WO2009010353A2 - Bauelement mit wenigstens einem halbleitersubstrat mit einer integrierten elektrischen schaltung - Google Patents

Bauelement mit wenigstens einem halbleitersubstrat mit einer integrierten elektrischen schaltung Download PDF

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Robert Bosch GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/10—Arrangements for heating

Definitions

  • Component with at least one semiconductor substrate with an integrated electrical circuit
  • the invention is based on a component having at least one semiconductor substrate with an integrated electrical circuit.
  • the essence of the invention is that the device at least one electrical
  • Heating element for heating the integrated electric circuit has.
  • temperature-dependent functions of the component can advantageously be determined or controlled or regulated.
  • an electrical heating element is particularly easy vorsehbar and also integrable in a component with an integrated electrical circuit.
  • the component has an integrated diode, which is provided in at least one operating state as an electric heating element.
  • the component already has a diode which can be provided as a heating element in the said operating state.
  • the component has at least one electrical conductor, which is provided as an electrical heating element in the form of a heating resistor.
  • an ohmic resistance is created, which acts as a heating element.
  • the component has a carrier strip to which the semiconductor substrate is attached and that at least part of the carrier strip is provided as an electrical heating element in the form of a heating resistor.
  • the device has at least one bonding wire, which is connected to the semiconductor substrate and that the bonding wire is provided as an electrical heating element in the form of a heating resistor. It is particularly advantageous if the component has an integrated temperature sensor. Advantageously, the temperature of the component can be determined.
  • the invention also relates to a method for determining at least one temperature-dependent function of a component having at least one
  • the method comprises the method steps that at at least two different temperatures of the device whose temperature-dependent function is determined, and that at least one of the two different temperatures of the device is generated by self-heating of the device.
  • self-heating integrated components can be brought to a desired temperature very quickly because of their low mass and thus low heat capacity.
  • An advantageous embodiment of the method provides that the self-heating is achieved by irradiation or heating of the device from its interior.
  • a particularly advantageous embodiment of the method provides that at least one of the two different temperatures of the component is measured by a temperature sensor integrated into the component.
  • Another advantageous embodiment of the method provides that at least one of the two different temperatures of the device is determined by measuring an emanating from the device thermal radiation.
  • a temperature control for example, for a balance, by self-heating of the device.
  • Increasingly smaller components in housings under 10mm ⁇ 3 volume are thermally much less sluggish than the measuring equipment on which they are tested.
  • conscious electrical self-heating or self-heating by absorption a component can change its temperature very quickly, so that a repeated run through a system is no longer necessary.
  • Key benefits include:
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a component according to the invention with at least one semiconductor substrate with an integrated electrical circuit.
  • embodiment 1 shows an exemplary embodiment of a component according to the invention with at least one semiconductor substrate with an integrated electrical circuit. Shown is a semiconductor device 1 in plan view, schematically in partially transparent representation with a housing 7, for example, a SOIC, QFN, LGA, CLCC housing, as is customary for the packaging of
  • the semiconductor device 1 has two semiconductor substrates 5 and 6 with integrated electrical circuits. On the housing 7 external terminals 2 are arranged, which are used to connect the integrated electrical circuits 5 and 6 of the semiconductor device 1 to the outside.
  • the integrated electrical circuits 5 and 6 may be microelectronic or micromechanical devices.
  • two ports 31 and 32 are provided such that a heating element 4, which preferably consists of the same material as port 31 and 32, but e.g. thinned or can be greatly narrowed in cross-section, so that is electrically connected.
  • the heating element 4 is electrically loadable, so that heating of a housing 7 arranged in the chip 5, a potting compound of the housing 7 and in this embodiment, also in the housing 7 arranged second chip 6 leads.
  • the temperature change, which is caused by the electrical load of the heating element 4 may lead to changes in the
  • Component function of the integrated electrical circuits 5 and 6 lead. This change can be determined during a measurement after the heating and a temperature-dependent correction of the functional parameters can be carried out.
  • a temperature sensor on one of the in
  • Housing 7 arranged integrated electrical circuits 5 or 6 integrated, whereby at least a rough estimate of the temperature change or a control of the heating power is made possible.
  • a diode in particular a substrate diode may be provided on a semiconductor substrate of the integrated electrical circuits 5 or 6.
  • a diode with high current carrying capacity is particularly suitable.
  • the invention also provides a method for determining at least one temperature-dependent function of a component having at least one semiconductor substrate with an integrated electrical circuit. The method is suitable for using self-heating for a temperature adjustment.
  • the behavior of the device i. a function value of a temperature-dependent function of the component, determined at a temperature. Then the device is already in a test version to heat itself.
  • the heating can be done by different mechanisms: irradiation with light,
  • an electrical heating element may be used which is provided using components of the housing 7 (e.g., a carrier strip, bonding wires, traces of LGA / BGA packages). After or during heating, the behavior is re-characterized, i. a second function value of the temperature dependent function of
  • Device determined at a second temperature. It must not necessarily be necessary to know the exact temperature of the device, often enough a rough tendency. If the temperature needs to be known, there are various ways to measure them, such as the measurement by a built-in temperature sensor in the component. Such a
  • Temperature sensor may also be a semiconductor sensor, in particular a substrate diode.
  • Another possibility is a measurement of the black body radiation (infrared radiation) of the device by means of external measuring means, such as radiation receivers.
  • the component can be adjusted.

