DE19512190A1 - Schutzschaltung für eine integrierte Schaltung mit gesteuerter situationsabhängiger Schutzfestigkeit gegen Überspannungen (insb. Schutzfestigkeit vor und nach dem Einbau der integrierten Schaltung) - Google Patents

Description

Der Anmeldungsgegenstand betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz einer integrierten Halbleiterschaltung vor Über­ spannungen bei der ein integrierter Baustein eine integrierte Halbleiterschaltung aufnimmt, die an der Verbindung mit einem Anschluß des integrierten Bausteins Schaltmittel zum Schutz der integrierten Halbleiterschaltung vor Überspannungen auf­ weist.

Bei der Berührung eines Anschlusses eines eine integrierte Halbleiterschaltung aufnehmenden integrierten Bausteins mit einem anderen Gegenstand, wie z. B. dem menschlichen Körper, kann es aufgrund einer hohen Aufladung des Gegenstandes, z. B. der Aufladung des menschlichen Körpers, die in Fachkreisen auch als human body charge bezeichnet wird, zu Ladungsaus­ gleichsvorgängen kommen. Diese Ladungsausgleichsvorgänge kön­ nen an den Anschlüssen des integrierten Bausteins zu Spannun­ gen führen, die die zulässigen Spannungen bei weitem über­ steigen. Zum Schutz von empfindlichen Schaltungen, wie z. B. in in der CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor) - Technologie hergestellte integrierte Halbleiterschaltungen, werden insbesondere an den Eingängen der integrierten Halb­ leiterschaltung oben umrissene Schaltungen, die in Fachkrei­ sen auch als ESD (Electronical Stress Design) - Schaltungen bezeichnet werden, eingesetzt.

Diese Schaltungen sind herkömmlich zum einen mit einem in die Verbindung des Anschlusses des integrierten Bausteins und der integrierten Halbleiterschaltung in Serie geschalteten groß­ volumigen Widerstand und zum anderen mit zwei Dioden, die in Sperrichtung gepolt mit jeweils einem der beiden Betriebs­ spannungspotentiale verbunden sind, gebildet. Der in Längs­ richtung angeordnete Widerstand bildet zusammen mit den in Querrichtung angeordneten Sperrschichtkapazitäten der Dioden einen Tiefpaß, der für Signale mit hoher Frequenz z. B. < 500 MHz die Signalform beeinflußt oder sogar dazu führt, daß eine Signalübertragung von einem integrierten Baustein zu einem anderen integrierten Baustein überhaupt nicht mehr möglich ist. Bei dieser Schutzschaltung geht für einen erhöhten Wi­ derstandswert des Widerstandes eine erhöhte Schutzwirkung mit einer allerdings aufgrund der steigenden Zeitkonstante der Schutzschaltung sinkenden oberen Grenzfrequenz für das durch­ zuleitende Signal einher. Entwicklungsarbeiten in Richtung auf eine Geschwindigkeitssteigerung bei CMOS-Schaltungen führen zu dünneren Gate-Oxyden mit einer entsprechen erhöhten Überspannungsempfindlichkeit, wodurch der Zielkonflikt zwi­ schen einer möglichst hohen oberen Grenzfrequenz und einem hohen Schutz gegen Überspannungen weiter verschärft wird.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt das Problem zugrunde, den oben umrissenen Gegenstand derart weiterzubilden, daß die zwangs­ weise Kopplung einer erhöhten Schutzwirkung mit einer vermin­ derten Grenzfrequenz aufgehoben ist.

Der Anmeldungsgegenstand löst das Problem bei dem oben umris­ senen Gegenstand dadurch, daß die Schaltmittel nach Maßgabe eines Steuersignales von einem Zustand hohen Schutzes in ei­ nen Zustand niedrigen Schutzes umschaltbar sind.

