DE19835453B4 - Verfahren zum Messen der Temperatur eines Leistungshalbleiters und Bauelement - Google Patents

Verfahren zum Messen der Temperatur eines Leistungshalbleiters und Bauelement Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Erfassen der Betriebstemperatur von einem Leistungshalbleiter (1) mit einer Oxidschicht (13), der mindestens eine Sperrzone aufweist, wobei über den temperaturabhängigen Widerstandswert eines im Leistungshalbleiter (1) integrierten Widerstandes eine hohe Betriebstemperatur erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur durch ein temperaturempfindliches Element auf der Gateoxidschicht des Leistungshalbleiters (1) erfaßt wird. (2)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen der Betriebstemperatur von einem Leistungshalbleiter, der mindestens eine Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur umfaßt, das eine hohe Ansprechgeschwindigkeit hat, sowie ein Bauelement mit einem Leistungshalbleiter, der mindestens eine Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur umfaßt.
  • Bei dem Bestreben, Leistungshalbleiter möglichst weit auszunützen, muß ein Kompromiß gefunden werden zwischen einer kostengünstigen Auslegung des Bauelements und einer großzügigen Dimensionierung für eine größtmögliche Zuverlässigkeit des Bauelements. Bei einer zu knapp kalkulierten Dimensionierung kann sonst die thermische Überlastung des Halbleiterbauelements durch zu hohen Strom zu dessen Ausfall führen.
  • Um eine thermische Überlastung des Halbleiterbauelements frühzeitig erkennen und Gegenmaßnahmen ergreifen zu können, werden bisher Messungen der Temperatur des Kühlkörpers bzw. der Temperatur des Gehäuses des Halbleiters durchgeführt. Da jedoch von der thermischen Überlastung eines gefährdeten Halbleiterübergangs des Bauelements bis zu einer entsprechenden Temperaturerhöhung an der Stelle, an der tatsächlich gemessen wird, einige 10 ms bis mehrere Sekunden vergehen können, können frühestens nach dieser Zeit geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Zu diesem Zeitpunkt ist der Halbleiterübergang aber u.U. bereits geschädigt. Damit stellt dieses Verfahren keinen zuverlässigen Schutz vor einer thermischen Überlastung des Bauelements dar.
  • Eine Berechnung der Temperatur des Halbleiterübergangs aufgrund der gemessenen Lastströme und der daraus berechneten Verlustleistung des Halbleiterbauelements stellt ebenfalls keinen zuverlässigen Schutz dar, da Unregelmäßigkeiten im Aufbau und in der Erwärmung des Bauelements nicht berücksichtigt werden können.
  • Die DE 196 44 193 A1 beschreibt eine Überlastschutzeinrichtung für integrierte Bauelemente, die dazu dient, ein Bauelement gegen eine Überlastung oder eine Überhitzung zu schützen. Bei dieser Überlastschutzeinrichtung ist vorgesehen, einen Ohmschen Meßwiederstand in integrierter Form auf dem Bauelemt anzuordnen. Bei einem als Transistor ausgebildeten Bauelement erstreckt sich der Ohmsche Meswiederstand mäanderförmig um eine Mehrzahl Transistorzellen und ist dadurch zwischen einzelnen Transistorzellen des Bauelements angeordnet. Der Messwiderstand ist dabei beabstandet zu der Gate-Elektrode und der Gate-Oxidschicht angeordnet.
  • Die DE 80 06 555 U1 beschreibt eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterbauelement und mit einem die Funktion des Halbleiterbauelements überwachenden Kontrollelement. Das Kontrollelement überwacht die Temperatur im Innenbereich des Halbleiterkörpers und ist dazu ausgebildet, eine bei Stromfluss durch das Halbleiterbauelement entstehende Rekombinationsstrahlung zu detektieren und abhängig von dieser Strahlung ein Steuersignal zu erzeugen.
