WO2000008430A1 - Verfahren zum messen der temperatur eines leistungshalbleiters und bauelement - Google Patents

Verfahren zum messen der temperatur eines leistungshalbleiters und bauelement Download PDF

Info

Publication number
WO2000008430A1
WO2000008430A1 PCT/DE1999/002079 DE9902079W WO0008430A1 WO 2000008430 A1 WO2000008430 A1 WO 2000008430A1 DE 9902079 W DE9902079 W DE 9902079W WO 0008430 A1 WO0008430 A1 WO 0008430A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
temperature
power semiconductor
semiconductor
component
operating temperature
Prior art date
Application number
PCT/DE1999/002079
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anton Mauder
Mario Feldvoss
Original Assignee
Infineon Technologies Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies Ag filed Critical Infineon Technologies Ag
Publication of WO2000008430A1 publication Critical patent/WO2000008430A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/16—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/01—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using semiconducting elements having PN junctions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/484—Connecting portions
    • H01L2224/48463—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond
    • H01L2224/48464—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond the other connecting portion not on the bonding area also being a ball bond, i.e. ball-to-ball
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting the operating temperature of a power semiconductor, which comprises at least one blocking zone with a high operating temperature, which has a high response speed, and a component with a power semiconductor, which comprises at least one blocking zone with a high operating temperature.
  • Appropriate countermeasures can be taken after this time at the earliest after a semiconductor transition of the component up to a corresponding temperature increase at the point at which measurement is actually taking place, which can take a few 10 ms to several seconds. At this point, the semiconductor transition may already be damaged. This method therefore does not provide reliable protection against thermal overload of the component.
  • a calculation of the temperature of the semiconductor transition based on the measured load currents and the power loss of the semiconductor component calculated therefrom likewise does not represent reliable protection, since irregularities in the structure and in the heating of the component cannot be taken into account.
  • the invention is based on measuring the temperature directly at the barrier layer and thus possibly being able to take countermeasures immediately. This is made possible in that, according to the invention, a sensor is attached directly to the power semiconductor to be monitored. In particular, the sensor can be queried without contact.
  • Exclusion zone with a high operating temperature is characterized in that the temperature is detected directly at the exclusion zone. This significantly reduces the response time when the temperature is recorded and it is possible to react immediately to overheating of the component.
  • the power semiconductor according to the invention accordingly comprises a temperature-sensitive element directly at the blocking zone with a high operating temperature.
  • the resistance value of a resistor made of poly-Si integrated in the power semiconductor is measured.
  • the resistance value of the poly-Si resistor forms the analog measurement signal.
  • the change in color or reflection of a layer applied directly on the chip surface is optically monitored by means of a color measurement or a measurement of the reflectance.
  • the advantage of the method is the galvanic decoupling of the monitoring signal from the load circuit and the high response speed.
  • the corresponding component with a power semiconductor is characterized in that the temperature-sensitive element is a layer applied directly to the surface of the power semiconductor, the color or its reflectivity of which changes as a function of the ambient temperature, and a receiver for detecting a change in the color or the Reflectance of the layer and for outputting a change signal.
  • the temperature-sensitive element comprises a transmitter for irradiating the layer with light.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the invention in cross section.
  • 2 shows a perspective view of a second embodiment of the invention.
  • a power semiconductor 1 is accommodated in a housing 9 in which an optical monitoring unit is integrated.
  • the power semiconductor 1 is mounted on a leadframe 3 and connected to lead wires 2 of the leadframe 3 via bonding wires 4.
  • the power semiconductor can also be mounted on a direct copper bond (DCB) or an insulated metal substrate (IMS) substrate.
  • the housing 9 has several openings (not shown) on the side through which the electrical connections 2 are led to the outside.
  • the optical monitoring unit is integrated in an upper section of the housing 9.
  • the housing delimits a cavity above the semiconductor, which is filled with a transparent potting compound such as silicone gel.
  • the monitoring unit comprises a transmitter 7 and a receiver 8. Both the transmitter 7 and the receiver 8 are aimed at the surface of the power semiconductor 1.
