WO1999001896A1 - Zwei-chip-leistungs-ic mit verbessertem kurzschlussverhalten - Google Patents

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Rainald Sander
Xaver Schlögel
Jenö Tihanyi
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Infineon Technologies Ag
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Definitions

  • the invention relates to a two-chip power IC, in which a sensor chip having a sensor is applied to a switch chip having a switch and the sensor is electrically connected to the switch in order to then switch off the switch by means of the sensor when the temperature detected by the sensor exceeds a preset limit.
  • Examples of such two-chip power ICs are a tempfet ("temperature protected FET” or temperature-protected FET) and a Profet ("protected FET” or protected field effect transistor).
  • Temperature sensing a temperature sensing
  • Profet protected FET
  • These two-chip power ICs are only really short-circuit proof even with a reduced short-circuit current if the temperature sensing (“temperature sensing”) can be reliably carried out by means of the sensor chip glued to the switch chip.
  • the temperature sensor hereinafter also referred to as "sensor” for short
  • sensor must be able to reliably detect a temperature rise in order to be able to switch off the switch of the switch chip in good time before it is destroyed by a short-circuit current.
  • this is problematic if the short-circuit current has reduced values which do not sufficiently heat the sensor of the sensor chip.
  • the permitted gate-source voltage must generally not exceed a certain maximum value, so that a switch-off can be carried out in time in the event of a short circuit before the switch is destroyed.
  • a sensor chip stuck on the switch chip it has been shown that this switches off in time cannot be reliably guaranteed, since in many cases the sensor chip only warms up relatively slowly, which is due to the fact that the molding compound enveloping the switch chip and the sensor chip provides additional cooling of the sensor chip, so that the heating of the switch chip generated before a short circuit occurs is not sufficient to heat the sensor chip so that the sensor can switch off the switch of the switch chip.
  • At least one supply line of the switch is guided in the vicinity of the sensor.
  • “Proximity” is understood to mean that this feed line can also touch the sensor chip of the sensor. This can be done by the sensor lead at least partially touching the surface of the sensor chip.
  • the lead is connected to the surface of the sensor chip by stitch bonding.
  • the supply line can be connected to an aluminum surface of the sensor chip in order to ensure good heat transfer between the supply line leading to the switch of the switch chip and the sensor. Both chips and the feed line can be enclosed by a molding compound.
  • the lead is preferably the source lead of the switch of the switch chip.
  • the feed line can be looped or arched from the switch of the switching chip to the surface of the sensor chip.
  • the invention consists in that the source bonding wire is preferably guided in the vicinity of the sensor chip. Before a short circuit occurs, this bond wire heats up, and due to the proximity between the bond wire and the sensor chip, the sensor is not only heated by the switch chip from “below” but also by means of the heat emitted by the bond wire from "above”.
  • the sensor of the sensor chip can thus switch off the switch of the switch chip in good time before it is destroyed by the short-circuit current flowing in full.
  • the yield of reliable two-chip power ICs is greater, and the permissible short-circuit load also increases, since the rapid heating of the sensor chip ensures that the switch of the switch chip is reliably switched off.
  • the contact between the lead or the bonding wire and the surface of the sensor chip is to be designed in such a way that the point of contact is electrically isolated from the circuit of the sensor chip.
  • the aluminum surface already mentioned must therefore be electrically isolated from the circuit of the sensor chip, which can easily be done, for example, by the aluminum surface being applied to silicon dioxide.
  • the feed line or the bonding wire need not touch the surface of the sensor chip. It is also sufficient if the * lead or the bonding wire is brought close to the surface of the sensor chip so that it is heated by the current flowing in the lead.
  • the sensor chip can contain further integrated circuits.
  • the term "two-chip power IC" should therefore be understood to mean that a switch chip is connected to a sensor chip protecting it and, if appropriate, can have further circuits.
  • a sensor chip 2 is arranged on a switch chip 1 with a switch made, for example, of a power MOSFET, the sensor chip 2 being arranged with an electrical layer with the switch chip 1 with electrical insulation from one another.
  • An electrical lead 5 in the form of a bonding wire leads from a contact 4 on a source electrode of the MOSFET of the switch chip 1 to an outer conductor track 6 of a lead frame.
  • This lead 5 is loop-shaped or curved and leads to the surface of the sensor chip 2, on which it is connected by stitch bonding to an aluminum film 7 which is applied to the surface of the sensor chip with electrical insulation.
  • the heat generated in the lead 5 heats the sensor chip 2 in addition to the heat emitted by the switch chip 1. In this way, the sensor of the sensor chip 2 responds reliably to the heat generated when a short circuit occurs and switches the switch of the Switch chips 1 before it can be destroyed by the short circuit current.
