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Rueckwaerts sperrender oder bidirektionaler Leistungsschalter

IP.com Disclosure Number: IPCOM000028623D
Published in the IP.com Journal: Volume 4 Issue 6 (2004-06-25)
Included in the Prior Art Database: 2004-Jun-25
Document File: 4 page(s) / 70K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Heutige Leistungs-MOSFETs besitzen zwischen Drain- und Sourceanschluss eine parasitaere Inversediode. Ueblicherweise wird diese Diode beim Verpolen einer typischen Applikation in Flussrichtung gepolt. Dabei koennen folgende ungewuenschte Effekte auftreten: • die Last wird rueckwaerts bestromt, • moegliche thermische Zerstoerung des Schalters durch zu hohe Verlustleistung, • Zerstoerung durch Kurzschluss ueber zwei Dioden bei Brueckenschaltungen und/oder • nicht erlaubte Lastaktivierung in Sicherheitsanwendungen. Ein Vorschlag besteht nun darin, mittels der so genannten Face-to-Face-Technik die Chips mit den aktiven Seiten aufeinander zu montieren. Die Abbildung 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Bausteins. Auf einen konventionell ueber Bonddraehte angeschlossenen Basis-Chip wird ein Top-Chip mit der aktiven Flaeche nach unten verloetet und elektrisch mit dem Basis-Chip verbunden.

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S

Rueckwaerts sperrender oder bidirektionaler Leistungsschalter

Idee: Dr. Alfons Graf, DE-Muenchen

Heutige Leistungs-MOSFETs besitzen zwischen Drain- und Sourceanschluss eine parasitaere Inversediode. Ueblicherweise wird diese Diode beim Verpolen einer typischen Applikation in Flussrichtung gepolt. Dabei koennen folgende ungewuenschte Effekte auftreten:

* die Last wird rueckwaerts bestromt,

* moegliche thermische Zerstoerung des Schalters durch zu hohe Verlustleistung,

* Zerstoerung durch Kurzschluss ueber zwei Dioden bei Brueckenschaltungen und/oder

* nicht erlaubte Lastaktivierung in Sicherheitsanwendungen.

Ein Vorschlag besteht nun darin, mittels der so genannten Face-to-Face-Technik die Chips mit den aktiven Seiten aufeinander zu montieren. Die Abbildung 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Bausteins. Auf einen konventionell ueber Bonddraehte angeschlossenen Basis-Chip wird ein Top- Chip mit der aktiven Flaeche nach unten verloetet und elektrisch mit dem Basis-Chip verbunden.

In Abbildung 2 ist ein Aufbau dargestellt, in dem ein n-Kanal Transistor T1 als Basis-Chip und eine Diode als Top-Chip dient. Die Kathode K wird ueber einen am Top-Chip angebrachten Bonddraht und der Gateanschluss G1 am Basis-Chip abgegriffen. Ein Vorteil dieses Aufbaus ist, dass der Stromfluss unveraendert vertikal ist und der Top-Chip einfach zwischen Basis-Chip und heutiger Bondung dazwischen geschoben wird. Bei Verpolung blockiert die Diode D, unabhaengig vom Gatepotential G1 selbststaendig den Stromfluss. Die Auslegung des Top-Chips kann dabei nahezu so gross sein wie die des Basis-Chips.

In Abbildung 3 ist ein Beispiel zu sehen, in dem ein n-Kanal MOSFET T1 durch Serienschaltung mit einer Diode D rueckwaerts sperrend ausgefuehrt ist. Dazu ist die Source von T1 mit der Anode von D verbunden, d.h. es besteht eine Verbindung zwischen den aktiven Flaechen beider Chips.

Die bisherigen Beispiele zeigen jedoch einen relativ grossen Spannungsabfall der Diode (ca. 0,7V) in Flussrichtung. Eine Verbesserung kann erreicht werden, wenn der Top-Chip nicht als Diode sondern als MOSFET ausgefuehrt ist, beispielsweise als n-Kanal MOSFET.

Die Abbildung 4 zeigt einen n-Kanal Top-Chip, der mit der aktiven Seite auf den n-Kanal Basis-Chip geloetet wird. Dabei werden jeweils die beiden Source- und Gateanschluesse miteinander verbunden und am Basis-Chip mittels Bonddraehten kontaktiert. Die beiden Drainanschluesse werden ueber das Leadframe und einen Leistungsbonddraht verbunden. Bei Verpolung sind die Spannungsanforderungen oft geringer als im Normalbetrieb, so dass T2 eine niedrigere Spannungsfestigkeit und somit eine geringere Flaeche aufweisen kann als T1. Bei symmetrischem Aufbau kann der Doppel-MOSFET auch als bidirektionaler oder Wechselstrom-MOSFET einges...