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Die Erfindung betrifft ein ESD-Schutzbauelement,
das eine Funkenstrecke aufweist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung
eine Schaltungsanordnung mit einer Schalteinheit, die mit einem
Anschluß für ein Hochfrequenzsignal
verbunden ist. Darüber
hinaus ist die Schalteinheit mit weiteren Signalleitungen verbunden.
Die Schaltungsanordnung ist mit einem ESD-Schutzbauelement versehen.
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Schaltungsanordnungen der eingangs
genannten Art werden oft als Multiband-Frontendmodule für Mobiltelefone
verwendet. Sie sind in dieser Anwendung am Antenneneingang mit der
Antenne des Mobiltelefons verbunden. Die Berührung der Antenne durch einen
elektrisch geladenen Benutzer kann zu elektrostatischen Entladung
führen,
wie sie auch unter dem Namen "Electrostatic
Discharge ESD" bekannt
sind. Diese elektrostatischen Entladungen können Spannungsspitzen erzeugen,
die geeignet sind, die Schaltungsanordnung zu zerstören. Dementsprechend
ist es erforderlich, Schaltungsanordnungen der eingangs genannten
Art mit einer Schutzvorrichtung gegen ESD auszurüsten.
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In Hochfrequenzteilen von Mobiltelefonen werden
u.a. Komponenten eingesetzt, die gegenüber elektrostatischen Entladungen
empfindlich sind. Diese Komponenten sind beispielsweise akustische Oberflächenwellen-Filter,
Galliumarsenid-Schalter, PIN-Dioden, Verstärker oder ähnliche. Sie können durch
Einwirkung hochfrequenter Hochspannungspulse, wie sie durch ESD
erzeugt werden, irreversibel zerstört werden. Diese Problematik
ist für
diskrete Galliumarsenid-Schalter und Frontend-Module mit integriertem Galliumarsenid-Schalter
ebenso relevant wie für
Frontendmodul mit pin-Schalttechnologie und integriertem Oberflächenwellen-Filter.
Ebenso betrifft die Problematik die ESD-empfindlichen Komponenten,
die in den Sende und Empfangspfaden des Hochfrequenzteils eingesetzt
werden. Dies erschwert einen Einsatz in Mobiltelefonen, wodurch
externe, zugängliche
Antennen, beispielsweise externe Antennen im Auto, elektrostatische
Entladungen direkt auf den Antenneneingang des Galliumarsenid-Schalters
oder Frontendmoduls möglich
sind. Es wird daher von vielen Herstellern von Mobiltelefonen eine
ESD-Festigkeit der Frontendmodule bzw. Galliumarsenid-Schalter entsprechend
der Norm IEC61000-4-2 in Höhe
von 8 kV am Systemlevel gefordert.
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Aus der Druckschrift WO 00/57515
sind Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art bekannt, die
mit einer Schutzvorrichtung gegen ESD ausgerüstet sind. Die Schutzvorrichtung
ist durch einen elektrischen Hochpaß-Filter, bei dem eine Kapazität in Reihe
und eine Induktivität
parallel zum Antenneneingangspfad geschaltet ist, gebildet.
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Der in der bekannten Schaltungsanordnung verwendete
Hochpaßfilter
zum Schutz der Schaltungsanordnung hat den Nachteil, daß das Schutzelement
frequenzabhängig
arbeitet. Dabei werden alle Frequenzanteile eines Signals ab einer
bestimmten Grenzfrequenz nahezu ungehindert durchgeleitet. Alle
anderen Frequenzanteile werden unterdrückt. Diese frequenzabhängige Arbeitsweise
hat zur Folge, daß sehr
viele Frequenzen, die bei einem Mobiltelefon nicht erwünscht sind,
noch durchgelassen werden. Beispielsweise werden bei Mobiltelefonen nach
dem GSM-, PCN- oder PCS-Standard Frequenzen zwischen etwa 1 und
2 GHz verwendet. Alle übrigen
von der Antenne eingefangenen Frequenzen sind eher störend und
müssen
daher weggefiltert werden.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft,
in der Schalteinheit, die als Frontendmodul für Mobiltelefone verwendet wird,
als Filterelement Oberflächenwellen-Filter
(OFW-Filter) für
das Filtern der benötigten Frequenzen
zu verwenden. Es ist darüber
hinaus üblich,
als Schalter für
die Schalteinheit einen Galliumarsenid-Schalter zu verwenden.
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Es sind darüber hinaus ESD-Schutzbauelemente
bekannt, die als wesentlichen Bestandteil eine Funkenstrecke enthalten.
Maßgebend
für die
Grenzspannung, ab der ein Überspannungspuls
durch Zündung
der Funkenstrecke von dem ESD-Schutzbauelement abgeleitet werden
kann, ist der Elektrodenabstand der in der Funkenstrecke enthaltenen Elektroden.
Bekannte ESD-Schutzbauelemente
werden hergestellt, indem die Funkenstrecke durch Strukturierung
von Leiterplatten, beispielsweise durch Aufbringen von Siebdruckpasten,
hergestellt wird.