    •
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Meßverfahren und einen Aufbau für ein Bauelement anzugeben, bei dem die Betriebstemperatur eines Leistungshalbleiters zuverlässig und schnell ermittelt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und 2 und ein Bauelement nach Anspruch 4. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Erfindung beruht darauf, die Temperatur direkt an der Sperrschicht zu messen und damit ggfs. sofort Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Dies wird dadurch möglich, daß erfindungsgemäß ein Sensor direkt auf dem zu überwachenden Leistungshalbleiter angebracht wird. Insbesondere kann der Sensor berührungslos abgefragt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen der Betriebstemperatur von einem Leistungshalbleiter, der mindestens eine Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur umfaßt, beruht im Prinzip darauf, daß die Temperatur unmittelbar an der Sperrzone erfaßt wird. Damit wird die Ansprechzeit bei der Erfassung der Temperatur deutlich verringert, und es kann unmittelbar auf ein Überheizen des Bauelements reagiert werden. Der erfindungsgemäße Leistungshalbleiter umfaßt dementsprechend ein temperaturempfindliches Element unmittelbar an der Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Widerstandswert eines im Leistungshalbleiter integrierten Widerstands aus Poly-Si gemessen. Der Widerstandswert des Poly-Si-Widerstands bildet das analoge Meßsignal. Der Vorteil bei diesem Meßverfahren ist die Möglichkeit der Erfassung der zeitlichen Entwicklung der Temperatur des Halbleiters, so daß die thermische Belastung des Bauelements kontinuierlich überwacht werden kann.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Farb- oder Reflexionsänderung einer unmittelbar auf der Chipoberfläche aufgebrachten Schicht über eine Farbmessung oder eine Messung des Reflexionsgrades optisch überwacht. Der Vorteil des Verfahrens besteht in der galvanischen Entkopplung des Überwachungssignals vom Laststromkreis und in der hohen Ansprechgeschwindigkeit.
    •
  • Das entsprechende Bauelement mit einem Leistungshalbleiter ist so ausgebildet, daß das temperaturempfindliche Element eine unmittelbar auf der Oberfläche des Leistungshalbleiters aufgebrachte Schicht, deren Farbe oder deren Reflexionsvermögen sich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ändert, und einen Empfänger zum Erkennen einer Änderung der Farbe oder des Reflexionsgrades der Schicht und zum Ausgeben eines Änderungssignals umfaßt. Insbesondere umfaßt das temperaturempfindliche Element einen Sender zum Bestrahlen der Schicht mit Licht.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.
  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt.
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Darstellung.
  • In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements, die in 1 im Querschnitt gezeigt ist, wird ein Leistungshalbleiter 1 in einem Gehäuse 9 untergebracht, in dem eine optische Überwachungseinheit integriert ist. Der Leistungshalbleiter 1 ist auf einem Leadframe 3 montiert und über Bonddrähte 4 mit Anschlußdrähten 2 des Leadframe 3 verbunden. Ebenso kann der Leistungshalbleiter auch auf einem direct-copper-bond- (DCB-) oder einem insulated-metal-substrate- (IMS-) Substrat montiert sein. Das Gehäuse 9 hat mehrere (nicht dargestellte) Öffnungen an der Seite, durch die die elektrischen Anschlüsse 2 nach außen geführt sind.
  • Die optische Überwachungseinheit ist in der gezeigten Ausführungsform in einem oberen Abschnitt des Gehäuses 9 integriert. Das Gehäuse begrenzt einen Hohlraum über dem Halbleiter, der mit einer transparenten Vergußmasse wie z.B. Silikon-Gel gefüllt ist. Die Überwachungseinheit umfaßt in der gezeigten Ausführungsform einen Sender 7 und einen Empfänger B. Sowohl Sender 7 als auch Empfänger 8 sind auf die Oberfläche des Leistungshalbleiters 1 gerichtet. Der Sender 7 emittiert eine Strahlung, die von dem Empfänger 8 erfaßt werden kann, d.h. die Strahlung erzeugt einen Strom in dem Empfänger B. Die Strahlung von dem Sender 7 wird von der Chip- Oberfläche reflektiert und gelangt so zu dem Empfänger 8. Der Sender 7 der Überwachungseinheit ist vorzugsweise eine lichtemittierende Diode, der Empfänger 8 der Überwachungseinheit ist z.B. eine Photodiode. Sender 7 und Empfänger 8 müssen in einem Winkel zueinander angeordnet werden, so daß die reflektierten Strahlen den Empfänger 8 optimal erreichen. Strahlt der Sender 7 unter einem bestimmten Winkel zur Flächennormalen auf die Schicht 6 auf der Oberfläche des Halbleiters, so muß der Empfänger 8 denselben Winkel zu der Flächennormalen einhalten, wobei sich Empfänger 8 und Sender 7 vorzugsweise auf einer Linie befinden, deren Mittelpunkt der Schnittpunkt der Linie mit der Flächennormalen ist. Insbesondere kann der Sender senkrecht auf die Oberfläche des Halbleiters gerichtet sein, so daß Sender 7 und Empfänger 8 unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.