  • the transmitter 7 emits a radiation which can be detected by the receiver 8, ie the radiation generates a current in the receiver 8.
  • the radiation from the transmitter 7 is reflected by the chip surface and thus reaches the receiver 8.
  • the transmitter 7 of the monitoring unit is preferably a light-emitting diode
  • the receiver 8 of the monitoring unit is, for example, a photodiode.
  • Transmitter 7 and receiver 8 must be arranged at an angle to one another so that the reflected rays reach the receiver 8 optimally. If the transmitter 7 radiates at a certain angle to the surface normal onto the layer 6 on the surface of the semiconductor, then the The receiver 8 must maintain the same angle to the surface normal, the receiver 8 and the transmitter 7 preferably being on a line whose center is the intersection of the line with the surface normal. In particular, the transmitter can be directed perpendicular to the surface of the semiconductor, so that transmitter 7 and receiver 8 are arranged directly next to one another.
  • the radiation intensity that arrives at the receiver depends on the reflectivity of the chip surface.
  • the chip surface is covered with a temperature-dependent reflection layer 6, which changes its reflectance as a function of the temperature.
  • Semiconductor is still in the target range ( ⁇ 0 ) or already in the extraordinary ( ⁇ a ) range.
  • a change in color is detected instead of the change in reflection.
  • the surface is covered with a layer 6, which changes its color depending on the temperature of the semiconductor 1. If the chip 1 is heated inadmissibly, the output signal of the receiver 8 changes due to the color change and thus generates a signal which indicates that the temperature has reached too high.
  • the paint can also be applied to other areas of the housing and z. B. monitor the housing temperature.
  • layer ⁇ is preferably attached to the inside of the cover of the housing and, like layer 6 on the semiconductor, its reflection or color change is queried with a transmitter 7 and a receiver 8.
  • the color or reflection envelope gives a jump response, which means a yes / no answer to the question about the operating range of the component, without a comparison with a threshold value being necessary.
  • the color indicates whether the component has left its SOA or not.
  • the temperature or the power loss at which the color or reflection change takes place is chosen at a sufficiently large distance from the temperature at which the component is damaged by overheating, so that there is sufficient time and scope for taking countermeasures. This is all the more the case since the change in color or reflectance takes place with a very high response speed.
  • Dyes based on liquid crystals are particularly suitable as coloring or reflecting layers 6.
  • the advantage of the embodiment in which the leaving the SOA is detected by means of a change in color or reflection is that the temperature can be detected in a galvanically decoupled manner from the semiconductor and the detection takes place without contact. This also makes it possible to monitor the temperature from a greater distance.
  • transmitter 7 and / or receiver 8 can be located at a greater distance from the component, and the color or reflection change can be queried optically via an optical fiber connection.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a further embodiment of the component according to the invention, in which the resistance value of a poly-silicon integrated in the semiconductor
  • Resistance is measured. For this purpose, either the voltage drop across the resistor or the current flowing through the resistor at constant voltage is detected with impressed current. If the resistance value changes due to a change in the ambient temperature, a different current or voltage is measured accordingly. The instantaneous resistance value and thus its ambient temperature on the semiconductor substrate are therefore always known.
  • 2 perspectively em lateral MOS transistor is shown in Fig. With a p "-dot ⁇ erten substrate 10. On the surface of the substrate 10, there are two n + -dot ⁇ erte trays 11 which are each provided with a metallization and a source 12 or act as a drain 13. Separated from the semiconductor substrate 10 by an oxide layer 15, a poly-Si layer 14 is arranged between the source 12 and drain 13 on the surface of the MOS transistor, which acts as a gate the channel resistance is set between source 12 and drain 13.
  • the channel (not shown) has a length, ie an extension in the drawing area. ne, and a width W, ie an extension perpendicular to
  • the dimension W of the channel is given by the corresponding dimension of the poly-Si layer 14. It is possible that a relatively high reverse current flows during operation of the MOS transistor or a relatively high reverse current
  • the extent W of a strip 16 of polysilicon arranged on the surface of the component is used to determine a temperature-dependent resistance in the vicinity of the pn junction to be monitored.