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Um mit dieser Vorgehensweise reproduzierbare
Funkenstrecken herstellen zu können,
ist es erforderlich, den Elektrodenabstand der Elektroden in der
Funkenstrecke relativ groß zu
wählen.
Daraus resultiert jedoch eine relativ hohe Zündspannung, die zum Schutz
sehr empfindlicher elektronischer Komponenten bzw. aktiver oder
passiver Bauelemente nicht geeignet sind.
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Um diese beiden soeben genannten,
besonders gegenüber
ESD-empfindlichen
Bauelemente wirksam zu schützen,
sind die bekannten ESD-Schutzbauelemente mit Funkenstrecken nicht geeignet,
da die Schaltspannungen der Funkenstrecken größer sind, als die maximalen
Spannungen, die sowohl die OFW-Filter als auch die Galliumarsenid-Schalter
tolerieren können.
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Aus der Druckschrift
US 6,215,251 ist eine Funkenstrecke
für einen
integrierten Schaltkreis bekannt, die auf einem Halbleitersubstrat
angeordnet ist und bei der durch die Integration von Widerständen die
beim Schalten der Funkenstrecke besetzte Wärmeleistung begrenzt werden
soll. Diese bekannte Funkenstrecke hat jedoch den Nachteil, daß sie für geringe
Schaltspannungen nicht geeignet ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein ESD-Schutzbauelement
anzugeben, bei dem die Spannung, ab der ein ESD-Puls abgeleitet werden
kann, sehr klein ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein ESD-Schutzbauelement nach Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen des Schutzbauelements sowie eine Schaltungsanordnung
mit dem Schutzbauelement sind den weiteren Patentansprüchen zu
entnehmen.
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Es wird ein ESD-Schutzbauelement
angegeben, das eine Funkenstrecke enthält, die aus Leiterbahnen gebildet
ist, welche auf einem Substrat aufgebracht sind.
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Ein solches Bauelement hat den Vorteil,
daß aufgrund
der Ausbildung der Funkenstrecke bzw. der Elektroden der Funkenstrecke
aus Leiterbahnen auf einem Halbleitersubstrat die Realisierung eines
sehr geringen Elektrodenabstands zwischen den Elektroden der Funkenstrecke
ermöglicht
wird. Durch die Realisierung der Funkenstrecke aus Leiterbahnen können die
Elektroden der Funkenstrecke aus Leiterbahnen gebildet werden. Der
Elektrodenabstand der Elektroden ist dann gegeben durch den Abstand zweier
Leiterbahnen voneinander.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
des Bauelements sind die Leiterbahnen photolithographisch auf dem
Halbleitersubstrat strukturiert. Dadurch gelingt die zuverlässige Herstellung
von Leiterbahnen mit exakten Abmessungen sowie die Herstellung von
Leiterbahnen mit exakt definierten, sehr geringen Abständen voneinander.
Dadurch kann ein sehr geringer Elektrodenabstand realisiert werden.
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Es ist darüber hinaus vorteilhaft, wenn
das Substrat Silizium enthält
oder ganz aus Silizium besteht. In diesem Fall kann auf eine gut
entwickelte, bereits bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen
etablierte Technologie zur Strukturierung von Leiterbahnen auf dem
Substrat zurückgegriffen
werden. Beispielsweise können
vorteilhaft Leiterbahnen, die Gold enthalten oder die ganz aus Gold
bestehen, mittels be kannter Photolithographietechniken auf dem Halbleitersubstrat
strukturiert werden.
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Hierbei ist insbesondere der Rückgriff
auf eine Technologie zur Herstellung von MEMS (Micro-Electro-Mechnical
Systems) vorteilhaft. Im Unterschied zu MEMS werden jedoch bei dem
hier vorliegenden Bauelement keine mechanischen Komponenten auf
dem Siliziumsubstrat integriert. Die Herstellungstechnologie wird
jedoch dazu verwendet, eine Funkenstrecke mit jedoch einem sehr
geringen Elektrodenabstand auf einem Substrat zu realisieren.
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Die Herstellung der Leiterbahnen
auf dem Halbleitersubstrat kann beispielsweise erfolgen, indem auf
einem Siliziumsubstrat Gold ganzflächig abgeschieden wird. Anschließend wird
die Kupferoberfläche
mittels eines Fotolacks beschichtet. Der Fotolack wird auf einer
Maske belichtet, und die belichteten Teile des Fotolacks werden
nach dem Entwickeln abgewaschen. An den von Fotolack freien Stellen
der Kupferschicht kann nun durch Ätzprozesse eine Struktur in
der Kupferschicht hergestellt werden. Dadurch gelingt die Herstellung
von Leiterbahnen aus Gold auf dem Halbleitersubstrat.
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Ein wichtiger Bestandteil des erfinderischen Gedankens
ist es also, die Funkenstrecke im ESD-Schutzbauelement so auszubilden,
daß ein sehr
kleiner Elektrodenabstand realisiert werden kann. Dadurch sinkt
die Schaltspannung der Funkenstrecke, ab der ein Funkenüberschlag
stattfindet. Dadurch kann ein ESD-Schutzbauelement bereitgestellt werden,
das eine sehr geringe Schaltspannung aufweist und somit zum Schutz
sehr empfindlicher elektronischer Komponenten geeignet ist.
