DE19906856A1 - Funkenstrecke für hermetisch gekapselte integrierte Schaltkreise - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Funkenstrecke und hierbei ist die vorliegende Erfindung insbesondere auf Funkenstrecken gerichtet, welche eine verbesserte thermi­ sche Dissipation oder verbesserten Wärmeübergang haben, um die Ausbildung von offenen Schaltkreisen oder Schaltkreis­ unterbrechungen bei Hochspannungsanwendungen zu verhindern.

Integrierte Schaltkreise auf Siliziumbasis bewegen sich unaufhaltsam in Richtung feinerer Geometrien und höheren Frequenzen und die Anwendung dieser Schaltkreise dehnt sich auch in neue Anwendungsgebiete aus, welche verbesserte Leistungsfähigkeit notwendig machen. Eines der wichtigsten dieser neuen Gebiete ist der Hochspannungsbereich.

Im Stand der Technik besteht momentan noch das Problem, daß die Betriebsspannungen der Schaltkreise wesentlich unterhalb des notwendigen Schutzpegels von elektrostati­ schen Entladungen liegen und daß integrierte Dioden, welche ausreichende Durchbruchspannungen haben, oft nicht zur Verfügung stehen.

Eine weitere Schwierigkeit bei Hochspannungsanwendungen ist der gleichzeitige Anstieg der Energiemenge, welche mit wachsender Spannung in der Diode abgeführt werden muß.

Angesichts der inhärenten Schwierigkeiten im Stand der Technik haben integrierte Hochspannungsschaltkreise noch keinen hohen Reifegrad entwickelt.

Über die Jahre hinweg wurde seit der Erfindung von in­ tegrierten Schaltkreisen eine größere Anzahl von Hochspan­ nungs-Schaltkreisfunktionen in integrierte Schaltkreise auf Siliziumbasis integriert. Vor dieser Integrierung wurden Hochspannungs-Schaltkreisfunktionen mit diskreten Bauteilen verwirklicht oder in Hybridmodulen ausgelegt. Diese beiden Technologien haben sich als unpraktisch für eine bestimmte Schaltkreisfunktion angesichts der Kosteneffektivität herausgestellt.

Im Prinzip könnte eine einzige Funkenstrecke verwendet werden, um einen Schutz für integrierte Hochspannungs­ schaltkreise zu schaffen, insbesondere dann, wenn diese hohe Spannungen in jeder Richtung abhalten kann. Eine Funkenstrecke kann hergestellt werden, welche unter 1.000 V arbeitet. Die beiden noch zu lösenden Probleme sind, wie eine erhöhte Energiedissipation sicher absorbiert werden kann und wie die Spannung verringert werden kann.

Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe ge­ macht, die Einschränkungen im Stand der Technik bezüglich der Spannungshandhabungskapazität und der thermischen Dissipation zu beseitigen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 7 angegebenen Merkmale, was eine erfindungsgemäße Funkenstrecke betrifft, sowie durch die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale, was ein Verfahren zum Einschränken der Energiedissipation einer Funkenentla­ dung in einer Funkenstrecke betrifft.

Durch Anwenden der erfindungsgemäßen Technologie ist es möglich, das Dissipationsproblem dadurch zu verringern, daß der aktive Teil einer Funkenstrecke groß gemacht wird, so daß die Wärme über eine größere Fläche hinweg dissipiert oder verteilt wird, was einen viel geringeren Temperaturan­ stieg bewirkt. Ohne andere Maßnahmen wären jedoch die Abmessungen der benötigten Vorrichtung in nachteiliger Weise groß.

Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch Verwenden von Polysilizium als Funkenstreckenmaterial, so daß das Dissipationsproblem erheblich verringert wird. Der höhere Schmelzpunkt von Polysilizium unterdrückt die Aus­ bildung von offenen Schaltkreisen oder Schaltkreisunterbre­ chungen und verringert die Wahrscheinlichkeit von Leitfä­ higkeitspfaden, welche aus verdampften Material gebildet werden.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Funkenstreckenanordnung zur Verwendung in einem integrier­ ten Schaltkreis vorgesehen, mit:
einer ersten zumindest teilweise leitfähigen Elektrode;
einer zweiten zumindest teilweise leitfähigen Elek­ trode, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode im Abstand zueinander angeordnet sind;
einer ersten leitfähigen Schicht, welche die erste Elektrode überdeckt und einer zweiten leitfähigen Schicht, welche die zweite Elektrode überdeckt;
einer Funkenstrecke, welche zwischen der ersten leitfä­ higen Schicht und der zweiten leitfähigen Schicht gebildet ist; und
einer Mehrzahl von getrennten Widerständen in elektri­ scher Verbindung mit jeder Schicht benachbart der Funken­ strecke, wobei die Widerstände Energie absorbieren und die in einer Funkenentladung in der Funkenstrecke dissipierte Energie begrenzen.

Die diskreten oder getrennten Widerstände können jedes geeignete Material aufweisen, welches als Widerstandsmate­ rial wirkt. Geeignete Beispiele umfassen Polysilizium, hochschmelzendes Metall und Legierungen mit hohem Schmelz­ punkt.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Funkenstreckenanordnung zur Verwendung in einem integrierten Schaltkreis vorgesehen, mit:
einer hermetisch versiegelten Packung, wobei die Packung enthält:
eine erste zumindest teilweise leitfähige Elektrode mit einem leitfähigen Abschnitt und einem isolierten Abschnitt;
eine zweite zumindest teilweise leitfähige Elektrode mit einem leitfähigen Abschnitt und einem isolierten Ab­ schnitt, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode im Abstand zueinander angeordnet sind und zwischen sich eine Funkenstrecke definieren; und
eine Mehrzahl von Widerständen in elektrischer Verbin­ dung mit jeder der Elektroden und der Funkenstrecke, wobei ein elektrischer Strom zwischen den Elektroden durch die Widerstände aufgeteilt wird, um die in einer Entladung in der Funkenstrecke dissipierte Energie zu verringern.

Als Alternativen kann ein Metall mit höherem Schmelz­ punkt als Aluminium anstelle von Polysilizium verwendet werden.

Jede Schicht aus Polysilizium oder jede leitfähige Schicht mit ausreichend hohem Schmelzpunkt kann für den Funkenstreckenaufbau verwendet werden.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann bei je­ dem integrierten Schaltkreis angewendet werden, der Hoch­ spannungsschutz benötigt oder bei jeder Art von integrier­ tem Schaltkreis angewendet werden, insbesondere dann, wenn er nur leitfähige Schichten verwendet, welche einem belie­ bigen integrierten Schaltkreis gemeinsam sind (z. B. MOS, III/V, Siliziumcarbid, bipolar).

Es ist möglich, daß sich Anwendungsfälle außerhalb in­ tegrierter Schaltkreise finden lassen, wo sehr fein defi­ nierte Funkenstrecken notwendig sind.

Auf mikromechanischem Weg integrierte Schaltkreise sind eine wachsende Technologie, bei der ESD-Beschädigungen auftreten (ESD = electric spark discharge = elektrische Funkenentladung). Diese feinen Komponenten sind sehr anfäl­ lig gegenüber ESD, aber in vielen Fällen gibt es keinen elektronischen Schaltkreis, um Schutzdioden vorzusehen. Es wäre einfach und kostengünstig, Funkenstrecken in diese Vorrichtungen zu integrieren und - falls notwendig - ein spezielles Gas mit dem benötigten Druck einzubringen.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Begrenzen der Ener­ gie, welche von einer Funkenentladung in einer Funken­ streckenanordnung dissipiert wird, umfaßt die folgenden Schritte:
Bereitstellen erster und zweiter zumindest teilweise leitfähiger Elektroden;
Ausstatten jeder Elektrode mit einer Mehrzahl von Wi­ derständen, wobei die Widerstände in elektrischer Verbin­ dung mit einer jeweiligen Elektrode sind;
Beabstanden der Widerstände, welche einer jeden Elek­ trode zugeordnet sind, um eine Funkenstrecke dazwischen auszubilden; und
Dissipieren von Energie, welche zwischen den Elektroden über die Widerstände übertragen wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der jeweiligen Unteransprüche.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorlie­ genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Funken­ streckenanordnung nach dem Stand der Technik.