  • the voltage drop in the poly-silicon strip 16 is detected via the extension W.
  • the voltage drop is tapped via two connections 5 on the poly-Si strip 16.
  • the voltage drop over the distance W is proportional to the resistance of the polysilicon. This resistance is temperature dependent. This gives a measure of the temperature at the pn junction in this area or in this MOS transistor.
  • the position of the poly-Si strip 16 is only important for the measurement insofar as the strip 16 should be as close as possible to the pn junction to be monitored. Instead of the stripes 16 being arranged on the surface of the component, it is also possible to integrate a separate strip (not shown) in the n + trough 11. As a result, the distance to the pn junction is further restricted.
  • the embodiment with an integrated resistor is useful if the temporal development of the temperature of the blocking zone in the semiconductor is to be recorded and a "predictive" measurement of the temporal development of the temperature temperature should take place in the switching element, so that overheating can be counteracted at any time during operation of the power semiconductor.
  • the advantage of the method according to the invention is that the temperature of a semiconductor is no longer measured only indirectly, as in the prior art, via material thermally connected to the semiconductor, but directly at the "critical" blocking zone.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen der Betriebstemperatur von einem Leistungshalbleiter (1), der mindestens eine Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur umfaßt, das eine hohe Ansprechgeschwindigkeit hat, sowie ein Bauelement mit einem Leistungshalbleiter (1), der mindestens eine Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur umfaßt. Um die Betriebstemperatur des Leistungshalbleiters zuverlässig und schnell zu ermitteln, wird vorgeschlagen, die Temperatur unmittelbar an der Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur des Leistungshalbleiters (1) zu erfassen. Dazu wird ein temperaturempfindliches Element (2, 6) unmittelbar an der Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur angeordnet.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Messen der Temperatur eines Leistungshalblei- ters und Bauelement
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 auszunutzen, muß ein Kompromiß gefunden werden zwischen einer ko- stengunstigen Auslegung des Bauelements und einer großzugigen Dimensionierung für eine größtmögliche Zuverlässigkeit des Bauelements. Bei einer zu knapp kalkulierten Dimensionierung kann sonst die thermische Überlastung des Halbleiterbauele- ments durch zu hohen Strom zu dessen Ausfall fuhren.
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
Halbleiterubergangs 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 Gegenmaß- nahmen ergriffen werden. Zu diesem Zeitpunkt ist der Halblei- terubergang aber u.U. bereits geschadigt. Damit stellt dieses Verfahren keinen zuverlässigen Schutz vor einer thermischen Überlastung des Bauelements dar. Eine Berechnung der Temperatur des Halbleiterubergangs aufgrund der gemessenen Laststrome 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.
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 gelost durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Bauelement nach Anspruch 5. Bevorzugte Ausfuhrungs- formen sind Gegenstand der Unteranspruche .
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 erfm- dungsgemaß ein Sensor direkt auf dem zu überwachenden Leistungshalbleiter angebracht wird. Insbesondere kann der Sensor beruhrungslos abgefragt werden.
Das erfmdungsgemaße Verfahren zum Erfassen der Betnebstem- peratur von einem Leistungshalbleiter, der mindestens eine
Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur umfaßt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur unmittelbar an der Sperrzone erfaßt wird. Damit wird die Ansprechzeit bei der Erfassung der Temperatur deutlich verringert, und es kann un- mittelbar auf ein Überheizen des Bauelements reagiert werden. Der erfmdungsgemaße Leistungshalbleiter umfaßt dementsprechend ein temperaturempfindliches Element unmittelbar an der Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur. In einer ersten bevorzugten Ausfuhrungsform 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 Ausfuhrungsform des Verfahrens wird die Färb- oder Reflexionsanderung einer unmittelbar auf der Chipoberflache aufgebrachten Schicht über eine Farbmessung oder eine Messung des Reflexionsgrades optisch überwacht. Der Vorteil des Verfahrens besteht der galvanischen Entkopplung des Uberwachungssignals vom Laststromkreis und in der hohen Ansprechgeschwindigkeit.