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In einer Weiterbildung des Bauelements kann
in dem ESD-Schutzbauelement
zusätzlich
noch eine Induktivität
enthalten sein. Dies hat den Vorteil, daß ein Filter in das Schutzbauelement
integriert sein kann, welches zusätzliche dämpfende Funktionen ausüben kann.
Beispielsweise kann mittels des Fil ters erreicht werden, daß bei einem
Frontendmodul außerhalb
des Paßbandes,
also außerhalb
des für die
Weiterverarbeitung der Signale wichtigen Frequenzbereichs eine erhöhte Dämpfung des
Bauelements realisiert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
eines solchen Bauelements kann es vorgesehen sein, daß die Induktivität durch
eine Leiterbahn gebildet ist. Eine solche Ausgestaltung des Bauelements
hat den Vorteil, daß eine
Induktivität
mit einer sehr hohen Güte,
d.h. mit geringen ohmschen Verlusten und auch mit einem geringen
kapazitiven Anteil realisiert werden kann.
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Beispielsweise ist es möglich, die
Induktivität in
Form einer in einer Ebene spiralförmig nach innen gewundenen
Bahn auszubilden, wobei die Leiterbahn auf der Oberfläche des
Substrats aufgebracht ist. Dadurch gelingt die Realisierung einer
Luftspule, die auf die Verwendung von hochpermeablen Materialien
zur Erhöhung
der Induktivität
verzichten kann, wodurch die elektrischen Verluste der Spule sehr klein
gehalten werden können.
Ermöglicht
wird dies wiederum durch Verwendung der bekannten Herstellungstechnologien
für Leiterbahnen
auf Siliziumsubstraten, die sehr weit fortentwickelt sind und die
die Realisierung sehr kleiner Strukturen erlaubt.
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In einer anderen Ausführungsform
des Bauelements kann neben der Funkenstrecke und der Induktivität noch eine
Kapazität
vorgesehen sein. Eine solche Kapazität erlaubt es, zusätzlich zur
Funkenstrecke ein Filterbauelement zu integrieren. Dadurch kann,
wie bereits bei der Induktivität
diskutiert, die elektrische Eigenschaft insbesondere die Filtereigenschaft
des ESD-Schutzbauelementes weiter verbessert werden. Beispielsweise
gelingt durch die Integration einer Kapazität in das ESD-Schutzbauelement
die Realisierung eines Tiefpaßfilters,
das niederfrequente Anteile ableitet, falls der Kondensator zwischen
einem ersten Anschluß für beispielsweise eine
Antenne und einen zweiten Anschluß für beispielsweise einen Umschalter
in Reihe geschalten wird (In-Line-Kondensator). In einem anderen
Fall kann, falls die Kapazität
parallel zur Spule geschaltet ist, die Hochfrequenz-Bandpaßcharakteristik
verändert
werden, beispielsweise kann das Filter schmalbandiger gemacht werden.
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Vorteilhafterweise kann die Kapazität aus elektrisch
leitenden Flächen
gebildet sein, welche mit einer Technologie auf das Halbleitersubstrat
aufgebracht werden, die der Technologie der Herstellung der Leiterbahnen
für die
Funkenstrecke entspricht. Aufgrund der bei dem Aufbringen von elektrisch
leitenden Strukturen auf einem Halbleitersubstrat möglichen
hohen Genauigkeit und Präzision
kann die Kapazität
mit einem sehr genauen Wert hergestellt werden, was die erzielbare
Filterqualität
weiter verbessert.
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In einer anderen Ausführungsform
des Bauelements ist neben der Funkenstrecke eine Induktivität und eine
Kapazität
vorgesehen. Hierdurch gelingt es, ein Filter mit weiter verbesserten
Eigenschaften in das Bauelement zu integrieren. Desweiteren ergibt sich
als Vorteil, daß die
Integrationsdichte des Bauelements weiter erhöht werden kann. Aufgrund der
hohen Güte
sowohl von Induktivität
als auch Kapazität kann
es bei der Anwendung in Frontendmodulen beispielsweise gelingen,
minimale Einfügedämpfungen des
ESD-Schutzbauelementes im Paßband
zu erzielen. Außerhalb
des Paßbandes
kann eine sehr hohe Dämpfung
von nicht gewünschten
Frequenzanteilen erzielt werden.
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Um die Integrationsdichte weiter
zu erhöhen, ist
es vorteilhaft, die Kapazität
und die Induktivität
in verschiedenen Ebenen des Substrates anzuordnen. Dies gelingt
durch die Verwendung eines Schichtaufbaus, wobei zwischen den den
einzelnen Bauelementen zugeordneten Ebenen Schichten liegen, die eine
elektrische Trennung der Bauelemente bewerkstelligen. Beispielhaft
für solche
Schichten sind: Siliziumnitrid, SiO2 oder
auch ein Polymer.