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Bauelement (1) mit wenigstens einem Halbleitersubstrat (5, 6) mit einer integrierten elektrischen Schaltung. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß das Bauelement (1) wenigstens ein elektrisches Heizelement (4) zum Beheizen der integrierten elektrischen Schaltung aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens einer temperaturabhängigen Funktion eines Bauelements (1) mit wenigstens einem Halbleitersubstrat (5, 6) mit einer integrierten elektrischen Schaltung. Das Verfahren weist die Verfahrensschritte auf, daß bei wenigstens zwei unterschiedlichen Temperaturen des Bauelements (1) dessen temperaturabhängige Funktion bestimmt wird, und daß wenigstens eine der zwei unterschiedlichen Temperaturen des Bauelements (1) durch Eigenerwärmung des Bauelements (1) erzeugt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Bauelement mit wenigstens einem Halbleitersubstrat mit einer integrierten elektrischen Schaltung
Stand der Technik
Viele elektronische Präzisionsbauelemente, z.B. Sensoren, ändern ihr Verhalten über die Temperatur. Dieses Verhalten wird oft in einem Temperaturabgleich kompensiert. Es gibt für diesen Abgleich zwei Ansätze: Beim ersten Ansatz werden viele Teile gleichzeitig definiert temperiert und gleichzeitig ihr Verhalten bestimmt. Dann werden diese Teile in der gleichen Meßeinrichtung anders temperiert und erneut ihr Verhalten bestimmt. Die Änderung über die Temperatur wird entweder gespeichert oder kompensiert. Es werden viele Teile gleichzeitig mit viel Zeitaufwand abgeglichen, die Meßergebnisse der ersten Temperatur stehen bei der zweiten Temperatur noch zur Verfügung. Beim zweiten Ansatz werden viele Teile nacheinander definiert temperiert und nacheinander ihr Verhalten bestimmt. Dann werden diese Teile definiert anders temperiert und wieder ihr Verhalten bestimmt. Die bei der ersten Temperatur entstandenen Meßdaten sind bei der Messung bei einer zweiten Temperatur nicht oder nur mit großem Aufwand verfügbar. So kann die zweite Messung beispielsweise auf einer anderen Einrichtung oder zu einem anderen Zeitpunkt stattfinden. Es werden wenige Teile gleichzeitig mit geringem Zeitaufwand abgeglichen. Die Teile müssen zweimal eine Anlage durchlaufen.
Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Bauelement mit wenigstens einem Halbleitersubstrat mit einer integrierten elektrischen Schaltung. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß das Bauelement wenigstens ein elektrisches
Heizelement zum Beheizen der integrierten elektrischen Schaltung aufweist. Vorteilhaft können hierdurch temperaturabhängige Funktionen des Bauelements bestimmt oder gesteuert bzw. geregelt werden. Vorteilhaft ist bei einem Bauelement mit einer integrierten elektrischen Schaltung ein elektrisches Heizelement besonders einfach vorsehbar und auch integrierbar. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß das Bauelement eine integrierte Diode aufweist, welche in wenigstens einem Betriebszustand als elektrisches Heizelement vorgesehen ist. Vorteilhaft weist das Bauelement bereits eine Diode auf, die in dem besagten Betriebszustand als Heizelement vorsehbar ist. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß das Bauelement wenigstens einen elektrischen Leiterzug aufweist, welcher als elektrisches Heizelement in Form eines Heizwiderstands vorgesehen ist. Vorteilhaft ist so ein ohmscher Widerstand geschaffen, welcher als Heizelement fungiert. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht dabei vor, daß das Bauelement einen Trägerstreifen aufweist, an dem das Halbleitersubstrat befestigt ist und daß wenigstens ein Teil des Trägerstreifens als elektrisches Heizelement in Form eines Heizwiderstands vorgesehen ist. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung sieht dabei vor, daß das Bauelement wenigstens einen Bonddraht aufweist, der mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist und daß der Bonddraht als elektrisches Heizelement in Form eines Heizwiderstands vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist, wenn das Bauelement einen integrierten Temperatursensor aufweist. Vorteilhaft kann so die Temperatur des Bauelements bestimmt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens einer temperaturabhängigen Funktion eines Bauelements mit wenigstens einem
Halbleitersubstrat mit einer integrierten elektrischen Schaltung. Das Verfahren weist die Verfahrensschritte auf, daß bei wenigstens zwei unterschiedlichen Temperaturen des Bauelements dessen temperaturabhängige Funktion bestimmt wird, und daß wenigstens eine der zwei unterschiedlichen Temperaturen des Bauelements durch Eigenerwärmung des Bauelements erzeugt wird. Vorteilhaft können durch Eigenerwärmung integrierte Bauelemente wegen ihrer geringen Masse und somit geringen Wärmekapazität besonders schnell auf eine gewünschte Temperatur gebracht werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß die Eigenerwärmung durch Bestrahlung oder Erwärmung des Bauelements von seinem Inneren her erzielt wird. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß wenigstens eine der zwei unterschiedlichen Temperaturen des Bauelements durch einen in das Bauelement integrierten Temperatursensor gemessen wird. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß wenigstens eine der zwei unterschiedlichen Temperaturen des Bauelements durch Messen einer von dem Bauelement ausgehenden Wärmestrahlung bestimmt wird.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren eine Temperierung, beispielsweise für einen Abgleich, durch Eigenerwärmung des Bauelementes. Zunehmend kleinere Bauelemente in Gehäusen unter 10mmΛ3 Volumen sind thermisch wesentlich weniger träge als die Meßanlagen auf denen sie getestet werden. Durch bewußte elektrische Eigenerwärmung oder Eigenerwärmung durch Absorption kann ein Bauteil sehr schnell seine Temperatur ändern, so daß ein nochmaliges durchlaufen einer Anlage nicht mehr nötig ist. Wesentliche Vorteile sind:
