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DE19958915A1 - Schutz eines integrierten Schaltkreises mit spannungsvariablen Materialien - Google Patents

Schutz eines integrierten Schaltkreises mit spannungsvariablen Materialien

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DE19958915A1
DE19958915A1 DE19958915A DE19958915A DE19958915A1 DE 19958915 A1 DE19958915 A1 DE 19958915A1 DE 19958915 A DE19958915 A DE 19958915A DE 19958915 A DE19958915 A DE 19958915A DE 19958915 A1 DE19958915 A1 DE 19958915A1
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conductive
integrated circuit
input
semiconductor chip
electrical device
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DE19958915A
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English (en)
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Stephen J Whitney
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Littelfuse Inc
Original Assignee
Littelfuse Inc
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Publication date
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Abstract

Ein Halbleiterplättchen eines integrierten Schaltkreises weist einen auf der Leiterplatte angeordneten Schutz gegen elektrische Überlastung (electrical overstress, EOS) durch Übergangs- bzw. Einschaltvorgänge auf. Eine Vorrichtung weist ein Halbleiterplättchen eines integrierten Schaltkreises mit einer äußeren Umgebung und einem Funktionsbereich des Halbleiterplättchens auf. Eine Vielzahl von leitenden Eingabe/Ausgabe-Anschlußflächen ist auf dem Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises ausgebildet. Eine erste leitende Schutzleitung ist auf dem Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises angeordnet und bildet eine Lücke zwischen jeder der Eingabe/Ausgabe-Anschlußflächen. Ein spannungsvariables Material ist in den Lücken zwischen der leitenden Schutzleitung und den Eingabe/Ausgabe-Anschlußflächen angeordnet. Eine Vielzahl elektrischer Leitungen ist mit einer entsprechenden Eingabe/Ausgabe-Anschlußfläche der Vielzahl der leitenden Eingabe/Ausgabe-Anschlußflächen elektrisch verbunden. Bei normalen Betriebsspannungen ist das spannungsvariable Material nicht-leitend. Jedoch schaltet das spannungsvariable Material als Reaktion auf einen EOS-Übergangsvorgang auf einen Zustand niedrigen Widerstandes um, wodurch ein leitender Pfad zwischen der leitenden Schutzleitung und den Eingabe/Ausgabe-Anschlußflächen geschaffen wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Ver­ wendung von spannungsvariablen Materialien zum Schutz eines integrierten Schaltkreises gegen elektrische Überlastung (electrical overstress, EOS) durch Übergangs- bzw. Einschalt­ vorgänge.
Hintergrund der Erfindung
Es besteht eine steigende Nachfrage nach Materialien und elektrischen Komponenten, die elektronische Schaltkreise vor EOS-Übergangsvorgängen schützen können, die starke elektrische Felder und üblicherweise hohe Spitzenenergien erzeugen, die in der Lage sind, Schaltkreise oder die in hohem Maße empfind­ lichen elektrischen Komponenten in diesen Schaltkreisen zu zerstören, wodurch die Schaltkreise und die Komponenten entweder zeitweise oder dauerhaft in ihrer Funktion gestört werden. Der EOS-Übergangsvorgang kann Übergangsspannungen oder Stromzustände umfassen, die in der Lage sind, einen Schalt­ kreisvorgang zu unterbrechen oder den Schaltkreis vollständig zu zerstören. Speziell können EOS-Übergangsvorgänge z. B. durch einen elektromagnetischen Impuls, eine elektrostatische Ent­ ladung oder einen Überschlag auftreten, oder sie können durch den Betrieb von anderen elektronischen oder elektrischen Komponenten herbeigeführt werden. Solche Übergangsvorgänge können im Zeitrahmen von Mikrosekunden bis Sub-Nanosekunden ihre maximalen Amplituden erreichen und können naturgemäß wiederholt auftreten. Eine typische Wellenform eines elek­ trischen Überlast-Übergangsvorgangs ist in Fig. 1 dargestellt. Die Spitzenamplitude der Übergangswelle der elektrostatischen Entladung (electrostatic discharge, ESD) kann 25.000 Volt mit Strömen von mehr als 100 Ampere überschreiten.
