DE19806817C1 - EMV-optimierter Leistungsschalter - Google Patents
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- H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsschalter, wie er aus der EP 696818 A2 bekannt ist und
der einen Halbleiter-Chip auf einem Leadframe umfaßt, wobei
der Halbleiter-Chip wenigstens einen Steuerungsanschluß, ei
nen ersten Anschluß für ein aktives Potential und einen zwei
ten Anschluß für ein ruhendes Potential aufweist, und wobei
das Leadframe mit dem zweiten Anschluß verbunden ist.
Leistungsschalter und insbesondere Leistungstransistoren, die
auf der Basis schneller Schaltvorgänge arbeiten, verursachen
ein hohes Maß an elektromagnetischer Störemission. Um die in
den einschlägigen EMV-Normen (z. B. EN50081 11/2) vorgegebenen
Grenzwerte der maximalen Störemission einzuhalten, ist des
halb in den meisten Anwendungsschaltungen ein nicht unerheb
licher Filteraufwand erforderlich.
Man unterscheidet bei den leitungsgebundenen Störungen zwi
schen den symmetrischen und den asymmetrischen Störungen, wo
bei die asymmetrischen Störungen durch die in den Erd- oder
Masse-Pfad eingekoppelten Störströme verursacht werden. Die
Entstehung der asymmetrischen Störungen wird im folgenden an
hand eines Eintakt-Wandlers erläutert.
Wenn der Leistungsschalter ein Leistungs-MOS-Transistor ist,
so treten im Schaltbetrieb am Drain-Anschluß des Lei
stungstransistors hohe Spannungssteilheiten auf, d. h. der
Verlauf der Spannung hat eine große Steigung dU/dt. Da nach
dem Stand der Technik bei allen Leistungstransistoren die dem
Kühlkörper zugewandte Chip-Rückseite den Drain-Anschluß bil
det und mit dem Leadframe verbunden ist, ergibt sich bei ei
ner Montage des Bauteils auf einem Kühlkörper eine nicht un
erhebliche Koppelkapazität Ck zwischen dem Drain und dem
Kühlkörper. (Das Leadframe ist der Metallträger, auf dem der
eigentliche Halbleiter-Chip befestigt ist.) Der Kühlkörper
selbst ist im allgemeinen direkt oder über eine - aufgrund
seiner räumlichen Ausdehnung - nicht unerhebliche Koppelkapa
zität mit dem Masse-Potential verbunden. Über die Koppelkapa
zität Ck wird nun ein Störstrom in die Masse-Leitung einge
koppelt, der proportional zu der Spannungsänderung in der
Zeit ist, d. h. es gilt Istör ∼ Ck . dU/dt.
Diese Situation ist in Fig. 2 dargestellt (vgl. hierzu die US 4961107). Mit 6 ist ein Lei
stungstransistor nach dem Stand der Technik bezeichnet, d. h.
sein Drain-Anschluß ist direkt mit dem Leadframe 2 verbunden.
Im Drain-Pfad des Leistungstransistors 6 liegt eine Last 4.
Das Leadframe 2 bildet mit einem Kühlkörper 1 und einer Iso
lation 9 zwischen beiden eine Kapazität CK, über die der Lei
stungsschalter kapazitiv mit Masse gekoppelt ist und über die
ein Störstrom Istör in die Masse-Leitung eingekoppelt wird.
Die Kapazität CK nimmt wegen der großen Fläche des Leadframes
einen großen Wert an, wodurch auch der in die Masse-Leitung
eingekoppelte Strom Istör groß wird.
Einmal eingekoppelt lassen sich diese asymmetrischen Störan
teile nur mehr schwer aus der Masse-Leitung beseitigen; so
ist z. B. in am Netz betriebenen Geräten die Größe der zur
Siebung der asymmetrischen Störungen notwendigen Y-Kondensa
toren durch Bestimmungen über den maximalen Ableitstrom stark
eingeschränkt, was zu einem erhöhten Aufwand an stromkompen
sierten Entstördrosseln führt.
Um die Entstehung der asymmetrischen Störungen zu unterbin
den, wird nach dem Stand der Technik ein leitfähiger Schirm
zwischen Transistor und Kühlkörper verwendet, und der Schirm
wird niederinduktiv mit dem Zwischenkreis-Potential verbun
den. Damit wird der Störstrompfad nach Masse unterbrochen.
Die Nachteile dieser Entstörmethode sind aber, daß sich der
Montage-Aufwand deutlich erhöht und es zu einer Verschlechte
rung des thermischen Widerstandes zwischen Transistor und
Kühlkörper kommt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Lei
stungsschalter zu schaffen, bei dem die asymmetrischen Stö
rungen bei gleichzeitiger Reduzierung des schaltungstechni
schen Aufwands unterbunden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Leistungsschalter mit
den Merkmalen nach Anspruch 1 oder 4. Die abhängigen Ansprüche be
ziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, das
Leadframe des Leistungsschalters mit der auf "ruhendem Po
tential" liegenden Seite des Chips zu verbinden.