- Die Daten aus der ersten Temperatur stehen bei der zweiten Temperatur noch zur Verfügung.
- Die für einen zweiten Durchlauf benötigte Indexzeit (Bestücken, Temperieren, Kontaktieren, Kontakttest etc.) wird vermieden.
Zeichnung
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements mit wenigstens einem Halbleitersubstrat mit einer integrierten elektrischen Schaltung.
Ausführungsbeispiel
Ausführungsbeispiel Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements mit wenigstens einem Halbleitersubstrat mit einer integrierten elektrischen Schaltung. Dargestellt ist ein Halbleiterbauelement 1 in Draufsicht, schematisch in teildurchlässiger Darstellung mit einem Gehäuse 7, z.B. einem SOIC-, QFN-, LGA-, CLCC-Gehäuse, wie es üblicherweise für die Verpackung von
Halbleiterbauelementen oder mikromechanischen Sensoren eingesetzt wird. Das Halbleiterbauelement 1 weist zwei Halbleitersubstrate 5 und 6 mit integrierten elektrischen Schaltungen auf. An dem Gehäuse 7 sind Außenanschlüsse 2 angeordnet, die zur Verbindung der integrierten elektrischen Schaltungen 5 und 6 des Halbleiterbauelements 1 nach Außen eingesetzt werden. Die integrierten elektrischen Schaltungen 5 und 6 können mikroelektronische oder auch mikromechanische Vorrichtungen sein. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Anschlüsse 31 und 32 derart vorgesehen, daß ein Heizelement 4, das bevorzugt aus dem gleichen Material wie Anschluß 31 und 32 besteht, jedoch z.B. abgedünnt oder im Querschnitt stark verengt sein kann, damit elektrisch verbunden ist. Das Heizelement 4 ist elektrisch belastbar, sodaß eine Erwärmung eines im Gehäuse 7 angeordneten Chips 5, einer Vergußmasse des Gehäuses 7 und eines in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls im Gehäuse 7 angeordneten zweiten Chips 6 führt. Die Temperaturänderung, die durch die elektrische Belastung des Heizelementes 4 verursacht wird, kann zu Änderungen der
Bauelementefunktion der integrierten elektrischen Schaltungen 5 und 6 führen. Diese Änderung kann bei einer Messung nach der Erwärmung bestimmt und eine temperaturabhängige Korrektur der Funktionsparameter durchgeführt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Temperatursensor auf einem der im
Gehäuse 7 angeordneten integrierten elektrischen Schaltungen 5 oder 6 integriert, wodurch wenigstens eine grobe Schätzung der Temperaturänderung oder auch eine Kontrolle der Heizleistung ermöglicht wird.
Als Heizelement kann auch eine Diode, insbesondere eine Substratdiode an einem Halbleitersubstrat der integrierten elektrischen Schaltungen 5 oder 6 vorgesehen sein. Dazu ist besonders eine Diode mit hoher Strombelastbarkeit geeignet. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens einer temperaturabhängigen Funktion eines Bauelements mit wenigstens einem Halbleitersubstrat mit einer integrierten elektrischen Schaltung. Das Verfahren ist dazu geeignet, Eigenerwärmung für einen Temperaturabgleich zu nutzen.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verhalten des Bauelements, d.h. ein Funktionswert einer temperaturabhängigen Funktion des Bauelements, bei einer Temperatur ermittelt. Dann soll sich das bereits in einer Testfassung befindliche Bauelement selbst erwärmen. Die Erwärmung kann durch verschiedene Mechanismen erfolgen: Bestrahlung mit Licht,
Elektrisches Belasten (d.h. Erzeugen von Wärme mittels elektrischem Stromfluß), Belasten der Substratdiode (verpolen des Bauteils), Belasten von im elektronischen Bauelement integrierten Schutzdioden gegen elektrostatische Aufladungen, oder auch Belasten von einem oder mehreren im Bauelement eingebauten elektrischen Heizern. Vorteilhaft kann zum elektrischen Heizen, ein elektrisches Heizelement dienen, welches unter Nutzung von Bestandteilen des Gehäuses 7 (z.B. eines Trägerstreifens, Bonddrähte, Leiterbahnebenen bei LGA/BGA-Gehäusen) vorgesehen ist. Nach oder während der Erwärmung wird das Verhalten erneut charakterisiert, d.h. ein zweiter Funktionswert der temperaturabhängigen Funktion des
Bauelements, bei einer zweiten Temperatur ermittelt. Dazu muß es nicht zwangsläufig nötig sein, die exakte Temperatur des Bauelements zu kennen, oft reicht eine grobe Tendenz. Wenn die Temperatur bekannt sein muß, gibt es verschiedene Möglichkeiten, diese zu messen, wie beispielsweise der Messung durch einen im Bauteil integrierten Temperatursensor. Ein solcher
Temperatursensor kann auch ein Halbleitersensor, wie insbesondere eine Substratdiode sein. Eine andere Möglichkeit ist eine Messung der Schwarzkörperstrahlung (Infrarotstrahlung) des Bauelements mit Hilfe äußerer Meßmittel, wie Strahlungsempfängern. Mit dem unterschiedlichen Verhalten, d.h. mit der Kenntnis der unterschiedlichen Funktionswerte, bei den verschiedenen
Temperaturen kann das Bauelement abgeglichen werden.

