DE10004982A1 - Dünnschichtstruktur mit galvanischer Trennung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Halbleiterstruktur zur galvanischen Trennung von Schaltungsteilen (20, 21) einer Gesamtschaltung beschrieben, die gekennzeichnet ist durch mindestens einen GMR-Koppler (22), der mit mindestens einem der Schaltungsteile (20; 21) integriert ausgeführt ist und beide Schaltungsteile galvanisch getrennt miteinander verbindet. Diese Lösung hat den Vorteil, dass für die galvanische Trennung keine separaten Bauelemente erforderlich sind und damit die mit den bekannten Optokopplern verbundenen Einschränkungen bei der Integration der Gesamtschaltung im Wesentlichen beseitigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterstruktur zur galvani­ schen Trennung von Schaltungsteilen wie Primär- und Sekundär­ kreis, Steuerungsteil und Ausgangsstufe o. ä. in einer Gesamt­ schaltung, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei einer Vielzahl von elektrischen und elektronischen Schal­ tungen ist es erforderlich, bestimmte Schaltungsteile galva­ nisch voneinander zu trennen. In Schaltnetz- Versorgungseinheiten betrifft dies zum Beispiel den Primär- und den Sekundärkreis, um im Falle eines Fehlers eine Gefähr­ dung des Benutzers und eine Zerstörung des Sekundärkreises zu vermeiden, da der Primärkreis im allgemeinen direkt mit einer Hochspannungsquelle verbunden ist. Auch bei Schnittstellensy­ stemen wird in vielen Fällen eine galvanische Trennung zwi­ schen dem reinen Steuerungsteil und den Ausgangstreiberstufen sowie zwischen Signaleingängen und dem Steuerungsteil vorge­ nommen. Die Gründe hierfür liegen ebenfalls im Schutzaspekt im Fall eines Fehlers sowie in der Möglichkeit, verschiedene Schaltungsteile auf unterschiedlichen Spannungsniveaus elek­ tronisch miteinander zu verbinden.

Die galvanische Trennung wird, sofern für die Übertragung hö­ herer elektrischer Energien nicht Transformatoren erforder­ lich sind, im allgemeinen mit Optokopplern realisiert, wie es beispielhaft in den Fig. 2 und 9 für einen Sperrwandler bzw. eine Mehrkanal-SPS-Endstufe dargestellt ist.

Ein Nachteil hierbei besteht darin, daß die Optokoppler als separate Bauelemente ausgeführt sind, da sie nicht in die Ge­ samtschaltung integriert werden können. Eine solche Schaltung erfordert somit relativ viel Platz und kann kaum miniaturi­ siert werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine galva­ nische Trennung für Schaltungsteilen der oben genannten Art zu schaffen, bei der diese Nachteile im wesentlichen nicht gegeben sind.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Halbleiterstruktur, die sich gemäß Anspruch 1 durch mindestens einen GMR-Koppler aus­ zeichnet, der mit mindestens einem der Schaltungsteile inte­ griert ausgeführt ist und beide Schaltungsteile galvanisch getrennt miteinander verbindet.

Eine wesentlicher Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß sich eine Vielzahl verschiedener Integrationsmöglichkeiten mit mindestens einem der beiden zu trennenden Schaltungsteile eröffnet, so daß sich die Anzahl der separaten Bauelemente verringert und dadurch auch der Platzbedarf und die Kosten für die Gesamtschaltung entsprechend geringer ausfallen.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildung der Er­ findung zum Inhalt.

Danach ist die Integration des GMR-Kopplers mit mindestens einem der Schaltungsteile zum Beispiel monolithisch auf einem gemeinsamen Chip ausgeführt.

Weiterhin kann die Integration auf einem Multichip durch Chip-on-Chip-Anordnung ausgeführt sein, bei der der GMR- Koppier und mindestens eines der Schaltungsteile mit einem Verbindungsmaterial aneinander befestigt sind.

Die Integration kann alternativ oder zusätzlich dazu auf ei­ nem Multichip durch Chip-by-Chip-Anordnung ausgeführt sein, bei der der GMR-Koppler und mindestens eines der Schaltungs­ teile auf einem Träger liegen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung er­ geben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Schaltung mit einer Prinzipdarstellung ei­ ner erfindungsgemäßen galvanischen Trennung;

Fig. 2 die Schaltung gemäß Fig. 1 mit einer bekannten galva­ nischen Trennung;

Fig. 3A, 3B verschiedene Varianten eines GMR-Kopplers;

Fig. 4A bis C eine erste Ausführungsform der Erfindung in verschiedenen Halbleiterstrukturen;

Fig. 5A bis I eine zweite Ausführungsform der Erfindung in verschiedenen Halbleiterstrukturen;

Fig. 6A bis E eine dritte Ausführungsform der Erfindung in verschiedenen Halbleiterstrukturen;

Fig. 7A bis D eine vierte Ausführungsform der Erfindung in verschiedenen Halbleiterstrukturen;

Fig. 8 eine weitere Anwendung mit einer Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen galvanischen Trennung; und

Fig. 9 die Anwendung gemäß Fig. 8 mit einer bekannten galva­ nischen Trennung.

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Anwendung einer erfindungsge­ mäßen galvanischen Trennung in einem Sperrwandler. Dieser Wandler umfaßt einen Primärkreis mit einem Gleichrichter 10, einem ersten Kondensator 11, einer Primärwicklung eines Transformators 12 sowie einem MOSFET-Transistor 13. Der Ein­ gang des Gleichrichters 10 ist mit einer Netzspannungsquelle U1 verbunden. Der Sekundärkreis des Wandlers wird durch eine Sekundärwicklung des Transformators 12, eine Diode 14 sowie einen zweiten Kondensator 15 gebildet, über dem eine Nieder­ spannung U2 bereitgestellt wird.

Der Transistor 13 wird durch einen primären Regler (pR-IC) 20 gesteuert. Weiterhin ist ein sekundärer Regler (sR-IC) 21 vorgesehen, an dem die Ausgangsspannung anliegt. Dementspre­ chend wird ein Steuersignal an den primären Regler 20 weiter­ gegeben. Aus den eingangs genannten Gründen ist zwischen diesen beiden Reglern, die durch eine oder mehrere integrierte Schaltungen aufgebaut sind, eine galvanische Trennung erfor­ derlich, die erfindungsgemäß mit einem GMR-Koppler 22 und ge­ mäß dem Stand der Technik zum Beispiel mit einem Optokoppler 19 (siehe Fig. 2) vorgenommen wird.

Die Fig. 3A und 3B zeigen zwei GMR-Koppler 22, die - mit unterschiedlicher Schichtenfolge - jeweils aus einem Sensor 221, einer Isolation 222 und einer Induktionsschleife 223 aufgebaut sind.

Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsge­ mäßen Halbleiterstruktur, bei der der GMR-Koppler 22 und die primäre Regelung 20 in verschiedener Weise miteinander inte­ griert sind, und zwar gemäß Fig. 4A monolithisch auf einem gemeinsamen Chip und gemäß den Fig. 4B und C als Multi- Chip. Im Falle der Fig. 4B ist der GMR-Koppler 22 durch ei­ nen ersten Chip und der primäre Regler 20 durch einen zweiten Chip realisiert, die mittels eines Materials 23 miteinander verbunden sind (Chip-on-Chip). Bei der in Fig. 4C gezeigten Variante befinden sich diese beiden Chips nebeneinander auf einem gemeinsamen leitenden Rahmen 24 (Chip-by-Chip). Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der der primäre Regler 20, der Koppler 22 und der MOSFET- Transistor 13 in verschiedener Weise miteinander integriert sind.

Die Fig. 5A und 5B zeigen eine monolithische Struktur in Seitenansicht (Fig. 5A) und in Draufsicht (Fig. 5B). Der pri­ märe Regler 20 und der Transistor 13 befinden sich danach in einer Ebene, auf der der GMR-Koppler 22 ausgebildet ist. Die Fig. 5C bis 5G zeigen demgegenüber eine Multi-Chip- Anordnung, und zwar in den Fig. 5C und 5D eine Chip-on- Chip-Struktur und in den Fig. 5E bis 5G eine Chip-by-Chip- Struktur.

Im einzelnen sind bei der in Fig. 5C gezeigten Halbleiter­ struktur drei Chips übereinander angeordnet und mittels ent­ sprechender Materialien 23 miteinander verbunden, wobei die Chips jeweils den GMR-Koppler 22, den primären Regler 20 bzw. den MOSFET-Transistor 13 bilden. Fig. 5D zeigt eine Struk­ tur, bei der der GMR-Koppler 22 und der primäre Regler 20 ge­ mäß Fig. 4A monolithisch integriert und mit einem Verbin­ dungsmaterial 23 auf dem MOSFET-Transistor 13 befestigt sind.