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Dabei ist jedoch zu beachten, daß es vorteilhaft
ist, die Spule auf der Oberfläche
des Substrates auszubilden, da nur so eine Luftspule mit sehr geringen
Verlusten realisiert werden kann.
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Durch eine geeignete elektrische
Verschaltung der in dem Bauelement vorgesehenen einen oder mehreren
Spulen bzw. der einen oder mehreren Kapazitäten kann es erreicht werden,
daß die
Kapazitäten
und die Spulen ein Hochpaß-
oder Bandpaßfilter
bilden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die Kapazität in Reihe
zur Signalleitung geschaltet ist, während die Induktivität einen
Abzweig der Signalleitung zur Erde bildet.
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Es wird darüber hinaus eine Schaltungsanordnung
angegeben, mit einem Anschluß für ein Hochfrequenzsignal.
Es sind darüber
hinaus wenigstens zwei weitere Signalleitungen vorgesehen. Es ist darüber hinaus
eine Schalteinheit vorgesehen, die zum wahlweisen Verbinden des
Anschlusses mit einer der Signalleitungen geeignet ist. Zwischen
dem Anschluß für das Hochfrequenzsignal
und der Schalteinheit ist ein ESD-Schutzbauelement geschaltet, das wie
soeben beschrieben, ausgeführt
ist.
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Diese Schaltungsanordnung hat den
Vorteil, daß für die Schalteinheit
relativ empfindliche Komponenten verwendet werden können, die
sich entweder durch geringen Stromverbrauch, hohe Leistung oder auch
durch hohe Integrationsdichte auszeichnen und somit vorteilhaft
in die Schalteinheit integriert werden. Aufgrund der Verwendung
des hier beschriebenen ESD-Schutzbauelementes gelingt es, diese empfindlichen
elektronischen Komponenten zuverlässig vor elektrostatischen
Entladungen zu schützen.
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Es können beispielsweise als empfindliche elektronische
Komponenten OFW-Filter in der Schalteinheit enthalten sein.
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Darüber hinaus können beispielsweise
als empfindliche Komponenten einer oder mehrere Galliumarsenid-Schalter
in der Schalteinheit enthalten sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der
Schaltungsanordnung ist das Schutzbauelement in die Schalteinheit
integriert. Da das Schutzbauelement selbst sehr kompakt auf einem
Halbleitersubstrat ausgeführt
ist, kann durch einfaches Aufkleben dieses Halbleitersubstrats auf
die Schalteinheit, welches beispielsweise ein LTCC-Vielschichtsubstrat sein
kann, eine derartige Integration mit einfachen Mitteln realisiert
werden. Mit einer solchen Integration reduziert sich der Platzbedarf
der Schaltungsanordnung in vorteilhafter Art und Weise, was insbesondere
bei Mobilfunkanwendungen sehr vorteilhaft ist.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
und den dazugehörigen
Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
ein ESD-Schutzbauelement in einem schematischen Querschnitt.
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1A zeigt
ein weiteres ESD-Schutzbauelement in einem schematischen Querschnitt.
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2 zeigt
eine kombinierte Draufsicht auf ein beispielhaftes ESD-Schutzbauelement,
wobei die Ebenen I und IV von 1 zusammen
dargestellt sind.
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2A zeigt
ein Ersatzschaltbild für
das Bauelement gemäß 2.
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3A zeigt
die Ebenen I und IV gemäß 1 für ein weiteres beispielhaftes
Bauelement.
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3B zeigt
eine Draufsicht auf die Ebene II des Bauelements von 3A.
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3C zeigt
die Draufsicht auf die Querschnittebene III des Bauelements aus 3A.
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3D zeigt
ein Ersatzschaltbild des Bauelements gemäß den 3A, 3B und 3C.
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4A zeigt
die Draufsicht auf die Querschnittsebene III für ein weiteres beispielhaftes
Bauelement.
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4B zeigt
ein Ersatzschaltbild für
das Bauelement nach 4A.
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5 zeigt
beispielhaft eine Schaltungsanordnung mit dem Schutzbauelement.
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6 zeigt
beispielhaft eine Variante für
die Ausgestaltung von Elektroden der Funkenstrecke in Draufsicht.
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7 zeigt
eine Ausgestaltung von Elektroden der Funkenstrecke gemäß 6 in einer Querschnittsansicht.
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Bei denjenigen Elementen, die in
den Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, handelt
es sich um gleiche oder ähnliche
Elemente oder zumindest um Elemente, die die gleiche Funktionalität ausüben.
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1 zeigt
in einem Querschnitt ein Substrat 3, auf dessen Basis das
hier beschriebene ESD-Schutzbauelement realisiert werden kann. Das Substrat 3 ist
in verschiedene Querschnittsebenen I, II, III, IV unterteilt, die
zueinander parallel verlaufen. Die Ebene I bildet dabei die Oberseite
des Substrats 3. Die Ebene IV bildet die Unterseite des
Substrats 3. Die Ebenen II und III bilden Zwischenebenen
zwischen den Ebenen I und IV.