  • the lead 5 does not need to be connected to the surface of the sensor chip 2. Rather, it is sufficient if the feed line 5 is guided in relatively close proximity to the surface of the sensor chip 2.
  • a diode or a transistor can be used in the usual way for the sensor.
  • the arrangement of the switch chip 1, the sensor chip 2 and the adhesive layer 3 can be encased together with the feed line 5 in the area of the components 1 to 3 with a molding compound which has been omitted in the figure for the sake of simplicity.
  • the heating of the sensor chip 2 can be increased further in that the lead 5 in the area of the sensor chip 2 is designed in the form of an arc or loop, since in the vicinity of the sensor chip 2 a high current occurs in the lead 5 relatively large warming is caused.
  • the sensor chip 2 also contains a circuit with which a limit value can be set, the switch of the switch chip 1 being switched off when it is exceeded.
  • the sensor of the sensor chip 2 is suitably electrically connected to the switch of the switch chip 1. This can be done through appropriate conductor tracks between the sensor chip 2 and the switch chip 1 through the adhesive layer 3.
  • a feed line 5 is shown which is guided in the vicinity of the sensor chip 2.
  • two feeders can be used instead of one lines of the switch chip 1, for example the source lead and the drain lead, are arranged in the vicinity of the surface of the sensor chip 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zwei-Chip-Leistungs-IC, bei dem ein einen Sensor aufweisender Sensor-Chip (2) auf einem einen Schalter aufweisenden Schalter-Chip (1) aufgebracht und der Sensor elektrisch mit dem Schalter verbunden ist, um den Schalter mittels des Sensors dann abzuschalten, wenn die vom Sensor erfaßte Temperatur einen voreinstellbaren Grenzwert überschreitet. Um eine raschere Erwärmung des Sensor-Chips (2) zu gewährleisten, ist mindestens eine Zuleitung (5) des Schalters in der Nähe des Sensors geführt.

Description

Beschreibung
Zwei-Chip-Leistungs-IC mit verbessertem Kurzschlußverhalten
Die Erfindung betrifft einen Zwei-Chip-Leistungs-IC, bei dem ein einen Sensor aufweisender Sensor-Chip auf einem einen Schalter aufweisenden Schalter-Chip aufgebracht und der Sensor elektrisch mit dem Schalter verbunden ist, um den Schalter mittels des Sensors dann abzuschalten, wenn die vom Sensor erfaßte Temperatur einen voreinstellbaren Grenzwert überschreitet .
Beispiele für derartige Zwei-Chip-Leistungs-ICs sind ein Tempfet ("temperature protected FET" bzw. temperaturgeschütz- ter FET) und ein Profet ("protected FET" bzw. geschützter Feldeffekttransistor) . Diese Zwei-Chip-Leistungs-ICs sind nur dann auch bei einem reduzierten Kurzschlußstrom wirklich kurzschlußfest, wenn die Temperaturerfassung ("temperature sensing") zuverlässig mittels des auf dem Schalter-Chip aufgeklebten Sensor-Chips vorgenommen werden kann. Das heißt, der Temperatursensor (im folgenden auch kurz "Sensor" genannt) muß zuverlässig einen Temperaturanstieg erfassen können, um rechtzeitig den Schalter des Schalter-Chips abschalten zu können, bevor dieser durch einen Kurzschlußstrom zerstört wird. Dies ist aber dann problematisch, wenn der Kurzschlußstrom reduzierte Werte hat, die keine ausreichende Erwärmung des Sensors des Sensor-Chips bewirken.
Bei einem im allgemeinen aus einem FET bestehenden Schalter des Schalter-Chips darf allgemein die erlaubte Gate-Source- Spannung einen bestimmten Höchstwert nicht überschreiten, damit bei einem Kurzschluß noch rechtzeitig vor einer Zerstörung des Schalters ein Abschalten vorgenommen werden kann. Selbst bei einem auf dem Schalter-Chip aufgeklebten Sensor- Chip hat sich erwiesen, daß dieses rechtzeitige Abschalten nicht zuverlässig zu gewährleisten ist, da in vielen Fällen der Sensor-Chip sich nur relativ langsam aufwärmt, was darauf zurückzuführen ist, daß die den Schalter-Chip und den Sensor- Chip umhüllende Preßmasse für eine zusätzliche Kühlung des Sensor-Chips sorgt, so daß die vor Auftreten eines Kurzschlusses erzeugte Erwärmung des Schalter-Chips nicht ausreicht, um den Sensor-Chip so zu erwärmen, daß der Sensor ein Abschalten des Schalters des Schalter-Chips vornehmen kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zwei- Chip-Leistungs-IC mit verbessertem Kurzschlußverhalten anzugeben, bei dem ein zuverlässiges /Abschalten des Schalters des Schalter-Chips vor Auftreten eines Kurzschlusses mittels des Sensors des Sensor-Chips gewährleistet ist .