Materialien zum Schutz gegen EOS-Übergangsvorgänge (EOS- Materialien) werden so aufgebaut, daß sie im wesentlichen ohne Zeitverzögerung reagieren (d. h. idealerweise, bevor die Über­ gangswelle ihren Spitzenwert erreicht), um die übertragene Spannung auf einen viel geringeren Wert zu reduzieren und um die Spannung während der Dauer des EOS-Übergangsvorgangs auf diesem niedrigen Wert zu halten. EOS-Materialien sind durch hohe elektrische Widerstandswerte bei niedrigen oder normalen Betriebsspannungen und -strömen gekennzeichnet. Als Reaktion auf einen EOS-Übergangsvorgang schalten die Materialien im wesentlichen ohne Zeitverzögerung auf einen niedrigen elek­ trischen Widerstandswert. Wenn die EOS-Bedrohung wieder abklingt, kehren diese Materialien zu ihren hohen Wider­ standswerten zurück. Diese Materialien sind in der Lage, wiederholt zwischen den hohen und den niedrigen Widerstands­ zuständen hin und her zu schalten, was einen Schutz des Schaltkreises gegen viele EOS-Vorgänge ermöglicht. EOS- Materialien sind ebenfalls in der Lage, bei einem Abbruch des EOS-Übergangsvorganges im wesentlichen ohne Zeitverzögerung zu ihrem ursprünglichen hohen Widerstandswert zurückzukehren. In dieser Anmeldung wird der hohe Widerstandszustand als der "Aus"-Zustand und der niedrige Widerstandszustand als der "Ein"-Zustand bezeichnet werden.
Fig. 2 stellt das Verhältnis eines typischen elektrischen Widerstandes von EOS-Materialien über eine Gleichspannung dar. Schaltkreiskomponenten, die EOS-Materialien umfassen, können einen Bereich der überschüssigen Spannung oder des über­ schüssigen Stroms, der aufgrund des EOS-Übergangsvorgangs auftritt, auf Masse legen, wodurch der elektrische Schaltkreis und seine Komponenten geschützt werden. Der größte Teil des bedrohenden Übergangsvorgangs wird entweder an den Quellen­ widerstand abgeleitet oder in Richtung auf die Quelle der Bedrohung zurückreflektiert. Die reflektierte Welle wird ent­ weder von der Quelle abgeschwächt, abgestrahlt oder auf die Schutzvorrichtung gegen einen Spannungsstoß zurückgerichtet, die mit jedem zurückgerichteten Impuls reagiert, bis die Bedrohungsenergie auf sichere Pegel reduziert ist.
Speziell bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Anwendung von spannungsvariablen Materialien in einem Halb­ leiterplättchen eines integrierten Schaltkreises, um einen Schutz gegen EOS-Übergangsvorgänge bereitzustellen. Dement­ sprechend kann jedes der nachfolgenden EOS-Materialien oder der nachfolgenden Verfahren zum Herstellen der EOS-Materialien in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wobei die Offenbarungen durch Bezugnahme in diese Anmeldung aufgenommen sind.
Die provisorische US-Patentanmeldung Nr. 60/064,963 offenbart Zusammensetzungen, um einen Schutz gegen EOS bereitzustellen. Die Zusammensetzungen umfassen eine Matrix, die aus einer Mischung aus einem isolierenden Bindemittel, leitenden Par­ tikeln, die eine durchschnittliche Partikelgröße aufweisen, die kleiner ist als 10 µm (Mikron), und Halbleiterpartikel gebildet ist, die eine durchschnittliche Partikelgröße aufweisen, die kleiner ist als 10 µm (Mikron). Die Zusammen­ setzungen, die relativ kleine Partikel leitender und halb­ leitender Füllmaterialien verwenden, zeigen Klemmspannungen (clamping voltages) in einem Bereich von etwa 30 V bis etwa 2000 V oder höher.
Das US-Patent Nr. 2,273,704 von Grisdale offenbart körnige Zusammensetzungen, die nicht-lineare Verhältnisse zwischen Strom und Spannung aufweisen. Diese Mischungen umfassen Körnchen aus leitendem und halbleitendem körnigen Material, die mit einer dünnen isolierenden Schicht beschichtet sind und die verpreßt und miteinander verbunden sind, um einen kohä­ renten Körper bereitzustellen.
Das US-Patent Nr. 2,796,505 von Bocciarelli offenbart ein nicht-lineares Spannungsregelungselement. Das Element umfaßt leitende Partikel, die Oberflächenbeschichtungen aus iso­ lierendem Oxid aufweisen, die in einer Matrix gebunden sind. Die Partikel sind in ihrer Form ungleichmäßig und weisen untereinander Punktkontakte auf.
Das US-Patent Nr. 4,726,991 von Hyatt et al. offenbart ein EOS-Schutzmaterial, das aus einer Mischung von leitenden und halbleitenden Partikeln besteht, deren Oberflächen alle mit einem isolierenden Oxidfilm beschichtet sind. Diese Partikel sind in einem isolierenden Bindematerial miteinander ver­ bunden. Die beschichteten Partikel weisen bevorzugt einen Punktkontakt miteinander auf und leiten bevorzugt durch einen quantenmechanischen Tunneleffekt.
