderstand 130 umfasst einen Träger 134, bei dem es sich wieder um eine Leiterplatte, z. B. aus FR4 oder ähnliches handeln kann. Auf dem Träger 134 sind ein erster elektrischer Kontakt 132 und ein zweiter elektrischer Kontakt 133 aufgebracht. Die beiden elektrischen Kontakte 132 und 133 sind voneinander beabstandet und durch einen Abstandsraum 136 voneinander getrennt. Für den Abstand der beiden elektrischen Kontakte voneinander gilt das zuvor Gesagte entsprechend. Das heißt, sie liegen sich auf einer Breite b in einem Abstand l gegenüber, wobei b sehr viel größer als l ist. Auf einer Oberfläche der Metallschichten 132 und 133, die den Träger 134 abgewandt ist, ist eine Widerstandsschicht 131 angeordnet. Für diese Widerstandsschicht gilt das zuvor Gesagte. Ein elektrischer Strom wird demgemäß von dem elektrischen Kontakt 132 in die Widerstandsschicht 131 eingekoppelt und über den elektrischen Kontakt 133 wieder ausgekoppelt.
Auf einer Oberfläche der Widerstandsschicht 131, die den elektrischen Kontakt 132 und 133 abgewandt ist, ist eine kapazitive Schicht 135 angeordnet. Bei der kapazitiven Schicht 135 kann es sich um eine Kapazitätsfolie handeln. Für die Kapazitätsfolie gilt das zuvor mit Bezug auf die Ausführungsformen mit vertikalem Stromfluss Gesagte. Auf der Kapazitätsschicht 135 ist ein weiterer, dritter elektrischer Kontakt 139 angeordnet. Die Metallschicht 139 ist demgemäß auf einer Oberfläche der Kapazitätsschicht 135 angeordnet, die der Widerstandsschicht 131 abgewandt ist.
Im Ersatzschaltbild wird mit dieser Anordnung eine Ankopplung von Kapazitäten C an den Widerstand R ähnlich der sechsten und siebten Ausführungsform erreicht. Anders als in der sechsten und siebten Ausführungsform liegt hier jedoch die kapazitive Schicht nicht allein zwischen zwei elektrischen Kontakten sondern die Widerstandsschicht ist in Reihe mit der kapazitiven Schicht angeordnet. Damit liegt eine R-C-Reihenschaltung zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 132 und dem dritten elektrischen Kontakt 139, und eine R-C-Reihenschaltung liegt zwischen dem zweiten elektrischen Kontakt 133 und dem dritten elektrischen Kontakt 139.
15 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Messwiderstand 140 gemäß einer vierzehnten Ausführungsform mit horizontalem Stromfluss. Der Messwiderstand 140 umfasst eine Widerstandsschicht 141, einen ersten elektrischen Kontakt 142, einen zweiten elektrischen Kontakt 143, einen ersten Träger 144.1 und einen zweiten Träger 144.2, kapazitive Schichten 145.1 und 145.2, einen ersten Abstandsraum 146.1, einen zweiten Abstandsraum 146.2 und einen dritten elektrischen Kontakt 149.
Auf dem ersten Träger 144.1 sind zwei Metallschichten 142 und 143 zueinander beabstandet angeordnet als erster und zweiter elektrischer Kontakt angeordnet. Der Abstandsraum 146.1 zwischen den beiden Metallschichten 142 und 143 kann durch ein nicht elektrisch leitendes Füllmaterial gefüllt sein oder frei bleiben. Auf den koplanaren Metallschichten 142 und 143 ist wie in der vorangegangenen Ausführungsform die Widerstandsschicht 141 angeordnet, die den Abstandsraum 146.1 überbrückt. Die Dimensionierung von Breite b und Länge l entspricht den Ausführungen in den anderen zuvor genannten Ausführungsformen.
