WO1999032846A1 - Integrierte schaltungsanordnung zum aufheizen von zündmaterial sowie verwendung einer solchen integrierten schaltungsanordnung - Google Patents

Integrierte schaltungsanordnung zum aufheizen von zündmaterial sowie verwendung einer solchen integrierten schaltungsanordnung Download PDF

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B3/00—Blasting cartridges, i.e. case and explosive
    • F42B3/10—Initiators therefor
    • F42B3/12—Bridge initiators
    • F42B3/13—Bridge initiators with semiconductive bridge

Definitions

  • the invention relates to an integrated circuit arrangement for heating ignition material and to the use of such an integrated circuit arrangement.
  • An integrated circuit arrangement for heating ignition material proposed in an earlier patent application contains a silicon substrate with a highly doped heating zone as an ignition resistor.
  • the area of the heating zone has a smaller cross section than the remaining area of the silicon substrate.
  • the object of the invention is to provide an integrated circuit arrangement for heating ignition material, which further permits the integration of a control circuit for the ignition resistor and nevertheless allows good heat transfer from the ignition resistor to the ignition material.
  • FIG. 1 shows an electrical equivalent circuit diagram of an igniter for triggering an occupant protection device
  • FIG. 2 shows a layer model of an integrated circuit arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows an electrical equivalent circuit diagram of a marker which is used in particular to trigger an occupant protection device in a motor vehicle.
  • a control device is preferably arranged centrally in the vehicle and is connected via a bus line to igniters of occupant protection means such as airbags, belt tensioners, etc. If the control unit detects an impact depending on the acceleration or body deformation, selected igniters are activated via appropriate ignition commands.
  • Each lighter is arranged in a gas generator housing, which, for example, m mounts a folded airbag.
  • a control circuit 1 of the igniter evaluates messages received via the bus connection 2 and applies a sufficiently large current pulse to an ignition resistor 3 electrically connected to it.
  • Control circuit 1 ignition resistor 3 and ignition capacitor 4 are accommodated in a housing of the igniter. Also in this housing is around the ignition resistor 3 around Zundmate ⁇ al, z. B. ignition powder, arranged. When the ignition resistor 3 is heated, the ignition powder explodes as a result of the heat transfer. The energy released by the explosion causes tablets of the gas generator to release gas which flows out of the folded airbag and thus causes the airbag to inflate.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the integrated circuit arrangement according to the invention, which is provided for heating ignition material. It contains the ignition resistor and the control circuit according to FIG. 1 on a common semiconductor substrate.
  • a semiconductor layer Si preferably a silicon substrate, contains components of the control circuit in the form of doped regions n / p.
  • a further semiconductor layer Ps preferably a polysilicon layer is deposited on the Si semiconductor layer.
  • any other electrically conductive layer with an ohmic resistance can be used.
  • the polysilicon layer Ps serves to electrically connect the components arranged in the semiconductor layer Si.
  • the integrated circuit arrangement according to FIG. 2 contains not only the control circuit for the ignition resistance of the igniter, but also the ignition resistance itself. It is implemented by an area Zb of the polysilicon layer Ps.
  • the ignition area Zb in the polysilicon layer Ps is designed such that it preferably has an ohmic resistance value of 1-20 ohms.
  • the cross section of the polysilicon layer in the ignition region Zb is tapered. By shaping the polysilicon layer Ps in this way, an ignition element in the form of a heating resistor bridge is created in the ignition region Zb.
  • the tapered point ensures that electrical energy in the form of a current flowing from a capacitor through the tapered point is precisely at this point.
  • the ignition area can be tapered in width or height.
  • the cross-sectional area of the polysilicon layer in the tapered region - that is, in the region in which the heating effect is to be achieved - is smaller than in the region in which the polysilicon layer primarily acts as a wiring layer.
  • Erfmdungsgeholder have the electrically conductive layers Alul, Alu2 and Alu3 and the insulating S ⁇ 0 2/3 and S ⁇ 0 2/4 in Zund Scheme Zb recesses As on. These recesses As are required to ensure good heat transfer from the ignition resistance realized in the polysilicon layer Ps to the ignition material Zp.
  • the entire integrated circuit arrangement is embedded in such ignition material Zp.
  • the ignition material Zp is preferably pressed onto the integrated circuit arrangement, in particular in the ignition area Zb. If the integrated circuit arrangement has only one electrically conductive layer Alul, then of course only this electrically conductive layer contains the cutout As.
  • the insulating layer S ⁇ 0 2/2 arranged directly on the polysilicon layer Ps is used as an etching stop for this etching process.
  • the areas As recessed by etching can be created with small tolerances and can thus be adapted precisely to the ignition area Zb.
  • the invention thus has the great advantage that the ignition resistor and control circuit for the ignition resistor can be integrated in a single integrated circuit arrangement and at the same time good heat transfer from the ignition pill resistor to the ignition powder is ensured. At the same time Low-effort and tolerance-accurate creation of this heat transfer by forming the recesses as a result of standard etching processes.
  • a cutout As can also be etched into the semiconductor layer Si in the ignition region Zb exclusively or in addition to the cutout in the electrically conductive layer Alul, in order to ensure good thermal connection of the ignition resistance to the ignition material Zp from this side .
  • the ignition material Zp is preferably always on the side on which the recess As is etched free.
  • circuit arrangement is to be arranged on a carrier using flip-chip technology, i.e. If the circuit arrangement is placed directly with contact areas of one of the electrically conductive layers on mating contact areas of a carrier, then only the semiconductor layer Si is advantageously provided with the cutout As. Ignition material Zp is pressed onto the circuit arrangement from the side of the semiconductor layer Si.