Das entsprechende Bauelement mit einem Leistungshalbleiter ist dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfmdliche Element eine unmittelbar auf der Oberflache des Leistungshalbleiters aufgebrachte Schicht, deren Farbe oder deren Re- flexionsvermogen sich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ändert, und einen Empfanger zum Erkennen einer Änderung der Farbe oder des Reflexionsgrades der Schicht und zum Aus- geben eines Anderungssignals umfaßt. Insbesondere umfaßt das temperaturempfmdliche Element einen Sender zum Bestrahlen der Schicht mit Licht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausfuhrungsformen der Erfindung, wobei Bezug genommen wird auf die beigefugten Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausfuhrungsform der Erfindung im Querschnitt. Fig. 2 zeigt eine zweite Ausfuhrungsform der Erfindung perspektivischer Darstellung.
In einer ersten Ausfuhrungsform des erfmdungsgemaßen Bauelements, die Fig. 1 im Querschnitt gezeigt ist, wird ein Leistungshalbleiter 1 in einem Gehäuse 9 untergebracht, in dem eine optische Uberwachungsemheit integriert ist. Der Leistungshalbleiter 1 ist auf einem Leadframe 3 montiert und über Bonddrahte 4 mit Anschlußdrahten 2 des Leadframe 3 verbunden. Ebenso kann der Leistungshalbleiter auch auf einem direct-copper-bond- (DCB-) oder einem lnsulated-metal- substrate- (IMS-) Substrat montiert sein. Das Gehäuse 9 hat mehrere (nicht dargestellte) Offnungen an der Seite, durch die die elektrischen Anschlüsse 2 nach außen gefuhrt sind.
Die optische Uberwachungsemheit ist in der gezeigten Ausfuhrungsform in einem oberen Abschnitt des Gehäuses 9 integriert. Das Gehäuse begrenzt einen Hohlraum über dem Halblei- ter, der mit einer transparenten Vergußmasse wie z.B. Sili- kon-Gel gefüllt ist. Die Uberwachungsemheit umfaßt m der gezeigten Ausfuhrungsform einen Sender 7 und einen Empfanger 8. Sowohl Sender 7 als auch Empfanger 8 sind auf die Oberflache des Leistungshalbleiters 1 gerichtet. Der Sender 7 emit- tiert eine Strahlung, die von dem Empfanger 8 erfaßt werden kann, d.h. die Strahlung erzeugt einen Strom in dem Empfanger 8. Die Strahlung von dem Sender 7 wird von der Chip- Oberflache reflektiert und gelangt so zu dem Empfanger 8. Der Sender 7 der Uberwachungsemheit ist vorzugsweise eine lichtemittie- rende Diode, der Empfanger 8 der Uberwachungsemheit ist z.B. eine Photodiode. Sender 7 und Empfanger 8 müssen einem Winkel zueinander angeordnet werden, so daß die reflektierten Strahlen den Empfanger 8 optimal erreichen. Strahlt der Sender 7 unter einem bestimmten Winkel zur Flachennormalen auf die Schicht 6 auf der Oberflache des Halbleiters, so muß der Empfanger 8 denselben Winkel zu der Flachennormalen einhalten, wobei sich Empfanger 8 und Sender 7 vorzugsweise auf einer Linie befinden, deren Mittelpunkt der Schnittpunkt der Linie mit der Flachennormalen ist. Insbesondere kann der Sen- der senkrecht auf die Oberflache des Halbleiters gerichtet sein, so daß Sender 7 und Empfanger 8 unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.