Das US-Patent Nr. 5,476,714 von Hyatt offenbart zusammen­ gesetzte EOS-Materialien, die aus einer Mischung aus leitenden und halbleitenden Materialien in einer Größenordnung von 10 bis 100 µm mit einem minimalen Anteil von isolierenden Partikeln in einem Bereich von 100 Å bestehen, die in einem isolierenden Bindemittel miteinander verbunden sind. Diese Erfindung umfaßt solch eine Korngrößenverteilung der Partikelgrößen, daß die Zusammensetzung dazu führt, daß die Partikel ein bevorzugtes Verhältnis zueinander einnehmen.
Das US-Patent Nr. 5,260,848 von Childers offenbart Rück­ schaltmaterialien (foldback switching materials), die einen Schutz vor Übergangs-Überspannungen bieten. Diese Materialien bestehen aus Mischungen aus leitenden Partikeln in einer Größenordnung von 100 bis 200 µm (Mikron). Halbleiter- und isolierende Partikel sind ebenfalls in diesen Zusammen­ setzungen enthalten. Die Abstände zwischen den leitenden Partikeln betragen wenigstens 1000 Å.
Zusätzliche zusammengesetzte EOS Polymer-Materialien sind ebenfalls in den US-Patenten Nr. 4,331,948, 4,726,991, 4,977,357, 4,992,333, 5,142,263, 5,189,387, 5,294,374, 5,476,714, 5,669,381 und 5,781,395 offenbart, deren Lehre durch Inbezugnahme in diese Anmeldung insbesondere aufgenommen wird.
Ein typisches Halbleiterplättchen eines integrierten Schalt­ kreises, das eine Vielzahl von leitenden Eingabe/Ausgabe (E/A)-Anschlußflächen aufweist, ist in Fig. 3 dargestellt. Leitungen sind mit den E/A-Anschlußflächen verbunden und mit einer zugehörigen elektrischen Leitung eines Leitungsrahmens verbunden. Frühere Halbleiterplättchen integrierter Schalt­ kreise weisen Spannungsunterdrückungskomponenten, wie z. B. Dioden, Thyristoren und Transistoren, auf, die in der Nähe der E/A-Anschlußflächen während des Verarbeitung der Halbleiter­ plättchen aufgebracht worden sind, um die Oxidschichten, Halbleiterverbindungen und Metalleitungen in dem Funktions­ bereich des Halbleiterplättchen vor schädlichen Auswirkungen der EOS-Übergangsvorgänge zu schützen. Die Anordnung ist typischerweise in einem Schutzgehäuse verkapselt und die elektrischen Leitungen des Leitungsrahmens, die aus dem Gehäuse herausragen, sind so gebildet, daß sie mit einem Schaltkreissubstrat (z. B. einer Leiterplatte) verbunden werden können. Die Komponenten, die verwendet werden, um den Funk­ tionsbereich der Halbleiterplatte zu schützen, sind häufig relativ groß, wodurch kostenintensive Bereiche des Halb­ leiterplättchens, die anderweitig für zusätzliche Funktionen genützt werden könnten, verbraucht werden. Darüber hinaus ist die gesamte, eingekapselte Vorrichtung relativ groß, wodurch ein kostenintensiver Raum auf dem Schaltkreissubstrat ver­ braucht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein spannungs­ variables Material auf dem Halbleiterplättchen eines inte­ grierten Schaltkreises aufzubringen, um Schutz vor EOS- Übergangsvorgängen zu bieten. Bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt eine elektrische Vorrichtung ein Halbleiterplättchen eines integrierten Schaltkreises, das einen Funktionsbereich des Halbleiterplättchens, eine Vielzahl von leitenden E/A-Anschlußflächen und einen äußeren Bereich umfaßt. Eine leitende Schutzleitung, die eine leitende Leitung umfaßt, ist angrenzend an der Vielzahl der leitenden E/A- Anschlußflächen und dem Funktionsbereich des Halbleiter­ plättchens auf dem Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises ausgebildet. Zwischen jeder E/A-Anschlußfläche und der leitenden Schutzleitung ist eine Lücke ausgebildet. Jede der Vielzahl der E/A-Anschlußflächen ist mit einer zugehörigen elektrischen Leitung elektrisch verbunden. Eine Schicht eines spannungsvariablen Materials ist auf dem Halb­ leiterplättchen des integrierten Schaltkreises aufgebracht, wodurch die Lücken zwischen jeder E/A-Anschlußfläche und der leitenden Schutzleitung gefüllt wird. Bevorzugt steht das spannungsvariable Material in direktem Kontakt mit den E/A- Anschlußflächen und der leitenden Schutzleitung. Bei normalen Betriebsspannungen (d. h. bei relativ niedrigen Spannungen) weist das spannungsvariable Material einen relativ hohen elektrischen Widerstand auf. Bei Auftreten einer EOS- Übergangsenergie jedoch (d. h. bei relativ hohen Spannungen) verbindet das spannungsvariable Material die E/A- Anschlußflächen elektrisch mit der leitenden Schutzleitung. Dementsprechend erzeugt das spannungsvariable Material einen leitenden Pfad, der von dem funktionalen Bereich des Halb­ leiterplättchens wegführt, so daß die EOS-Übergangsenergie diesem folgt.
Bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt eine elektrische Vorrichtung ein Halbleiterplättchen eines integrierten Schaltkreises, der einen äußeren Bereich und einen Funktionsbereich des Halbleiterplättchens aufweist. Eine erste und eine zweite leitende Schutzleitung und eine Vielzahl von leitenden E/A-Anschlußflächen sind auf dem Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises aufge­ bracht. Sowohl zwischen der ersten als auch der zweiten Schutzleitung und jedem der E/A-Anschlußflächen ist eine Lücke gebildet. Wenigstens eine der Vielzahl der leitenden E/A- Anschlußflächen ist elektrisch mit einer elektrischen Leitung verbunden. Ein spannungsvariables Material ist auf dem Halb­ leiterplättchen des integrierten Schaltkreises aufgebracht, wodurch die Lücken sowohl zwischen der ersten als auch der zweiten leitenden Leitung und den E/A-Anschlußflächen auf­ gefüllt sind. Das spannungsvariable Material weist eine elektrische Verbindung mit der ersten und der zweiten lei­ tenden Leitung und den E/A-Anschlußflächen auf und steht bevorzugt in direktem Kontakt mit diesen. Bei normalen Betriebsspannungen (d. h. bei relativ niedrigen Spannungen) weist das spannungsvariable Material einen relativ hohen elektrischen Widerstand auf. Deshalb wird zwischen der ersten und der zweiten leitenden Leitung und den E/A-Anschlußflächen kein Strom geleitet. Bei Auftreten jedoch einer EOS- Übergangsenergie (d. h. bei relativ hohen Spannungen) schaltet das spannungsvariable Material um auf einen relativ niedrigen elektrischen Widerstand und verbindet die E/A-Anschlußflächen elektrisch mit den leitenden Schutzleitungen. Demzufolge erzeugt das spannungsvariable Material einen leitenden Pfad, der von dem Funktionsbereich des Halbleiterplättchens wegführt und dem die EOS-Übergangsenergie folgen kann. Ein Schutz­ gehäuse, das elektrische Leitungen aufweist, die aus diesem herausragen, umschließt das Halbleiterplättchen des elek­ trischen Schaltkreises.
Andere Vorteile und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung der Zeichnungen und anhand der detaillierten Beschreibung der Erfindung deutlich werden.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Fig. 1 stellt graphisch eine typische Stromwellenform eines EOS-Übergangsvorgangs dar.
Fig. 2 stellt graphisch das Verhältnis des elektrischen Widerstandes über der Gleichstrom-Spannung eines typischen EOS-Materials dar.
Fig. 3 zeigt ein typisches Halbleiterplättchen eines integrierten Schaltkreises.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf ein Halbleiterplättchen eines integrierten Schaltkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht längs der Linie A-A des Halbleiterplättchens des integrierten Schaltkreises, das in Fig. 4 gezeigt ist, wobei eine Schicht eines spannungsvariablen Materials auf der oberen Fläche des Halbleiterplättchens aufgebracht ist.
Fig. 6 stellt eine Draufsicht auf ein Halbleiterplättchen eines integrierten Schaltkreises gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Fig. 7 stellt eine Querschnittsansicht längs der Linie A-A des Halbleiterplättchens des integrierten Schalt­ kreises dar, das in Fig. 6 gezeigt ist, wobei eine Schicht eines spannungsvariablen Materials auf der oberen Fläche des Halbleiterplättchens aufgebracht ist.
Fig. 8 stellt ein Halbleiterplättchen eines integrierten Schaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung dar, das elektrisch mit einer Leitungsrahmeneinrichtung verbunden ist.
Fig. 9 zeigt das Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises aus Fig. 8, das in einem Schutzgehäuse eingekapselt ist.
Fig. 10-12 zeigen alternative Ausführungsformen, bei denen ein spannungsvariables Material eine leitende Schutzleitung in einer ersten Ebene mit einer E/A-Anschlußfläche in einer zweiten Ebene verbindet.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gleichwohl diese Erfindung für Ausführungsformen in vielen unterschiedlichen Gestaltungen geeignet ist, ist in den Abbildungen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die hier im Detail beschrieben werden wird, wobei von dem Verständnis ausgegangen wird, daß die vorliegende Offen­ barung als Erläuterung der Grundsätze der Erfindung verstanden wird und es nicht beabsichtigt ist, den breiten Aspekt der Erfindung und der dargestellten Ausführungsformen einzu­ schränken.
