DE68911644T2 - Schutzdiode gegen Überstrom. - Google Patents

Schutzdiode gegen Überstrom.

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Description

  • Diese Erfindung betrifft allgemein Dioden, und insbesondere Verbesserungen bei Dioden wie beispielsweise Gleichrichterdioden, die für einen Betrieb mit einem relativ großen Strom geeignet sind.
  • Wie es wohlbekannt ist, erzeugen einige auf einer Leiterplatte angeordnete Halbleitervorrichtungen auch unter einem normalen Betriebszustand Wärme. Insbesondere ist von Gleichrichterdioden bekannt, die für einen Betrieb mit relativ großem Strom entwickelt sind, daß sie Wärme erzeugen. Ein Beispiel von Gleichrichterdioden nach dem Stand der Technik ist in Fig. 4 der beigefügten Zeichnungsseiten zum Zwecke der Erklärung gezeigt.
  • Die Gleichrichterdiode 20 nach dem Stand der Technik, die in Fig. 4 dargestellt ist, besteht aus einem Diodenchip 21, der zwischen einem Paar von Leitungen 22, 23 angeordnet ist. Die jeweiligen inneren Enden 22a, 23a beider Leitungen sind an dem Chip in elektrisch und wärmemäßig leitender Verbindung mit ihm bondiert. Der Chip zusammen mit den inneren Enden der Leitungen ist in einem geformten Kunstharzgehäuse 24 eingeschlossen, das aus hartem Harz wie beispielsweise Epoxidharz hergestellt ist. Die äußeren Enden 22b, 23b der jeweiligen Leiter sind durch ein einander gegenüberliegendes Paar von Seitenwänden 24a, 24b des Harzgehäuses nach außen geführt und derart gebogen, daß sie in Kontakt mit Bodenwand 24c des Gehäuses gelangen.
  • Die dargestellte Diode nach dem Stand der Technik, die vom aufliegenden Typ ist, ist auf einer Leiterplatte angebracht, wobei die gebogenen Leiterenden an relevante Teile des Schaltkreis-Leitermusters bondiert sind. Unter einem normalen Betriebszustand erzeugt die Diode Wärme, aber derartige Wärme kann ohne innere Wärmeanhäufung effektiv dissipieren, weil beide Leiter 22, 23 in guter Wärmeleitung mit dem Diodenchip 21 gehalten sind.
  • Wenn jedoch ein Überstrom durch die Diode fließt, kann die durch die Leiter 22, 23 bereitgestellte Wärmedissipation nicht länger mit der Wärmeerzeugung Schritt halten, was in einer Überhitzung der Diode resultiert. Eine derartige Überhitzung kann zu einem Feuer führen oder andererseits die Leiterplatte als ganzes oder benachbarte wärmeempfindliche Halbleitervorrichtungen thermisch schädigen.
  • Ein Weg zum Eliminieren des Problems des Überhitzens besteht darin, eine Schutzsicherung separat vorzusehen, die beim Durchfließen eines Überstroms durch Schmelzen getrennt wird. Eine derartige IC-Schutzsicherung ist beispielsweise in dem US-Patent US-A-4,547,830 von Yamauchi offenbart. Jedoch hat das Vorsehen der separaten IC-Schutzsicherung zusätzliche Kosten zur Folge, und was schlimmer ist, eine Verringerung des Anbringungsplatzes auf der flächenbegrenzten Leiterplatte.
  • Ein anderer möglicher, allerdings nicht tatsächlich ausgeführter, Weg zum Eliminieren des Überhitzungsproblems besteht darin, die Diode derart zu abzuändern, daß sie eine zusätzliche Funktion zum Verhindern eines Überstroms besitzt. Zu diesem Zweck wird, anstatt den Diodenchip 21 in Sandwichbauweise zwischen den zwei Leitern 22, 23 anzuordnen, einer der Leiter von dem Chip getrennt und über einen dünnen Draht elektrisch damit verbunden, der beim Durchfließen eines Überstroms durch Schmelzen getrennt wird.
  • Die obige hypothetische Lösung ist jedoch darin nachteilig, daß ein Leiter aufgrund der thermischen Trennung von dem Chip nicht zum Dissipieren von Wärme benutzt werden kann, so daß sich die Diode sogar unter einem normalen Betriebszustand überhitzen kann. Weiterhin macht ein Abweichen von dem sandwichartigen Aufbau eine drastische Veränderung der existierenden Herstellungsvorrichtung nötig, die ausschließlich zum Erzeugen von Dioden mit sandwichartigem Aufbau entwickelt ist.