Die Strahlungsintensität, die bei dem Empfanger ankommt, ist von dem Reflexionsvermogen der Chip-Oberflache abhangig. Er- fmdungsgemaß wird die Chip-Oberflache mit einer temperatur- abhangigen Reflexionsschicht 6 bedeckt, die ihr Reflexions- vermogen in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Insbesondere ändert die der Chipoberflache aufgebrachte Schicht bei Erreichen einer Sprungtemperatur ihr Reflexionsvermogen 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 α0 von z.B. 90% in einem vorgegebenen Spektralbereich. Ver- laßt dagegen der Leistungshalbleiter den zulassigen Temperaturbereich, so ändert sich auch die Temperatur der Reflexionsschicht 6, und das Reflexionsvermogen sinkt von α0 auf einen neuen Wert αa von z.B. 20%. Das fuhrt dazu, daß weniger der Strahlung von dem Sender 7 bei dem Empfanger 8 ankommt, und der durch die Strahlung erzeugte Strom im Empfanger nimmt in entsprechendem Maße ab. Das elektrische Signal von dem Empfanger 8 spiegelt damit wieder, ob sich die Temperatur des
Halbleiters noch im Sollbereich (α0) oder bereits im außerordentlichen (αa) Bereich befindet.
In einer einfacheren Variante der obigen Ausfuhrungsform wird von außen durch eine (nicht dargestellte) Aussparung in dem Deckel des Gehäuses auf die Chip-Oberflache fallendes Licht vom Empfanger 8 erfaßt, so daß der Sender 7 eingespart werden kann. Bei der Ausfuhrungsform mit nur einem Empfanger ist ein
Fenster m dem Gehäuse vorgesehen durch das das Außenlicht auf die Schicht 6 auf der Oberflache des Halbleiters fallt.
In einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung wird statt der Reflexionsanderung eine Farbanderung erfaßt. Dazu ist die Oberflache 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 Empfangers 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 Gehausetemperatur überwachen. Dazu wird vorzugsweise die Schicht β auf der Innenseite des Deckels des Gehäuses angebracht und ebenso wie die Schicht 6 auf dem Halbleiter ihre Reflexions- bzw. Farbanderung mit einem Sender 7 und einem Empfanger 8 abgefragt.
Bei den beiden obigen Ausfuhrungsformen hat man durch den Färb- oder Reflexionsumschlag ein sprungformiges 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 ver- lassen hat oder nicht. Vorzugsweise wird dabei die Temperatur oder die Verlustleistung, bei der der Färb- oder Reflexionsumschlag erfolgt, in einem genügend großen Abstand von derjenigen Temperatur gewählt, bei der das Bauelement durch Uberhitzung geschadigt wird, so daß ausreichend Zeit und Spielraum für die Ergreifung von Gegenmaßnahmen bleibt. Dies ist umso mehr der Fall, als der Färb- bzw. Reflexionsgradwechsel mit einer sehr hohen Ansprechgeschwindigkeit erfolgt.
Als Färb- bzw. Reflexionsschichten 6 eignen sich insbesondere Farbstoffe auf der Basis von Flussigkπstallen . Der Vorteil der Ausfuhrungsform, bei der das Verlassen der SOA mittels Färb- oder Reflexionsanderung erfaßt wird, besteht darin, daß man die Temperatur galvanisch entkoppelt von dem Halbleiter erfassen kann und die Erfassung beruhrungslos erfolgt. Damit ist auch eine Überwachung der Temperatur aus einer größeren Entfernung möglich. Dazu können Sender 7 und/oder Empfanger 8 sich in einer größeren Entfernung von dem Bauelement befinden, und die optische Abfrage der Farb- bzw. Reflexionsanderung kann über eine Lichtleiterverbindung erfolgen .
In Fig. 2 ist eine weitere Ausfuhrungsform des erf dungsgemaßen Bauelements perspektivisch dargestellt, bei der der Wi- derstandswert 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 auf- grund einer Änderung der Umgebungstemperatur wird entsprechend em 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 Fig. 2 perspektivisch em lateraler MOS- Transistor mit einem p"-dotιerten Substrat 10 gezeigt. An der Oberflache des Substrats 10 befinden sich zwei n+-dotιerte Wannen 11, die jeweils mit einer Metallisierung versehen sind und als Source 12 oder als Drain 13 wirken. Durch eine Oxyd- schicht 15 von dem Halbleitersubstrat 10 getrennt ist eine Poly-Si-Schicht 14 zwischen Source 12 und Drain 13 auf der Oberflache 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 Lange, 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 em relativ ho- her Sperrstrom fließt oder im Durchlaß eine relativ hohe
Spannung über dem Kanal abfallt 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-Ubergangen bekannt sein. In der gezeigten Ausfuhrungsform nutzt man zur Bestimmung eines temperaturabhangigen Widerstandes in der Nahe des zu überwachenden pn-Ubergangs die Ausdehnung W eines auf der Oberflache des Bauelements angeordneten Streifens 16 aus Po- ly-Silizium. Über die Ausdehnung W wird em 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 temperaturabhangig . Damit hat man em Maß für die Temperatur an dem pn-Ubergang m 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-Ubergang befinden sollte. Statt daß der Striefen 16 auf der Oberflache 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-Ubergang noch weiter ver- klemert.