Auf der den elektrischen Kontakten 142 und 143 abgewandten Seite der Widerstandsschicht 141 sind kapazitive Schichten 145.1 und 145.2 angeordnet, die voneinander beabstandet sind. Zwischen der kapazitiven Schicht 145.1 und der kapazitiven Schicht 145.2 liegt der zweite Abstandsraum 146.2, der wiederum durch ein elektrisch nicht leitendes Füllmaterial gefüllt sein kann. Auf den koplanaren kapazitiven Schichten 145.1 und 145.2 ist der dritte elektrische Kontakt 149 als durchgehende Metallschicht angeordnet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist auf dem dritten elektrischen Kontakt 149 ein weiterer Träger, der zweite Träger 144.2 angeordnet. Dieser zweite Träger 144.2 ist fakultativ. Mit dem zweiten Träger 144.2 kann der vorliegende Messwiderstand beispielsweise auch in einer Mehrschicht-Leiterplatte eingebettet sein. Auch in der vierzehnten Ausführungsform wird durch die Kapazitätsschichten 145.1, 145.2 eine Serienschaltung der Widerstandsschicht 141 und der kapazitiven Schicht 145.1 zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 142 und dem dritten elektrischen Kontakt 149 bzw. eine Serienschaltung der Widerstandsschicht 141 und der kapazitiven Schicht 145.2 zwischen dem zweiten elektrischen Kontakt 143 und dem dritten elektrischen Kontakt 149 erreicht. Dieses so gebildete RC-Filter kann gezielt die Bandbreite des Messwiderstandes beeinflussen. An der Dimensionierung des Messwiderstandes über die Dicke der Widerstandsschicht 141, den Abstand l zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 142 und dem zweiten elektrischen Kontakt 143 und die Breite auf der sich die beiden elektrischen Kontakte gegenüberstehen, ändert sich in der vorliegenden vierzehnten Ausführungsform nichts.
16 zeigt einen Messwiderstand 150 in einer schematischen Seitenansicht gemäß einer fünfzehnten Ausführungsform mit horizontalem Stromfluss. Der Messwiderstand 150 umfasst eine Widerstandsschicht 151, einen ersten elektrischen Kontakt 152, einen zweiten elektrischen Kontakt 153, einen Träger 154, kapazitive Schichten 155.1 und 155.2, einen Abstandsraum 156, und einen strukturierten dritten elektrischen Kontakt 159.1, 159.2. Auf dem Träger 154 sind in bereits bekannter Weise gemäß den anderen Ausführungsformen der erste elektrische Kontakt 152 beabstandet zu dem zweiten elektrischen Kontakt 153 angeordnet. Zwischen den beiden koplanaren elektrischen Kontakten ist ein Abstandsraum 156 der Breite b und der Länge l gebildet. Der Abstandsraum 156 kann durch ein elektrisch nicht leitendes Füllmaterial gefüllt sein.
Auf den elektrischen Kontakten 152 und 153 sowie gegebenenfalls auf dem Füllmaterial 155 ist die Widerstandsschicht 151 angeordnet. Auf der Widerstandsschicht 151 sind entsprechend der Anordnung in der vierzehnten Ausführungsform zwei kapazitive Schichtabschnitte 155.1 und 155.2 voneinander beabstandet angeordnet. Anders als in der vierzehnten Ausführungsform sind in der fünfzehnten Ausführungsform nur auf den kapazitiven Schichten 155.1 und 155.2 elektrische Kontakte 159.1 und 159.2 angeordnet. Das heißt, die elektrischen Kontakte 159.1 und 159.2 sind voneinander beabstandet und berühren sich nicht. Damit sind zwei getrennte RC-Filter gebildet, die an unterschiedliche Potentiale angekoppelt werden können bzw. an unterschiedliche Metallschichten.
17 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Um einen Messwiderstand für Hochstrommessungen herzustellen, ist zunächst eine Widerstandsschicht bereitzustellen, die einen spezifischen Flächenwiderstand aufweist. Die Widerstandsschicht hat eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche, die durch eine Dicke der Widerstandsschicht voneinander beabstandet sind. Das Material der Widerstandsschicht und die Dicke der Widerstandsschicht definieren den spezifischen Flächenwiderstand. Der zu erzielende Widerstandswert des Messwiderstandes ist dabei kleiner als der spezifische Flächenwiderstand der Widerstandsschicht. Der Widerstandswert des Messwiderstands wird durch die Widerstandsschicht definiert. Das Verfahren umfasst ferner das Bereitstellen einer ersten Metallschicht und einer zweiten Metallschicht. Die erste Metallschicht dient als erster elektrischer Kontakt und beispielsweise zum Einspeisen eines elektrischen Stroms in die Widerstandsschicht. Die zweite Metallschicht dient als zweiter elektrischer Kontakt und beispielsweise zum Auskoppeln des elektrischen Stroms aus der Widerstandsschicht.