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Wenn im folgenden oder im vorangegangenen
die Rede davon ist, daß eine
Leiterbahn oder eine elektrisch leitende Fläche auf dem Substrat aufgebracht
sein soll, so soll damit auch die Möglichkeit gemeint sein, daß die entsprechende
Leiterbahn oder elektrisch leitende Fläche auf einer der vier Ebenen
I, II, III, IV angeordnet ist. Es kann beispielsweise in einer Ausführungsform
des hier beschriebenen Bauelements möglich sein, daß nur der
Raum zwischen den Ebenen IV und III ein echtes Halbleitersubstrat
darstellen, während
der Raum zwischen den Ebenen III und I durch einen Schichtaufbau
gebildet wird, der nicht mehr unmittelbar aus dem Halbleitersubstrat 3 hervorgeht,
sondern durch Aufbringen mehrerer Schichten übereinander, beispielsweise durch
Epitaxie oder auch durch Sputtern oder ein sonstiges Schichtaufbringungsverfahren,
hergestellt sind.
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Entscheidend für das hier beschriebene Bauelement
ist lediglich, daß ein
Substrat, vorzugsweise ein Halbleitersubstrat, die Basis für das Aufbringen
der Leitungsstrukturen bildet.
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1A zeigt
ein ESD-Schutzbauelement in einem schematischen Querschnitt. Es
ist gezeigt ein Substrat 156, auf dem ein Dielektrikum 157 abgeschieden
ist. Schließlich
wird das Dielektrikum 157 durch ein Polymer 158 bedeckt.
Das Substrat 156 kann beispielsweise aus Silizium oder
auch Siliziumoxid bestehen. Für
den Fall, daß das
Substrat 156 aus Siliziumoxid besteht, vorzugsweise aus
SiO2, ist es besonders vorteilhaft, wenn
das Siliziumoxid eine oberste Schicht eines Siliziumsubstrates darstellt,
die durch thermisches Oxidieren in Siliziumoxid umgewandelt worden
ist. In das Substrat 156 sind zwei elektrisch leitende
Schichten 151, 152 eingebettet. Die elektrisch
leitende Schicht 151 bildet dabei eine erste Elektrode
eines Kondensators. Die elektrisch leitende Schicht 152 bildet
ein Element zur Verdrahtung von Komponenten des ESD-Schutzbauelements.
Die der Schicht 151 gegenüberliegende Schicht 153 bildet
ebenfalls eine Elektrode eines Kondensators und bildet insbesondere
zusammen mit der Schicht 151 ei nen Kondensator. Das Dielektrikum 157 des
Kondensators kann beispielsweise aus Si3N4 bestehen. In einer anderen Ausführungsform
des Bauelements kann das Dielektrikum von Kondensatoren aber auch
durch Luft, beispielsweise hergestellt durch Ätzen von Opferstrukturen, gebildet sein.
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Es ist darüber hinaus eine Durchkontaktierung 111 und
eine Durchkontaktierung 112 vorgesehen, die eine Kontaktierung
der im Innern des Bauelements vergrabenen Komponenten 151, 152, 153 ermöglicht.
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Sämtliche
elektrische leitenden Komponenten wie leitende Schichten 151, 152, 153,
Durchkontaktierungen 111, 112 sowie die Leiterbahnen 21 und die
Anschlüsse 154 auf
der Oberseite des Bauelements können
aus Kupfer oder auch aus Gold gefertigt sein. Für den Fall, daß als Metall
Kupfer verwendet wird, ist auf den Anschlüssen 154 noch eine
Beschichtung 155 aus Gold vorgesehen. Dies dient dazu,
das Bonden auf den Anschlüssen 154 zu
erleichtern. Die Leiterbahnen 21 stellen im Querschnitt
eine auf der Oberfläche
des Bauelements gebildete, planare Spule dar. Das Polymer 158 dient
der Separation des Kondensators von den die Induktivität bildenden
Leiterbahnen 21 und ist vorzugsweise ein sog. "Low-K-Polymer", also ein Polymer
mit einer sehr niedrigen Dielektrizitätskonstante. Dies hat den Vorteil,
daß die
Streukapazität
des durch die Schichten 151, 153 gebildeten Kondensators
erniedrigt ist.
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2 zeigt
die Draufsicht auf die Ebene I eines Halbleitersubstrats III. Um
die Darstellung kompakt zu gestalten, sind auch noch Elemente der
Ebene IV in die Darstellung von 2 integriert.
Es wird später
noch im einzelnen darauf hingewiesen. Zunächst werden die Elemente beschrieben,
die sich in der Ebene I entsprechend 1 des
Bauelementes befinden. Es sind Leiterbahnen 21, 22 vorgesehen, die
zum einen eine Funkenstrecke 1 und zum anderen eine Induktivität bilden.
Dabei wird die Funkenstrecke 1 gebildet durch die Lei terbahn 21,
welche die erste Elektrode der Funkenstrecke 1 darstellt. Ferner
wird die Funkenstrecke 1 noch gebildet durch einen Teil
der Leiterbahn 22, nämlich
durch den Teil, der der Leiterbahn 21 direkt gegenübersteht.