Unter ruhendem Potential wird im folgenden das Potential
verstanden, das an dem Leistungsschalter auf der der Last
abgewandten Seite liegt. Das aktive Potential ist dagegen
dasjenige Potential, das auf der Lastseite an dem Leistungs
schalter anliegt.
Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsschalter, der einen Halblei
ter-Chip auf einem Leadframe umfaßt, wobei der Halbleiter-
Chip wenigstens einen ersten Anschluß für ein aktives Poten
tial und einen zweiten Anschluß für ein ruhendes Potential
aufweist, ist das Leadframe mit
dem zweiten Anschluß verbunden. Des weiteren ist der erste Anschluß
der Drain und der zweite Anschluß die Source eines Transi
stors. Der Chip kann dabei vollständig vom Leadframe isoliert
sein, und die Verbindung zwischen Source und Leadframe wird
durch eine Drahtverbindung hergestellt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Chip
über den Source-Anschluß auf dem Leadframe montiert, so daß
der Drain-Anschluß sich auf der freiliegenden Oberfläche des
Chips befindet.
Da sich bei dieser Ausführungsform das benachbart zur Source
angeordnete Gate ebenfalls auf der Seite des Leadframes be
findet, wird der Steuerungsanschluß über Trenche in dem Chip
mit der freiliegenden Oberfläche des Chips verbunden. So ist
er zugänglich und kann verdrahtet werden.
Der erfindungsgemäße Leistungsschalter kann alternativ auch als Diode
realisiert werden, bei der der erste Anschluß die Kathode und
der zweite Anschluß die Anode ist.
Ein derartiger EMV-optimierter Schalter weist die folgenden
Vorteile auf: Erstens werden die asymmetrischen Störanteile
ohne zusätzlichen Schirm unterdrückt. Zweitens wird der
thermische Widerstand nicht durch eine Schirm-Isolation ver
schlechtert. Schließlich weisen aufgrund der fehlenden Sour
ce-Bonddrähte die Transistoren eine extrem niedrige Source-
Induktivität auf. Dadurch werden parasitäre Oszillationen im
Bereich der Schaltflanken - insbesondere bei der Parallel
schaltung mehrerer Transistoren - wirksam reduziert. Diese
Oszillationen machen sich als Maxima in Störspektrum bemerk
bar, zu ihrer Dämpfung ist bei Transistoren nach dem Stand
der Technik (Common-Drain) ein deutlich erhöhter Aufwand er
forderlich (Hilfs-Source-Anschluß, Gate- und Sourceseitige
Widerstände zum Gate-Treiber usw.), der bei dem erfindungs
gemäßen Transistor entfällt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der Beschreibung der zeichnerisch dargestellten Ausführungs
formen der Erfindung, die nur als Beispiel dienen und auf
die die Erfindung nicht beschränkt ist.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäß abge
schirmten Leistungsschalters.
Fig. 2 zeigt den bereits oben beschriebenen Stand der Tech
nik.
Fig. 3 zeigt ein Schaltbeispiel einer weiteren Ausführungs
form des erfindungsgemäß abgeschirmten Leistungsschalters.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Transistor bei
einer Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 1 ist sowohl die mechanische Anordnung als auch das
Schaltbild eines Leistungsschalters 6 dargestellt. Im rech
ten Abschnitt der Fig. 1 ist der Leistungsschalter 6 als aus
einem Chip 3 bestehend dargestellt, der auf einem Leadframe
2 montiert ist, das seinerseits thermisch in Kontakt zu ei
nem Kühlkörper 1 steht. Ein erster Anschluß des Leistungs
schalters ist mit D bezeichnet. Der Anschluß D wird über ei
ne Drahtverbindung von dem Chip 3 nach außen geführt. Dieser
erste Anschluß D ist wie in dem Schaltbild gezeigt mit einer
Last 4 verbunden. Da der Leistungsschalter 6 in Fig. 1 als
Low-side-Schalter dargestellt ist, liegt an dem Anschluß D
das "aktive" Potential an.
Ein zweiter Anschluß des Transistors 6 ist mit S bezeichnet.
Er ist in der gezeigten Ausführungsform fest mit dem Lead
frame 2 verbunden und liegt damit auf "ruhendem" Potential.
Ferner umfaßt der Leistungsschalter einen Steuerungsanschluß
oder Gate-Anschluß G. An ihn wird eine Steuerspannung ange
legt, die dazu dient, den durch den Transistor zwischen
Source S und Drain D fließenden Strom einzustellen.