Das Verfahren stellt zwei alternative Wege zur Herstellung des Messwiderstandes bereit. Gemäß dem in 17 linken Zweig wird die erste Metallschicht auf der oberen Oberfläche der Widerstandsschicht angeordnet, während die zweite Metallschicht auf der unteren Oberfläche der Widerstandsschicht gegenüber der ersten Metallschicht angeordnet wird. Damit wird ein Messwiderstand hergestellt, der den zuvor definierten vertikalen Stromfluss aufweist. Der Strom fließt senkrecht zur Ausdehnung der Widerstandsschicht.
In der zweiten Alternative gemäß dem rechten Zweig in 17 werden die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht auf der oberen Oberfläche oder auf der unteren Oberfläche, jedenfalls auf der gleichen Oberfläche der Widerstandsschicht angeordnet. Die erste Metallschicht bildet wiederum einen ersten elektrischen Kontakt zum Einkoppeln eines elektrischen Stroms und die zweite Metallschicht bildet wiederum einen zweiten elektrischen Kontakt zum Auskoppeln des elektrischen Stroms. Die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht berühren einander nicht. Sie weisen auf einer ersten Breite b einen ersten Abstand l zueinander auf, wobei der erste Abstand l kleiner ist als die erste Breite b. Diese geometrische Vorgabe führt dazu, dass der Stromfluss durch die Widerstandsschicht über eine kurze Länge im Verhältnis zu der Breite des Stromflusses oder des geschaffenen Strompfades fließt. Damit wird eine sehr niedrige parasitäre Induktivität erzeugt. Das wirkt sich unmittelbar auf die Bandbreite aus, die mit dem erfindungsgemäßen Messwiderstand im Gigahertz-Bereich liegt.
In einer Ausführungsform kann zusätzlich eine kapazitive Schicht mit einer Dielektrizitätskonstante, bzw. relativen Permittivität zwischen etwa 4 und etwa 5 bereitgestellt werden. Die relative Permittivität kann insbesondere einen Wert von etwa 4,4 aufweisen. Die kapazitive Schicht kann im Wesentlichen koplanar zu der Widerstandsschicht angeordnet werden und in Ausführungsformen strukturiert werden. Die kapazitive Schicht kann mit der Widerstandsschicht eine Folie bilden. Die kapazitive Schicht wird so angeordnet, dass sie zwischen zwei elektrischen Kontakten zu liegen kommt. Durch die kapazitive Schicht ist es möglich, Kapazitäten an den Messwiderstand zu koppeln, mit denen die Bandbreite der Schaltung beeinflusst werden kann. Hiermit können beispielsweise ungewünschte Schwingungseffekte, z. B. im Oberwellenbereich, verhindert werden.
Sowohl bei den Ausführungsformen mit vertikalem Stromfluss als auch bei den Ausführungsformen mit horizontalem Stromfluss ist eine relativ große Kontaktfläche zwischen dem einkoppelnden und dem auskoppelnden elektrischen Kontakt und der Widerstandsschicht möglich. Diese vergrößerte Kontaktfläche verbessert das thermische Verhalten im Vergleich zum Stand der Technik. Die Dicke der Metallschichten bzw. der elektrischen Kontakte können zwischen 35 μm und 105 μm liegen. Um eine bessere Entwärmung zu gewährleisten, können die Schichtdicken bei 150 μm liegen.
18 zeigt schematisiert ein Halbleiterpackage 180 gemäß einer ersten Ausführungsform. Bei dem Halbleiterpackage 180 kann es sich um ein laminiertes Package handeln. Ein beispielhaftes laminiertes Package ist beispielsweise das sogenannte ”Blade” Package von Infineon. Das Halbleiterpackage 180 umfasst eine Widerstandsschicht 181, die zwischen einem ersten elektrischen Kontakt 182 und einem zweiten elektrischen Kontakt 183 angeordnet ist. Das Halbleiterpackage 180 umfasst ferner einen Träger 184, einen dritten elektrischen Kontakt 185, einen vierten elektrischen Kontakt 186, einen zweiten Träger 187 und einen Halbleiter-Die oder Halbleiter-Chip 188.
