DE102017110869B4 - Bauelement-Überspannungsdetektor - Google Patents

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Abstract

Halbleiteranordnung, die aufweist:
ein Bauelement (110; 410); und
eine Überspannungserkennungsstruktur (112; 412), die einen Strompfad aufweist, der eine mit einer Sicherung (116; 416) in Reihe geschaltete Zenerdiode (114) enthält,
wobei die Zenerdiode (114) dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf einen Überspannungszustand an dem Bauelement (110; 410) einen Strom zu leiten,
wobei die Sicherung (116; 416) dazu ausgebildet ist, den Strompfad der Überspannungserkennungsstruktur (112; 412) als Reaktion darauf, dass die Zenerdiode (114) den Strom leitet, zu unterbrechen,
wobei das Bauelement und die Zenerdiode (114) sich auf demselben Halbleiter-Die befinden und jeweils ein Terminal (450) aufweisen, und
wobei die Sicherung (416) sich außerhalb des Halbleiter-Dies befindet und einen Draht aufweist, der an das Terminal (450) der Zenerdiode angeschlossen ist und das Terminal (450) der Zenerdiode elektrisch mit dem Terminal des Bauelements koppelt.

Description

  • Die folgende Offenbarung betrifft eine Halbleiterbauelement-Überspannungserkennung.
  • Halbleiterbauelemente wie beispielsweise Leistungs-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) und andere derartige Bauelemente einschließlich Dioden werden manchmal in belastenden Anwendungen eingesetzt, die die maximalen durch einen Bauelementhersteller festgelegten Betriebsauflagen übersteigen. Zum Beispiel kann gemäß einer Möglichkeit, Kosten zu reduzieren, ein geringer eingestufte (engl.: „rated“) (und typischerweise billigeres) Halbleiterbauelementbauelement in einem System verwendet werden, das regelmäßig die maximale Nennbelastung der Anordnung überschreitet. Eine belastende Betriebsumgebung kann die Anordnung beschädigen oder verschlechtern und letztendlich bewirken, dass die Anordnung dauerhaft ausfällt. Wenn die Anordnung ausfällt, kann die ausgefallene Anordnung einer Fehleranalyse unterzogen werden.
  • Um eine Analyse einer ausgefallenen oder beschädigten Anordnung angemessen durchzuführen, kann es wünschenswert sein, die Betriebsbedingungen der Anordnung, von der Zeit, die dem Ausfall vorangeht, und während des Ausfalls zu verstehen. Zum Beispiel besteht einer der häufigsten Belastungszustände, die zu einem ausgefallenen Halbleiterbauelement führen können, in einer Überspannung, die die maximale Nennspannung des Bauelements (z.B. zwischen dem Drain und der Source oder dem Kollektor und dem Emitter) übersteigt und bewirkt, dass ein Übergang des Bauelements durchbricht. Während einige Anordnungen der hohen Leistungsdissipation, die als Ergebnis eines derartigen Überspannungszustands kurzzeitig auftreten kann, oftmals widerstehen können, kann ein länger anhaltendes oder wiederholtes Ausgesetztsein einer Überspannung letztlich eine dauerhafte Beschädigung bewirken (z.B. gemäß der Wunsch-Bell-Durchbruchscharakteristik des Bauelements). Wenn ein Bauelement einer Fehleranalyse unterzogen wird, kann es von der visuellen Inspektion und/oder einem anderen Beleg über seinen Ausfall her nicht immer klar sein, ob eine derartige Überspannung aufgetreten ist.
  • Die JP 2007 129 044 A beschreibt eine Überspannungsüberwachungseinrichtung, die eine Zenerdiode und eine in Reihe zu der Zenerdiode geschaltete Sicherung aufweist. Diese Überspannungsüberwachungseinrichtung kann an ein Halbleiterbauelement angeschlossen werden, um eine Überspannung an dem Halbleiterbauelement zu detektieren.
  • Die JP H02- 253 651 A beschreibt eine Anordnung mit einer Reihenschaltung einer Diode und einer Sicherung, wobei diese Reihenschaltung zwischen einen Eingang einer elektronischen Schaltung und Masse geschaltet ist. Die Diode ist dabei so gepolt, dass sie sperrt, wenn eine Spannung am Eingang unterhalb einer Durchbruchsspannung der Diode liegt.
  • Die US 2010/0 090 751 A1 beschreibt eine Sicherung mit einer Silizidschicht und einem Wolframkontakt, die durch Verarmen der Silizidschicht an Silizid und durch Verarmen des Wolframkontakts an Wolfram „programmiert“ werden kann.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine platzsparende Halbleiteranordnung mit einem Bauelement und einer Überspannungserkennungsstruktur und ein Verfahren zum Schutz eines Halbleiterbauelements zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch eine Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.
  • Es werden allgemein Schaltungen und Verfahren zur Bereitstellung eines Halbleiterbauelements mit einem Überspannungserkennungssystem beschrieben, das, wenn ein Überspannungsereignis auftritt, Zustände dauerhaft ändert. Die Zustandsänderung, die als Reaktion auf ein Überspannungsereignis auftritt, kann durch visuelle Inspektion des Halbleiterbauelements erkennbar sein.