  • Die Strahlungsintensität, die bei dem Empfänger ankommt, ist von dem Reflexionsvermögen der Chip-Oberfläche abhängig. Erfindungsgemäß wird die Chip-Oberfläche mit einer temperaturabhängigen Reflexionsschicht 6 bedeckt, die ihr Reflexionsvermögen in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Insbesondere ändert die der Chipoberfläche aufgebrachte Schicht bei Erreichen einer Sprungtemperatur ihr Reflexionsvermögen reversibel. Ist also die Temperatur der Schicht 6 und damit des Halbleiters 1 innerhalb des Sollbereichs (safe operation area = SOA), so hat die Reflexionsschicht 6 einen Reflexionsgrad αo von z.B. 90% in einem vorgegebenen Spektralbereich. Verläßt dagegen der Leistungshalbleiter den zulässigen Temperaturbereich, so ändert sich auch die Temperatur der Reflexionsschicht 6, und das Reflexionsvermögen sinkt von αo auf einen neuen Wert αa von z.B. 20%. Das führt dazu, daß weniger der Strahlung von dem Sender 7 bei dem Empfänger 8 ankommt, und der durch die Strahlung erzeugte Strom im Empfänger nimmt in entsprechendem Maße ab. Das elektrische Signal von dem Empfänger 8 spiegelt damit wieder, ob sich die Temperatur des Halbleiters noch im Sollbereich (αo) oder bereits im außerordentlichen (αa) Bereich befindet.
  • In einer einfacheren Variante der obigen Ausführungsform wird von außen durch eine (nicht dargestellte) Aussparung in dem Deckel des Gehäuses auf die Chip-Oberfläche fallendes Licht vom Empfänger 8 erfaßt, so daß der Sender 7 eingespart werden kann. Bei der Ausführungsform mit nur einem Empfänger ist ein Fenster in dem Gehäuse vorgesehen durch das das Außenlicht auf die Schicht 6 auf der Oberfläche des Halbleiters fällt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird statt der Reflexionsänderung eine Farbänderung erfaßt. Dazu ist die Oberfläche mit einer Schicht 6 bedeckt, die in Abhängigkeit von der Temperatur des Halbleiters 1 ihre Farbe ändert. Bei einer unzulässigen Erwärmung des Chips 1 ändert sich wegen des Farbumschlags das Ausgangssignal des Empfängers 8 und erzeugt somit ein Signal, das das Erreichen einer zu hohen Temperatur anzeigt. Die Farbe kann auch auf anderen Bereichen des Gehäuses aufgebracht werden und z. B. die Gehäusetemperatur überwachen. Dazu wird vorzugsweise die Schicht 6 auf der Innenseite des Deckels des Gehäuses angebracht und ebenso wie die Schicht 6 auf dem Halbleiter ihre Reflexions- bzw. Farbänderung mit einem Sender 7 und einem Empfänger 8 abgefragt.