Die Leiterbahnen 21 sowie der Teil, der zur Funkenstrecke 1 gehört, verlaufen
im wesentlichen parallel zueinander und bilden einen Elektrodenabstand
d. Die Funkenstrecke 1, die sich auf der Oberfläche des
Halbleitersubstrats 3 befindet, ist demnach eine Luftfunkenstrecke.
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Es ist darüber hinaus die Leiterbahn 22 vorgesehen,
die in Form einer ebenen Spirale, jedoch nicht rund, sondern mit
im wesentlichen quadratischer bzw. rechteckiger Form ausgebildet
ist und die Induktivität
bildet.
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Zur elektrischen Kontaktierung der
in dem Bauelement vorgesehenen Komponenten sind Durchkontaktierungen 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117 vorgesehen.
Diese Durchkontaktierungen verlaufen über die gesamte Dicke des Halbleitersubstrats 3 bzw.
durch die Ebenen der nachträglich
aufgebrachten Schichten und sind mit einem elektrisch leitenden
Werkstoff, beispielsweise Kupfer, gefüllt.
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Die Durchkontaktierungen 111, 112, 113, 114 dienen
zur Kontaktierung der Leiterbahn 21. Die Kontaktierung
der Leiterbahn 21 kann von der Unterseite des Substrats 3,
welche durch die Ebene IV gebildet wird, realisiert werden. In einer
anderen Ausführungsform
des Bauelements kann jedoch die Kontaktierung der Leiterbahn 21 auch
von der Oberseite des Substrats 3, repräsentiert durch die Ebene I,
realisiert werden. Dies kann beispielsweise mittels Drahtbonden
geschehen. In diesem Fall wird die Leiterbahn 21 direkt
kontaktiert und die Durchkontaktierungen 111, 112, 113, 114 sind
abdingbar.
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Zur Kontaktierung der Leiterbahn 22 wird
die Durchkontaktierung 115 sowie die Durchkontaktierungen 116 und 117 verwendet.
Die Durchkontaktierungen 116, 117 dienen dazu,
das inne re Ende der Spirale elektrisch leitend nach außen zu führen, um dort
für eine
elektrische Weiterkontaktierung Vorkehrungen zu treffen. Die Kontaktierung
von außen
findet dementsprechend über
die Durchkontaktierungen 115, 117 und zwar jeweils
von der Oberseite des Halbleitersubstrats 3 her statt. Über die
Durchkontaktierung 116 wird das innere Ende der Spirale
elektrisch leitend mit der Unterseite, repräsentiert durch die Ebene IV,
verbunden. Auf der Unterseite in der Ebene IV verläuft die
Leiterbahn 23, die ihrerseits mit der Durchkontaktierung 117 verbunden
ist. Über
die Durchkontaktierung 117 wird nun der Kontakt mit dem
inneren Ende der Spirale wieder auf die Oberseite des Substrats 3 geführt.
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Die 2A zeigt
ein Ersatzschaltbild für
das Bauelement gemäß 2. Es sind hierbei Anschlüsse A, B,
C angegeben, die mit der Induktivität L, sowie der Funkenstrecke 1 verbunden
sind. Dabei wird der Anschluß A
gebildet durch die Durchkontaktierung 115 bzw. deren Oberseite.
Der Anschluß B
wird gebildet durch die Oberseite der Durchkontaktierung 117.
Der Anschluß C
wird je nach Ausführungsform entweder
gebildet durch die Leiterbahn 21 oder durch eine auf der
Unterseite des Halbleitersubstrats 3 mit den Durchkontaktierungen 111, 112, 113, 114 verbunden
weiteren Leiterbahn.
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Es wird noch darauf hingewiesen,
daß in dem
Beispiel nach 2 die
Leiterbahnen 21, 22, 23 gebildet sind
aus einer geätzten
Goldschicht. Die Goldschicht hat eine Dicke von 4 μm. Bei der
hier verwendeten Photolithographietechnik können Leiterbahnen mit einer
Breite größer oder
gleich 2 μm
realisiert werden. Entsprechend können auch Abstände von
Leiterbahnen mit 2 μm
oder größer realisiert
werden. Dementsprechend gelingt es, den Elektrodenabstand d in 2 bis auf 2 μm zu reduzieren,
was die Schaltspannung des ESD-Schutzbauelementes entsprechend reduziert
und die Eignung für
sehr empfindliche elektronische Komponenten noch weiter betont.
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3A zeigt
ein weiteres Beispiel für
ein ESD-Schutzbauelement. Es handelt sich hierbei um eine Darstellung
analog zu 2A, wobei
jedoch im Unterschied zu 2A eine
zusätzliche
Leiterbahn 24 vorgesehen ist, die zusammen mit der Leiterbahn 21 die
Funkenstrecke 1 bildet. Von der Leiterbahn 24 isoliert
bildet die Leiterbahn 22 wiederum eine Induktivität. In 3A sind analog zur 2 die Ebenen I und IV für das betreffende
Bauelement dargestellt. Bei der Leiterbahn 23 kann es sich
abgesehen von einer auf der Unterseite, also in der Ebene IV befindlichen
Leiterbahn auch um eine innerhalb des Substrats 3 vergrabenen
Leiterbahn handeln, die die Verbindung zwischen den Durchkontaktierungen 116 und 117 herstellt.