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Abstract

Eine integrierte Schaltungsanordnung weist sowohl einen Zündwiderstand (3) als auch eine Steuerschaltung (1) zum Steuern eines Stromflusses durch den Zündwiderstand (3) auf. Dabei wird ein Bereich (Zb) einer zum elektrischen Verbinden von integrierten Bauelementen vorgesehenen Halbleiterschicht (Ps) als Zündwiderstand (1) verwendet. Eine elektrisch leitende Schicht (Alu1) zum elektrischen Kontaktieren der Steuerschaltung (1) oder eine Halbleiterschicht für die Bauelemente weisen in diesem Bereich (Zb) eine Aussparung (As) auf.

Description

Beschreibung
Integrierte Schaltungsanordnung zum Aufheizen von Zündmaterial sowie Verwendung einer solchen integrierten Schaltungs- anordnung.
Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltungsanordnung zum Aufheizen von Zündmaterial sowie eine Verwendung einer solchen integrierten Schaltunsanordnung.
Eine in einer älteren Patentanmeldung (DE 197 02 118) vorgeschlagene integrierte Schaltungsanordnung zum Aufheizen von Zündmaterial enthält ein Siliziumsubstrat mit einer hochdotierten Heizzone als Zündwiderstand. Der Bereich der Heizzone weist einen geringeren Querschnitt auf als der übrige Bereich des Siliziumsubstrats.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine integrierte Schaltungsanordnung zum Aufheizen von Zündmaterial zu schaffen, die wei- ter die Integration einer Ansteuerschaltung für den Zündwiderstand zuläßt und dennoch einen guten Wärmeübergang vom Zündwiderstand zum Zündmaterial erlaubt.
Die Erfindung wird gelöst durch die Merkmale des Patentan- spruchs 1. Eine vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen integrierten Schaltungsanordnung wird in Patentanspruch 5 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden anhand der Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Anzünders zum Auslösen eines Insassenschutzmittels eines
Kraftfahrzeugs, und Figur 2 ein Schichtenmodell einer erfmdungsgemaßen integrierten Schaltungsanordnung.
Figur 1 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Anzun- ders, der insbesondere zum Auslosen eines Insassenschutzmittels in einem Kraftfahrzeug verwendet wird. Bei einem solchen Insassenschutzsystem ist vorzugsweise zentral im Fahrzeug ein Steuergerat angeordnet, das über eine Busleitung mit Anzündern von Insassenschutzmitteln wie Airbag, Gurtstraffer, etc. verbunden ist. Erkennt das Steuergerat beschleunigungs- oder karosseπeverformungsabhangig einen Aufprall, so werden über entsprechende Zundbefehle ausgewählte Anzünder aktiviert. Jeder Anzünder ist dabei in einem Gasgeneratorgehause angeordnet, welches beispielsweise m einen zusammengefalteten Air- bag mundet. Eine Steuerschaltung 1 des Anzünders wertet über die Busanbmdung 2 empfangene Nachrichten aus und beaufschlagt einen mit ihr elektrisch verbundenen Zundwiderstand 3 mit einem ausreichend großem Stromimpuls. Die Energie wird dabei von einem Zundkondensator 4 geliefert und über eine steuerbare Leistungstufe 11 an den Zundwiderstand 3 weiterge- leitet. Steuerschaltung 1, Zundwiderstand 3 und Zundkondensator 4 sind dabei in einem Gehäuse des Anzünders untergebracht. Ebenfalls in diesem Gehäuse ist um den Zundwiderstand 3 herum Zundmateπal, z. B. Zundpulver, angeordnet. Bei einem Erhitzen des Zundwiderstands 3 explodiert in Folge des Wärmeübergangs das Zundpulver. Durch die Explosion freiwerdende Energie veranlaßt Tabletten des Gasgenerators, Gas freizusetzen, das m den gefalteten Airbag ausströmt und damit ein Aufblasen des Airbags verursacht.
Figur 2 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel der erfmdungsgemaßen integrierten Schaltungsanordnung, die zum Aufheizen von Zund- material vorgesehen ist. Sie enthalt den Zundwiderstand und die Steuerschaltung nach Figur 1 auf einem gemeinsamen Halb- leitersubstrat . Eine Halbleiterschicht Si, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, enthalt Bauelemente der Steuerschaltung m Form von dotierten Bereichen n/p. Getrennt durch eine Iso- lierschicht Si02/1, die vorzugsweise als Siliziumoxidschicht ausgebildet ist, ist eine weitere Halbleiterschicht Ps, vorzugsweise eine Polysiliziumschicht , auf der Halbleiterschicht Si aufgebracht. Anstelle der Polysiliziumschicht Ps kann jede andere elektrisch leitende Schicht mit einem Ohmschen Widerstand verwendet werden. Die Polysiliziumschicht Ps dient zum elektrischen Verbinden der in der Halbleiterschicht Si angeordneten Bauelemente. Dazu sind nicht eingezeichnete Durch- kontakierungen von der Polysiliziumschicht Ps durch die Iso- lierschicht Si02/1 zur Halbleiterschicht Si vorgesehen. Darüber hinaus können Ohmsche Widerstände oder beispielsweise Kondensatorelektroden durch die Polysiliziumschicht Ps realisiert werden.