Gleiche Bezugszeichen in der Zeichnung bezeichnen gleiche oder einander entsprechende Bauteile oder Elemente.

Fig. 3 zeigt eine Funkenstreckenanordnung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, und welche insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist. Die Anordnung umfaßt zwei isolierte metallische Leiter 12 und 14, welche voneinander beabstandet sind und eine Funkenstrecke 16 bilden oder definieren.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Funken­ streckenanordnung 10' gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Anordnung weisen die Elektroden ein Paar von iso­ lierten Metallelektroden 18 und 20 auf, welche voneinander über eine Funkenstrecke 16 isoliert sind. Die Anordnung 10? beinhaltet auch eine Polysiliziumschicht unter einem jedem Bondkissen 22. Somit wird das Metall Aluminium durch mit dem Metall an dem Bondkissen 22 in Verbindung stehenden Polysilizium ersetzt, um kleine Kontakte zwischen Metall und Aluminium zu vermeiden, welche durch Temperatur und Strom beschädigt werden könnten.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform einer Fun­ kenstreckenanordnung der vorliegenden Erfindung darge­ stellt. Diese Anordnung ist durch das Bezugszeichen 10'' bezeichnet und beinhaltet wieder die Elektroden 18 und 20. Jede dieser Elektroden weist weiterhin eine Reihe von Last- oder Ballastwiderständen 24 und 26 auf, die sich hiervon einstückig erstrecken. Die Anordnung 10'' ist in ihrem Aufbau sehr ähnlich zu derjenigen von Fig. 1. Die Funken­ strecke 16 selbst ist zwischen den langen Streifen von Polysilizium gebildet, welche über die Widerstände 24 und 26 mit den Elektroden 18 und 20 verbunden sind. Die Wider­ stände 24 und 26 verteilen den Strom, der während einer elektrostatischen Entladung entlang der Streifen erzeugt wird. Wenn zwischen den beiden Elektroden 18 und 20 eine elektrostatische Entladung auftritt, bricht die Funken­ strecke 16 durch Lawinenionisation durch. Die Spannung wird über die Widerstände 24 und 26 aufgeteilt, welche Energie aufnehmen und die Energiedissipation in der Funkenentladung beschränken. Die Widerstände 24 und 26 helfen, den Strom gleichmäßig über die Funkenstrecke 16 hinweg aufzuteilen. Was die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke betrifft, so können Gasart, Streckenlänge und Druck entsprechend gewählt werden, um gemäß dem Pascal'schen Gesetz die benötigte Spannung einzustellen. Geeignete Gase umfassen die Edelga­ se. Typischerweise werden niedrige Drücke verwendet, um gemäß dem Panchen'schen Gesetz niedrige Durchbruchspannun­ gen zu erhalten.

Durch Bereitstellen der Widerstandsfelder oder -reihen 24 und 26 ergibt sich ein erheblicher Fortschritt bezüglich Erhitzung und Erosion in der Funkenstrecke 16.

Obgleich Fig. 2 eine Mehrzahl von Widerständen in seit­ lich beabstandeter Beziehung darstellt, versteht sich, daß andere Anordnungen möglich sind und sich dem Fachmann auf diesem Gebiet ergeben. Was weiterhin das Material der Widerstände betrifft, kann jedes Material verwendet werden, das in der Lage ist, elektrischen Strom zu begrenzen. Geeignete Beispiele beinhalten Polysilizium, hochschmelzen­ de Metalle, Nickelchrom (Nichrome) und Siliziumchrom (Sichrome).

Metallisierungen werden aufgrund der durch die Entla­ dung erzeugten hohen Temperaturen ausreichend weit von der Funkenstrecke weg gehalten. Gemäß einer Möglichkeit wird die Metallisierung von der Vorrichtung durch Anordnen von Polysilizium unter dem Bondkissen entfernt, so daß in der Vorrichtung kein Metall/Polysiliziumkontakt benötigt wird (vergleiche Fig. 1). Ein Erhitzen und eine Erosion der Funkenstrecke wird dadurch minimiert, daß die Funkenstrecke aus massiven parallelen Streifen von Polysilizium anstelle des bisher üblichen feinen Punktes oder der Punkte gemacht wird. Der Strom wird begrenzt und gleichmäßig entlang der Funkenstrecke durch Einbauen von Last- oder Ballastwider­ ständen in die Struktur (Fig. 2) verteilt.