Ein konventionelles Halbleiterplättchen 10 eines integrierten Schaltkreises ist in Fig. 3 dargestellt. Das Halbleiter­ plättchen 10 umfaßt typischerweise einen Siliziumwafer 15, der einen Halbleiterplättchen-Funktionsbereich 20 und eine Viel­ zahl leitender E/A-Anschlußflächen (I/O pads) 25 aufweist. Der Funktionsbereich 20 des Halbleiterplättchens 10 weist einen darin integrierten Schaltkreis auf. Es sollte von den Fach­ leuten verstanden werden, daß der integrierte Schaltkreis durch verschiedene Verfahren hergestellt werden kann; z. B. durch Dotieren des Siliziums oder durch Deponieren ohmscher oder leitender Filme auf dem Wafer und durch ein Aufbringen von Mustern, um ein elektrisches Netzwerk zu bilden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Schutz des inte­ grierten Schaltkreises vor extrem hohen Energien, die in Verbindung mit EOS-Übergangsvorgängen auftreten.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, umfaßt das Halbleiterplättchen 10 des integrierten Schaltkreises der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl leitender E/A-Anschlußflächen 25, die auf der Ober­ fläche des Halbleiterplättchens 10 angeordnet sind. Die lei­ tenden E/A-Anschlußflächen 25 sind mit dem integrierten Schaltkreis elektrisch verbunden, d. h. mit dem Halbleiter­ plättchen-Funktionsbereich 20. Eine erste leitende Schutz­ leitung 30 ist auf dem Halbleiterplättchen 10 angeordnet. Bevorzugt ist die Schutzleitung angrenzend an den E/A- Anschlußflächen 25 auf dem Halbleiterplättchen 10 angeordnet und besteht aus einer metallisierten Spur bzw. Leitung. Zwischen der Schutzleitung 30 und jeder der E/A-Anschluß­ flächen 25 auf der Oberfläche des Halbleiterplättchens 10 ist eine Lücke 25a ausgebildet. Ein spannungsvariables Material 35 ist auf der Oberfläche des Halbleiterplättchens 10 angeordnet, wodurch die Lücken 25a zwischen der leitenden Schutzleitung 30 und jeder der Vielzahl der E/A-Anschlußflächen 25 gefüllt wer­ den. Das spannungsvariable Material 35 steht in einem elek­ trischen Kontakt und bevorzugt in einem direkten elektrischen Kontakt mit der ersten und zweiten leitenden Leitung und den E/A-Anschlußflächen. Bei normalen Betriebsspannungen (d. h. bei relativ niedrigen Spannungen) weisen die spannungsvariablen Materialien einen relativ hohen elektrischen Widerstand auf. Deshalb wirken Energien, die bei dem Normalbetrieb des inte­ grierten Schaltkreises auftreten, nicht zwischen der ersten leitenden Leitung 30 und den E/A-Anschlußflächen 25. Jedoch beim Auftreten einer EOS-Übergangs- bzw. Einschaltenergie (d. h. bei relativ hohen Spannungen) schaltet das spannungs­ variable Material 35 auf einen relativ niedrigen elektrischen Widerstand um und verbindet die E/A-Anschlußflächen 25 elek­ trisch mit der leitenden Schutzleitung 30. Die spannungs­ variablen Materialien 25 erzeugen daher einen leitenden Pfad, der von dem Funktionsbereich des Halbleiterplättchens 20 wegführt und dem die EOS-Übergangsenergie folgt. Die leitende Schutzleitung 30 kann mit einer Masseleitung oder einer +/- Energiezuführungsleitung verbunden werden.
Wie in Fig. 8 gezeigt ist, ist eine Vielzahl elektrischer Leitungen 40 elektrisch mit einer entsprechenden Anschluß­ fläche der Vielzahl der leitenden E/A-Anschlußflächen 25 verbunden. Typischerweise sind die elektrischen Leitungen 40 über einen Leiter mit den E/A-Anschlußflächen 25 verbunden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das spannungs­ variable Material 35 auf die gesamte Oberfläche des Halb­ leiterplättchens 10 aufgebracht, wodurch es vollständig den Schutzring 30, die Vielzahl der E/A-Anschlußflächen 25 und den Funktionsbereich 20 des Halbleiterplättchens bedeckt (wie es in der Querschnittsdarstellung der Fig. 5 gezeigt ist). Das spannungsvariable Material 35 kann jedoch auf jegliche Art und Weise oder in jeglicher Anordnung aufgebracht werden, solange das Material 35 die E/A-Anschlußflächen 25 mit der leitenden Schutzleitung 30 verbindet. Z. B. kann das Material 35 in der Form von zwei separaten Streifen aufgebracht werden, wobei jeder Streifen die E/A-Anschlußflächen 25, die auf gegen­ überliegenden Seiten des Halbleiterplättchens 10 angeordnet sind, mit der Schutzleitung 30 verbindet, oder es könnte jede E/A-Anschlußfläche 25 durch eine getrennte Struktur des spannungsvariablen Materials 35 mit der Schutzleitung 30 verbunden werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft Anordnungen, bei denen die E/A-Anschlußflächen 25 und die leitende Schutzleitung 30 in unterschiedlichen Ebenen mit dem Halbleiterplättchen 10 ver­ bunden sind. Z. B. kann das spannungsvariable Material 35 zwischen den E/A-Anschlußflächen 25 und der leitenden Schutz­ leitung 30 eingesetzt sein (siehe Fig. 12) oder das spannungs­ variable Material 35 kann an den Enden der E/A-Anschlußflächen 25 und der leitenden Schutzleitung 30 anstoßen, wobei eine Isolierschicht 100 die E/A-Anschlußflächen 25 und die leitende Schutzleitung 30 voneinander trennt (siehe Fig. 10), oder das spannungsvariable Material kann entweder auf den E/A-Anschluß­ flächen 25 oder der leitenden Schutzleitung 30 aufgebracht sein und gegen das Ende des jeweils anderen Elements, der E/A- Anschlußflächen 25 oder der leitenden Schutzleitung 30 stoßen, wobei eine Isolierschicht 100 die E/A-Anschlußflächen 25 von der leitenden Schutzleitung 30 trennt (siehe Fig. 11).
Wenn ein EOS-Übergangsvorgang an eine der elektrischen Lei­ tungen 40 entladen wird, wird eine Spannung an die zugehörige E/A-Anschlußfläche 25 angelegt. Diese angelegte Spannung von dem EOS-Übergangsvorgang ist viel höher als die Spannung, die durch die Energieversorgungsleitung zugeführt wird. Die viel höhere Spannung führt dazu, daß das spannungsvariable Material 35 schnell (z. B. in einem Bereich von Nanosekunden) von einem hohen Widerstandszustand zu einem niedrigen Widerstandszustand umschaltet, wodurch die Spannung über der Lücke 25a zwischen den E/A-Anschlußflächen und der Schutzleitung 30 zusammen­ bricht. Demzufolge werden die empfindlichen Strukturen des integrierten Schaltkreises in dem Funktionsbereich 20 des Halbleiterplättchens vor den schädlichen Einflüssen der EOS- Übergangsenergie geschützt. Um einen Schutz über einen größeren Spannungsbereich zu erhalten, können die spannungs­ variablen Materialien 35 in Kombination mit einer oder mehreren einzelnen Vorrichtungen zur Spannungsunterdrückung verwendet werden, die ebenfalls mit den E/A-Anschlußflächen 25 elektrisch verbunden sind. Wie oben erwähnt, können solche Vorrichtungen eine Diode, einen Thyristor oder einen Tran­ sistor umfassen.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist in den Fig. 6 und 7 gezeigt, bei der eine zweite leitende Schutzleitung 50 auf der Oberfläche des Halbleiterplättchens 10 des integrierten Schaltkreises angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Schutzleitungen 30, 50 angrenzend an und an gegenüber­ liegenden Seiten der E/A-Anschlußflächen 25 ausgebildet. Bei dieser Sandwich-Anordnung ist die erste leitende Schutzleitung 30 mit einer positiven Energieversorgungsleitung elektrisch verbunden, und die zweite leitende Schutzleitung 50 ist elektrisch mit einer negativen Energieversorgungsleitung verbunden. Eine Lücke 25a ist jeweils zwischen der ersten und der zweiten Schutzleitung 30, 50 und den E/A-Anschlußflächen 25 ausgebildet. Das spannungsvariable Material 35 stellt zwischen den E/A-Anschlußflächen 25 und dem ersten und zweiten leitenden Schutzring 30, 50 einen Pfad bereit. Bei normalen Betriebsspannungen ist dieser Pfad nicht leitend. Jedoch bei höheren Spannungen, die mit einem EOS-Übergangsvorgang ein­ hergehen, wird der Pfad leitend, wodurch die EOS-Übergangs­ energie von dem Funktionsbereich 20 des Halbleiterplättchens weggeführt wird.
Bevorzugt wird das spannungsvariable Material 35 auf die Oberfläche des Halbleiterplättchens 10 des integrierten Schaltkreises aufgebracht und bedeckt wenigstens die E/A- Anschlußflächen 25 und die leitenden Schutzleitungen 30, 35. Bei einer bevorzugteren Ausführungsform wird das spannungs­ variable Material 35 auf die gesamte Oberfläche des Halb­ leiterplättchens 10 des integrierten Schaltkreises aufge­ bracht. Es sollte von den Fachleuten verstanden werden, daß viele unterschiedliche Konfigurationen der Schutzleitungen 30, 50, abhängig von der Größe und der Form des Halbleiter­ plättchens 10 und der Größe und der Komplexität der elek­ trischen Komponenten, die den integrierten Schaltkreis bilden, verwendet werden können.
Wie oben diskutiert worden ist, kann ein großer Bereich span­ nungsvariabler Materialien 35 bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Obwohl der Umfang der vorliegenden Erfin­ dung nicht auf ein spezielles Material beschränkt ist, ist ein spannungsvariables Material 35, das bei normalen Schaltkreis- Betriebsspannungen eine hohe Impedanz aufweist, bevorzugt.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform, die in Fig. 9 dargestellt ist, bedeckt ein Schutzgehäuse 55 das Halb­ leiterplättchen 10 des integrierten Schaltkreises. Das Schutzgehäuse 55, das bevorzugt aus einem elektrisch iso­ lierenden Material hergestellt ist, verkapselt das Halb­ leiterplättchen 10 des integrierten Schaltkreises und ver­ bindet die Vielzahl der elektrischen Leitungen 40 physisch mit dem Halbleiterplättchen 10 des integrierten Schaltkreises. Die elektrischen Leitungen 40 ragen aus dem Schutzgehäuse 55 heraus und sind dazu ausgelegt, die Vorrichtung 70 mit einer Energiequelle zu verbinden.
Die elektrischen Vorrichtungen der vorliegenden Erfindungen: (1) schützen gegen hohe EOS-Übergangsenergie; und (2) können die Notwendigkeit für auf dem Halbleiterplättchen aufge­ brachten Spannungsunterdrückungskomponenten für spezielle Anwendungen wegfallen lassen und die Verwendung von kleineren Spannungsunterdrückungskomponenten für andere Anwendungen ermöglichen. Zusätzlich benötigt der Einsatz eines spannungs­ variablen Materials auf einem Halbleiterplättchen eines integrierten Schaltkreises in der hierin beschriebenen Weise weniger Raum auf dem Halbleiterplättchen als traditionelle Halbleiterkomponenten zur Spannungsunterdrückung, während es die Fähigkeit aufweist, einen Schutz gegen vergleichbare EOS- Übergangsenergien zu bieten.
Gleichwohl spezielle Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden sind, liegen mehrere Modifikationen nahe, ohne merklich vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen, und der Schutzumfang wird nur durch den Umfang der begleitenden Ansprüche begrenzt.

Claims (18)

1. Elektrische Vorrichtung zum Bereitstellen eines Schutzes gegen EOS-Übergangs- oder Einschaltvorgänge,
wobei die Vorrichtung umfaßt:
  • - ein Halbleiterplättchen eines integrierten Schaltkreises;
  • - eine Vielzahl leitender Eingabe/Ausgabe- Anschlußflächen, die auf dem Halbleiter­ plättchen des integrierten Schaltkreises aufgebracht sind;
  • - eine erste leitende Schutzleitung, die auf dem Halbleiterplättchen des integrierten Schalt­ kreises angrenzend an die Vielzahl der lei­ tenden Eingabe/Ausgabe-Anschlußflächen angeordnet ist, wobei eine Lücke zwischen der leitenden Schutzleitung und jeder der lei­ tenden Eingabe/Ausgabe-Anschlußflächen gebil­ det wird;
  • - ein spannungsvariables Material, das in den Lücken angeordnet ist und einen Pfad zwischen jeder der Vielzahl der leitenden Eingabe/­ Ausgabe-Anschlußflächen und dem ersten lei­ tenden Schutzring bildet;
  • - eine Vielzahl elektrischer Leitungen, die elektrisch mit einer entsprechenden Eingabe/¬ Ausgabe-Anschlußfläche der Vielzahl der lei­ tenden Eingabe/Ausgabe-Anschlußflächen ver­ bunden sind.
2. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises einen integrierten Schaltkreis aufweist, der bei einer normalen Spannung Vn betrieben wird und wobei bei Vn der Pfad, der von dem spannungsvariablen Material zwischen den Eingabe/Ausgabe-Anschlußflächen und der ersten leitenden Schutzleitung nicht leitend ist.
3. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises einen integrierten Schaltkreis aufweist, der bei einer normalen Spannung Vn betrieben wird und wobei das spannungsvariable Material eine relativ hohe Impedanz bei Vn aufweist.
4. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine zweite leitende Schutzleitung umfaßt, die auf dem Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises angeordnet ist, und wobei das spannungsvariable Mate­ rial die erste und die zweite leitende Schutzleitung mit der Vielzahl der leitenden Eingabe/Ausgabe- Anschlußflächen verbindet.
5. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste leitende Schutzleitung eine metallisierte Spur umfaßt.
6. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die zweite leitende Schutzleitung eine metallisierte Spur umfaßt und auf dem Halbleiterplättchen des integrier­ ten Schaltkreises zwischen einer äußeren Umgebung des Halbleiterplättchens des integrierten Schaltkreises und der Vielzahl der leitenden Eingabe/Ausgabe- Anschlußflächen angeordnet ist.
7. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das spannungsvariable Material auf der gesamten Oberfläche des Halbleiterplättchens des integrierten Schaltkrei­ ses angeordnet ist.
8. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das spannungsvariable Material einen Bereich der Ober­ fläche des Halbleiterplättchens des integrierten Schaltkreises bedeckt, der zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schutzleitung liegt.
9. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Vielzahl der leitenden Eingangs/Ausgangs-Anschluß­ flächen eine zusätzliche, einzelne Spannungsunter­ drückungsvorrichtung aufweist, die elektrisch mit diesen verbunden ist.
10. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die zusätzliche, einzelne Spannungsunterdrückungsvor­ richtung eine Vorrichtung ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die eine Diode, einen Transistor und einen Thyristor umfaßt.
11. Elektrische Vorrichtung, die umfaßt:
  • - ein Halbleiterplättchen eines integrierten Schaltkreises, der eine äußere Umgebung und einen Funktionsbereich des Halbleiterplätt­ chens aufweist;
  • - eine erste leitende Schutzleitung, die auf dem Halbleiterplättchen des integrierten Schalt­ kreises angeordnet ist;
  • - eine zweite leitende Schutzleitung, die auf dem Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises angeordnet ist;
  • - eine Vielzahl von leitenden Eingabe/Ausgabe- Anschlußflächen, die auf dem Halbleiter­ plättchen des integrierten Schaltkreises angeordnet sind, wodurch Lücken zwischen den Eingabe/Ausgabe-Anschlußflächen und der ersten und der zweiten Schutzleitung gebildet werden;
  • - eine Vielzahl von elektrischen Leitungen, die mit einer entsprechenden Eingabe/Ausgabe- Anschlußfläche der Vielzahl der leitenden Eingabe/Ausgabe-Anschlußflächen elektrisch verbunden sind;
  • - ein spannungsvariables Material, das auf dem Halbleiterplättchen des integrierten Schalt­ kreises angeordnet ist, wodurch die Lücken zwischen den Eingabe/Ausgabe-Anschlußflächen und der ersten und der zweiten leitenden Schutzleitung gefüllt werden, wobei das spannungsvariable Material die Vielzahl der leitenden Eingabe/Ausgabe-Anschlußflächen mit der ersten und der zweiten leitenden Schutz­ leitung als Reaktion auf eine EOS-Übergangs­ energie elektrisch verbindet; und
  • - ein Schutzgehäuse, das das Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises umschließt, wobei die Vielzahl der elektrischen Leitungen sich aus dem Schutzgehäuse nach außen er­ streckt.
12. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Schutzgehäuse das Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises einkapselt.
13. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Schutzgehäuse aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist.
14. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Schutzgehäuse die Vielzahl der elektrischen Leitungen mit dem Halbleiterplättchen des integrierten Schalt­ kreises physisch verbindet.
15. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das spannungsvariable Material eine Schicht umfaßt, die wenigstens die erste und die zweite leitende Schutz­ leitung und die Vielzahl der leitenden Eingabe/­ Ausgabe-Anschlußflächen abdeckt.
16. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei jede der Vielzahl der leitenden Eingabe/Ausgabe-Anschluß­ flächen mit wenigstens einer der Vielzahl der elek­ trischen Leitungen mittels einer Leitung verbunden ist.
17. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die erste und die zweite leitende Schutzleitung auf dem Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises so angeordnet sind, daß die Vielzahl der leitenden Eingabe/Ausgabe-Anschlußflächen zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schutzleitung auf dem Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises eingesetzt sind.
18. Integrierter Schaltkreis, der umfaßt,
  • - ein elektrisch isolierendes Substrat, das wenigstens eine darauf aufgebrachte mikro­ elektronische Vorrichtung umfaßt;
  • - eine leitende Eingabe/Ausgabe-Anschlußfläche, die auf dem Substrat ausgebildet ist;
  • - eine leitende Schutzleitung, die auf dem Substrat ausgebildet ist;
  • - ein spannungsvariables Material, das auf dem Substrat zwischen der mikroelektronischen Vorrichtung und der Eingabe/Ausgabe-Anschluß­ fläche angeordnet ist und einen Pfad zwischen der leitenden Eingabe/Ausgabe-Anschlußfläche und der leitenden Schutzleitung bildet, wobei das spannungsvariable Material bei normalen Betriebsspannungen des Schaltkreises ein nicht leitendes Verhalten aufweist und die Eingabe/­ Ausgabe-Anschlußfläche mit der leitenden Schutzleitung elektrisch verbindet, wenn ein EOS-Übergangsvorgang auf den Schaltkreis wirkt.
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