  • Die Einzelheiten von einem oder mehr Beispielen werden in den begleitenden Zeichnungen und der folgenden Beschreibung dargelegt. Andere Merkmale, Gegenstände und Vorteile dieser Offenbarung sind aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen erkennbar.
  • 1 ist ein konzeptionelles Diagramm, das ein Beispiel-System zeigt, welches ein Beispiel-Überspannungserkennungssystem enthält, welches dazu ausgebildet ist, Zustände dauerhaft zu ändern, wenn ein Überspannungsereignis auftritt, gemäß einem oder mehr Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
  • 2 ist ein Graph, der Beispiel-Wunsch-Bell-Charakteristiken verschiedener Anordnungen des Beispiel-Systems gemäß 1 zeigt.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, das Operationen zeigt, die durch ein Beispiel-Überspannungserkennungssystem durchgeführt werden, das dazu ausgebildet ist, Zustände dauerhaft zu ändern, wenn ein Überspannungsereignis auftritt, gemäß einem oder mehr Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
  • Die 4A-4C sind konzeptionelle Diagramme, die verschiedene Überspannungserkennungssysteme zeigen, die dazu ausgebildet sind, Umstände dauerhaft zu ändern, wenn ein Überspannungsereignis auftritt, gemäß einem oder mehr Aspekten der vorliegenden Offenbarung, wobei 4C eine anspruchsgemäße Ausführungsform ist.
  • 5 ist ein konzeptionelles Diagramm, das verschiedene Beispiel-Sicherungen eines Beispiel-Überspannungserkennungssystems zeigt, das dazu ausgebildet ist, Umstände dauerhaft zu ändern, wenn ein Überspannungsereignis auftritt, gemäß einem oder mehr Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
  • Allgemein werden Schaltungen und Verfahren zum Bereitstellen einer Halbleiteranordnung mit einem Überspannungserkennungssystem beschrieben, das Zustände dauerhaft ändert, wenn ein Überspannungsereignis auftritt. Die Zustandsänderung, die als Reaktion auf ein Überspannungsereignis auftritt, kann durch visuelle Inspektion der Halbleiteranordnung, ob ein Fehler des Halbleiters auftritt oder nicht, erkennbar sein.
  • Zum Beispiel kann eine Halbleiteranordnung ein Überspannungserkennungssystem als integrierte Struktur, die aus einer mit einer Sicherung in Reihe geschalteten Zenerdiode besteht, enthalten. Die Zenerdiode kann der Sicherung einen Strompfad nur dann zu Verfügung stellen, wenn eine Überspannung zwischen den Drain- und Sourceterminals oder zwischen den Kollektor- und Emitterterminals oder zwischen den Anoden- und Kathodenterminals der Halbleiteranordnung auftritt. Der Strom, der die Sicherung erreicht, kann bewirken, dass die Sicherung durchbrennt und unterbricht und dabei dauerhaft einen Hinweis darauf speichert, dass ein Überspannungsereignis, das zu einer Belastung oder einem Ausfall führen kann, aufgetreten ist. Bei einigen Beispielen kann die Sicherung aus einem Material hergestellt sein, das bewirkt, dass eine Unterbrechung in der Sicherung bei einer Röntgenuntersuchung klar sichtbar ist.
  • Zumindest teilweise wegen seines Designs können die Gesamtkosten für die Integration eines derartigen Überspannungserkennungssystems in eine Halbleiteranordnung minimal sein, was es ermöglicht, dass eine erschwingliche Fehleranalyse aufgrund von Überspannung überall dort durchzuführen, wo eine Röntgenuntersuchung verfügbar ist. Auf diese Weise können Kunden und Hersteller von Halbleiteranordnungen gleichermaßen kostengünstig und schnell bestimmen, ob eine Anordnung zu irgendeinem Punkt in seinem Leben einem Überspannungsereignis ausgesetzt war, unabhängig davon, ob das Überspannungsereignis tatsächlich einen Ausfall des Bauelements bewirkt hat. Da die Sicherung stets nur wegen eines Überspannungszustands unterbrechen kann, kann eine Feststellung, ob ein Überspannungsereignis aufgetreten ist, nahezu mit Sicherheit erfolgen, was es einem Untersuchenden ermöglichen kann, die Betriebsumgebung, in der eine Anordnung ausgefallen sein kann, zu verstehen.
  • 1 ist ein konzeptionelles Diagramm, das ein Beispiel-System zeigt, das ein Beispiel-Überspannungssystem enthält, welches dazu ausgebildet ist, Zustände dauerhaft zu ändern, wenn ein Überspannungsereignis auftritt, gemäß einem oder mehr Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Das System 100 weist ein Bauelement 110 und einen Überspannungsdetektor 112 auf. Der Überspannungsdetektor 112 weist eine Zenerdiode 114 und eine Sicherung 116 auf.
  • Das System 100 kann einen Teil oder sämtliche verschiedene Typen von elektronischen und rechnenden Bauelementen bilden. Es existieren viele Anwendungen für das System 100 und sie umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, Leistungssysteme, Rechensysteme, Automotive-Systeme, andere Transportsysteme, Kommunikationssysteme, sowie jedes andere elektronische System, das auf Halbleiterbauelemente baut, die aufgrund von Überspannungsereignissen ausfallen oder eine Belastung erfahren können.