  • Die DE-A-27 58 890 offenbart eine Halbleitervorrichtung mit einer thermischen Sicherung, die aus einer Kombination aus dem synthetischen Harz, das weiches Material enthält, und einer darin eingeschlossenen dünnen Leitung besteht. Das isolierende synthetische Harz hat einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das weiche Material, und die thermische Sicherung ist separat von der Halbleitereinrichtung vorgesehen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Diode zu schaffen, die eine zusätzliche Funktion zum Verhindern eines Überstroms besitzt, damit der jene Diode enthaltende Schaltkreis schützbar ist, wodurch es unnötig wird, eine separate Schaltkreis-Schutzvorrichtung zu verwenden.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schutzdiode gegen Überstrom zu schaffen, die den Grundaufbau der Diode nach dem Stand der Technik beibehält, wodurch eine effektive Wärmedissipation unter einem normalen Betriebs zustand ermöglicht wird.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzdiode gegen Überstrom zu schaffen, die dadurch mit relativ geringen Kosten hergestellt werden kann, daß man möglichst viele der herkömmlichen Verfahrensschritte und Ausrüstungen benutzt.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzdiode gegen Überstrom zu schaffen, die darart zuverlässig wirkt, daß der relevante Schaltkreis zu der Zeit eines Überstroms geöffnet wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung eine Schutzdiode gegen Überstrom, bestehend aus einem Diodenchip mit einer ersten und einer zweiten Bondfläche, einem ersten Leiter mit einem Bondende, das an die erste Bondfläche des Diodenchips in elektrischen und wärmeleitenden Kontakt mit diesem gebondet ist, einem zweiten Leiter mit einem Bondende, das in thermischen und elektrischen Kontakt mit der zweiten Bondfläche des Diodenchips gehalten ist, wobei der Diodenchip zwischen den Bondenden des ersten und des zweiten Leiters schichtartig angeordnet ist, und aus einem geformten Kunstharzkörper, der den Diodenchip und die Bondenden der entsprechenden Leiter umschließt, wobei ein dünne elektrische Isolierschicht zwischen den Bondenden des zweiten Leiters und der zweiten Bondfläche des Diodenchips angeordnet ist, wobei die Isolierschicht die zweite Bondfläche des Diodenchips überdeckt und eine Öffnung zum Freiliegen eines elektrischen Anschlußabschnitts der zweiten Bondfläche besitzt; wobei das Bondende des zweiten Leiters mit einer Öffnung versehen ist, die der Öffnung der Isolierschicht zugeordnet ist und über die Isolierschicht in thermischem Kontakt mit dem Diodenchip gehalten ist; und wobei ein Schmelzdraht ein erstes Ende, das an dem Bondende des zweiten Leiters gebondet ist, und ein zweites Ende besitzt, das an dem elektrischen Anschlußabschnitt der zweiten Bondfläche gebondet ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen der zweiten Bondfläche und dem zweiten Leiter über die Öffnungen in der Isolierschicht und dem zweiten Leiter vorzusehen, wobei der Draht beim Durchfließen eines vorbestimmten Überstroms durch Schmelzen trennbar ist.
  • Vorzugsweise ist der Schmelzdraht aus einem Metall hergestellt, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold, Silber, Kupfer und Aluminium besteht. Alternativ dazu kann der Schmelzdraht auch aus Silber mit Goldbeschichtung hergestellt sein.
  • Gemäß einem vorteilhaften Aufbau enthält der Kunstharzkörper einen inneren Abschnitt, der aus einem weicheren Kunstharz zum vollständigen Umschließen von wenigstens dem Schmelzdraht besteht, und einen äußeren Abschnitt, der aus einem härteren Kunstharz zum vollständigen umschließen des inneren Abschnitts besteht. Der innere Abschnitt des Kunstharzkörpers kann aus einem Silikonharz bestehen, wohingegen der äußere Abschnitt aus einem Epoxidharz bestehen kann.