Ungeachtet der verwendeten Materialien oder der Breite der Funkenstrecke (ungefähr 1 Micron) neigt die Durchbruch­ spannung dazu, bei ungefähr 800 V zu bleiben. Dies deshalb, als eine gewisse minimale mittlere freie Wegstrecke notwen­ dig ist, um Ionisation auszulösen und weitere Verringerun­ gen in der Strecke bewirken einfach, daß sich der Entla­ dungsstrom auf dem Leiter weiter nach hinten bewegt, wobei eine im wesentlichen konstante Lichtbogenlänge aufrecht erhalten bleibt. Es ist seit langem bekannt, daß die Durch­ bruchspannung einer Funkenstrecke mit verringerten Gasdruck in der Strecke sinkt und im Rahmen der vorliegenden Erfin­ dung durchgeführte experimentelle Messungen haben gezeigt, daß eine Verringerung der Durchbruchspannung auf ungefähr 400 V in einer üblichen Keramikpackung aufgrund eines verringerten Druckes in dem Hohlraum, bewirkt durch Abküh­ len von der hohen Deckelversiegelungstemperatur, möglich ist.

Tiefere Durchbruchspannungen könnten auch dadurch er­ halten werden, daß der Hohlraumdruck gezielt gesteuert wird. Eine noch niedrigere Durchbruchspannung kann erhalten werden, indem spezielle Gase in den Hohlraum (beispielsweise Edelgase) eingebracht werden. Eine Vorrich­ tung, welche die wesentlichsten strukturellen Merkmale zeigt, ist in Fig. 2 dargestellt.

Fig. 2 zeigt exemplarisch die Ausführung einer Funken­ strecke, bei der Polysilizium unter die Bondkissen einge­ bracht ist und die Verbindung zur Funkenstrecke über eine kontinuierliche Strecke von Polysilizium hergestellt ist. Eine Aluminiummetallisierung ist nur auf dem Bondkissen verwendet, um den Bonddraht über ein großes Kontaktfenster mit dem Polysilizium zu verbinden. Die Funkenstrecke selbst ist zwischen zwei langen Streifen auf Polysilizium ausge­ bildet, welche mit dem Bondkissen über einen Satz von parallelen Widerständen verbunden sind, die dafür ausgelegt sind, den Strom gleichmäßig entlang der Kontaktstreifen aufzuteilen. Wenn ESD zwischen den beiden Kissen auftritt, bricht die Funkenstrecke aufgrund einer Lawinenionisation durch. Die Spannung wird über die beiden Widerstandsfelder aufgeteilt, welche Energie aufnehmen und die in der Funken­ entladung dissipierte Energie begrenzen. Die Widerstände unterstützen auch die Verteilung des Stroms gleichmäßig entlang der Funkenstrecke. Die Gasarten und der Gasdruck können ausgewählt werden, um die gewünschte oder notwendige Funkenstrecken-Durchbruchspannung zu erhalten.

Wesentliche Variable bei der Auslegung sind der Druck und die Art des Gases in der hermetischen Packung.

Nachfolgend werden andere Anwendungsmöglichkeiten noch kurz angerissen.

Die in der vorliegenden Erfindung dargestellten Ideen können bei jedem integrierten Schaltkreis auf Siliziumbasis angewendet werden, der einen Schutz bei einer hohen Span­ nung benötigt. Sie können auch bei jeder Art von integrier­ tem Schaltkreis angewendet werden, insbesondere dann, wenn er nur leitfähige Schichten verwendet, die zu jeglichem integrierten Schaltkreis gleich sind (z. B. MOS, III/V, Siliziumcarbid, bipolar).

Es ist möglich, daß sich Anwendungsfälle außerhalb in­ tegrierter Schaltkreise finden lassen, wo sehr fein defi­ nierte Funkenstrecken notwendig sind. Auf mikromechanischem Weg integrierte Schaltkreise sind eine wachsende Technolo­ gie, bei der ESD-Beschädigungen auftreten. Diese feinen Komponenten sind sehr anfällig gegenüber ESD, aber in vielen Fällen gibt es keinen elektronischen Schaltkreis, um Schutzdioden vorzusehen. Es wäre einfach und kostengünstig, Funkenstrecken in diese Vorrichtungen zu integrieren und - falls notwendig - ein spezielles Gas mit dem benötigten Druck einzubringen.