Die Induktivität,
gebildet durch die Leiterbahn 22, ist elektrisch leitend
mit der Leiterbahn 21 verbunden. Dementsprechend ergibt
sich im Unterschied zu 2,
respektive 2A, ein anderes Ersatzschaltbild
für das
Ausführungsbeispiel
gemäß 3A, das nachfolgend diskutiert
wird.
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Bei dem in 3A beschriebenen ESD-Schutzbauelement
ist ferner noch ein Kondensator C enthalten. Dieser Kondensator
C wird gebildet durch zwei elektrisch leitende Flächen, die
einander gegenüberstehen
und die elektrisch voneinander isoliert sind. Diese elektrisch leitenden
Flächen
befinden sich in zwei unterschiedlichen Ebenen, nämlich in
der Ebene II und in der Ebene III. 3B zeigt
eine Draufsicht auf die Ebene II des Bauelements aus 3A. Hier ist eine elektrisch
leitende Fläche 25 mit der
Durchkontaktierung 115 elektrisch leitend verbunden. Von
den übrigen
Durchkontaktierungen 111, 112, 113, 114, 116, 117 ist
die elektrisch leitende Fläche
isoliert. Entsprechend der 3B ist
eine weitere elektrisch leitende Fläche 26 in der Ebene
III des Bauelements angeordnet. Dies zeigt 3C. Die elektrisch leitende Fläche 26 ist
elektrisch leitend mit der Durchkontaktierung 117 verbunden.
Von den übrigen
Durchkontaktierungen 111, 112, 113, 114, 115, 116 ist
die elektrisch leitende Fläche 26 isoliert.
Insbesondere analog, analog zur 3B,
ist gemäß
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3C eine
Aussparung 12 in der elektrisch leitenden Fläche 26 vorgesehen,
durch die die Durchkontaktierung 116 ragt.
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3D zeigt
das Ersatzschaltbild für
das Bauelement nach den 3A, 3B und 3C. Im Unterschied zum Ersatzschaltbild
nach 2A ist hier zusätzlich eine
Kapazität
C vorgesehen. Darüber
hinaus sind die Funkenstrecke 1 und die Induktivität L zueinander
parallel geschaltet. Die Kapazität
C und die Induktivität
L bilden ein Hochfrequenzfilter 4, das dafür geeignet
sein kann, elektrische Spannungsimpulse mit Frequenzen, die oberhalb
der Nutzfrequenz eines Frontendmodules liegen, gegen Erde abzuleiten.
Vorteilhafterweise wird in diesem Fall die Erde bzw. ein Bezugspotential
an den Anschluß C
angeschlossen. Auch die Funkenstrecke 1 ist zur Signal-Durchlaßleitung,
die zwischen den Anschlüssen A
und B verlaufen kann, so geschaltet, daß störende Spannungsimpulse, vorzugsweise
diejenigen, die im Nutzfrequenzband auftreten, gegen den Anschluß C, beispielsweise
gegen Erde, abgeleitet werden.
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Es wird ferner ein weiteres Ausführungsbeispiel
angegeben, dessen Ersatzschaltbild in 4B angegeben
ist. Bei diesem Ersatzschaltbild ist im Unterschied zu 3D die Kapazität C parallel
zur Funkenstrecke 1 geschaltet. Zudem liegt die Induktivität L in Reihe
zur Verbindung der Anschlüsse
A und B. Sowohl die Funkenstrecke 1 als auch die Kapazität C sind
mit dem Anschluß C
verbunden, der beispielsweise mit einem Bezugspotential oder mit
einer Erde verbunden werden kann.
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Um ein ESD-Schutzbauelement mit einer
Ersatzschaltung nach 4B im
Rahmen der hier vorgeschlagenen technischen Lehre zu realisieren, kann
es beispielsweise vorgesehen sein, ein Bauelement, das so aussieht,
wie in den 2 und 3B vorgeschlagen, wobei die
Ebene III gemäß 3C so abzuändern ist,
daß anstelle
der Anordnung der elektrisch leitenden Schicht 26 gemäß 3C in der Ebene III eine
Anordnung der elektrisch leitenden Fläche 26 gemäß 4A in der Ebene III vorgesehen
wird. Alle übrigen
Komponenten des Bauelementes können
wie in den 2 und 3A verwendet werden.
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5 zeigt
beispielhaft eine Schaltungsanordnung mit einer Schalteinheit 6,
die dazu geeignet ist, einen Anschluß 5 für ein HF-Signal
wahlweise mit einer Signalleitung 71 oder mit einer Signalleitung 72 zu
verbinden. Zu diesem Zweck kann eine Steuerleitung 14 zur
Steuerung der Schalterstellung vorgesehen sein. Das Schalten des
Hochfrequenzsignals kann beispielsweise mittels eines Galliumarsenid-Schalters 10 erfolgen,
welcher in die Schalteinheit 6 integriert ist. Um der Schalteinheit 6 zusätzliche Funktionen
zuzuordnen, kann es darüber
hinaus vorgesehen sein, daß Oberflächenwellen-Filter 9 in
der Schalteinheit 6 integriert sind, welche aus dem Hochfrequenzsignal
des Anschlusses 5 die jeweils gewünschten Anteile herausfiltern.