Claims

Ansprüche
1. Bauelement (1) mit wenigstens einem Halbleitersubstrat (5, 6) mit einer integrierten elektrischen Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (1) wenigstens ein elektrisches Heizelement (4) zum Beheizen der integrierten elektrischen Schaltung aufweist.
2. Bauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (1) eine integrierte Diode aufweist, welche in wenigstens einem Betriebszustand als elektrisches Heizelement (4) vorgesehen ist.
3. Bauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (1) wenigstens einen elektrischen Leiterzug aufweist, welcher als elektrisches Heizelement (4) in Form eines Heizwiderstands vorgesehen ist.
4. Bauelement (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (1) einen Trägerstreifen aufweist, an dem das Halbleitersubstrat (5, 6) befestigt ist und daß wenigstens ein Teil des Trägerstreifens als elektrisches Heizelement (4) in Form eines Heizwiderstands vorgesehen ist.
5. Bauelement (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (1) wenigstens einen Bonddraht aufweist, der mit dem Halbleitersubstrat (5, 6) verbunden ist und daß der Bonddraht als elektrisches Heizelement (4) in Form eines Heizwiderstands vorgesehen ist.
6. Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (1) einen integrierten Temperatursensor aufweist.
7. Verfahren zum Bestimmen wenigstens einer temperaturabhängigen Funktion eines Bauelements (1) mit wenigstens einem Halbleitersubstrat (5, 6) mit einer integrierten elektrischen Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß
- bei wenigstens zwei unterschiedlichen Temperaturen des Bauelements (1) dessen temperaturabhängige Funktion bestimmt wird, und daß
- wenigstens eine der zwei unterschiedlichen Temperaturen des Bauelements (1) durch Eigenerwärmung des Bauelements (1) erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenerwärmung durch Bestrahlung oder Erwärmung des Bauelements (1) von seinem Inneren her erzielt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der zwei unterschiedlichen Temperaturen des Bauelements (1) durch einen in das Bauelement (1) integrierten Temperatursensor gemessen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der zwei unterschiedlichen Temperaturen des Bauelements (1) durch Messen einer von dem Bauelement ausgehenden Wärmestrahlung bestimmt wird.
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