Beschrieben wurde eine Funkenstreckenanordnung, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Eine Mehrzahl von Widerständen ist benachbart der Funkenstrecke angeordnet, um die Energie in der Funkenstrecke während einer elektro­ statischen Entladung zu verringern.

Obgleich oben Ausführungsformen der Erfindung beschrie­ ben wurden, versteht sich, daß die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist und daß sich dem Fachmann auf diesem Gebiet eine Vielzahl von Modifikationen und Abwandlungen ergibt, ohne hierbei vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen defi­ niert ist.

Claims (11)

1. Funkenstreckenanordnung zur Verwendung in einem in­ tegrierten Schaltkreis, mit:
einer ersten zumindest teilweise leitfähigen Elektrode (18);
einer zweiten zumindest teilweise leitfähigen Elektrode (20), wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode im Abstand zueinander angeordnet sind;
einer ersten leitfähigen Schicht, welche die erste Elektrode (18) überdeckt und einer zweiten leitfähigen Schicht, welche die zweite Elektrode (20) überdeckt;
einer Funkenstrecke (16), welche zwischen der ersten leitfähigen Schicht und der zweiten leitfähigen Schicht gebildet ist; und
einer Mehrzahl von getrennten Widerständen (24, 26) in elektrischer Verbindung mit jeder Schicht benachbart der Funkenstrecke (16), wobei die Widerstände Energie absorbie­ ren und die in einer Funkenentladung in der Funkenstrecke dissipierte Energie begrenzen.

2. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 1, wobei jede Elektrode (18, 20) Aluminium aufweist.

3. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wo­ bei jede leitfähige Schicht Polysilizium aufweist.

4. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Wider­ ständen (24, 26) in paralleler Beziehung angeordnet ist.

5. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in Kombination mit einem integrierten Schaltkreis.

6. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 5, wobei die Anordnung und der integrierte Schaltkreis hermetisch ver­ siegelt sind.

7. Funkenstreckenanordnung zur Verwendung in einem in­ tegrierten Schaltkreis, mit:
einer hermetisch versiegelten Packung, wobei die Packung enthält:
eine erste zumindest teilweise leitfähige Elektrode (18) mit einem leitfähigen Abschnitt und einem isolierten Abschnitt;
eine zweite zumindest teilweise leitfähige Elektrode (20) mit einem leitfähigen Abschnitt und einem isolierten Abschnitt, wobei die erste Elektrode und die zweite Elek­ trode im Abstand zueinander angeordnet sind und zwischen sich eine Funkenstrecke (16) definieren; und
eine Mehrzahl von Widerständen (24, 26) in elektri­ scher Verbindung mit jeder der Elektroden und der Funken­ strecke, wobei ein elektrischer Strom zwischen den Elektro­ den durch die Widerstände aufgeteilt wird, um die in einer Entladung in der Funkenstrecke dissipierte Energie zu verringern.

8. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 7, wobei die Packung ein Edelgas zur Verringerung der Durchbruchspannung der Anordnung enthält.

9. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 7 oder 8, wo­ bei jede Elektrode (18, 20) Polysilizium und Aluminium beinhaltet.

10. Ein Verfahren zum Begrenzen der Energie, welche von einer Funkenentladung in einer Funkenstreckenanordnung dissipiert wird, mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen erster und zweiter zumindest teilweise leitfähiger Elektroden (18, 20);
Ausstatten jeder Elektrode mit einer Mehrzahl von Widerständen (24, 26), wobei die Widerstände in elektri­ scher Verbindung mit einer jeweiligen Elektrode sind;
Beabstanden der Widerstände, welche einer jeden Elek­ trode zugeordnet sind, um eine Funkenstrecke (16) dazwi­ schen auszubilden; und
Dissipieren von Energie, welche zwischen den Elektroden über die Widerstände übertragen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Widerstände (24, 26) einer jeden Elektrode in seitlich beabstandeter Beziehung angeordnet sind.