Der Anmeldungsgegenstand macht sich die Erkenntnis zunutze, daß ein mit seiner bestimmungsgemäßen Schaltungsumgebung ver­ bundener integrierter Baustein einen erheblich geringeren Schutz gegen Überspannungen bedarf, als wenn er sich in einem losen Zustand befindet. Beim Anmeldungsgegenstand ist also während des Transports, für den Einbau in die bestimmungsge­ mäße Schaltungsumgebung und für Messungen mit niedriger Si­ gnalfrequenz ein hoher Schutz gegen Überspannungen und dahin­ gegen im Betrieb in der bestimmungsgemäßen Schaltungsumgebung ein verringerter Schutz bei einer erhöhten oberen Grenzfre­ quenz für das durchzuleitende Signal gegeben.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Anmeldungsgegenstand des ist das Steuersignal in dem integrierten Baustein aus dem Betriebsspannungspotential an dem Betriebsspannungsanschluß des integrierten Bausteins abgeleitet. Diese Maßnahme vermei­ det einen ansonsten notwendigen zusätzlichen Anschluß an dem integrierten Baustein zur Zuführung des Steuersignales.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Anmeldungsgegenstan­ des sind die Schaltmittel nach Maßgabe mehrerer Steuersignale in Stufen zwischen einem Zustand hohen Schutzes und einem Zu­ stand niedrigen Schutzes umschaltbar. Diese Maßnahme bringt eine Anpaßbarkeit von zueinander reziprokem Schutz gegen Überspannungen und oberer Signalgrenzfrequenz an den Anwen­ dungsfall.

Der Anmeldungsgegenstand wird im folgenden als Ausführungs­ beispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang an­ hand einer Figur näher beschrieben.

Dabei zeigt Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines inte­ grierten Bausteins, bei dem die verschiedenen Ausgestaltungen der anmeldungsgemäße Lehre verwirklicht sind.

Ein integrierter Baustein IB, der eine Mehrzahl von Anschlüs­ sen HIS, STS 1, STS n zur Kontaktgabe mit einer externen Schaltungsumgebung aufweist, bildet den Träger für eine inte­ grierte Halbleiterschaltung IS. Über den Anschluß HIS ist der integrierten Halbleiterschaltung ein Signal mit einer hohen Frequenz zugeführt. Das Signal ist über eine umschaltbare Schutzschaltung PC (für: Protection Circuit) einer herkömmli­ chen Eingangsschaltung ES der integrierten Halbleiterschal­ tung zugeführt. Die Schutzschaltung PC ist mit der das hohe Potential führenden Klemme U_DD und der das niedrige Potential führenden Klemme U_SS einer nicht näher dargestellten Be­ triebsspannungsquelle U_DD-U_SS verbunden. Der Anschluß HIS ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, optional über ei­ nen hochohmigen Querwiderstand R zur Festlegung eines defi­ nierten Potentials bei unbeschaltetem Anschluß mit der Klemme U_SS verbunden. Die Schutzschaltung PC ist von einer Schutz­ schaltungsansteuerungsschaltung PCC (für: Protection Circuit Control) über ein oder mehrere Steuersignale CS1 . . . CSm (für: Control Signal) angesteuert. Bei einer besonderen Ausfüh­ rungsform des Anmeldungsgegenstandes leitet die Schutzschal­ tungsansteuerungsschaltung PCC ein Steuersignal aus dem An­ liegen der Betriebsspannung U_DD-U_SS ab. Bei einer anderen Ausführungsform des Anmeldungsgegenstandes gibt die Schutz­ schaltungsansteuerungsschaltung PCC die Steuersignale CS1. . .CSm nach Maßgabe von über die Anschlüsse STS 1 . . . STS n und herkömmliche Schutzschaltungen SS zugeführte Ansteuersi­ gnale 1 . . . n an die Schutzschaltung PC ab. Für die Schutzschal­ tungen SS ist eine sehr große Zeitkonstante zulässig, da die Ansteuersignale in hohem Maße niederfrequent sind. Die Ausle­ gung der Schutzschaltung PC ist derart getroffen, daß bei Nichtvorhandensein eines aktiven Ansteuersignales bzw. der Betriebsspannung, also beispielsweise wenn sich der inte­ grierte Baustein in einem losen Zustand befindet, ein hoher Schutz der Eingangsschaltung gegen über den Anschluß HIS zu­ geführte Spannungen gegeben ist. Die Schutzschaltung PC kann beispielsweise durch eine an sich bekannte Schutzschaltung, die durch einen in Längsrichtung angeordneten Widerstand zu­ sammen mit zwei in Querrichtung angeordneten und mit je einer Klemme der Betriebsspannungsquelle verbundenen Dioden gegeben ist, gebildet sein, wobei der Widerstand abweichend von der bekannten Schutzschaltung einen relativ hohen Widerstand auf­ weist und ein dem Widerstand mit seinen Hauptelektroden pa­ rallelgeschalteter Transistor, der durch ein seiner Steuer­ elektrode zugeführtes aktives Steuersignal niederohmig schaltbar ist, gegeben ist. Bei einer weiteren Ausführungs­ form des Anmeldungsgegenstandes wird nach Einbau des inte­ grierten Bausteins in die bestimmungsgemäße Schaltungsumge­ bung in der Schutzschaltung PC unter Anwendung der für Siche­ rungs-PROMs (fusible Programmable Read Only Memory) bekannten Schmelzunterbrechungs (fuse-) Technologie nach Maßgabe eines Steuerungssignales eine Umschaltung von einem Zustand hohen Schutzes in einen Zustand niedrigen Schutzes gegen Überspan­ nungen bewirkt.