Fig. 5E zeigt eine Struktur, bei der der Transistor 13, der primäre Regler 20 und der Koppler 22 jeweils als Chips neben­ einander auf einem gemeinsamen leitenden Rahmen 24 angeordnet sind. Bei der in Fig. 5F gezeigten Struktur sind der Transi­ stor 13 und der primäre Regler 20 monolithisch aus einem Chip gebildet, der zusammen mit dem Chip, der den Koppler 22 bil­ det, auf einem gemeinsamen leitenden Rahmen 24 angeordnet ist. Fig. 5G zeigt schließlich eine Struktur, bei der der primäre Regler 20 und der GMR-Koppler 22 zum Beispiel gemäß Fig. 4A monolithisch realisiert und neben dem Transistor 13 auf einem gemeinsamen leitenden Rahmen 24 angebracht sind.

Die Fig. 5H und 5I zeigen eine Kombination zwischen einer Chip-on-Chip-Struktur und einer Chip-by-Chip-Struktur, wobei gemäß Fig. 5H der primäre Regler 20 und der Transistor 13 mit einem Verbindungsmaterial 23 aneinander befestigt und ne­ ben dem Koppler 22 auf einem gemeinsamen leitenden Rahmen 24 angeordnet sind, während gemäß Fig. 5I der primäre Regler 20 und der Koppler 22 gemäß Fig. 4B mit einem Verbindungsmate­ rial 23 verbunden und neben dem Transistor 13 auf einem ge­ meinsamen leitenden Rahmen 24 angeordnet sind.

Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der der MOSFET-Transistor 13, der primäre Regler 20, der GMR- Koppler 22 und der sekundäre Regler 21 durch verschiedene Kombinationen von monolithischer und Multi-Chip-Anordnunmg miteinander integriert sind.

Gemäß Fig. 6A sind der Transistor 13 und der primäre Regler 20 durch einen gemeinsamen Chip realisiert, auf dem sich mo­ nolithisch der Koppler 22 befindet. Der sekundäre Regler 21 ist mit einem Verbindungsmaterial 23 auf einer Isolierschicht 25 befestigt, die sich ebenfalls auf dem gemeinsamen Chip be­ findet. Die Induktionsschleife 223 des Kopplers 22 ist über eine leitenden Verbindung 26 mit dem sekundären Regler 21 verbunden.

Fig. 6B zeigt demgegenüber eine monolithische Struktur, die den Koppler 22 und den primären Regler 20 bildet und die mit einem Verbindungsmaterial 23 an einem den Transistor 13 dar­ stellenden Chip befestigt ist. Der sekundäre Regler 21 ist mit einem Verbindungsmaterial 23 an einer auf dem primären Regler 20 liegenden Isolierschicht 25 befestigt und über eine leitende Verbindung 26 mit der Induktionsschleife 223 des Kopplers 22 verbunden.

Fig. 6C zeigt eine Anordnung, bei der der Transistor 13 und der primäre Regler 20 durch einen gemeinsamen Chip realisiert sind, auf dem mit einem Verbindungsmaterial 23 der Koppler 22 befestigt ist. Der Chip ist neben dem sekundären Regler 21 auf einem gemeinsamen leitenden Rahmen 24 angeordnet, wobei der sekundäre Regler 21 über eine leitende Verbindung 26 mit der Induktionsschleife 223 des Kopplers 22 verbunden ist.

Bei dem in Fig. 6D gezeigten Aufbau sind der Transistor 13, der primäre Regler 20 und der sekundäre Regler 21 nebeneinan­ der auf einem gemeinsamen leitenden Rahmen 24 angeordnet, wo­ bei der primäre Regler und der Koppler monolithisch auf einem Chip ausgebildet sind. Die Verbindung zwischen der Indukti­ onsschleife 223 des Kopplers 22 und dem sekundären Regler 21 erfolgt wiederum über eine leitende Verbindung 26.

Fig. 6E zeigt schließlich eine Struktur, bei der ein gemein­ samer Chip für den Transistor 13 und den primären Regler 20 neben dem Koppler 22 sowie dem sekundären Regler 21 auf einem gemeinsamen leitenden Rahmen 24 angeordnet sind, wobei die Induktionsschleife 223 wieder über eine leitende Verbindung 26 mit dem sekundären Regler 21 verbunden ist.

Fig. 7 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der der primäre Regler 20, der sekundäre Regler 21 und der GMR-Koppler 22 in verschiedener Weise miteinander integriert sind.

Gemäß Fig. 7A sind der primäre Regler 20 und der GMR-Koppler 22 monolithisch ausgebildet und weisen eine Isolierschicht 25 auf, auf der mit einem Verbindungsmaterial 23 der sekundäre Regler 21 befestigt und über eine leitende Verbindung 26 mit der Induktionsschleife 223 des Kopplers 22 verbunden ist.