Der erste Träger 184 kann ein FR4-Substrat sein. Der erste Träger kann auch aus einem anderen geeigneten Material sein. Der zweite elektrische Kontakt 183 ist auf dem ersten Träger 184 angeordnet. Der erste Träger 184 kann auf einer Rückseite, die dem zweiten elektrischen Kontakt 183 abgewandt ist, eine Metallschicht 189 aufweisen, die über Durchkontaktierungen 190 mit dem zweiten elektrischen Kontakt 183 verbunden ist.
Der erste elektrische Kontakt 182 ist mit einer von der Widerstandsschicht 181 abgewandten Seite mit einer ersten Seite des Halbleiter-Dies 188 verbunden. Eine zweite Seite des Halbleiter-Dies 188, die der ersten Seite gegenüberliegt, ist mit dem dritten elektrischen Kontakt 185 und dem vierten elektrischen Kontakt 186 verbunden. Über dem dritten elektrischen Kontakt 185 und dem vierten elektrischen Kontakt 186 ist der zweite Träger 187 angeordnet. Der zweite Träger 187 kann ein FR4-Substrat sein. Der zweite Träger 187 kann auch aus einem anderen geeigneten Material sein.
Der Halbleiter-Die 188 ist zwischen den zwei Trägern 184 und 187 angeordnet. Bei dem Halbleiter-Die kann es sich um einen MOS Feldeffekt-Leistungstransistor handeln. Der erste elektrische Kontakt 182 kann ein Drain-Kontakt 182 sein. Der dritte elektrische Kontakt 185 kann ein Gate-Kontakt 185 sein und der vierte elektrische Kontakt 186 kann ein Source-Kontakt 186 sein.
Zwischen dem Drain-Kontakt 182 und einem äußeren elektrischen Kontakt, der gebildet ist aus dem zweiten elektrischen Kontakt 183 und der Metallschicht 189, ist die Widerstandsschicht 181 geschaltet, die als Messwiderstand dient. Der Messwiderstand 181 ist direkt in das Halbleiterpackage 180 integriert und ein Spannungsabfall über dem Messwiderstand kann über die Kontakte 182 und 183 abgegriffen werden.
Der Halbleiter-Chip 188 kann auch zwei MOSFET-Transistoren als Abwärtswandler verschaltet umfassen. Der Halbleiter-Chip 188 kann auch zwei MOSFET-Transistoren und einen Controller umfassen, die mit dem Messwiderstand wie in 1 dargestellt verschaltet sind.
19 zeigt schematisiert ein Halbleiterpackage 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Bei dem Halbleiterpackage 200 kann es sich um ein Mold Package oder Vergussgehäuse handeln. Ein beispielhaftes Mold Package ist das sogenannte eWLB Package von Infineon. Das Halbleiterpackage 200 umfasst eine Widerstandsschicht 201, einen ersten elektrischen Kontakt 202, einen zweiten elektrischen Kontakt 203, einen dritten elektrischen Kontakt 205 und einen vierten elektrischen Kontakt 206, einen Halbleiter-Die oder Halbleiter-Chip 208, eine Vergussmasse 204 sowie eine Umverdrahtungsschicht 207.
Auf einer ersten Seite des Halbleiter-Chip 208 ist der erste elektrische Kontakt 202 angeordnet und auf einer zweiten Seite des Halbleiter-Chip 208, die der ersten Seite gegenüberliegt, sind der dritte elektrische Kontakt 205 und der vierte elektrische Kontakt 206 angeordnet. Bei dem zweiten elektrischen Kontakt kann es sich um einen Drain-Kontakt 202 handeln, bei dem dritten elektrischen Kontakt kann es sich um einen Gate-Kontakt 205 handeln und bei dem vierten elektrischen Kontakt kann es sich um einen Source-Kontakt 206 handeln.
Die Widerstandsschicht 201, die einen Messwiderstand bildet, liegt zwischen dem Drain-Kontakt 202 und dem zweiten elektrischen Kontakt 203, der einen äußeren Kontakt bildet. Der zweite elektrische Kontakt 203 ist von einer Unterseite des Halbleiterpackage 200 auf eine Vorderseite des Halbleiterpackage 200 geführt.
Die Vergussmasse 204 kapselt den Chip und die Kontakte zumindest an Seitenflächen des Halbleiterpackage 200. Die Umverdrahtungsschicht 207 erstreckt sich über den Gate-Kontakt 205, den Source-Kontakt 206, den nach oben geführte äußeren Kontakt 203 und die Vergussmasse 204.
Wie hierin verwendet, ist in dem Ausmaß, in dem Ausdrücke wie etwa ”enthalten”, ”haben”, ”mit” oder Varianten davon entweder in der ausführlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, zu verstehen, dass solche Ausdrücke auf eine Weise ähnlich den Ausdrücken ”umfassen”, ”aufweisen” einschließend sein sollen. Der Ausdruck ”beispielhaft” soll lediglich ein Beispiel anstatt das beste oder optimale Beispiel gemäß irgendeinem gegebenen Kriterium bezeichnen.
Wenngleich ein bestimmtes Merkmal oder ein bestimmter Aspekt einer Ausführungsform der Erfindung bezüglich nur einer von mehreren Implementierungen offenbart worden sein mag, kann ein derartiges Merkmal oder ein derartiger Aspekt mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie dies für eine beliebige gegebene oder bestimmte Anwendung erwünscht und vorteilhaft sein mag.
Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, versteht der Fachmann, dass viele Modifikationen vorgenommen werden können, Adaptionen durchgeführt werden können und Varianten implementiert werden können, angesichts der gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sollen alle derartigen Modifikationen, Adaptionen und Variationen der hierin erörterten spezifischen Ausführungsformen abgedeckt sein und die Erfindung nur durch das Konzept der Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Messwiderstand für Hochstrommessungen, der einen definierten Widerstandswert aufweist, umfassend – eine Widerstandsschicht, die einen spezifischen Flächenwiderstand aufweist, wobei der Widerstandswert des Messwiderstands durch die Widerstandsschicht definiert wird und kleiner ist als der spezifische Flächenwiderstand der Widerstandsschicht.
Messwiderstand nach Anspruch 1, wobei der definierte Widerstandswert in einem Bereich zwischen etwa 100 und etwa 500 mOhm liegt, und wobei der spezifische Flächenwiderstand zwischen 10 und 30 Ohm liegt.
Messwiderstand nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Widerstandsschicht eine Nickel-Phosphor-Legierung umfasst.
Messwiderstand nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Widerstandsschicht eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist, die durch eine Dicke der Widerstandsschicht voneinander beabstandet sind, und wobei auf der oberen Oberfläche eine erste Metallschicht angeordnet ist, und wobei auf der unteren Oberfläche eine zweite Metallschicht gegenüber der ersten Metallschicht angeordnet ist und ein von dem Messwiderstand zu messender Strom durch die Dicke der Widerstandschicht von der ersten Metallschicht zur zweiten Metallschicht fließt.
Messwiderstand nach Anspruch 4, ferner umfassend wenigstens eine kapazitive Schicht, wobei die kapazitive Schicht eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist, die durch eine Dicke der kapazitiven Schicht voneinander beabstandet sind, und die kapazitive Schicht im wesentlichen koplanar zu der Widerstandsschicht angeordnet ist und sich die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht auch über die kapazitive Schicht erstrecken.
Messwiderstand nach Anspruch 5, wobei die Widerstandsschicht und die kapazitive Schicht voneinander beabstandet sind.
Messwiderstand nach einem der Ansprüche 5 und 6, wobei die zweite Metallschicht strukturiert ist, und ein erster Teil der zweiten Metallschicht, der auf der kapazitiven Schicht angeordnet ist, von einem zweiten Teil der zweiten Metallschicht, der auf der Widerstandsschicht angeordnet ist, beabstandet ist.
Messwiderstand nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die zweite Metallschicht einen Leiterrahmen umfasst und wobei die erste Metallschicht eine Rückseitenmetallisierung eines Halbleiter-Die umfasst.
Halbleiterpackage umfassend einen Messwiderstand nach Anspruch 8.
Messwiderstand nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die zweite Metallschicht auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) angeordnet ist.
Messwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Widerstandsschicht eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist, die durch eine Dicke der Widerstandsschicht voneinander beabstandet sind, ferner umfassend – eine erste Metallschicht, die auf der oberen Oberfläche der Widerstandsschicht angeordnet ist und einen ersten elektrischen Kontakt bildet, und – eine zweite Metallschicht, die auf der oberen Oberfläche der Widerstandsschicht angeordnet und einen zweiten elektrischen Kontakt bildet, wobei die erste und die zweite Metallschicht so angeordnet sind, dass sie einander nicht berühren und auf einer ersten Breite b einen ersten Abstand 1 zueinander aufweisen, wobei der erste Abstand 1 kleiner ist als die erste Breite b.
Messwiderstand nach Anspruch 11, wobei ein durch die erste Breite b und den ersten Abstand 1 definierter Zwischenraum zwischen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht durch die Widerstandsschicht gefüllt ist.
Messwiderstand mach Anspruch 11, wobei ein durch die erste Breite b und den ersten. Abstand 1 definierter Zwischenraum zwischen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht durch eine weitere Widerstandsschicht gefüllt ist.
Messwiderstand mach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei auf der unteren Oberfläche der Widerstandsschicht und/oder auf einer der Widerstandsschicht abgewandten Oberfläche der ersten und der zweiten Metallschicht eine gedruckte Leiterplatte (PCB) angeordnet ist.
Messwiderstand mach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner umfassend – eine dritte Metallschicht, die auf der unteren Oberfläche der Widerstandsschicht gegenüber der ersten Metallschicht angeordnet ist, und – eine vierte Metallschicht, die auf der unteren Oberfläche der Widerstandsschicht gegenüber der zweiten Metallschicht angeordnet ist, wobei die dritte und die vierte Metallschicht einander nicht berühren und auf einer zweiten Breite, die kleiner oder gleich der ersten Breite b ist, einen zweiten Abstand zueinander aufweisen, der größer oder gleich dem ersten Abstand l ist.
Messwiderstand nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei eine kapazitive Schicht auf der unteren Oberfläche der Widerstandsschicht angeordnet ist und eine fünfte Metallschicht auf einer der Widerstandsschicht abgewandten Seite der kapazitiven Schicht angeordnet ist.
Messwiderstand mach Anspruch 16, wobei die kapazitive Schicht strukturiert ist und auf der Widerstandsschicht im Bereich eines durch die erste Breite b und den ersten Abstand l definierten Zwischenraums keine kapazitive Schicht angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Messwiderstands für Hochstrommessungen, der einen definierten Widerstandswert aufweist, umfassend – Bereitstellen einer Widerstandsschicht, die eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist, die durch eine Dicke der Widerstandsschicht voneinander beabstandet sind, wobei die Widerstandsschicht einen spezifischen Flächenwiderstand aufweist, und wobei der Widerstandswert des Messwiderstands durch die Widerstandsschicht definiert wird und kleiner ist als der spezifische Flächenwiderstand der Widerstandsschicht; und – Bereitstellen einer ersten Metallschicht und einer zweiten Metallschicht, wobei – die erste Metallschicht auf der oberen Oberfläche der Widerstandsschicht und die zweite Metallschicht auf der unteren Oberfläche der Widerstandsschicht gegenüber der ersten Metallschicht angeordnet wird; oder – die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht auf der oberen Oberfläche der Widerstandsschicht angeordnet werden, wobei sie einander nicht berühren und auf einer ersten Breite b einen ersten Abstand l zueinander aufweisen, wobei der erste Abstand l kleiner ist als die erste Breite b.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend – Bereitstellen einer kapazitiven Schicht; und – Anordnen der kapazitiven Schicht im wesentlichen koplanar zu der Widerstandsschicht, die sich zwischen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht erstreckt, wobei die erste und zweite Metallschicht sich auch über die kapazitive Schicht erstrecken; oder – Anordnen der kapazitiven Schicht auf der unteren Oberfläche der Widerstandsschicht, wenn die erste und die zweite Metallschicht auf der oberen Oberfläche der Widerstandsschicht angeordnet sind und Anordnen einer fünften Metallschicht auf einer der Widerstandsschicht abgewandten Seite der kapazitiven Schicht angeordnet ist.
Messwiderstand für Hochstrommessungen, umfassend – einen Widerstandsbereich – einen ersten elektrischen Kontakt und einen zweiten elektrischen Kontakt, die den Widerstandsbereich kontaktieren und so angeordnet sind, dass ein zu messender elektrischer Hochstrom über einen Strompfad durch den Widerstandsbereich geleitet werden kann, wobei – eine Länge des Strompfades zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt kürzer ist als eine Breite des Strompfades.