Der Anmeldungsgegenstand kann sowohl an einem ein Signal emp­ fangenden Anschluß als auch an einem ein Signal weiterleiten­ den Anschluß ,also an den Eingängen als auch an den Ausgän­ gen, des integrierten Bausteine zum Einsatz kommen.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zum situationsabhängigen Schutz einer integrierten Halbleiterschaltung vor Überspannungen bei der

• - ein integrierter Baustein eine integrierte Halbleiter­ schaltung aufnimmt
• - die integrierte Halbleiterschaltung an der Verbindung mit einem Anschluß des integrierten Bausteins Schaltmittel zum Schutz der integrierten Halbleiterschaltung vor Überspan­ nungen aufweist
  dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel nach Maßgabe eines Steuersignales von einem Zustand hohen Schutzes in einen Zustand niedrigen Schutzes umschaltbar sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch Schaltmittel die bei Anliegen eines aktiven Steuersignales von einem Zustand hohen Schutzes in einen Zustand niedrigen Schutzes umschaltbar sind.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal in dem integrierten Baustein aus dem Be­ triebsspannungspotential an dem Betriebsspannungsanschluß des integrierten Bausteins abgeleitet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch Schaltmittel, die nach Maßgabe mehrerer Steuersignale in Stu­ fen zwischen einem Zustand hohen Schutzes und einem Zustand niedrigen Schutzes umschaltbar sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Anschlüssen des integrierten Bausteins in dem integrierten Baustein mit Schaltmitteln zum Schutz der integrierten Halbleiterschaltung vor Überspannungen verbunden sind, die Schaltmittel durch ein sämtlichen Schaltmitteln ge­ meinsames Steuersignal bzw. Steuersignale umschaltbar sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine in der CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor) - Technologie hergestellte integrierte Halbleiterschaltung.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel mit einem in die Verbindung des Anschlusses und der integrierten Halbleiterschaltung in Serie geschalte­ ten ohmschen Widerstand, dem ein an seiner Steuerelektrode mit dem Steuersignal beaufschlagter Transistor parallelge­ schaltet ist, gebildet ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schaltmittel eine unter Anwendung der Schmelzunterbre­ chungs (fuse-) Technologie nach Maßgabe des Steuersignales herbeigeführte Umschaltung von einem Zustand hohen Schutzes in einen Zustand niedrigen Schutzes gegeben ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen Anschluß, der mit einem Eingang der integrierten Halb­ leiterschaltung verbunden ist.