  • Die Erfindung wird nun weiter nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsseiten beschrieben, wobei:
  • Fig. 1 eine perspektivische Ansicht ist, die eine Schutzdiode gegen Überstrom zeigt, die die Erfindung verkörpert;
  • Fig. 2 eine Vorderansicht ist, die die innere Struktur der in Fig. 1 dargestellten Diode zeigt;
  • Fig. 3 eine Vorderansicht ist, die die innere Struktur einer weiteren Schutzdiode gegen Überstrom zeigt, die die Erfindung verkörpert; und
  • Fig. 4 eine Vorderansicht im Schnitt ist, die eine Diode nach dem Stand der Technik zeigt.
  • Nimmt man nun auf die Fig. 1 und 2 der beigefügten Zeichnungsseiten Bezug ist eine Schutzdiode gegen Überstrom 1 dargestellt, die gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Gleichrichterdiode vom aufliegenden Typ ist. Die Diode besteht aus einem Diodenchip 2 mit einem gegenüberliegenden Paar von Bondflächen 2a, 2b. Der Chip ist zwischen einem ersten Leiter 2 und einem zweiten Leiter 4 geschichtet.
  • Der erste Leiter 3 besitzt ein Bond- oder inneres Ende 3a und ein äußeres Ende 3b. Durch ein bekanntes Chip-Bondierungsverfahren ist das innere Ende 3a an eine (untere) Bondfläche 2a des Chips mit ihm elektrisch und wärmemäßig leitend gebondet.
  • Ähnlich dazu besitzt der zweiter Leiter 4 eine Bond- oder inneres Ende 4a und ein äußeres Ende 4b. Das innere Ende 4a ist über eine dünne elektrische Isolierschicht 5 wärmemäßig leitend mit der äußeren (oberen) Bondfläche 2b des Chips gehalten.
  • Die elektrische Isolierschicht 5 kann ein Klebemittel, insbesondere ein Epoxidklebemittel sein, damit sie eine zusätzliche Funktion zum Befestigen des inneren Endes 4a des zweiten Leiters an dem Chip 2 hat. Alternativ dazu kann die Isolierschicht aus Glas sein, das ein Oberflächen-Abdeckmaterial für den Chip ist. Ungeachtet der Materialien läßt die Isolierschicht eine ausreichende Wärmeleitung zwischen dem zweiten Leiter 4 und dem Chip 2 zu, solange wie die Isolierschicht ausreichend dünn ist. Im allgemeinen kann die Dicke der Isolierschicht in Abhängigkeit von der Größe des Chips oder anderer Parameter der Diode in einem Bereich von beispielsweise mehreren Mikrometern bis zu mehreren 10 Mikrometern variieren.
  • Wie es besser in Fig. 1 gezeigt ist, besitzt die Isolierschicht 5 eine Öffnung oder einen Ausschnitt 5a zum Freilegen eines elektrisch leitenden Abschnitts 6 auf der oberen Oberfläche 2b des Chips. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Öffnung in der Form eines rechteckigen Ausschnitts, der an einem Randabschnitt des Chips angeordnet ist. Ähnlich dazu ist das Bondende 4a des zweiten Leiters 4 auch mit einer rechteckigen Öffnung oder einem Ausschnitt 4c am Rand in entsprechender Relation zu der Öffnung 5a der Isolierschicht ausgebildet. Die jeweiligen Öffnungen 4c, 5a des Bondendes des zweiten Leiters und der Isolierschicht können zentral auf dem Chip angeordnet sein, wenn der elektrische Anschlußabschnitt 6 an einem derartigen Ort vorgesehen ist.
  • Der elektrische Anschlußabschnitt 6 kann in der Form einer flachen Leiter-Anschlußstelle sein, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Alternativ dazu kann der elektrische Anschlußabschnitt ein Leiteranschluß (nicht gezeigt) sein, der bei Halbleitervorrichtungen allgemein benutzt wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Bondende 4a des zweiten Leiters 4 elektrisch mit der Leiter-Anschlußstelle 6 nur über einen dünnen Draht 7 verbunden, der derart aufgebaut ist, daß er beim Durchfließen eines vorbestimmten Überstroms durch Schmelzen getrennt wird. Der Draht kann aus einem Metall hergestellt sein, das vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold, Silber, Kupfer und Aluminium besteht. Der Draht kann auch aus Silber mit Goldbeschichtung hergestellt sein.