Jeweils durch Isolierschichten Si02/2, Si02/3, Si02/4 voneinander getrennt sind elektrisch leitende Schichten Alul, Alu2, und Alu3 auf der Polysiliziumschicht Ps angebracht. Diese elektrisch leitenden Schichten Alul, Alu2, Alu3 dienen zum elektrischen Kontaktieren der Steuerschaltung. Dazu sind nicht eingezeichnete vertikale Durchkontaktierungen bis zur Polysiliziumschicht und zur Halbleiterschicht erforderlich. Diese elektrisch leitenden Schichten Alul, Alu2, Alu3 sind vorzugsweise aus Aluminium hergestellt.
Erfindungsgemäß enthält also die integrierte Schaltungsanordnung nach Figur 2 nicht nur die Steuerschaltung für den Zündwiderstand des Anzünders, sondern auch den Zündwiderstand selbst. Er ist durch einen Bereich Zb der Polysiliziumschicht Ps realisiert. Der Zündbereich Zb in der Polysiliziumschicht Ps ist derart ausgelegt, daß er vorzugsweise einem Ohmschen Widerstandswert von 1-20 Ohm aufweist. Im Zündbereich Zb ist die Polysiliziumschicht in ihrem Querschnitt verjüngt. Durch eine derartige Formgebung der Polysiliziumschicht Ps entsteht im Zündbereich Zb ein Zündelement in Form einer Heizwider- Standsbrücke. Die derart verjüngte Stelle stellt sicher, daß elektrische Energie in Form eines aus einem Kondensator über die verjüngten Stelle fließenden Stroms genau an dieser ver- jungten, niederohmigen Stelle in Wärmeenergie umgesetzt wird und dadurch ein an/bei diesem verjungten Bereich angeordnetes Zundmateπal/Zundpulver zum Explodieren gebracht wird. Der Zundbereich kann dazu in seiner Breite oder Hohe verjungt ausgebildet sein. In jedem Fall ist die Querschnittsflache der Polysiliziumschicht im verjungten Bereich - also m dem Bereich, m dem die Heizwirkung erzielt werden soll - geringer als in dem Bereich, in dem die Polysiliziumschicht vornehmlich als Verdrahtungsschicht wirkt.
Erfmdungsgemaß weisen die elektrisch leitenden Schichten Alul, Alu2 und Alu3 und die Isolierschichten Sι02/3 und Sι02/4 im Zundbereich Zb Aussparungen As auf. Diese Aussparungen As sind erforderlich, um einen guten Wärmeübergang vom in der Polysiliziumschicht Ps realisierten Zundwiderstand zum Zundmaterial Zp zu gewährleisten. Im Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 2 ist dabei die gesamte integrierte Schaltungsanordnung m solches Zundmaterial Zp eingebettet. Dabei ist das Zundmaterial Zp vorzugsweise an die integrierte Schaltungsanordnung insbesondere im Zundbereich Zb angepreßt. Weist die integrierte Schaltungsanordnung lediglich eine elektrisch leitende Schicht Alul auf, so enthalt natürlich nur diese elektrisch leitende Schicht die Aussparung As auf.
Das Herstellen der Aussparungen As erfolgt durch Atzung im
Rahmen eines Standard-Halbleiter-Prozesses. Vorzugsweise wird dabei die unmittelbar auf der Polysiliziumschicht Ps angeordnete Isolierschicht Sι02/2 als Atzstop für diesen Atzprozeß verwendet. Die durch Atzen ausgesparten Bereiche As können mit geringen Toleranzen erstellt und damit genau an den Zundbereich Zb angepaßt werden.
Die Erfindung hat damit den großen Vorteil, daß in einer einzigen integrierten Schaltungsanordnung Zundwiderstand und Steuerschaltung für den Zundwiderstand integriert werden können und gleichzeitig ein guter Wärmeübergang vom Zundpillen- widerstand zum Zundpulver gewahrleistet wird. Bei gleichzei- tiger aufwandsarmer und toleranzgenauer Erstellung dieses Wärmeübergangs durch das Ausbilden der Aussparungen in Folge von Standard-Ätzprozessen.
Wie aus Figur 2 ersichtlich, kann erfindungsgemäß auch ausschließlich oder aber zusätzlich zur Aussparung in der elektrisch leitenden Schicht Alul eine Aussparung As in die Halbleiterschicht Si im Zündbereich Zb geätzt werden, um von dieser Seite her eine gute Wärmeanbindung des Zündwiderstandes an das Zündmaterial Zp zu gewährleisten. Das Zündmaterial Zp liegt dabei vorzugsweise immer an der Seite an, an der die Aussparung As freigeätzt ist.
Soll die Schaltungsanordnung in Flip-Chip-Technik auf einem Träger angeordnet werden, d.h. wird die Schaltungsanordnung direkt mit Kontaktflächen einer der elektrisch leitenden Schichten auf Gegenkontaktflachen eines Trägers gesetzt, so ist vorteilhafterweise nur die Halbleiterschicht Si mit der Aussparung As versehen. Es wird von der Seite der Halbleiter- Schicht Si her Zündmaterial Zp an die Schaltungsanordnung angepreßt .