  • Bei einigen Beispielen ist das System eine einzelne Halbleiteranordnung. Bei anderen Beispielen kann das System 100 mehr als eine Halbleiteranordnung aufweisen. Das Bauelement 110 und der Überspannungsdetektor 112 können auf einem einzigen Halbleiter-Die oder -Körper des Systems 100 gebildet sein. Und bei anderen Beispielen können das Bauelement 110 und ein Teil des Überspannungsdetektors 112 auf einem Halbleiter-Die oder -Körper des Systems 100 gebildet sein, während ein verbleibender Teil des Überspannungsdetektors 112 auf einem anderen Halbleiter-Die oder -Körper gebildet sein kann.
  • Das Bauelement 110 repräsentiert einen beliebigen Typ von Halbleiterbauelement, das aufgrund von Überspannungsereignissen ausfallen oder eine Belastung erfahren kann. Gemäß einigen Beispielen repräsentiert das Bauelement 110 einen Leistungs-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), und gemäß einem anderen Beispiel handelt es sich bei dem Bauelement 110 um einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT). Das Bauelement 110 kann aus verschiedenen Materialbestandteilen wie beispielsweise Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder einer beliebigen anderen Kombination von einem oder mehr Halbleitermaterialien gebildet sein.
  • Das Bauelement 110 weist Terminals 118A, 118B und 118C (hierin gemeinschaftlich als „Terminals 118“ bezeichnet) auf. In Fällen, in denen es sich bei dem Bauelement 110 um einen IGBT handelt, kann es sich bei dem Terminal 118A um ein Gateterminal des Bauelements 110 handeln, und bei den Terminals 118B und 118C kann es sich um Kollektor- und Emitterterminals des Bauelements 110 handeln. Bei einigen Beispielen, bei denen es sich bei dem Bauelement 110 um einen IGBT handelt, kann es sich bei dem Terminal 118B um das Kollektorterminal des Bauelements 110 handeln, und bei dem Terminal 118C kann es sich um das Emitterterminal des Bauelements 110 handeln, während es sich bei anderen Beispielen bei dem Terminal 118B um das Emitterterminal des Bauelements 110 handeln kann, und bei dem Terminal 118C um den Kollektor.
  • In anderen Fällen, bei denen es sich bei dem Bauelement 110 um einen MOSFET handelt, kann es sich bei dem Terminal 118A um das Gateterminal des Bauelements 110 handeln, und bei den Terminals 118B und 118C kann es sich um die Source- und Drainterminals des Bauelements 110 handeln. Bei einigen Beispielen, bei denen das Bauelement 110 ein MOSFET ist, kann es sich bei dem Terminal 118B um das Sourceterminal des Bauelements 110 handeln, und bei dem Terminal 118C kann es sich um das Gateterminal des Bauelements 110 handeln, während es sich bei anderen Beispielen bei dem Terminal 118B um das Gateterminal des Bauelements 110 handeln kann, und bei dem Terminal 118C um die Source.
  • Der Überspannungsdetektor 112 repräsentiert eine Überspannungserkennungsstruktur, die einen Strompfad aufweist, der aus einer mit einer Sicherung 116 in Reihe geschalteten Zenerdioden 114 gebildet ist. Der Überspannungsdetektor 112 repräsentiert eine Überspannungserkennungsstruktur, die zumindest teilweise auf demselben Halbleiter-Die gebildet ist, wie das Bauelement 110.
  • Wie nachfolgend in Bezug auf die zusätzlichen Figuren ausführlicher beschrieben wird, kann der Überspannungsdetektor 112 zumindest teilweise auf demselben Halbleiter-Die wie das Bauelement 110 integriert sein. Auch wenn bei dem in 1 gezeigten Überspannungsdetektor 112 die Sicherung 116 der Zenerdiode 114 folgt, kann die Zenerdiode 114 bei anderen Beispielen der Sicherung 116 folgen.
  • Die Zenerdiode 114 ist dazu ausgebildet, die Funktion, der Sicherung 116 einen Strom zuzuführen, nur im Fall eines Drain/Source- oder Emitter/ Kollektor-Überspannungszustands an dem Bauelement 110 auszuführen, und die Polarität der Zenerdiode 114 kann von der Stromrichtung im Lawinenmodus abhängen. Die Sicherung 116 ist dazu ausgebildet, die Funktion des Durchbrennens durchzuführen, um einen Hinweis darauf, dass eine Überspannung oder ein „Überbelastungs“-Ereignis aufgetreten ist, dauerhaft zu speichern. Die Sicherung 116 kann aus einem Material gemacht sein, das es ermöglicht, dass eine Unterbrechung in dem Material durch Röntgen (oder einer Sichtprüfung unter irgendeiner anderen Inspektion bei einem Lichtspektrum, das sich von dem Lichtspektrum, in dem einige andere Anordnungen des Systems sichtbar sind, unterscheidet) sichtbar ist, und es dabei ermöglichen, dass die Unterbrechung unter Röntgen und ohne das Bauelement zu zerstören oder von seinem Gesamtsystem (z.B. einem PCB-Board oder einer anderen Schaltung oder einem Gehäuse) zu entfernen, erkennbar ist. Die Sicherung 116 schützt die Zenerdiode 114 und verhindert, dass diese aufgrund von Überspannungszuständen zerstört wird. Insbesondere kann die Sicherung 116 die Zenerdiode 114 vor Überspannungszuständen schützen, um jede Möglichkeit auszuschließen, dass der Überspannungsdetektor das Verhalten des Bauelements (z.B. MOSFETs, IGBT, etc.) während des Normalbetriebs beeinflusst.