Gemäß Fig. 7B sind der primäre Regler 20 und der Koppler 22 ebenfalls monolithisch ausgebildet, jedoch zusammen mit dem sekundären Regler 21 auf einem gemeinsamen leitenden Rahmen 24 angeordnet, wobei eine leitende Verbindung 26 die Indukti­ onsSchleife 223 und den sekundären Regler 21 miteinander ver­ bindet.

Fig. 7C zeigt eine Anordnung, bei der der primäre Regler 20, der Koppler 22 und der sekundäre Regler 21 nebeneinander auf einem gemeinsamen leitenden Rahmen 24 angeordnet sind, wobei eine leitende Verbindung 26 zwischen der Induktionsschleife 223 und dem sekundären Regler 21 vorgesehen ist.

Fig. 7D zeigt schließlich eine Struktur, bei der der Koppler 22 auf dem primären Regler 20 mit einem Verbindungsmaterial 23 befestigt ist und der primäre Regler neben dem sekundären Regler 21 auf einem gemeinsamen leitenden Rahmen 24 liegt. Auch hierbei ist die Induktionsschleife 223 mittels einer leitenden Verbindung 26 mit dem sekundären Regler 21 verbun­ den.

Fig. 8 zeigt als weiteres Anwendungsbeispiel für die erfin­ dungsgemäße integrierte Halbleiterstruktur eine galvanisch getrennte Verbindung zwischen der Primärseite 80 (CMOS-Teil) und der Sekundärseite 90 (Leistungsteil) einer Mehrkanal-SPS- Endstufe. Die Primärseite 80 umfaßt eine ASIC-Busankopplung 81, die über n-fache GMR-Koppler 82 mit entsprechenden n- fachen Treiber 91 auf der Sekundärseite verbunden ist, die jeweils eine zugeordnete Last 92a,. .92x schalten. Durch einen Vergleich mit Fig. 9, die eine bekannte Realisierung dieser Schaltung zeigt, wird die Einsparung an Bauelementen beson­ ders deutlich. Gemäß Fig. 9 ist für jede Last 92a,. .92x auf der Sekundärseite 90 ein Optokoppler 19a,. .19x erforderlich, der mit jeweils einem zugeordneten High Side-Schalter 91a,. .91x verbunden ist. Mit der erfindungsgemäßen integrier­ ten Halbleiterstruktur können die galvanischen Trennungen zwischen Primär- und Sekundärseite zusammen mit den Schaltern zu einem einzigen integrierten Baustein kombiniert werden.

Auch für die in Fig. 1 gezeigte Anwendung bei einem Sperr­ wandler ergeben sich im Vergleich zu einer entsprechenden be­ kannten Ausführung gemäß Fig. 2 Einsparungsmöglichkeiten an Bauelementen, unter zwar je nach der gewählten, in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Halbleiterstruktur.

Bezugszeichenliste

10

Gleichrichter

11

erster Kondensator

12

Transformator

13

MOSFET-Transistor

14

Diode

15

zweiter Kondensator

19

Optokoppler

20

primäre Regelung

21

sekundäre Regelung

22

GMR-Koppler

221

GMR-Sensor

222

Isolation

223

Induktionsschleife

23

Verbindungsmaterial

24

leitender Rahmen

25

Isolierschicht

26

leitende Verbindung

80

Primärseite

81

ASIC-Busankopplung

82

n-fach GMR-Koppler

90

Sekundärseite

91

High-Side Schalter

92

Last

Claims (6)

1. Halbleiterstruktur zur galvanischen Trennung von Schal­ tungsteilen einer Gesamtschaltung, gekennzeichnet durch mindestens einen GMR-Koppler (22), der mit mindestens einem der Schaltungsteile (20; 21) integriert ausgeführt ist und beide Schaltungsteile galvanisch getrennt miteinander verbin­ det.

2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integration monolithisch auf einem gemeinsamen Chip aus­ geführt ist.

3. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Integration auf einem Multichip durch Chip-on-Chip- Anordnung ausgeführt ist, bei der der GMR-Koppler (22) und mindestens eines der Schaltungsteile (20; 21) mit einem Ver­ bindungsmaterial (23) aneinander befestigt sind.

4. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Integration auf einem Multichip durch Chip-by-Chip- Anordnung ausgeführt ist, bei der der GMR-Koppler (22) und mindestens eines der Schaltungsteile (20; 21) auf einem ge­ meinsamen leitenden Rahmen (24) liegen.

5. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsteile eine primäre Regelung (20) und eine se­ kundäre Regelung (21) einer Gesamtschaltung sind.

6. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsteile ein Steuerungsteil und eine Ausgangsstufe einer Gesamtschaltung sind.