  • Der Diodenchip 2 ist zusammen mit den Bondenden 3a, 4a der jeweiligen Leiter 3, 4 und dem Schmelzdraht 7 in einem geformten Kunstharzkörper 8 eingeschlossen, der aus einem harten Harz wie beispielsweise einem Epoxidharz hergestellt ist. Andererseits sind die äußeren Enden 3b, 4b der jeweiligen Leiter durch ein gegenüberliegendes Paar von Seitenwänden 8a, 8b des Kunstharzkörpers nach außen geführt und auf die Bodenwand 8c des Harzkörpers gebogen, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Die so aufgebaute Diode kann auf eine Leiterplatte (nicht gezeigt) durch Löten der gebogenen Leiterenden 3a, 4b an relevanten Abschnitten des PCB- bzw. Leiterplatten- Leitungsmusters aufgelegt sein.
  • Im Betrieb erfüllt die Diode 1 unter einer normalen Bedingung ihre Stromgleichrichtungsfunktion. Weil der Diodenchip 2 zwischen die inneren Enden 3a, 4a der jeweiligen Leiter wärmeleitend mit ihnen geschichtet ist, kann die Diode die unter der normalen Bedingung erzeugte Wärme effektiv dissipieren, wodurch ein Überhitzen verhindert wird, das zu einem Feuer führen oder andererseits die Leiterplatte als Ganzes und/oder benachbarte empfindliche und kostbare Halbleitervorrichtungen beschädigen könnte.
  • Andererseits wird, wenn ein Strom, der einen vorbestimmten Wert überschreitet, durch den Schmelzdraht 7 fließt, der Schmelzdraht zum Öffnen des Schaltkreises durch Schmelzen sofort getrennt. Auf diese Weise wird die Diode unter einer derartigen anormalen Bedingung vor einem Überhitzen geschützt, was folglich die Leiterplatte und/oder benachbarte empfindliche und kostbare Halbleitervorrichtungen schützt. Die zerstörte Diode kann durch eine andere Schutzdiode gegen Überstrom ersetzt werden, die mit relativ geringen Kosten verfügbar ist.
  • Offensichtlich macht es die Verwendung der Schutzdiode 1 gegen Überstrom gemäß der vorliegenden Erfindung unnötig, eine Schaltkreisschutzsicherung getrennt vorzusehen, wie sie beispielsweise in dem hierin zuvor beschriebenen US-Patent US-A-4,547,830 offenbart ist. Daher ist es möglich, den Anbringungsplatz für eine derartige zusätzliche Sicherung einzusparen, was zur Verkleinerung und Vereinfachung der Leiterplatte beträgt.
  • Aufgrund der Sandwichbauweise des Diodenchips 2 zwischen den zwei Leitern 3, 4, welches ein Aufbau ähnlich zu der hierin zuvor beschriebenen Diode nach dem Stand der Technik ist, ist es möglich, die existierende Herstellungsvorrichtung zu benutzen, ohne daß man daran größere Änderungen vornehmen müßte. Daher kann die Schutzdiode gegen Überstrom gemäß der vorliegenden Erfindung mit vernünftigen Kosten hergestellt werden. Tatsächlich ist die Verwendung einer solchen Diode ökonomischer als ein getrenntes Vorsehen einer Sicherung.
  • Der dünne Draht 7 als Sicherung selbst ist beispielsweise aus dem US-Patent US-A-4,547,830 bekannt. Daher können verschiedene Parameter wie beispielsweise die Länge, der Durchmesser usw. des Schmelzdrahts in Übereinstimmung mit der Lehre dieses Patents bestimmt werden, und aus diesem Grund sind sie hierin nicht dargelegt. Der Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht in einem Einbau eines derartigen Schmelzdrahts in die Diode, damit sie eine Doppelfunktion hat, während der Grundaufbau (insbesondere der Sandwichaufbau) der Diode nach dem Stand der Technik beibehalten wird.
  • Fig. 3 stellt eine weitere Schutzdiode 1' gegen Überstrom gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Der einzige Unterschied zu der Anordnung des vorangehenden Ausführungsbeispiels besteht in dem Vorsehen eines weicheren inneren Abschnitts 9, der in einem härteren Kunstharzgehäuse 8' eingeschlossen ist. Der innere Kunstharzabschnitt 9 ist zum Umschließen wenigstens der Gesamtheit des Schmelzdrahts 7 erforderlich, wie es gezeigt ist. Vorzugsweise ist der innere Abschnitt 9 aus Silikonharz hergestellt, wohingegen das äußere Gehäuse 8' wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel aus Epoxidharz hergestellt ist.