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Zwei-Chip-Leistungs- IC der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß mindestens eine Zuleitung des Schalters in der Nähe des Sensors geführt ist. Unter "Nähe" ist dabei zu verstehen, daß diese Zuleitung auch den Sensor-Chip des Sensors berühren kann. Dies kann dadurch geschehen, daß die Zuleitung des Sensors mindestens teilweise die Oberfläche des Sensor-Chips berührt. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist dabei vorgesehen, daß die Zuleitung durch Stich-Bonden mit der Oberfläche des Sensor-Chips verbunden ist. Dabei kann die Zuleitung mit einer Aluminium-Fläche des Sensor-Chips verbunden werden, um für einen guten Wärmeübergang zwischen der zum Schalter des Schalter-Chips führenden Zuleitung und dem Sensor zu sorgen. Beide Chips und die Zuleitung können durch eine Preßmasse umschlossen werden. Die Zuleitung ist in bevorzugter Weise die Source-Zuleitung des Schalters des Schalter- Chips. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Zuleitung schlingen- oder bogenförmig vom Schalter des Schalt-Chips zur Oberfläche des Sensor-Chips geführt werden. Die Erfindung besteht also zusammenfassend darin, daß in bevorzugter Weise der Source-Bonddraht in der Nähe des Sensor- Chips geführt wird. Vor einem Auftreten eines Kurzschlusses erwärmt sich dieser Bonddraht, und infolge der Nähe zwischen Bonddraht und Sensor-Chip wird der Sensor nicht nur vom Schalter-Chip von "unten", sondern auch mittels der vom Bonddraht abgegebenen Wärme von "oben" aufgeheizt.
Dies bedeutet, daß der Sensor rascher höhere Temperaturen annimmt und schneller auf einen auftretenden Kurzschluß anspricht. Damit kann der Sensor des Sensor-Chips den Schalter des Schalter-Chips rechtzeitig abschalten, bevor dieser durch den in voller Höhe fließenden Kurzschlußstrom zerstört wird.
Letztlich wird damit die Ausbeute an zuverlässigen Zwei-Chip- Leistungs-ICs größer, wobei auch die erlaubte Kurzschlußbelastung ansteigt, da durch die rasche Erwärmung des Sensor- Chips ein zuverlässiges Abschalten des Schalters des Schalter-Chips sichergestellt ist.
Selbstverständlich ist die Berührung zwischen der Zuleitung bzw. dem Bonddraht und der Oberfläche des Sensor-Chips so zu gestalten, daß die Berührungsstelle elektrisch von der Schaltung des Sensor-Chips isoliert ist. Die bereits erwähnte Aluminium-Fläche muß also von der Schaltung des Sensor-Chips elektrisch getrennt sein, was beispielsweise ohne weiteres dadurch geschehen kann, daß die Aluminium-Fläche auf Siliziumdioxid aufgetragen ist .
Es ist aber zu betonen, daß die Zuleitung bzw. der Bonddraht die Oberfläche des Sensor-Chips nicht zu berühren braucht . Es ist auch ausreichend, wenn die* Zuleitung bzw. der Bonddraht nahe an die Oberfläche des Sensor-Chips herangeführt wird, damit dieser durch den in der Zuleitung fließenden Strom erwärmt wird. Der Sensor-Chip kann zusätzlich zum Sensor weitere integrierte Schaltungen enthalten. Auch ist es möglich, außer dem Sensor-Chip auf dem Schalter-Chip noch weitere integrierte Schaltungen aufweisende Chips anzubringen. Die Bezeichnung "Zwei-Chip-Leistungs-IC" ist also so zu verstehen, daß ein Schalter-Chip mit einem diesen schützenden Sensor-Chip verbunden ist und gegebenenfalls noch weitere Schaltungen aufweisen kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur ein erfindungsgemäßer Zwei- Chip-Leistungs-IC in Schnittdarstellung gezeigt ist.