Die Schaltung wird von einer Spannungsquelle 5 versorgt, die
mit Siebkondensatoren 7 abgesichert wird.
Bei dem gezeigten Aufbau des Transistors mit Source S auf
ruhendem Potential und Last 4 im Drain-Pfad wird eine Ein
kopplung von Störungen in die Masse-Leitung vermieden.
Damit der Transistor 6 erfindungsgemäß entstört oder entkop
pelt werden kann, muß er so hergestellt werden, daß die
Source S des Transistors mit dem Leadframe 2 verbunden wer
den kann.
Dazu wird in einer ersten Ausführungsform ein DMOS-Transi
stor als Schaltelement verwendet, der in Smart-Power-Tech
nologie hergestellt wird. DMOS-Transistoren sind in dieser
Technologie stets von der Rückseite des Si-Wafers bzw. Chips
3 isoliert, d. h. sowohl Drain D als auch Source S können be
liebig geschaltet werden, indem die Source S über eine
(nicht gezeigte) Drahtverbindung mit dem Leadframe 2 verbun
den wird.
Um noch größere Schaltleistungen als mit in Smart-Power-
Technologie hergestellten DMOS-Transistoren zu erreichen,
werden bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die
Chips 3 mit DMOS-Transistoren "verkehrt" auf dem Leadframe 2
montiert. Mit anderen Worten, der Chip 3 mit DMOS Transisto
ren der herkömmlichen Art wird über die Source S auf das
Leadframe montiert. Die Source S befindet sich damit zwi
schen Chip 3 und Leadframe 2 und wird über das Leadframe 2
angeschlossen. Der Drain D liegt oben auf dem Chip 3 und ist
ohne weiteres zugänglich.
Der Steuerungsanschluß G des Transistors liegt in unmittel
barer Nähe des Source-Anschlusses S. Damit ist der Steue
rungsanschluß bei der Montage des Chips 3 auf dem Leadframe
2 über die Source S nicht mehr unmittelbar zugänglich. In
der bevorzugten Ausführungsform mit Montage des Chips 3 über
die Source S wird daher der Gate-Anschluß G von der Vorder
seite, d. h. der Seite der Source S, auf die Rückseite, d.
h. die Seite des Drain, gebracht. Vorzugsweise erfolgt eine
Verbindung von der Vorderseite des Chips 3 mit der Rückseite
des Chips 3 über Gräben oder sogenannte Trenches im Chip.
Vorzugsweise werden daher bei dieser Ausführungsform des er
findungsgemäßen Leistungsschalters dünne Chip-Scheiben ver
wendet. Die Tiefe der Trenches in dem Chip 3 wird entspre
chend der Dicke der Chip-Scheiben gewählt. Eine Ausführungs
form der Erfindung mit Trenchen in dem Transistor für das
Gate G ist in Fig. 4 gezeigt.
Dabei ist der Trench mit 10, die Isolationsschicht für den
Trench mit 11, die Transistorstrukturen auf der Unterseite
des Chips 3 mit 12 und die Lotverbindung zwischen Chip 3 und
Leadframe 2 mit 13 bezeichnet.
Die beiden obigen Ausführungsformen der Erfindung unterschei
den sich dadurch, daß der Chip 3 entweder vollständig vom
Leadframe 2 und damit vom Kühlkörper isoliert ist und die
Verbindung zwischen Source und Leadframe eine Drahtverbindung
ist, oder der Chip 3 über die Source S auf dem Leadframe 2
derart montiert ist, daß der Drain D sich auf der freiliegen
den Oberfläche des Chips 3 befindet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die
Chips 3 als Transistoren ausgeführt, bei denen die dem Lead
frame zugewandte Chip-Rückseite den Source-Anschluß bildet.
Damit kann eine direkte Verbindung zwischen Source S und dem
Leadframe 2 bzw. Kühlkörper 1 hergestellt werden. Da die
Source S auf ruhendem Potential liegt, wird somit auch das
Leadframe 2 erfindungsgemäß auf ruhendes Potential gebracht.
In allen drei Fällen kann das Chip in der übliche Weise auf
ein Leadframe gelötet werden und das Leadframe direkt mit
dem Zwischenkreispotential verbunden werden. Damit wird -
wie oben beschrieben - eine Störausbreitung nach Masse/Erde
vermieden. Ein Störstrom tritt nicht auf, da an der Koppel
kapazität zwischen Leadframe und Masse keine Potentialände
rung stattfindet, d. h. es gilt dU/dt = 0. Die am Drainan
schluß des Bauteils verbleibende Koppelkapazität CK* ist viel
kleiner als CK, so daß eine Störung Istör weitestgehend ver
mieden wird.
Mit der Erfindung wird damit ein EMV-optimierte Transistor
geschaffen, mit dem eine bessere Entstörung externer Leitun
gen als bei Transistoren nach dem Stand der Technik möglich
ist. Insbesondere ist die Erfindung einsetzbar bei Low-side-
Schaltern. Bei allen Low-side-Schaltern, d. h. Schaltern, bei
denen die Last 4 im Drain-Kreis liegt, ist das ruhende Poten
tial das Source-Potential. Durch die Verbindung des Leadframe
2 mit der Source S, so daß damit das Potential des Leadframe
2 gegenüber Masse ruht und dU/dt = 0 gilt, wird folglich die
Einkoppelung von Störstrom nach außen in die Masse-Verbindung
verhindert. Dies gilt unabhängig von der Koppelkapazität zwi
schen Chip 3 und Kühlkörper 1. Selbst bei direkter, leitender
Montage des Bausteins auf einen mit Masse verbundenen Kühl
körper 1 wird kein Störstrom in die Masse eingekoppelt. Dabei
können die Low-side-Schalter auch in Brückenschaltungen ein
gesetzt sein.
Ein weiteres Beispiel für eine Schaltung eines erfindungsge
mäßen Bauelements ist in Fig. 3 dargestellt. Dort ist der
Leistungsschalter eine Diode 8 mit einer Kathode K als erstem
Anschluß und einer Anode A als zweitem Anschluß. Sie ist in
Reihe mit einem (konventionellen) Transistor 6 geschaltet und
dient in der gezeigten Schaltung als Freilaufdiode. Bei mit
dem Leadframe verbundener Anode A und auf der Oberseite des
Chips liegender Kathode K befindet sich die Anode A auf dem
ruhenden Potential, und damit wird über die große Kapazität
CK des Bauelements kein Störstrom mehr in den Masse-Kreis
eingekoppelt. Nur die sehr viel kleinere Kapazität CK* der
Kathode gegenüber dem Kühlkörper liegt auf einem zeitlich
veränderlichen Potential. Da aber die Kapazität CK* der Ka
thode sehr klein ist, wird eine Einkopplung von Störströmen
in den Masse-Kreis zuverlässig unterdrückt.
Die Erfindung wurde mit bezug auf MOS-Transistoren und Di
oden beschrieben. Es versteht sich aber von selbst für den
Fachmann, da die Erfindung gleichermaßen anwendbar ist bei
bipolaren Halbleiterbauelementen wie Bipolartransistoren,
IGBTs, jeder Art von Thyristoren etc.
1
Kühlkörper
2
Leadframe
3
Chip
4
(induktive) Last
5
Spannungsquelle
6
Transistor
7
Siebkondensator
8
Diode
9
Isolation zwischen Leadframe und Kühlkörper
10
Trench
11
Isolationsschicht für Trench
12
Transistorstrukturen
13
Lot zwischen Chip und Leadframe
Derster Anschluß für aktives Potential oder Drain
Szweiter Anschluß für ruhendes Potential oder Source
CK
Derster Anschluß für aktives Potential oder Drain
Szweiter Anschluß für ruhendes Potential oder Source
CK
Koppelkapazität zwischen Leadframe und Masse
CK
CK
*Koppelkapazität zwischen Chip-Oberseite und Masse
Claims (4)
1. Leistungsschalter, der einen Halbleiter-Chip (3) auf einem
Leadframe (2) umfaßt, wobei der Halbleiter-Chip (3)
wenigstens einen ersten Anschluß (D, K) für ein aktives
Potential und einen zweiten Anschluß (S, A) für ein ruhendes
Potential aufweist,
wobei das Leadframe (2) mit dem zweiten Anschluß (S, A)
verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Anschluß (D) der Drain und der zweite Anschluß (S)
die Source eines Transistors (6) ist.
2. Leistungsschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Chip über die Source (S) des Transistors (6) auf dem
Leadframe (2) montiert ist.
3. Leistungsschalter nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Steuerungsanschluß (G) des Transistors (6) über Trenche
in dem Chip (3) mit der freiliegenden Oberfläche des Chips
(3) verbunden ist.
4. Leistungsschalter, der einen Halbleiter-Chip (3) auf einem
Leadframe (2) umfaßt, wobei der Halbleiter-Chip (3)
wenigstens einen ersten Anschluß (D, K) für ein aktives
Potential und einen zweiten Anschluß (S, A) für ein ruhendes
Potential aufweist,
wobei das Leadframe (2) mit dem zweiten Anschluß (S, A)
verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Anschluß (K) die Kathode und der zweite Anschluß
(A) die Anode einer Diode (8) ist.
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