  • Gemäß dem vorherigen Ausführungsbeispiel ist der Schmelzdraht 7 völlig in dem harten Kunstharzkörper 8 in Kontakt damit eingeschlossen. Somit können, auch wenn der Draht 7 zu der Zeit eines Überstroms durch Schmelzen getrennt ist, die Schnittenden des Drahts durch den umgebenden Kunstharzkörper fest gehalten werden, und es kann verhindert werden, daß sie voneinander getrennt werden, wodurch das beabsichtigte Öffnen des Schaltkreises fehlschlägt.
  • Gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist andererseits der weicherere innere Abschnitt 9, der den Schmelzdraht 7 umgibt, flexibel genug, wodurch zugelassen wird, daß die durch Schmelzen getrennten Enden des Drahts schnell voneinander getrennt werden. Auf diese Weise erfüllt die Schutzdiode 1' gegen Überstrom zuverlässig ihre zusätzliche Funktion, den Schaltkreis beim Durchfließen eines vorbestimmten Überstroms zu öffnen.

Claims (10)

1. Schutzdiode gegen Überstrom, bestehend aus einem Diodenchip (2) mit einer ersten und einer zweiten Bondfläche (2a, 2b), einem ersten Leiter (3) mit einem Bondende (3a), das an die erste Bondfläche (2a) des Diodenchips in elektrischen und wärmeleitenden Kontakt mit diesem gebondet ist, einem zweiten Leiter (4) mit einem Bondende (4a), das in thermischen und elektrischen Kontakt mit der zweiten Bondfläche (2a) des Diodenchips gehalten ist, wobei der Diodenchip zwischen den Bondenden (3a, 4a) des ersten und des zweiten Leiters (3, 4) schichtartig angeordnet ist, und aus einem geformten Kunstharzkörper (8, 8'), der das Diodenchip und die Bondenden der entsprechenden Leiter umschließt, wobei eine dünne elektrische Isolierschicht (5) zwischen den Bondenden (4a) des zweiten Leiters (4) und der zweiten Bondfläche des Diodenchips (2) angeordnet ist, wobei die Isolierschicht die zweite Bondfläche (2b) des Diodenchips überdeckt und eine Öffnung (5a) zum Freilegen eines elektrischen Anschlußabschnitts (6) der zweiten Bondfläche besitzt; wobei das Bondende des zweiten Leiters mit einer Öffnung (4c) versehen ist, die der Öffnung der Isolierschicht zugeordnet ist und in thermischen Kontakt mit dem Diodenchip über die Isolierschicht gehalten ist; und wobei ein Schmelzdraht (7) ein erstes Ende, das an dem Bondende des zweiten Leiters gebondet ist, und ein zweites Ende besitzt, das an dem elektrischen Anschlußabschnitt der zweiten Bondfläche gebondet ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen der zweiten Bondfläche und dem zweiten Leiter über die Öffnungen (5a, 4c) in der Isolierschicht und in dem zweiten Leiter vorzusehen, wobei beim Durchfließen eines vorbestimmten Überstroms der Draht durch Schmelzen trennbar ist.
2. Diode nach Anspruch 1, bei der die Öffnungen (5a, 4c) der Isolierschicht (5) und des zweiten Leiters (4) in einem Randabschnitt des Diodenchips (2) angeordnet sind.
3. Diode nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Schmelzdraht (7) aus einem Metall besteht, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold, Silber, Kupfer und Aluminium besteht.
4. Diode nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Schmelzdraht (7) aus Silber mit Goldbeschichtung besteht.
5. Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Isolierschicht (5) eine Klebeschicht ist, die das Bondende (4a) des zweiten Leiters (4) an die zweite Bondfläche des Chips (2b) befestigt.
6. Diode nach Anspruch 5, bei der die Klebeschicht (5) aus einem Epoxidharz besteht.
7. Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Isolierschicht (5) aus Glas besteht.
8. Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Kunstharzkörper eine inneren Abschnitt (9), der aus einem weicheren Kunstharz zum vollständigen Umschließen von wenigstens dem Schmelzdraht (7) und aus einem äußeren Abschnitt (8') besteht, der aus einem härteren Kunstharz zum vollständigen Umschließen des inneren Abschnitts besteht.
9. Diode nach Anspruch 8, bei der der innere Abschnitt (9) des Kunstharzkörpers aus einem Silikonharz besteht.
10. Diode nach Anspruch 8, bei der der äußere Abschnitt (8') des Kunstharzkörpers aus einem Epoxidharz besteht.
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