Die Ausfuhrungsform 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 Uberhitzung entgegengewirkt werden kann.
Der Vorteil des erfmdungsgemaßen Verfahrens besteht darin, daß die Temperatur eines Halbleiters nicht mehr nur wie beim Stand der Technik mittelbar über em thermisch mit dem Halbleiter verbundenes Material erfaßt wird, sondern unmittelbar an der "kritischen" Sperrzone.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erfassen der Betriebstemperatur von einem Leistungshalbleiter (1), der mindestens eine Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur umfaßt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Temperatur unmittelbar an der Sperrzone mit einer hohen
Betriebstemperatur des Leistungshalbleiters (1) erfaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der temperaturabhangige Widerstandswert eines im Leistungshalbleiter (1) integrierten Widerstandes erfaßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß em Empfanger (8) eine Änderung der Farbe oder des Refle- xionsgrades einer unmittelbar auf der Oberflache des Leistungshalbleiters (1) aufgebrachten Schicht (6) erfaßt und em Anderungssignal ausgibt, wobei die Temperatur des Leistungshalbleiters (1) in Abhängigkeit von dem Anderungssignal ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß durch einen Sender (7) Licht auf die Schicht (6) gestrahlt wird.
5. Bauelement mit einem Leistungshalbleiter, der mindestens eine Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur umfaßt, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h em temperaturempfindliches Element (2, 6) unmittelbar an der
Sperrzone mit einer hohen Betriebstemperatur.
6. Bauelement nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das temperaturempfmdliche Element em im Leistungshalbleiter
(1) integrierter Widerstand ist.
7. Bauelement nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das temperaturempfmdliche Element eine unmittelbar auf der Oberflache des Leistungshalbleiters (1) aufgebrachte Schicht (6), deren Farbe oder deren Reflexionsvermogen sich in Abhan- gigkeit von der Umgebungstemperatur ändert, und einen Empfanger (8) zum Erkennen einer Änderung der Farbe oder des Refle- xionsgrades der Schicht (6) und zum Ausgeben eines Anderungs- signals umfaßt.
8. Bauelement nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das temperaturempfindliche Element einen Sender (7) zum Bestrahlen der Schicht (6) mit Licht umfaßt.