Auf einem Schalter-Chip 1 mit einem Schalter aus beispielsweise einem Leistungs-MOSFET ist ein Sensor-Chip 2 angeordnet, wobei der Sensor-Chip 2 durch eine Klebstoffschicht 3 mit dem Schalter-Chip 1 unter elektrischer Isolierung voneinander angeordnet ist. Von einem Kontakt 4 auf einer Source- Elektrode des MOSFETs des Schalter-Chips 1 führt eine elektrische Zuleitung 5 in der Form eines Bonddrahtes zu einer äußeren Leiterbahn 6 eines Leiterrahmens . Diese Zuleitung 5 ist schlingen- oder bogenförmig gestaltet und führt zur Oberfläche des Sensor-Chips 2, an der sie durch Stich-Bonden mit einem Aluminiumfilm 7 verbunden ist, der unter elektrischer Isolierung auf die Oberfläche des Sensor-Chips aufgetragen ist .
Fließt nun ein hoher Strom durch die Zuleitung 5, so wird durch die in der Zuleitung 5 erzeugte Wärme der Sensor-Chip 2 zusätzlich zu der Wärme erhitzt, die von dem Schalter-Chip 1 abgegeben wird. Auf diese Weise spricht der Sensor des Sensor-Chips 2 zuverlässig auf die bei Auftreten eines Kurzschlusses erzeugte Wärme an und schaltet den Schalter des Schalter-Chips 1 ab, bevor dieser durch den Kurzschlußstro zerstört werden kann.
Wie bereits oben erwähnt wurde, braucht die Zuleitung 5 nicht mit der Oberfläche des Sensor-Chips 2 verbunden zu werden. Vielmehr genügt es, wenn die Zuleitung 5 in relativ großer Nähe zu der Oberfläche des Sensor-Chips 2 geführt wird.
Für den Sensor kann in üblicher Weise eine Diode oder ein Transistor eingesetzt werden.
Die Anordnung aus dem Schalter-Chip 1, dem Sensor-Chip 2 und der Klebstoffschicht 3 kann zusammen mit der Zuleitung 5 im Bereich der Bauteile 1 bis 3 mit einer Preßmasse umhüllt werden, die zur Vereinfachung der Darstellung in der Figur weggelassen ist.
Die Erwärmung des Sensor-Chips 2 kann noch dadurch gesteigert werden, daß die Zuleitung 5 im Bereich des Sensor-Chips 2 bogenförmig oder schlingenförmig gestaltet ist, da dadurch in der Nähe des Sensor-Chips 2 bei Auftreten eines hohen Stromes in der Zuleitung 5 eine relativ große Erwärmung bewirkt wird.
Der Sensor-Chip 2 enthält zusätzlich zu dem eigentlichen Sensor noch eine Schaltung, mit der ein Grenzwert eingestellt werden kann, bei dessen Überschreiten der Schalter des Schalter-Chips 1 abgeschaltet wird. Hierzu ist in geeigneter Weise der Sensor des Sensor-Chips 2 elektrisch mit dem Schalter des Schalter-Chips 1 verbunden. Dies kann durch entsprechende Leiterbahnen zwischen dem Sensor-Chip 2 und dem Schalter-Chip 1 durch die Klebstoffschicht 3 hindurch geschehen.
Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Zuleitung 5 gezeigt, die in der Nähe des Sensor-Chips 2 geführt ist. Gegebenenfalls können anstelle einer Zuleitung auch zwei Zu- leitungen des Schalter-Chips 1, beispielsweise die Source- Zuleitung und die Drain-Zuleitung, in der Nähe der Oberfläche des Sensor-Chips 2 angeordnet werden.

Claims

Patentansprüche :
1. Zwei-Chip-Leistungs-IC, bei dem ein einen Sensor aufweisender Sensor-Chip (2) auf einem einen Schalter aufweisenden Schalter-Chip (1) aufgebracht und der Sensor elektrisch mit dem Schalter verbunden ist, um den Schalter mittels des Sensors dann abzuschalten, wenn die vom Sensor erfaßte Temperatur einen voreinstellbaren Grenzwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Zuleitung (5) des Schalters in der Nähe des Sensors geführt ist .
2. Zwei-Chip-Leistungs-IC nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (5) die Source-Zuleitung eines MOSFETs des Schalters des Schalter-Chips (1) ist und mindestens teilweise die Oberfläche des Sensor-Chips (2) berührt.
3. Zwei-Chip-Leistungs-IC nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (5) durch Stich-Bonden mit der Oberfläche des Sensor-Chips (2) verbunden ist.
4. Zwei-Chip-Leistungs-IC nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (5) mit einer Aluminium-Fläche (7) des Sensor-Chips verbunden ist.
5. Zwei-Chip-Leistungs-IC nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine die beiden Chips (1, 2) und die Zuleitung (5) umschließende Preßmasse.
6. Zwei-Chip-Leistungs-IC nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (5) schlingen- oder bogenförmig geführt ist .
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