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Der Anschluß 5 für ein Hochfrequenzsignal kann
beispielsweise mit einer Antenne eines Mobilfunkgerätes verbunden
sein. Bei der Schalteinheit 6 kann es sich beispielsweise
um ein Frontendmodul in einem Mobiltelefon handeln. Um insbesondere
die empfindlichen Komponenten, nämlich
das OFW-Filter 9 und den Galliumarsenid-Schalter 10 vor ESD-Spannungsimpulsen
seitens des Anschlusses 5 für HF-Signale zu schützen, ist
besonders vorteilhaft, eines der hier beschriebenen ESD-Schutzbauelemente
zwischen dem Anschluß 5 für ein HF-Signal und
der Schalteinheit 6 zu schalten. Ein solches ESD-Schutzbauelement 8 kann
hinsichtlich des Ersatzschaltbildes beispielsweise so ausgeführt sein, wie
in den 2A, 3B und 3D angegeben. Dann wäre der jeweilige Anschluß A mit
der Antenne, der Anschluß B
mit der Schalteinheit 6 und der Anschluß C mit dem Erdpotential verbunden.
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Es sind darüber hinaus aber auch noch andere
Beschaltungsvarianten denkbar. Beispielsweise könnte ein ESD-Schutzbauelement 8,
dessen Ersatzschaltbild gemäß 2A ausgebildet ist, so beschalten
sein, daß sowohl
die Antenne als auch die Schalteinheit 6 mit dem Anschluß A verbunden
sind. Dann wäre
der Anschluß B
mit dem Erdpotential zu verbinden.
-
6 zeigt
noch eine Variante für
die Ausführung
der Leiterbahnen 21, 22, die die Funkenstrecke
bilden. Hierbei ist es vorgesehen, anstelle von zwei parallel zueinander
verlaufenden geraden Stücken
Leiterbahnen 21, 22 vorzusehen, die einander gegenüberliegend
jeweils mit einer Spitze 13 versehen sind. Durch eine solche
Maßnahme
könnte
der Elektrodenabstand d vorteilhafterweise noch weiter reduziert
werden, bzw. es könnte
die vorhandene Justiergenauigkeit bei den hier beschriebenen Herstellungsprozessen
optimal zur Herstellung minimaler Elektrodenabstände d ausgenutzt werden. Der Elektrodenabstand
d kann beispielsweise bis auf einen Wert von 1,2 μm reduziert
werden.
-
7 zeigt
eine Funkenstrecke 1, aufgebracht auf einem Substrat 3 in
einer Querschnittsansicht. Es ist zu erkennen, daß die beiden
Leiterbahnen 21, 22, die die Funkenstrecke 1 bilden,
substratseitig eine Hinterschneidung 159 aufweisen. Diese Hinterschneidung 159 kann
beispielsweise durch Wegätzen
einer Opferstruktur im Rahmen der MEMS-Technologie hergestellt werden.
Die Hinterschneidung 159 hat den Vorteil, daß der Elektrodenabstand
d zwischen den Leiterbahnen 21, 22 auf einen sehr
kleinen Wert reduziert werden kann.
-
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht
auf Funkenstrecken auf Siliziumsubstraten, sondern kann auf jeder
geeigneten Art von Substraten, beispielsweise enthaltend Germanium
oder andere Materialien, wie z.B. Siliziumoxid, angewandt werden.
Darüber
hinaus beschränkt
sich die Erfindung nicht auf Leiterbahnen aus Gold, es kommen vielmehr
alle geeigneten Materialien in Betracht, beispielsweise Silber oder
Platin oder Kupfer.
-
- 1
- Funkenstrecke
- 21,
22, 23, 24
- Leiterbahn
- 25,
26
- elektrisch
leitende Fläche
- 3
- Substrat
- 4
- Hochfrequenzfilter
- 5
- Anschluß für Hochfrequenz
-
- signal
- 6
- Schalteinheit
- 71,
72
- Signalleitungen
- 8
- ESD-Schutzbauelement
- 9
- OFW-Filter
- 10
- Galliumarsenid-Schalter
- 111,
112, 113, 114, 115, 116, 117
- Durchkontaktierungen
- 12
- Aussparung
- 13
- Spitze
- 14
- Steuerleitung
- L
- Induktivität
- C
- Kapazität
- d
- Elektrodenabstand
- A,
B, C
- Anschlüsse
- I,
II, III, IV
- Ebenen
- 151,
152, 153
- leitende
Schichten
- 154
- Anschluß
- 155
- Beschichtung
- 156
- Substrat
- 157
- Dielektrikum
- 158
- Polymer
- 159
- Hinterschneidung