PCT/DE1999/002079 1998-08-05 1999-07-05 Verfahren zum messen der temperatur eines leistungshalbleiters und bauelement WO2000008430A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE1998135453 DE19835453B4 (de) 1998-08-05 1998-08-05 Verfahren zum Messen der Temperatur eines Leistungshalbleiters und Bauelement
DE19835453.3 1998-08-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2000008430A1 true WO2000008430A1 (de) 2000-02-17

Family

ID=7876594

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE1999/002079 WO2000008430A1 (de) 1998-08-05 1999-07-05 Verfahren zum messen der temperatur eines leistungshalbleiters und bauelement

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE19835453B4 (de)
WO (1) WO2000008430A1 (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005050139B4 (de) * 2005-10-19 2015-04-02 Continental Automotive Gmbh Steuereinrichtung mit Niet
DE102013212925A1 (de) * 2013-07-03 2015-01-08 Zf Friedrichshafen Ag Kontrollvorrichtung und Verfahren zum Überwachen einer Funktion eines Halbleiterbauelements während dessen Betrieb sowie Elektrische Baugruppe mit einer Kontrollvorrichtung
DE102016215614A1 (de) * 2016-08-19 2018-02-22 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur und Leistungsmodul

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0523798A1 (de) * 1991-07-19 1993-01-20 Philips Electronics Uk Limited Temperaturfühlvorrichtung und Temperaturfühlschaltung, die solche Vorrichtung benutzt
US5389813A (en) * 1991-11-06 1995-02-14 Motorola, Inc. Power semiconductor device with temperature sensor

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE8006555U1 (de) * 1981-02-05 Semikron Gesellschaft Fuer Gleichrichterbau Und Elektronik Mbh, 8500 Nuernberg Halbleiteranordnung
DE19644193C2 (de) * 1996-10-24 2001-04-19 Bosch Gmbh Robert Integrierte Überlastschutzeinrichtung mit Temperatursensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0523798A1 (de) * 1991-07-19 1993-01-20 Philips Electronics Uk Limited Temperaturfühlvorrichtung und Temperaturfühlschaltung, die solche Vorrichtung benutzt
US5389813A (en) * 1991-11-06 1995-02-14 Motorola, Inc. Power semiconductor device with temperature sensor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MASANORI NISHIGUCHI ET AL: "PRECISION COMPARISON OF SURFACE TEMPERATURE MEASUREMENT TECHNIQUES FOR GAAS IC'S", IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS,HYBRIDS,AND MANUFACTURING TECHNOLOGY,US,IEEE INC. NEW YORK, vol. 16, no. 5, pages 543-548 - 548, XP000412736, ISSN: 0148-6411 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE19835453B4 (de) 2005-08-18
DE19835453A1 (de) 2000-02-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2737345C2 (de) Halbleiterlaser-Vorrichtung mit einem Peltier-Element
DE102010029147B4 (de) Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines Leistungshalbleiters
DE19711371C1 (de) Einrichtung und Verfahren zur Schnee- und Eismeldung
DE102006041575A1 (de) Halbleitervorrichtung
DE102005008346A1 (de) Halbleitervorrichtung
DE102005047164B4 (de) Thermosäulenelement und dasselbe verwendender Infrarotsensor
DE102006040790A1 (de) Reflexkoppler mit integriertem organischen Lichtemitter
DE102005003657A1 (de) Infrarotstrahlungsdetektor mit Infrarotstrahlunssensor und Gehäuse
DE10147358B4 (de) Sonde zur Verwendung in einem Infrarot-Thermometer
EP3146568B1 (de) Uv-licht-sensor mit streulichtunterdrückung und verfahren zur detektion von uv-licht
DE602004003745T2 (de) Gekühlter opto-elektrischer Detektor
DE102010039904B4 (de) Umgebungstemperaturabhängiger thermischer Schutz von Leistungsbauelementen
DE102006000706A1 (de) Strahlungsthermometer
DE19835453B4 (de) Verfahren zum Messen der Temperatur eines Leistungshalbleiters und Bauelement
DE19630902B4 (de) Einrichtung zur Temperaturüberwachung in einer leistungselektronischen Anordnung
EP2327110A1 (de) Optoelektronisches bauteil und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauteils
DE19605384C1 (de) Thermoelektrischer Sensor
DE4322650A1 (de) Temperatursensor mit einem p-n-Übergang
EP0741860B1 (de) Temperatursensor
DE102016215614A1 (de) Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur und Leistungsmodul
EP0987663A1 (de) Optischer Rauchmelder nach dem Extinktionsprinzip und Verfahren zur Kompensation von dessen Temperaturdrift
DE102005034901A1 (de) Infrarotsensor
EP1595137B1 (de) Verfahren und vorrichtungen zur bestimmung und überwachung von verunreinigungszuständen unterschiedlicher flüssigkeiten
DE102017210870B3 (de) Vorrichtung zur Messung einer thermischen Degradation des Kühlpfads leistungselektronischer Komponenten mittels Lumineszenz
DE10339952A1 (de) Detektionsvorrichtung zur kontaktlosen Temperaturmessung

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase