DE19812921A1

DE19812921A1 - VLSI-Schaltung mit Temperaturüberwachung

Info

Publication number: DE19812921A1
Application number: DE19812921A
Authority: DE
Inventors: Horst Schaefer; Jenoe Tihanyi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1998-03-24
Filing date: 1998-03-24
Publication date: 1999-09-30
Also published as: US6411484B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine VLSI-Schaltung mit mindestens einem in einem Gehäuse (1) angeordneten integrierten Halbleiter-Chip (10), welcher über Anschlußleitungen (11) mit von außerhalb des Gehäuses (1) zugänglichen Kontaktanschlüssen (3) verbunden ist. In dem Gehäuse (1) ist ein zum Halbleiter-Chip (10) in Wärmekontakt stehender Temperatursensor-Chip (20) angeordnet, dessen Anschlußleitungen (23) mit zusätzlichen Kontaktanschlüssen (3') des Gehäuses (1) in Verbindung stehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine VLSI-Schaltung mit Temperatu rüberwachung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des An spruchs 1.

Als VLSI-Schaltungen werden allgemein integrierte Schaltkrei se bezeichnet, bei denen eine sehr große Anzahl von einzelnen Schaltungskomponenten auf dem Halbleiterchip auf kleinsten Raum untergebracht sind. VLSI-Schaltungen sind z. B. Mikropro zessor-Chips, Speicherchips usw.

Solche VLSI-Chips erzeugen im Betrieb und insbesondere im Dauerbetrieb beträchtlich Wärme, die auf geeignete Art und Weise abgeführt werden muß. Hierfür dienen regelmäßig Kühl körper, die mit den Gehäusen der VLSI-Chips berührend in Ver bindung stehen, um die Wärme abzuleiten. Häufig ist in der Nähe des VLSI-Chips auch ein Temperaturlüfter angeordnet, der zusätzlich für eine ausreichende Wärmeabfuhr sorgt. Der Kühl körper und der Lüfter sind dabei regelmäßig so dimensioniert, daß eine ausreichende Wärmeabfuhr möglich ist. In der Regel bedeutet dies eine Überdimensionierung von Kühlkörper und/oder Lüftermotor.

Es ist auch bekannt, diesen Temperaturlüfter mit Erhöhung der Temperatur schneller anzutreiben, also die Drehzahl zu erhö hen, um für eine stärkere Wärmeabfuhr zu sorgen. Schließlich ist es auch bekannt, bei Übertemperatur eine Sicherheitsab schaltung des das VLSI-Chip enthaltenen Gerätes, z. B. ein Personal-Computer, durchzuführen. Hierbei wird das Gerät von der Stromversorgung getrennt bis die Temperatur unter den kritischen Wert der vorgegebenen Übertemperatur abgeklungen ist. Allerdings sitzt die Regeleinrichtung und der Tempera tursensor hierbei regelmäßig außerhalb des VLSI-Chips.

Integrierte Schaltungen, die einen Temperatursensor aufweisen sind als solche bekannt. Allerdings handelt es sich hierbei nicht um VLSI-Schaltungen, sondern um solche, bei denen ein Verlustwärme erzeugender Leistungsschalter in einen Halblei ter-Chip integriert ist. Die Temperatursensorschaltung ist hierbei an den Steueranschluß des Leistungsschalters ange schlossen.

Eine solche Schaltungsanordnung ist beispielsweise in EP 0 208 970 B1 beschrieben. Zum Schutz des Leistungs-MOS-FET bei auftretender Übertemperatur ist auf einen den Leistungs-MOS- FET enthaltenden Halbleiterkörper ein zweiter Halbleiterkör per geklebt, welcher eine Temperatursensorschaltung und einen Halbleiterschalter enthält. Die beiden Halbleiterkörper ste hen einander in gutem Wärmekontakt, so daß eine auftretende Übertemperatur innerhalb des Halbleiterkörpers des Leistungs- MOS-FET in der Temperatursensorschaltung erfaßt werden kann. Der elektronische Schalter, z. B. ein Thyristor, innerhalb des zweiten Halbleiterkörpers ist zwischen die Sourceelektro de und Drainelektrode des Leistungs-MOS-FET geschaltet. Steigt die Temperatur im Inneren des MOS-FET durch Überla stung oder hohe Umgebungstemperatur an, schließt der im zwei ten Halbleiterkörper enthaltende, elektronische Schalter die Gateelektrode zur Sourceelektrode des MOS-FET kurz, so daß die im eingeschalteten Zustand zuvor zwischen Sourceelektrode und Gateelektrode des MOS-FET anstehende Spannung zusammen bricht und der MOS-FET ausschaltet.

Die Erfindung hat das Ziel, eine Anordnung für eine VLSI- Schaltung anzugeben, mit der eine optimale Temperaturregelung des in der VLSI-Schaltung enthaltenen Halbleiter-Chips ge währleistet ist.

Dieses Ziel wird durch eine VLSI-Schaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Die Erfindung beruht also im wesentlichen darauf, daß in dem Gehäuse ein zum Halbleiter-Chip in Wärmekontakt stehender Temperatursensor-Chip angeordnet ist, daß Anschlußleitungen des Temperatursensor-Chips mit zusätzlichen Kontaktanschlüs sen des Gehäuses in Verbindung stehen, und daß an den zusätz lichen Kontaktanschlüssen eine Regelschaltung zur Temperatur regelung des VLSI-Chips angeschlossen ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann der Temperatursen sor-Chip zum Halbleiter-Chip voll isoliert angeordnet sein, auf gleichen Bezugspotential liegen, oder zum Anschluß an das gleiche Versorgungspotential vorgesehen sein.

Zweckmäßigerweise liefert der Temperatursensor-Chip ein digi tales oder analoges Ausgangssignal, das von einer Regelein richtung weiterverarbeitet wird. Das Ausgangssignal des Tem peratursensor-Chips ist nämlich als Regelsignal zur Einlei tung einer Temperaturregelung vorgesehen, um die Temperatur im Gehäuse des VLSI-Chips am Ort des Temperatursensor-Chips unter einem vorgegebenen Grenzwert zu halten.

Die Temperaturabsenkung kann erfindungsgemäß auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Es ist z. B. möglich, zur Temperatur regelung eine Verminderung der Taktfrequenz des VLSI-Chips vorzusehen. Es ist auch möglich, eine Erhöhung der Kühlluft zufuhr zum VLSI-Chip vorzusehen. Darüber hinaus kann auch ei ne Erniedrigung der Spannungsversorgung zum VLSI-Chip zur Temperaturabsenkung dienen.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Tempera tursensor-Chip ausgangsseitig mit einem Leistungsschalter ausgestattet (z. B. Triac, GTO, MOSFET etc.), welcher zum Ein- und Ausschalten eines Lüftermotors geeignet ist.

Die Erfindung schlägt also zusammenfassend vor, daß in dem Gehäuse des integrierten Schaltkreises auf dem VLSI-Chip, der von beliebiger Art und nach beliebiger Herstelltechnologie hergestellt sein kann, ein Temperatursensor-Chip befestigt ist und mit diesem in Wärmekontakt steht. Der Temperatursen sor-Chip kann in beliebig anderer Herstelltechnologie wie der Halbleiter-Chip hergestellt sein. Das Ausgangssignal des Tem peratursensor-Chips, das digital oder analog sein kann, dient dazu, bei Erhöhung der Chiptemperatur einen Regelmechanismus auszulösen, der die Chiptemperatur unterhalb der Gefahrgren zen für den VLSI-Chip hält. Die Temperaturbeeinflussung kann z. B. durch eine Reduzierung der Betriebsfrequenz des VLSI- Chips erfolgen oder aber auch durch eine Veränderung der Kühlluftzufuhr eingeleitet werden. Andere Möglichkeiten sind auch denkbar. Der wesentliche Vorteil besteht darin, daß nur dann eingegriffen wird, wenn überdurchschnittliche Leistungs erzeugung vorliegt. Der Temperatursensor-Chip wird zweckmäßi gerweise mit den Gehäuseanschlüssen des integrierten Bau steines elektrisch verbunden. Hierfür können zwei oder mehre re Pins des Temperatursensor-Chips nach außen geführt sein.

Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit einem Aus führungsbeispiel und zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Gehäuse einer integrierten Schaltungsanordnung mit VLSI-Chip und Temperatursensor-Chip in perspek tivischer Darstellung, und

Fig. 2 ein zu Fig. 1 gehörendes Blockschaltbild.

In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

In Fig. 1 ist in perspektivischer Ansicht eine schematische Darstellung der integrierten Schaltungsanordnung nach der Er findung dargestellt. Die Schaltungsanordnung weist ein Gehäu se 1 auf, das z. B. aus Kunststoff besteht und ein Vielzahl von von außen zugänglichen Kontaktanschlüssen 3, 3' aufweist. Im Inneren des Gehäuses ist ein Halbleiter-Chip 10 angeord net. Bei dem Halbleiter-Chip 10 handelt es sich um ein VLSI- Chip, also einen integrierten Schaltkreis mit sehr hoher Schaltungskomponentendichte (VLSI = very large scale integra tion). Dies kann ein Mikroprozessor, Microcontroller oder ein Speicherbaustein sein. Der Halbleiter-Chip 10 ist in an sich bekannter Weise an die Kontaktanschlüsse 3 des Gehäuses kon taktiert. Hierzu sind Bonddrähte, also Verbindungsleitungen 12 vorgesehen, die die Anschlüsse 11 am Halbleiter-Chip 10 mit den Kontaktanschlüssen 3 elektrisch verbindet.

Auf dem Halbleiter-Chip 10 sitzt ein Temperatursensor-Chip 20 isoliert auf. Hierfür ist zwischen Halbleiter-Chip 10 und Temperatursensor-Chip eine Isolier- und Wärmeleitschicht 30 angeordnet. Der Temperatursensor-Chip 20 verfügt über einen Temperatursensor 21, der mit einer integrierten Regelschal tung verbunden sein kann. Anschlüsse 22 des Temperatursensor- Chips 20 sind über Bonddrähte 23 an die bereits oben erwähn ten Kontaktanschlüsse 3' angeschlossen. Damit kann ein Schal tungsentwickler ohne weiteres auf die Anschlußleitungen des Temperatursensor-Chips 20 zugreifen und diese z. B. zur An steuerung eines temperaturgeführten Lüftermotors heranziehen.

Der Temperatursensor-Chip 20 kann im einfachsten Fall ein Temperaturwiderstand sein, welcher auf dem Halbleiter-Chip 10 aufsitzt und dessen beiden Anschlußklemmen mit den Kontaktan schlüssen des Gehäuses 1 in Verbindung stehen. Der Sensor kann auch ein Leistungsschalter sein. Zusätzlich kann auch intelligente Elektronik in dem Temperatursensor-Chip 20 inte griert sein bis hin zu einer kompletten Regelschaltung, deren Ausgangsklemmen mit den Kontaktanschlüssen 3' des Gehäuses 1 in Verbindung stehen und/oder bereits intern im Gehäuse 1 an den Halbleiter-Chip 10 angeschlossen sind zu dessen Sicher heitsabschaltung im Übertemperaturfall.

In Fig. 2 ist beispielhaft ein Blockschaltbild für eine VLSI- Schaltung nach der Erfindung gezeigt. Über den Temperatursen sor des Temperatursensor-Chips 20 wird die aktuelle Tempera tur ΔT am Halbleiter-Chip 10 erfaßt. Hierfür ist der Tempera tursensor an der wärmekritischen Stelle des Halbleiter-Chips 10 zu plazieren. Die erfaßte aktuelle Temperatur ΔT wird ei ner Regelschaltung 40 zugeführt, die dafür sorgt, daß die Temperatur am Halbleiter-Chip 10 abgesenkt wird sobald ein vorgegebener kritischer Temperaturwert überschritten wird.

Hierfür kann am Ausgang der Regelschaltung ein Stellsignal für einen Schalter 50, der die Stromversorgung zum VLSI-Chip 10 abschaltet, bereitgestellt werden. Der Schalter 50 liegt deshalb im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 in Reihe zum VLSI- Chip 10 zwischen dem Versorgungspotential V_bb und Masse.

Es ist auch möglich, wie in Fig. 2 strichliert dargestellt, daß der Ausgang der Regelschaltung 40 zur Ansteuerung eines Lüftermotors 60 dient, um dessen Drehzahl D zu regeln bzw. zu stellen.

Ganz wesentlich ist bei der vorliegenden Schaltungsanordnung, daß der Temperatursensor in unmittelbarer Nähe des VLSI-Chips 10 innerhalb des Gehäuses 1 der integrierten Schaltung sitzt. Nur so kann frühzeitig und sehr genau die Temperatur am kri tischen Ort des VLSI-Chips kontrolliert werden.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

3

Kontaktanschlüsse

10

VLSI-Chip

11

Anschlüsse

12

Bonddrähte

20

Temperatursensor-Chip

21

Temperatursensor

22

Anschlüsse

30

Isolier- und Wärmeleitschicht

40

Regelschaltung

50

Schalteinrichtung

60

LüfterΔT aktuelle Temperatur
D Drehzahl
V_bb

Versorgungspotential

Claims

1. VLSI-Schaltung mit mindestens einem in einem Gehäuse (1) angeordneten integrierten Halbleiter-Chip (10), welcher über Anschlußleitungen (12) mit von außerhalb des Gehäuses (1) zu gänglichen Kontaktanschlüssen (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (1) ein zum Halbleiter-Chip (10) in Wärmekontakt stehender Temperatursensor-Chip (20) angeordnet ist, daß Anschlußlei tungen (23) des Temperatursensor-Chips (20) mit zusätzlichen Kontaktanschlüssen (3') des Gehäuses (1) in Verbindung ste hen, und daß an den zusätzlichen Kontaktanschlüssen (3') eine Regelschaltung (40) zur Temperaturregelung der VLSI-Schaltung angeschlossen ist.

2. VLSI-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur sensor-Chip (20) zum Halbleiter-Chip (10) voll isoliert ange ordnet ist.

3. VLSI-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur sensor-Chip (20) und der Halbleiter-Chip (10) auf gleichen Bezugspotential liegen.

4. VLSI-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur sensor-Chip (20) und der Halbleiter-Chip (10) zum Anschluß an das gleiche Versorgungspotential (V_bb) vorgesehen sind.

5. VLSI-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur sensor-Chip (20) ein digitales oder analoges Ausgangssignal bereitstellt.

6. VLSI-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangs signal des Temperatursensor-Chips (20) als Regelsignal zur Einleitung einer Temperaturregelung vorgesehen ist, um die Temperatur im Gehäuse (1) der VLSI-Schaltung am Ort des Tem- Peratursensor-Chips (20) unter einem vorgegebenen Grenzwert zu halten.

7. VLSI-Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturre gelung (20) eine Verminderung der Taktfrequenz des Halblei ter-Chips (10) vorgesehen ist.

8. VLSI-Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturre gelung (20) eine Erhöhung der Kühlluftzufuhr zur VLSI- Schaltung vorgesehen ist.

9. VLSI-Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturre gelung (20) eine Erniedrigung der Spannungsversorgung zum Halbleiter-Chip (10) vorgesehen ist.

10. VLSI-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur sensor-Chip (20) ausgangsseitig einen Leistungsschalter (50) aufweist, welcher zum Ein- und Ausschalten eines Lüftermotors (60) geeignet ist.

11. VLSI-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschal tung (40) in das Gehäuse (1) der VLSI-Schaltung integriert ist.