  • Bei den beiden obigen Ausführungsformen hat man durch den Farb- oder Reflexionsumschlag ein sprungförmiges Ansprechverhalten, was eine Ja/Nein-Antwort auf die Frage nach dem Betriebsbereich des Bauelements bedeutet, ohne daß ein Vergleich mit einem Schwellenwert erforderlich ist. Das heißt, daß farblich erkennbar ist, ob das Bauelement seine SOA verlassen hat oder nicht. Vorzugsweise wird dabei die Temperatur oder die Verlustleistung, bei der der Farb- oder Reflexionsumschlag erfolgt, in einem genügend großen Abstand von derjenigen Temperatur gewählt, bei der das Bauelement durch Überhitzung geschädigt wird, so daß ausreichend Zeit und Spielraum für die Ergreifung von Gegenmaßnahmen bleibt. Dies ist umso mehr der Fall, als der Farb-, bzw. Reflexionsgradwechsel mit einer sehr hohen Ansprechgeschwindigkeit erfolgt.
  • Als Farb- bzw. Reflexionsschichten 6 eignen sich insbesondere Farbstoffe auf der Basis von Flüssigkristallen.
  • Der Vorteil der Ausführungsform, bei der das Verlassen der SOA mittels Farb- oder Reflexionsänderung erfaßt wird, besteht darin, daß man die Temperatur galvanisch entkoppelt von dem Halbleiter erfassen kann und die Erfassung berührungslos erfolgt. Damit ist auch eine Überwachung der Temperatur aus einer größeren Entfernung möglich. Dazu können Sender 7 und/oder Empfänger 8 sich in einer größeren Entfernung von dem Bauelement befinden, und die optische Abfrage der Farb- bzw. Reflexionsänderung kann über eine Lichtleiterverbindung erfolgen.
  • In 2 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements perspektivisch dargestellt, bei der der Widerstandswert eines in dem Halbleiter integrierten Poly-Si-Widerstandes gemessen wird. Dazu wird entweder bei eingeprägtem Strom die über den Widerstand abfallende Spannung oder der bei konstanter Spannung durch den Widerstand fließende Strom erfaßt. Bei einer Änderung des Widerstandswertes aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur wird entsprechend ein anderer Strom oder eine andere Spannung gemessen. Damit ist der augenblickliche Widerstandswert und damit seine Umgebungstemperatur auf dem Halbleitersubstrat immer bekannt.
  • Als Beispiel ist in 2 perspektivisch ein lateraler MOS-Transistor mit einem p--dotierten Substrat 10 gezeigt. An der Oberfläche des Substrats 10 befinden sich zwei n+-dotierte Wannen 11, die jeweils mit einer Metallisierung versehen sind und als Source 12 oder als Drain 13 wirken. Durch eine Oxydschicht 15 von dem Halbleitersubstrat 10 getrennt ist eine Poly-Si-Schicht 14 zwischen Source 12 und Drain 13 auf der Oberfläche des MOS-Transistors angeordnet, die als Gate wirkt. Über das Gate 14 wird der Kanalwiderstand zwischen Source 12 und Drain 13 eingestellt. Der (nicht dargestellte) Kanal hat eine Länge, d.h. eine Ausdehnung in der Zeichenebe ne, und eine Breite W, d.h. eine Ausdehnung senkrecht zur Zeichenebene. Die Ausdehnung W des Kanals ist durch die entsprechende Dimension der Poly-Si-Schicht 14 gegeben. Es ist möglich, daß beim Betrieb des MOS-Transistors ein relativ hoher Sperrstrom fließt oder im Durchlaß eine relativ hohe Spannung über dem Kanal abfällt und sich der Transistor dadurch erwärmt, u.U. soweit, bis es zu einer Zerstörung des Bauelements kommt. Um dies zu verhindern, muß die augenblickliche Temperatur an den gefährdete pn-Übergängen bekannt sein. In der gezeigten Ausführungsform nutzt man zur Bestimmung eines temperaturabhängigen Widerstandes in der Nähe des zu überwachenden pn-Übergangs die Ausdehnung W eines auf der Oberfläche des Bauelements angeordneten Streifens 16 aus Poly-Silizium. Über die Ausdehnung W wird ein Spannungsabfall in dem Poly-Silizium-Streifen 16 erfaßt. Der Spannungsabfall wird über zwei Anschlüsse 5 an dem Poly-Si-Streifen 16 abgegriffen. Der Spannungsabfall über die Strecke W ist proportional zu dem Widerstand des Poly-Siliziums. Dieser Widerstand ist temperaturabhängig. Damit hat man ein Maß für die Temperatur an dem pn-Übergang in diesem Bereich oder in diesem MOS-Transistor.
  • Die Position des Poly-Si-Streifens 16 ist für die Messung nur insoweit bedeutsam, als der Streifen 16 sich möglichst nahe an dem zu überwachenden pn-Übergang befinden sollte. Statt daß der Striefen 16 auf der Oberfläche des Bauelements angeordnet wird, ist es ebenso möglich, einen (nicht dargestellten) eigenen Streifen in der n+-Wanne 11 zu integrieren. Dadurch wird der Abstand zu dem pn-Übergang noch weiter verkleinert.
  • Die Ausführungsform mit einem integrierten Widerstand bietet sich an, wenn die zeitliche Entwicklung der Temperatur der Sperrzone im Halbleiter erfaßt werden soll und eine "vorausschauende" Messung der zeitlichen Entwicklung der Tem peratur im Schaltelement erfolgen soll, damit zu jedem Zeitpunkt beim Betrieb des Leistungshalbleiters einer Überhitzung entgegengewirkt werden kann.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Temperatur eines Halbleiters nicht mehr nur wie beim Stand der Technik mittelbar über ein thermisch mit dem Halbleiter verbundenes Material erfaßt wird, sondern unmittelbar an der "kritischen" Sperrzone.
    • 1
    Leistungshalbleiter
    2
    Anschlüsse für Leadframe
    3
    Leadframe
    4
    Bonddraht
    5
    Zuleitung
    6
    Schicht mit temperaturabhängigen optischen Eigenschaften
    7
    Sender
    8
    Empfänger
    9
    Gehäuse
    10
    Substrat des Leistungshalbleiters
    11
    Wanne
    12
    Source
    13
    Drain
    14
    Gate
    15
    Oxydschicht
    16
    Poly-Silizium-Streifen
    W
    Kanalweite

Claims (7)

  1. Verfahren zum Erfassen der Betriebstemperatur von einem Leistungshalbleiter (1) mit einer Oxidschicht (13), der mindestens eine Sperrzone aufweist, wobei über den temperaturabhängigen Widerstandswert eines im Leistungshalbleiter (1) integrierten Widerstandes eine hohe Betriebstemperatur erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur durch ein temperaturempfindliches Element auf der Gateoxidschicht des Leistungshalbleiters (1) erfaßt wird. (2)
  2. Verfahren zum Erfassen der Betriebstemperatur von einem Leistungshalbleiter (1), der mindestens eine Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur aufweist, wobei die Temperatur des Leistungshalbleiters (1) erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Empfänger (8) eine Änderung der Farbe oder des Reflexionsgrades einer unmittelbar auf der Oberfläche des Leistungshalbleiters (1) aufgebrachten Schicht (6) erfaßt und ein Änderungssignal ausgibt, wobei die Temperatur des Leistungshalbleiters (1) in Abhängigkeit von dem Änderungssignal ermittelt wird. (1)
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß daß durch einen Sender (7) Licht auf die Schicht (6) gestrahlt wird.
  4. Bauelement zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Leistungshalbleiter, der mindestens eine Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur umfaßt, gekennzeichnet durch ein temperaturempfindliches Element (2, 6) auf der Gateoxidschicht des Leistungshalbleiters.
  5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß daß das temperaturempfindliche Element ein im Leistungshalbleiter (1) integrierter Widerstand ist.
  6. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß daß das temperaturempfindliche Element eine unmittelbar auf der Oberfläche des Leistungshalbleiters (1) aufgebrachte Schicht (6), deren Farbe oder deren Reflexionsvermögen sich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ändert, und einen Empfänger (8) zum Erkennen einer Änderung der Farbe oder des Reflexionsgrades der Schicht (6) und zum Ausgeben eines Änderungssignals umfaßt.
  7. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß daß das temperaturempfindliche Element einen Sender (7) zum Bestrahlen der Schicht (6) mit Licht umfaßt.
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