Claims

Patentansprüche
1. Integrierte Schaltungsanordnung zum Aufheizen von Zündmaterial, - mit einem Zündwiderstand (3) und mit einer Steuerschaltung (1) zum Steuern eines Stromflusses durch den Zündwiderstand (3),
- mit einer Halbleiterschicht (Si) für Bauelemente der Steuerschaltung (1) , - mit einer weiteren Halbleiterschicht (Ps) zum elektrischen Verbinden der Bauelemente, und
- mit einer elektrisch leitenden Schicht (Alul) zum elektrischen Kontaktieren der Steuerschaltung (1),
- bei der ein Bereich (Zb) der weiteren Halbleiterschicht (Ps) als Zündwiderstand (1) ausgebildet ist, und
- bei der die elektrisch leitende Schicht (Alul) und/oder die Halbleiterschicht (Si) in diesem Bereich (Zb) eine Aussparung
(As) aufweist.
2. Integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Polysiliziumschicht (Ps) von einer Isolierschicht (Si02/1) getrennt auf der Halbleiterschicht (Si) angeordnet ist, und bei der die elektrisch leitende Schicht (Alul) durch eine weitere Isolierschicht (Si02/2) getrennt auf der Polysi- liziumschicht (Ps) angeordnet ist.
3. Integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei der weitere Schichten (Si02/3, Alu2 , Si02/4, Alu3, Pa) auf der elektrisch leitenden Schicht (Alul) angeordnet sind, und bei der diese weiteren Schichten (Si02/3, Alu2, Si02/4, Alu3, Pa) in dem Bereich (Zb) eine Aussparung (As) aufweisen.
4. Verwendung einer integrierten Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Anzünder zum Auslö- sen eines Insassenschutzmittels, bei der die Schaltungsanordnung in direktem Kontakt zu einem Zündmaterial (Zp) steht.
5. Verwendung einer integrierten Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, bei der das Zündmaterial (Zp) im Bereich des Zünd- widerstandes (1) an einer die Polysiliziumschicht (Ps) bedek- kenden elektrischen Isolierschicht (Si02/2) anliegt.
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