  • Der Überspannungsdetektor 112 ist elektrisch mit Terminals 118B und 118C des Bauelements 110 gekoppelt, was den Überspannungsdetektor 112 derart gestaltet, dass er Zustände dauerhaft ändert, wenn zwischen den Terminals 118B und 118C des Bauelements 110 ein Überspannungsereignis auftritt. Die Zenerdiode 114 ist dazu ausgebildet, als Reaktion auf einen Überspannungszustand an dem Bauelement einen Strom zu leiten, und die Sicherung 116 ist dazu ausgebildet, den Strompfad des Überspannungsdetektors 112 als Reaktion darauf, dass die Zenerdiode 114 den Strom leitet, zu unterbrechen.
  • In anderen Worten, wenn zwischen den Terminals 118B und 118C eine Spannung auftritt, die die Nennspannung des Bauelements 110 übersteigt oder die Zenerdiode 115 anderweitig triggert, so dass sie zu leiten beginnt, „unterbricht“ die Sicherung 116 dauerhaft und zeichnet dadurch einen dauerhaften Hinweis darauf auf, dass ein Überspannungsereignis aufgetreten ist. Gemäß einigen Beispielen kann das Unterbrechen der Sicherung 116 noch lange nachdem das Überspannungsereignis aufgetreten ist, durch Röntgen erkennbar sein, um den Nachweis zu erbringen, dass das Überspannungsereignis tatsächlich aufgetreten ist.
  • Der Überspannungsdetektor 112 weist Terminals 120A und 120B auf. Wie in 1 gezeigt ist, ist das Terminal 120A mit der Zenerdiode 114 und dem Terminal 118B des Bauelements 110 gekoppelt, und das Terminal 120B ist mit der Sicherung 116 und dem Terminal 118C des Bauelements 110 gekoppelt. Die Zenerdiode 114 und die Sicherung 116 teilen sich eine gemeinsame Verbindung, die sich an keinem der Terminals 120A oder 120B befindet. Gemäß einigen Beispielen kann die Ausrichtung des in 1 gezeigten Überspannungsdetektors 112 so umgedreht werden, dass das Terminal 120A des Bauelements 110 mit der Zenerdiode 114 und dem Terminal 118 des Bauelements 110 gekoppelt ist, und das Terminal 120B des Bauelements 110 mit der Sicherung 116 und dem Terminal 118B des Bauelements 110 gekoppelt ist.
  • Der Überspannungsdetektor 112 kann dazu ausgebildet sein, die Spannung zwischen den Terminals 118B und 118C des Bauelements 110, unabhängig davon, welche Terminals 118B und 118C die Source- und Drainterminals oder die Emitter- und Kollektorterminals repräsentieren, zu detektieren. Zum Beispiel kann der Überspannungsdetektor 112 die Spannung des Bauelements 110 als Source- und Drainspannung (VDS) detektieren, als Drain- und Sourcespannung (VSD), als Kollektor- und Emitterspannung (VCE), oder als Emitter- und Kollektorspannung (VEC). In anderen Worten kann bei einigen Beispielen das Drain des Bauelements 110 mit der Zenerdiode 114 des Überspannungsdetektors 112 gekoppelt sein, und die Source des Bauelements 110 kann mit der Sicherung 116 des Überspannungsdetektors 112 gekoppelt sein. Und bei anderen Beispielen kann die Source des Bauelements 110 mit der Zenerdiode 114 des Überspannungsdetektors 112 gekoppelt sein, und das Drain des Bauelements 110 kann mit der Sicherung 116 des Überspannungsdetektors 112 gekoppelt sein. Bei anderen Beispielen kann der Kollektor des Bauelements 110 mit der Zenerdiode 114 des Überspannungsdetektors 112 gekoppelt sein, und der Emitter des Bauelements 112 kann mit der Sicherung 116 des Überspannungsdetektors 112 gekoppelt sein. Und bei anderen Beispielen kann der Emitter des Bauelements 110 mit der Zenerdiode 114 des Überspannungsdetektors 112 gekoppelt sein, und der Kollektor des Bauelements 110 kann mit der Sicherung 116 des Überspannungsdetektors 112 gekoppelt sein.
  • 2 ist ein Graph, der Beispiel-Wunsch-Bell-Charakteristiken verschiedener Anordnungen des Beispiel-Systems gemäß 1 zeigt. 2 wird im Kontext des Systems 100 gemäß 1 beschrieben. Wunsch-Bell-Charakteristiken basieren auf der Theorie, dass transiente Pulse mit hoher Amplitude und kurzer Dauer die Zerstörung einer elektronischen Anordnung hervorrufen können, und dass das Ausmaß einer Beschädigung, die einem Halbleiterbauelement aufgrund eines transienten Pulses oder eines Überspannungszustands zugefügt wird, unter Verwendung des Wunsch-Bell-Modells für elektrische Überbeanspruchung vorhergesagt werden kann. Gemäß dem Modell ist die Pulsdauer eines Überspannungszustands, einhergehend mit dem in einem Bauelement angefallenen Spitzenstrom und der Spitzenspannung, wichtig bei der Bestimmung des Ausmaßes an Leistung, die erforderlich ist, um zu bewirken, dass ein bipolarer Übergang ausfällt.
  • 2 zeigt die Wunsch-Bell-Charakteristiken des Bauelements 110 und des Überspannungsdetektors 112 bei ihren jeweiligen Durchbruchsspannungen in Relation zu den Wunsch-Bell-Charakteristiken vom Herstellungstest des Bauelements 110. 2 zeigt, dass der Überspannungsdetektor 112 möglicherweise eine ausreichend hohe Nennspannung und Nennleistung aufweisen muss, um in der Lage zu sein, den Spannungen und den zugehörigen Leistungspegeln, denen das Bauelement 110 während eines Produktions- oder Herstellungstests ausgesetzt sein kann, zu widerstehen und von diesen nicht beschädigt zu werden, so dass es nach dem Herstellungstestprozess intakt bleibt. 2 zeigt auch, dass der Überspannungsdetektor 112 bei der Durchbruchspannung möglicherweise ein ausreichend hohes Spannungs- und Leistungsrating aufweisen muss, das den Überspannungsdetektor 112 bei der Durchbruchspannung robuster gestaltet, als das absolute maximale Rating des Bauelements 110, zu dem der Überspannungsdetektor 112 gehört. In anderen Worten, der Überspannungsdetektor 112 kann die Sicherung 116 dazu benötigen, intakt zu bleiben und während der Herstellungstests nicht zu unterbrechen, und er kann die Sicherung 116 ferner dazu benötigen, vor oder zu derselben Zeit, zu der ein Überspannungszustand an dem Bauelement 110 bewirkt, dass das Bauelement 110 ausfällt, durchzubrennen und zu unterbrechen. Die Zenerdiode 114 kann so gewählt sein, dass sie eine bestimmte Durchbruchspannung Vz aufweist, deren Wert von der Durchbruchspannung VD des Bauelements 110 an den Terminals 118B und 118C abhängen und sich von diesem nicht zu sehr unterscheiden darf.
  • In einigen Fällen ist eine Durchbruchspannung Vz der Zenerdiode 114 gleich der Durchbruchspannung VD des Bauelements 110. Zum Beispiel kann das Bauelement 110 ein MOSFET sein und ein Rating VDS/CE_AMR von 40 V aufweisen. Die Drain-Source-Durchbruchspannung VDS_BREAKDOWN des Bauelements 110 kann 55 V betragen. Unter diesen Bedingungen kann das Bauelement 110 so bemessen sein, dass es für eine kurze Dauer und gemäß seiner Wunsch-Bell-Charakteristik maximal 1 A widersteht, was bedingt, dass das Bauelement 110 daher ein Maximalstromrating von etwa 0,8 A besitzt.
  • Um angemessen erkennen und aufzeichnen zu können, wenn ein Überspannungszustand an dem Bauelement auftritt, muss der Überspannungsdetektor 112 möglicherweise schwächer sein als das Bauelement 110, so dass die Sicherung 116, während sie auch ausreichend stark sein muss, um die Herstellungstests zu überstehen, entweder unmittelbar vor der oder zur selben Zeit, zu der das Bauelement 110 bei Überspannungen zerstört wird, zu überleben. Dementsprechend kann die Zenerdiode 114 eine Durchbruchspannung Vz von 55 V aufweisen, so dass diese gleich der Durchbruchspannung VDS_BREAKDOWN des Bauelements 110 ist.
  • Die Zenerdiode 114 kann eine Flächengröße aufweisen, die geringer ist, als die Gesamtfläche des Bauelements 110, und sie kann, verglichen mit dem von dem Bauelement 110 geleiteten Strom, eine anteilige Menge an Strom leiten. Zum Beispiel kann die Größe der von der Zenerdiode 114 beanspruchten Fläche ein Hundertstel der Größe der Fläche des Bauelements 110 betragen, so dass die Zenerdiode 114, wenn sich die Zenerdiode im Lawinenmodus befindet, etwa ein Hundertstel des Stroms des Bauelements 110 leiten kann. Bei diesem Beispiel kann die Sicherung 116 so bemessen sein, dass sie einen Strom von nicht mehr als 8 mA verarbeitet, so dass die Sicherung 116 durchbrennt und unterbricht und dauerhaft einen Hinweis auf das Spannungsüberbeanspruchungsereignis speichert, wenn die Zenerdiode 114 im Lawinenmodus einen Strom leitet, der den Nennstrom des Bauelements 110 übersteigt.
  • Gemäß einigen Beispielen ist eine Durchbruchspannung Vz der Zenerdiode 114 größer, als eine Durchbruchspannung VD des Bauelements 110, zum Beispiel, um zu erfassen, wenn das Bauelement 110 Überspannungszuständen oder hohen Strömen ausgesetzt ist, die die Spannungs- und Stromratings des Bauelements 110 weit übersteigen. Zum Beispiel kann die Durchbruchspannung Vz der Zenerdiode 114 größer sein, als eine Durchbruchspannung VD des Bauelements 110, so dass die Zenerdiode 114 automatisch Strom leitet, wenn der Strom in dem Bauelement 110 einen vorgegebenen Schwellenwert, der bei einigen Beispielen größer sein kann, als das Maximalstromrating des Bauelements 110, erreicht.
  • Bei einigen Beispielen kann eine Durchbruchspannung Vz der Zenerdiode 114 geringer sein, als eine Durchbruchspannung VD des Bauelements 110. Zum Beispiel kann das Bauelement 110 bei einigen Anwendungen nicht im Lawinenmodus arbeiten, und es kann trotzdem sein, dass Umstände, während denen die Spannung an dem Bauelement 110 VDS_BREAKDOWN überschreitet, detektiert werden müssen. Die Zenerdiode 114 kann eine Durchbruchspannung Vz aufweisen, die geringer ist, als die Durchbruchspannung VDS_BREAKDOWN des Bauelements 110, und die näher an dem Rating VDS/CE_AMR des Bauelements 110 (bei diesem Beispiel z.B. 40 V) liegt oder gleich diesem ist, und die Sicherung kann einen internen Widerstand aufweisen, der so berechnet ist, dass er bewirkt, dass die Sicherung 116 bei der gewünschten Spannung, bei diesem Beispiel 55 V, kaputt geht.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, das Operationen zeigt, die durch ein Beispiel-Überspannungserkennungssystem ausgeführt werden, welches dazu ausgebildet ist, Änderungen dauerhaft zu speichern, wenn ein Überspannungsereignis auftritt, gemäß einem oder mehr Aspekten der vorliegenden Offenbarung. 3 wird im Kontext des Systems 100 gemäß 1 beschrieben.
  • Im Betrieb kann der Überspannungsdetektor 112 als Reaktion auf einen Überspannungszustand an dem Bauelement 100 (300, JA-Zweig) einen Strom durch einen Strompfad, der durch eine Reihenschaltung zwischen einer Sicherung und einer Zenerdiode eines Überspannungsdetektors 112 gebildet ist, leiten (310). Wenn zum Beispiel das Bauelement 110 einem Überspannungszustand ausgesetzt ist, während dem eine Spannung zwischen Terminals 118B und 118C die Durchbruchspannung Vz der Zenerdiode 114 übersteigt, kann die Zenerdiode 114 einen Strom durch ihre Leitungsstrecke und weiter an die Sicherung 116 leiten.
  • Alternativ kann der Überspannungsdetektor 112 als Reaktion darauf, dass an dem Bauelement 100 kein Überspannungszustand vorliegt (300, NEIN-Zweig), es unterlassen, den Strom durch die Reihenschaltung zwischen der Sicherung und der Zenerdiode des Überspannungsdetektors 112 gebildeten Strompfads zu leiten (330). Wenn zum Beispiel die Spannung zwischen den Terminals 118B und 118C die Durchbruchspannung Vz der Zenerdiode 114 nicht übersteigt, kann die Zenerdiode 114 keinen Strom durch ihre Leitungsstrecke leiten und damit verhindern, dass die Sicherung 116 irgendeinen Strom führt.
  • Als Reaktion darauf, dass der Überspannungsdetektor 112 Strom durch den Strompfad leitet, kann er den Strompfad unterbrechen (320). Zum Beispiel kann die Sicherung 116 als Reaktion darauf, dass sie, nachdem die Zenerdiode 114 aufgrund des Überspannungszustands an den Terminals 118B und 118C des Bauelements 110 zu leiten beginnt, einen Strom von der Zenerdiode 114 empfängt, durchzubrennen (engl.: „burn“, bis der durch die Sicherung 116 verlaufende Leitungspfad unterbrochen wird (engl.: „breaks“) und bewirkt, dass der Überspannungsdetektor 112 aufhört, zu leiten. Die Unterbrechung der Sicherung 116 kann später während einer visuellen Inspektion des Bauelements 110 (z.B. unter Röntgen) sichtbar sein.
  • Die 4A-4C sind konzeptionelle Diagramme, die verschiedene Überspannungserkennungssysteme zeigen, die dazu ausgebildet sind, Zustände dauerhaft zu ändern, wenn ein Überspannungsereignis auftritt, gemäß einem oder mehr Aspekten der vorliegenden Offenbarung, wobei 4C eine anspruchsgemäße Ausführungsform ist. Die 4A-4C werden im Kontext des Systems 100 gemäß 1 beschrieben.
  • Jede der 4A-4C ist eine Draufsicht auf eines von Systemen 400A-400C (gemeinschaftlich „Systeme 400“) als anderes Beispiel des Systems 100. Bei jedem der Systeme 400A-400C weist ein Transistorbauelement 410 ein Gateterminal 418A und ein Sourceterminal 418B auf. Jedes der Systeme 400A-400C weist außerdem ein Drainterminal 418C auf, das nicht gezeigt ist. Außerdem ist bei jedem der Systeme 400 zumindest einen Teil einer Überspannungserkennungsstruktur 412 in denselben Die integriert, wie das Transistorbauelement 410.
  • Zusätzlich weist bei jedem der Beispiele des Systems 400 ein Halbleiter-Die sowohl das Transistorbauelement 410, als auch eine Zenerdiode einer Überspannungserkennungsstruktur 412, die den Teil des Überspannungsdetektors 412 repräsentiert, auf. Bei den Systemen 400A und 400B weist der Halbleiter-Die außerdem die Sicherung der Überspannungserkennungsstruktur 412 auf.
  • Bei dem Beispiel der Systeme 400A und 400B ist zumindest ein Teil der Überspannungserkennungsstruktur 412 auf demselben Halbleiter-Die implementiert, wie das Transistorbauelement 410. Die Überspannungserkennungsstruktur 412 kann ohne eine Änderung der Herstellungstechnologie und lediglich mit einer Änderung des Bauelementlayouts implementiert werden.
  • Die Systeme 400A können eine Überspannungserkennungsstruktur 412 aufweisen, die eine Zenerdiode enthält, die dieselbe Durchbruchspannung Vz besitzt, wie das Transistorbauelement 410 in dem System 400A. In dem System 400A wird die Überspannungserkennungsstruktur 412 aus einer Scheibe oder einem Stück des Dies, die/das vom Gate 418A und der Source 418B des Transistorbauelements 410 isoliert ist, gewonnen. Bei einigen Beispielen enthält das System 400A kein Gate 418A. Die Sicherung der Überspannungserkennungsstruktur 412 ist zwischen Source 418B des Transistorbauelements 410 und der isolierten Source der Zenerdiode der Überspannungserkennungsstruktur 412 angeschlossen. Bei einigen Beispielen könnte die Sicherung der Überspannungserkennungseinrichtung 412 auf der entgegengesetzten Seite des Dies mit Drain 418C verbunden sein, und in diesem Fall kann das Drain der Zenerdiode der Überspannungserkennungsstruktur 412 anstelle der Source der Zenerdiode der Überspannungserkennungsstruktur 412 isoliert sein, und die Sicherung der Überspannungserkennungsstruktur 412 kann dazwischen geschaltet sein.
  • Bei dem Beispiel gemäß System 400A befindet sich der Überspannungsdetektor 412 auf dem Die in einer ähnlichen thermischen Position, wie das Bauelement 410, so dass es näherungsweise denselben Betriebstemperaturen wie das Bauelement 410 ausgesetzt ist und deshalb einer ähnlichen Ermüdung seiner entsprechenden Durchbruchspannung Vz unterworfen ist. Bei dem Beispiel des Systems 400B befindet sich der Überspannungsdetektor 412 im Gegensatz dazu, dass er sich auf dem Die in einer ähnlichen thermischen Position wie das Bauelement 410 befindet, an einer Kante oder in der Ecke des Halbleiter-Dies.
  • Bei der anspruchsgemäßen Ausführungsform des Systems 400C befindet sich die Zenerdiode des Überspannungsdetektors 412 mit dem Bauelement 410 auf demselben Halbleiter-Die, allerdings handelt es sich bei der Sicherung des Überspannungsdetektors 412 um einen externen Draht, der aus einem Röntgen-sichtbaren Materialen hergestellt ist, oder einem Material, das unter einem Lichtspektrum sichtbar ist, welches verschieden ist von dem Lichtspektrum, bei dem andere Anordnungen des Systems 400 sichtbar sind. Der Halbleiter-Die in dem System 400C enthält nicht die Sicherung 416, welche die Sicherung der Überspannungserkennungsstruktur 412 ist, sondern die Zenerdiode der Überspannungserkennungsstruktur 412 weist ein Terminal 450 auf, das dazu ausgebildet ist, den Halbleiter-Die elektrisch mit der Sicherung 416 der Überspannungserkennungsstruktur 412 zu koppeln (die Sicherung ist in 4C als Draht dargestellt, der sich außerhalb des Halbleiter-Dies befindet).
  • 5 ist ein konzeptionelles Diagramm, das verschiedene Beispiel-Sicherungen eines Beispiel-Überspannungserkennungssystems zeigt, das dazu ausgebildet ist, Zustände dauerhaft zu ändern, wenn ein Überspannungsereignis auftritt, gemäß einem oder mehr Aspekten der vorliegenden Offenbarung. 5 wird nachfolgend im Kontext des Systems 100 gemäß 1 beschrieben.
  • 5 zeigt Beispiel-Sicherungen 516A-516F (gemeinschaftlich „Sicherungen 516“) als Beispiele für die Sicherung 116 gemäß 1. Die Sicherungen 516 können aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, die bei Röntgen sichtbar sind. Bei einigen Beispielen können die Sicherungen 516 aus normalen, hochdichten Metallen wie beispielsweise Kupfer, Wolfram, Silber, Gold, Zink, Zinn oder Metalllegierungen hergestellt sein. In anderen Worten können die Sicherungen 516 aus einem Material hergestellt sein, das Röntgenlicht reflektiert, um eine Unterbrechung in einer der Sicherungen 516 leichter zu erkennen. Deshalb kann ein Bauelement wie beispielsweise das Bauelement 110, um ein potentiell fehlerhaftes oder defektes Bauelement auf eine Überspannungsbeschädigung zu untersuchen, geröntgt werden, und aus dem Röntgen kann schnell und einfach ermittelt werden, ob die Sicherung 516 unterbrochen ist oder nicht, und damit, ob das Bauelement 110 einem Überspannungszustand ausgesetzt war oder nicht.
  • Die Sicherungen 516 können einen Widerstand aufweisen, der ausreicht, um die Sicherung zu veranlassen, dass sie aufgrund des durch die Zenerdiode 114 geleiteten Stroms durchbrennt. Der Widerstand der Sicherungen 516 kann abhängen von dem Material, der Fläche und/oder der Form jener Sicherung 516. Um den Widerstand zu erzielen, der ausreicht, ein Durchbrennen der Sicherung aufgrund des durch die Zenerdiode geleiteten Stroms zu verursachen, kann jede Sicherung 516 ein bestimmtes Material, eine bestimmte Gestalt oder eine bestimmte Fläche aufweisen. Zum Beispiel kann jede der Sicherungen 516B-516F, selbst wenn die Sicherungen 516 alle aus demselben Material hergestellt sind, vor dem Durchbrennen und Unterbrechen aufgrund ihrer jeweiligen Form einen geringfügig anderen Widerstand aufweisen und deshalb in der Lage sein, verschiedenen Strompegeln zu widerstehen oder nicht zu widerstehen. Gleichermaßen können zwei verschiedene Sicherungen mit der Form der Sicherung 516A unterschiedliche Widerstände aufweisen, die von dem verwendeten Material und/oder der Größe oder Fläche der Sicherung abhängen. Jede Sicherung 516 befindet sich parallel zu dem Bauelement, um W=V2/R zu prüfen. Deshalb muss der Widerstand jeder der Sicherungen 516 hinreichend „klein“ sein, um die Sicherung zu durchzubrennen.

Claims (11)

  1. Halbleiteranordnung, die aufweist: ein Bauelement (110; 410); und eine Überspannungserkennungsstruktur (112; 412), die einen Strompfad aufweist, der eine mit einer Sicherung (116; 416) in Reihe geschaltete Zenerdiode (114) enthält, wobei die Zenerdiode (114) dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf einen Überspannungszustand an dem Bauelement (110; 410) einen Strom zu leiten, wobei die Sicherung (116; 416) dazu ausgebildet ist, den Strompfad der Überspannungserkennungsstruktur (112; 412) als Reaktion darauf, dass die Zenerdiode (114) den Strom leitet, zu unterbrechen, wobei das Bauelement und die Zenerdiode (114) sich auf demselben Halbleiter-Die befinden und jeweils ein Terminal (450) aufweisen, und wobei die Sicherung (416) sich außerhalb des Halbleiter-Dies befindet und einen Draht aufweist, der an das Terminal (450) der Zenerdiode angeschlossen ist und das Terminal (450) der Zenerdiode elektrisch mit dem Terminal des Bauelements koppelt.
  2. Halbleiteranordnung gemäß Anspruch 1, bei der die Sicherung (116; 416) einen Widerstand aufweist, der ausreicht, um die Sicherung (116; 416) zu veranlassen, dass sie von dem Strom, der durch die Zenerdiode (114) geleitet wird, durchbrennt.
  3. Halbleiteranordnung gemäß Anspruch 2, bei der die Sicherung (116; 416), um zu erreichen, dass der Widerstand ausreicht, um zu bewirken, dass die Sicherung aufgrund des durch die Zenerdiode (114) geleiteten Stroms durchbrennt, zumindest eines von einem bestimmten Material, einer bestimmten Form oder einer bestimmten Fläche aufweist.
  4. Halbleiteranordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Sicherung (116; 416) ein Material aufweist, das Röntgenlicht reflektiert.
  5. Halbleiteranordnung gemäß Anspruch 3, bei der das Durchbrennen der Sicherung (116; 416) zumindest eine(s) von dem bestimmten Material, der bestimmten Form oder der bestimmten Fläche ändert.
  6. Halbleiteranordnung gemäß Anspruch 4, bei der das Durchbrennen der Sicherung (116; 416) das Reflexionsverhalten des Materials, das Röntgenlicht reflektiert, ändert.
  7. Halbleiteranordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Bauelement ein Transistorbauelement ist und das Terminal (418B) des Bauelements ein Sourceterminal ist.
  8. Verfahren, das aufweist: Leiten eines Stroms mittels einer Zenerdiode (114) einer Überspannungserkennungsstruktur (112; 412) durch einen Strompfad, der durch eine Reihenschaltung zwischen einer Sicherung (116; 416) und der Zenerdiode (114) der Überspannungserkennungsstruktur gebildet ist, als Reaktion auf einen Überspannungszustand an einem Bauelement (110; 410); und Unterbrechen des Strompfads durch die Sicherung (116; 416) der Überspannungserkennungsstruktur als Reaktion auf das Leiten des Stroms durch den Strompfad, wobei das Bauelement und die Zenerdiode (114) sich auf demselben Halbleiter-Die befinden und jeweils ein Terminal (450) aufweisen, und wobei die Sicherung (416) sich außerhalb des Halbleiter-Dies befindet und einen Draht aufweist, der an das Terminal (450) der Zenerdiode angeschlossen ist und das Terminal (450) der Zenerdiode elektrisch mit dem Terminal des Bauelements koppelt.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, das ferner aufweist: davon Absehen, als Reaktion auf ein Fehlen eines Überspannungszustands an dem Bauelement, den Strom durch den Strompfad mittels der Zenerdiode zu unterbrechen.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 und 9, bei dem die Sicherung (116; 416) ein Material aufweist, das einen Widerstand besitzt, der ausreicht, um zu bewirken, dass die Sicherung (116; 416) von dem durch die Zenerdiode geleiteten Strom durchbrennt, wobei das Material Röntgenlicht reflektiert.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Sicherung (116; 416) von einem bestimmten Material, einer bestimmten Form oder einer bestimmten Fläche zumindest eine(s) aufweist.
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