電子安全開關(guān)裝置的制作方法
本發(fā)明涉及一種電子安全開關(guān)裝置，該裝置包括至少第一信號處理通道和第二信號處理通道，輸入信號可以被提供至這些信號處理通道用于信號處理，并且這些信號處理通道提供經(jīng)處理的輸出信號，其中，第一信號處理通道和第二信號處理通道相對于彼此冗余地處理所提供的輸入信號，并且其中，第一信號處理通道和第二信號處理通道均是集成電路。
這樣的安全開關(guān)裝置例如是從de10053820a1所知。
最初提到的安全開關(guān)裝置主要用于工業(yè)部門并且可以在機(jī)械和工廠工程的幾乎所有領(lǐng)域遇到。安全開關(guān)裝置執(zhí)行限定的安全功能。例如，它們提供用于對技術(shù)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)的受控從而安全的停止，或者用于監(jiān)測移動的裝置的位置。通常，安全開關(guān)裝置被配置成在發(fā)生故障并且受保護(hù)區(qū)域被破壞的情況下發(fā)起安全且可靠的響應(yīng)。
應(yīng)當(dāng)理解，對這樣的安全開關(guān)裝置的故障安全有非常高的要求。從而，安全開關(guān)裝置通常必須在其被允許用于工業(yè)應(yīng)用之前首先接收由受批準(zhǔn)監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行的適當(dāng)批準(zhǔn)。例如，在德國，專業(yè)組織或
用于實現(xiàn)該所要求的故障安全的已知且頻繁使用的措施是將安全開關(guān)裝置冗余地配置有多個通道，其中，至少兩個信號處理通道監(jiān)測彼此。如果信號處理通道中之一中發(fā)生故障，則第二信號處理通道能夠檢測到所述故障并且為機(jī)器區(qū)域中的人員實現(xiàn)安全狀態(tài)。在該方法下，必須特別注意以相同方式影響多個或全部冗余信號處理通道的故障的可能起因(所謂的共起因故障)；否則，不能確保所要求的故障安全。
當(dāng)批準(zhǔn)安全開關(guān)裝置時相關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)使用的一種頻繁實踐的方法是安全開關(guān)裝置的設(shè)計者或制造者必須提供記錄有任何可以想到的故障的詳盡、詳細(xì)的故障分析。其中必須證明安全開關(guān)裝置可以以可靠方式對人員實現(xiàn)安全狀態(tài)，即使在相應(yīng)故障發(fā)生的情況下也是如此。這樣的分析高度復(fù)雜，特別是在具有很多功能的復(fù)雜安全開關(guān)裝置的情況下，從而對開發(fā)和生產(chǎn)有不利影響。此外，該故障分析必須重復(fù)，即使在安全開關(guān)裝置的設(shè)計或結(jié)構(gòu)有輕微變化的情況下也是如此，這例如是因為由于本身相同的部件在空間上不同的布置而導(dǎo)致可以單獨地生成新故障源。
出于該原因，前面提及的de10053820a1提供了一種電子安全開關(guān)裝置，其中，冗余信號處理通道的必要部件由布置在單個半導(dǎo)體芯片上的集成半導(dǎo)體電路形成。提供了單個集成且不可變部件同時保持分離的信號處理通道的這種所謂的片上冗余具有以下優(yōu)點：監(jiān)管機(jī)構(gòu)要批準(zhǔn)的所要求的故障分析僅需要執(zhí)行一次。之后的檢查可以后續(xù)地被限制于遵守在半導(dǎo)體芯片的開發(fā)期間限定的規(guī)范的定量檢查，特別是遵守預(yù)期的空間尺寸和所使用的材料的定量檢查。
然而，由于在具有片上冗余的半導(dǎo)體芯片的設(shè)計和開發(fā)期間必須考慮的特定架構(gòu)要求，所以這種芯片通常是專用產(chǎn)品(one-offproducts)，并且通常比具有冗余結(jié)構(gòu)的常見半導(dǎo)體芯片(例如用于并行處理的現(xiàn)代多核處理器)昂貴許多倍。因此，在具有片上冗余并用于安全關(guān)鍵應(yīng)用的半導(dǎo)體芯片中，必須在半導(dǎo)體襯底上為每個通道以及每個監(jiān)測元件(例如監(jiān)測器(watchdog))形成分離的物理塊，所述塊被布置成彼此間具有限定的間隔，因此不能彼此影響。此外，每個通道必須具有其自身的分離的輸入端和輸出端，這些輸入端和輸出端不允許通過其他塊中之一。結(jié)果，芯片設(shè)計變得特別復(fù)雜，并且集成電路通常需要半導(dǎo)體襯底上的高于平均水平的面積，從而又增加了單個芯片的成本。
此外，在安全技術(shù)中存在嚴(yán)格禁止使用具有片上冗余的系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，例如，當(dāng)使用非接觸式保護(hù)裝置(電敏保護(hù)設(shè)備或espe)時，可以不采用各個通道的信號處理單元被布置在一個半導(dǎo)體襯底上的系統(tǒng)。因此，這種保護(hù)裝置當(dāng)前不能包括已知的片上冗余系統(tǒng)。
因此，本發(fā)明的目的是詳細(xì)說明開始所提到的安全開關(guān)裝置，該安全開關(guān)裝置是緊湊的、經(jīng)濟(jì)的、有效的并且可以用于所有普通保護(hù)裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，該目的通過開始提及的安全開關(guān)裝置來實現(xiàn)，在該安全開關(guān)裝置中，第一信號處理通道單片式地布置在第一半導(dǎo)體襯底上，并且第二信號處理通道單片式地布置在第二半導(dǎo)體襯底上，其中，第一半導(dǎo)體襯底和第二半導(dǎo)體襯底被組合成堆疊體并且形成單件式電子部件。
因此，與已知的片上冗余系統(tǒng)相比，本發(fā)明的構(gòu)思是使用兩個分離的半導(dǎo)體襯底，這兩個襯底一個堆疊在另一個上從而形成單個電子部件，其中，第一信號處理通道的集成電路形成第一層，該第一層位于包括另一信號處理通道的集成電路的相應(yīng)第二層之上。所述兩個分離的半導(dǎo)體襯底有利地位于兩個平行的層中，它們在與所述層正交的方向上彼此偏移。相應(yīng)的半導(dǎo)體襯底上的各個集成電路可以彼此獨立地設(shè)計，而不考慮對具有片上冗余的集成電路寄予的特定架構(gòu)要求。因此，可以簡化集成電路的設(shè)計，這是因為例如標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計被用于集成處理單元。此外，集成電路可以以有效和節(jié)省空間的方式布置在相應(yīng)的半導(dǎo)體襯底上，而不必遵守特定的技術(shù)安全要求，這又使得可以降低生產(chǎn)成本。
此外，使用彼此分離的兩個半導(dǎo)體襯底具有以下優(yōu)點：這種電子安全開關(guān)裝置也可以用于由于目前的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致先前不允許使用具有片上冗余的系統(tǒng)的技術(shù)安全應(yīng)用。因此，這樣的安全開關(guān)裝置也可以特別地用于先前必須使用具有以下信號處理的電子安全開關(guān)裝置的非接觸式保護(hù)裝置：所述信號處理通過單獨的部件和半導(dǎo)體芯片完全分開執(zhí)行。因此，新型安全開關(guān)裝置可以使用普通保護(hù)裝置以通用和靈活的方式使用。
此外，安全開關(guān)裝置具有以下優(yōu)點：可以將堆疊體從所述兩個半導(dǎo)體襯底組合成單件式部件。在本上下文中，“單件式”特別地指完成的電子部件之后不再能夠被修改。換言之，在開發(fā)和設(shè)計期間，電子部件的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被限定為不可變形式，但是最終的部件在制造過程期間由分離的半導(dǎo)體襯底組裝成單件式部件。優(yōu)選地，半導(dǎo)體襯底在堆疊體中一個直接設(shè)置在另一個的頂部并且永久地連接在一起成為單件式部件。特別有利的是，如果在將半導(dǎo)體襯底連接在一起成為堆疊體之后，單件式部件被半導(dǎo)體襯底周圍以形狀配合方式沉積的模制材料包圍，則產(chǎn)生集成多通道邏輯部件，該集成多通道邏輯部件例如可以在自動放置過程中定位在印刷電路板上。有利的是，在監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行批準(zhǔn)期間實施的故障分析僅需要執(zhí)行一次，并且之后的檢查可以限于遵守所要求的設(shè)計規(guī)范。這種檢查比重復(fù)的完整故障分析更簡單且更經(jīng)濟(jì)。
總之，新型安全開關(guān)裝置因此將片上冗余系統(tǒng)的優(yōu)點與被配置成具有兩個獨立冗余的信號處理系統(tǒng)的系統(tǒng)的優(yōu)點相結(jié)合。因此，完全實現(xiàn)了上述目的。
在優(yōu)選實施方式中，堆疊體包括附加半導(dǎo)體襯底。
在該實施方式中，除了第一半導(dǎo)體襯底和第二半導(dǎo)體襯底之外，在堆疊體中布置了附加半導(dǎo)體襯底，該附加半導(dǎo)體襯底以與其他半導(dǎo)體襯底類似的方式配置，或者包括能夠執(zhí)行其他功能的結(jié)構(gòu)。因此，“堆疊體上系統(tǒng)”(sos)可以以簡單的方式配置，并且可以再現(xiàn)芯片中的安全開關(guān)裝置的相關(guān)功能，并且同時提供結(jié)構(gòu)劃分。
在特別優(yōu)選的實施方式中，第一半導(dǎo)體襯底包括第一信號處理單元，第二半導(dǎo)體襯底包括第二信號處理單元，并且附加半導(dǎo)體襯底包括控制存儲結(jié)構(gòu)，其中，第一信號處理單元和第二信號處理單元耦接至控制存儲結(jié)構(gòu)。
在該實施方式中，附加半導(dǎo)體層被配置為控制存儲結(jié)構(gòu)，其例如可以包括比較器、“監(jiān)測器”、與外圍裝置的接口、或ram/rom存儲器。因此，信號處理單元可以以特別簡單的方式配置，并且可以可選地使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，其中，通常使用的元件可以被布置在附加半導(dǎo)體襯底上。因此，為了實現(xiàn)魯棒且經(jīng)濟(jì)的安全開關(guān)裝置，各種部件可以組合成“堆疊體上系統(tǒng)”。此外，通過在單件式部件內(nèi)布置安全開關(guān)裝置的附加元件，可以事先可靠地排除其他故障源。特別地，從而可以防止在使用導(dǎo)體電纜布線分立部件時可能發(fā)生的布線故障。
在另一個特別優(yōu)選的實施方式中，附加半導(dǎo)體襯底被布置在堆疊體中在第一半導(dǎo)體襯底和第二半導(dǎo)體襯底之間。
以這種布置，第一半導(dǎo)體襯底覆蓋附加半導(dǎo)體襯底的第一側(cè)面，并且第二半導(dǎo)體襯底覆蓋附加半導(dǎo)體襯底的與第一側(cè)面相對的側(cè)面。換言之，堆疊體被配置成類似層系統(tǒng)，其中，附加半導(dǎo)體襯底形成中間層。優(yōu)選地，第一半導(dǎo)體襯底和第二半導(dǎo)體襯底在相應(yīng)側(cè)上完全覆蓋附加半導(dǎo)體襯底。因此，中間層——特別是布置在其上的存儲結(jié)構(gòu)——經(jīng)由第一半導(dǎo)體襯底層和第二半導(dǎo)體襯底層被物理保護(hù)，使得對中間層的粒子和波影響可以最小化。有利地，因此可以可靠地保護(hù)“敏感”ram存儲器免受外部影響。
在另外的實施方式中，第一半導(dǎo)體襯底和第二半導(dǎo)體襯底空間上彼此間隔開地布置在堆疊體中。
在該實施方式中，第一半導(dǎo)體襯底和第二半導(dǎo)體襯底因此在堆疊體中一個沒有直接位于另一個頂部，而是在空間上彼此分離。該措施具有以下優(yōu)點：半導(dǎo)體襯底的集成電路可以彼此間隔開布置，從而物理地防止處理單元之間的信號串?dāng)_或短路。
在另一實施方式中，隔離層和/或附加半導(dǎo)體襯底被布置在第一半導(dǎo)體襯底與第二半導(dǎo)體襯底之間。
該措施具有以下優(yōu)點：第一半導(dǎo)體襯底和第二半導(dǎo)體襯底可以以限定的彼此間隔來布置。因此，可以添加隔離層以便將兩個半導(dǎo)體襯底彼此電氣上去耦，由此可以消除集成電路之間的串?dāng)_和短路。特別地，附加半導(dǎo)體襯底也可以布置在第一半導(dǎo)體襯底和第二半導(dǎo)體襯底之間，所述附加半導(dǎo)體襯底行使可以由第一半導(dǎo)體襯底和/或第二半導(dǎo)體襯底上的半導(dǎo)體電路使用的功能。應(yīng)當(dāng)理解，由隔離層和半導(dǎo)體襯底構(gòu)成的組合也可以用作中間層，以便結(jié)合上述優(yōu)點。
在另一實施方式中，堆疊體包括至少兩個半導(dǎo)體襯底和至少一個豎向接觸元件，其中，豎向接觸元件電連接所述至少兩個半導(dǎo)體襯底。
在該實施方式中，集成電路布置在不同的半導(dǎo)體襯底上，但是可以經(jīng)由堆疊體內(nèi)的豎向接觸元件連接。該措施具有以下優(yōu)點：第一半導(dǎo)體襯底和第二半導(dǎo)體襯底上的半導(dǎo)體電路可以以簡單的方式互連，以便例如使得能夠進(jìn)行進(jìn)程間通信并且能夠經(jīng)由相應(yīng)的其他信號處理通道監(jiān)測各個信號處理通道。
可替選地，也可以設(shè)想到將冗余信號處理通道在外部互連——即在半導(dǎo)體襯底外部互連——用于相互數(shù)據(jù)交換。然而，另一方面，該優(yōu)選措施具有以下優(yōu)點：對于相互數(shù)據(jù)交換的故障分析在芯片堆疊體的開發(fā)期間也僅需要執(zhí)行一次，并且可以減少信號處理通道的安裝期間的故障。此外，經(jīng)由豎向接觸元件的內(nèi)部數(shù)據(jù)交換能夠更快并且更不受干擾環(huán)境影響。
在另外的實施方式中，第一半導(dǎo)體襯底包括第一信號處理單元，并且第二半導(dǎo)體襯底包括第二信號處理單元，其中，第一信號處理單元具有相對于第二信號處理單元時移的工作周期。
在該實施方式中，第一信號處理單元和第二信號處理單元具有處理器時鐘，該處理器時鐘限定信號處理單元的固定的、優(yōu)選相同的工作周期。第一信號處理單元的工作周期相對于第二信號處理單元的工作周期移位至少一個時鐘周期。這種措施具有以下優(yōu)點：可以以簡單的方式更佳地檢測到由于常見原因引起的故障。因此，可以經(jīng)由通過信號處理單元處理信號時的時間偏移來發(fā)現(xiàn)同時發(fā)生的故障，例如兩個信號處理通道中的同時電壓尖峰。優(yōu)選地，兩個信號處理單元使用統(tǒng)一的處理器時鐘來工作，所述統(tǒng)一的處理器時鐘對于時間偏移被移位一個相位。
在另一實施方式中，安全開關(guān)裝置包括第一電壓源和與第一電壓源分離的第二電壓源，其中，第一電壓源與第一半導(dǎo)體襯底相關(guān)聯(lián)，并且第二電壓源與第二半導(dǎo)體襯底相關(guān)聯(lián)。
在該實施方式中，第一半導(dǎo)體襯底和第二半導(dǎo)體襯底分別由單獨的電壓源供電，此外，單獨的電壓源還優(yōu)選地具有其自身的監(jiān)測電路以保護(hù)其免受過電壓。該措施具有以下優(yōu)點：每個半導(dǎo)體襯底及其集成電路可以使用單獨的電壓源，并且可以使由于有故障的電壓源或意外過電壓引起的故障風(fēng)險最小化。通過這種措施，安全開關(guān)裝置的故障安全進(jìn)一步提高。
應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，上述特征及要在下文中說明的特征不僅可以以相應(yīng)特定組合應(yīng)用，而且可以以其他組合或單獨使用。
在附圖中示出了本發(fā)明的示例性實施方式，并且在下面的描述中更詳細(xì)地說明。示出以下：
圖1示出了機(jī)器設(shè)備上的新型安全開關(guān)裝置的優(yōu)選示例性實施方式的簡化描述；
圖2示出了新型安全開關(guān)裝置的單件式電子部件的示例性實施方式的透視圖；
圖3示出了新型安全開關(guān)裝置的芯片堆疊體的示例性實施方式的示意圖；以及
圖4示出了新型安全開關(guān)裝置的芯片堆疊體的優(yōu)選示例性實施方式的示意圖。
在圖1中，新型電子安全開關(guān)裝置的示例性實施方式整體用附圖標(biāo)記10表示。
在該示例性實施方式中，安全開關(guān)裝置與技術(shù)系統(tǒng)12相關(guān)聯(lián)，技術(shù)系統(tǒng)12此處由機(jī)器人14示出。在操作期間，機(jī)器人14對在機(jī)器人14的操作區(qū)域中的人員構(gòu)成危險。出于此原因，通過保護(hù)裝置16確保機(jī)器人14的操作區(qū)域不被未經(jīng)授權(quán)訪問。在這里描述的情況下，保護(hù)裝置16是光柵18形式的非接觸式保護(hù)裝置，其以如下方式被布置在技術(shù)系統(tǒng)12的訪問區(qū)域中：進(jìn)入訪問區(qū)域的人或物體使在光柵18的發(fā)射器/接收器組合之間傳輸?shù)亩鄠€光束中的至少一個光束中斷。
光柵18經(jīng)由線纜20連接至安全開關(guān)裝置10，并且根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)向安全開關(guān)裝置10提供輸入信號。在主動保護(hù)裝置例如此處描述的光柵18的情況下，冗余輸入信號即所謂的ossd信號由保護(hù)裝置獨立地生成并且被發(fā)送至安全開關(guān)裝置10。被動保護(hù)裝置例如此處描述的緊急停止按鈕22通常接收由安全控制器10提供的輸出，并且將該輸出作為輸入信號回送至安全開關(guān)裝置10。
在該示例性實施方式中，安全開關(guān)裝置10包括具有用于接收輸入信號以及用于提供輸出信號的多個連接器的i/o單元24。在一些示例性實施方式中，這些連接器是例如以彈簧加載端子或者螺栓型端子的形式布置在安全開關(guān)裝置10的殼體26表面上的連接端子。在其他示例性實施方式中，連接器可以是包含多個接觸元件的插頭或插座，其中每個引腳形成連接器。具有五個接觸引腳的m8插座經(jīng)常用于在現(xiàn)場級處連接保護(hù)裝置或者其他傳感器。
在此處描述的情況下，光柵18生成兩個冗余輸入信號(ossd1、ossd2)，所述兩個冗余輸入信號經(jīng)由分離的線纜20提供給安全開關(guān)裝置10。在其他示例性實施方式中，輸入信號可以同樣經(jīng)由單根連接線纜的兩根導(dǎo)線來發(fā)送。還可以設(shè)想，經(jīng)由總線例如安全現(xiàn)場總線將輸入信號發(fā)送至安全開關(guān)裝置10。在這種情況下，i/o單元24被配置成實現(xiàn)所使用的總線的協(xié)議的通信模塊。輸入信號可以從通信模塊中被讀出，并且作為冗余輸入信號對提供給安全開關(guān)裝置10。
在本示例性實施方式中，安全開關(guān)裝置10包括第一信號處理通道28和第二信號處理通道30，第一信號處理通道28和第二信號處理通道30被設(shè)計為相對于彼此冗余并且被設(shè)計為相對于彼此冗余地評估保護(hù)裝置16、22的輸入信號。兩個信號處理通道28、30是至少部分集成電路，其中，第一信號處理通道28的集成電路被布置在第一半導(dǎo)體襯底32上，并且第二信號處理通道30的集成電路被布置在第二半導(dǎo)體襯底34上。第一半導(dǎo)體襯底32和第二半導(dǎo)體襯底34以自身已知的方式組合成芯片堆疊體36并且被封裝成單件式電子部件38。
在優(yōu)選示例性實施方式中，信號處理通道的所有必要部件是半導(dǎo)體襯底上的集成電路，并且半導(dǎo)體襯底被組合成堆疊體36。因此，芯片堆疊體36優(yōu)選地包含可以以故障安全的方式處理輸入信號的輸入端和輸出端、中央處理單元、存儲器、比較器和a/d轉(zhuǎn)換器?？商孢x地或者附加地，信號處理通道28、30還可以包括未被配置成集成電路的附加的分立部件。在此處描繪的情況下，安全開關(guān)裝置10包括例如開關(guān)元件40a、40b、信號處理通道28、30中的每一個，上述中的每個都能夠?qū)⒏唠妷弘娢?2切換到安全開關(guān)裝置10的裝置連接44a、44b，以使電流能夠流向接觸器46a、46b或者以中斷該電流的流動。因此，每個開關(guān)元件40可以使致動器例如接觸器46或者磁性電磁閥停用。
接觸器46a、46b分別包括常開觸點48a、48b。此處，常開觸點48a、48b在從電流源50到機(jī)器人14的電流供給路徑中彼此串聯(lián)布置。只要安全開關(guān)裝置10一關(guān)閉接觸器46a、46，觸點48就脫開，并且用于機(jī)器人14的電流源50被斷開。相關(guān)專家很清楚，此處只是舉例來描述這種“徹底的”斷開。在有偏差時，在安全請求的情況下，機(jī)器人14的僅一些部分例如危險的驅(qū)動器也可以被停用，而機(jī)器人14的其他部分保持可運行。還可以設(shè)想延遲停用，使得機(jī)器人14可以可選地在停用驅(qū)動器之前以受控的方式停止。
應(yīng)當(dāng)理解，安全開關(guān)裝置不限于此處描述的實施方式。本發(fā)明的上下文中的安全開關(guān)裝置還包括例如可配置的安全開關(guān)裝置、可編程安全控制器或者標(biāo)準(zhǔn)控制器的安全模塊。
圖2示出了單件式電子部件38的實施方式的高度簡化的表示。相同的附圖標(biāo)記表示與先前的圖1中相同的部分。
單件式電子部件38在此處被實現(xiàn)為包括雙列直插封裝(dip)殼體的微芯片。包括第一半導(dǎo)體襯底32和第二半導(dǎo)體襯底34的芯片堆疊體36被布置在dip殼體內(nèi)的載體52上。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)經(jīng)由合適的連接方式——例如接合——連接至兩個半導(dǎo)體襯底32、34上的導(dǎo)電路徑54。導(dǎo)電路徑54又連接至接觸引腳56，經(jīng)由該接觸引腳56能夠從外部接觸半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。經(jīng)由接觸引腳56，輸入信號可以例如被路由至半導(dǎo)體襯底32、34上的集成電路，或者輸出信號可以在外部路由。
在偏離常規(guī)電子部件時，在新型安全開關(guān)裝置中，至少兩個半導(dǎo)體襯底32、34被布置在電子部件38內(nèi)。半導(dǎo)體襯底32、34優(yōu)選地彼此覆蓋地堆疊，使得半導(dǎo)體襯底32、34形成長方體堆疊體36。每個半導(dǎo)體襯底包含形成信號處理通道的一個獨立的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。可以經(jīng)由dip殼體內(nèi)的載體52上的導(dǎo)電路徑54或者經(jīng)由殼體外部的連接引腳56之間的連接在電子部件38內(nèi)實現(xiàn)第一半導(dǎo)體襯底32的集成電路與第二半導(dǎo)體襯底34的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的耦接。然而，特別優(yōu)選的是，集成電路已經(jīng)在堆疊體36內(nèi)部彼此耦接。如下面基于圖3更詳細(xì)地說明的那樣，為了這個目的，平行于芯片堆疊體36的豎軸58的豎向連接被集成在半導(dǎo)體襯底32、34中。
在制造結(jié)束時，為dip殼體設(shè)置了涂層部分，此處未示出該涂層部分。涂層部分被涂覆在導(dǎo)電路徑54和芯片堆疊體36上方。因此，導(dǎo)電路徑54和芯片堆疊體36被包圍在dip殼體內(nèi)部，并且因此被安全地保護(hù)以免受變化和環(huán)境影響。同樣地，不再可能發(fā)生或者僅在有限的程度上可能發(fā)生信號處理通道的結(jié)構(gòu)或其耦接的后續(xù)變化。
應(yīng)當(dāng)理解，此處所描繪的dip殼體僅是可以在其中布置此處描述的芯片堆疊體36的一種可能的殼體形式，并且不被理解為是限制性的。其他常見的殼體形式例如使用smd技術(shù)的小外形(so)殼體也同樣可以設(shè)想為用于此處提供的單件式電子部件的設(shè)計。此外，在另一個示例性實施方式中，芯片堆疊體36的封裝還可以通過包圍芯片堆疊體36并且以形狀配合的方式沉積在半導(dǎo)體襯底32、34周圍的模制材料來實現(xiàn)。通過將芯片封裝在殼體中和/或通過將芯片包圍在模制材料中，獲得了例如可以在自動化放置過程期間定位在印刷電路板上的集成的多通道邏輯部件。
圖3示出了芯片堆疊體36的示例性實施方式的簡化示意圖。在該示例性實施方式中，芯片堆疊體36包括一個布置在另一個上方而成為堆疊體的第一半導(dǎo)體襯底32和第二半導(dǎo)體襯底34。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)被布置在半導(dǎo)體襯底32、34上，形成了具有有源部件和無源部件的單片式電路。在此處描述的情況下，第一信號處理通道28的電子電路被布置在第一半導(dǎo)體襯底32上，并且第二信號處理通道30的電子電路被布置在第二半導(dǎo)體襯底34上。
在制造期間，半導(dǎo)體襯底32、34可以最初彼此獨立地被制造，并且被設(shè)置有相應(yīng)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。還可以設(shè)想，兩個半導(dǎo)體襯底32、34最初是普通基底半導(dǎo)體襯底的一部分，在該基底半導(dǎo)體襯底上同時配置有用于不同芯片的多個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。隨后，該基底半導(dǎo)體襯底被分割成多個單個芯片，所述多個單個芯片進(jìn)而一個放置在另一個之上而形成芯片堆疊體。然而，為了防止共起因故障，芯片堆疊體36的各個半導(dǎo)體襯底優(yōu)選地來自不同的制造切片。
芯片堆疊體36不限于使用特定的半導(dǎo)體襯底和基底材料。除普通的硅半導(dǎo)體之外，還可以使用例如有機(jī)半導(dǎo)體，即所謂的塑料電子器件。優(yōu)選地，芯片堆疊體36包括非常薄的半導(dǎo)體襯底，其中，可以通過堆疊體來實現(xiàn)足夠的穩(wěn)定性。同樣地，半導(dǎo)體襯底不一定必須相同。還可以設(shè)想使用具有不同材料厚度的半導(dǎo)體襯底的設(shè)計。例如，基底層可以由比堆疊體36的其他層更厚的半導(dǎo)體襯底形成，來為堆疊體36提供穩(wěn)定的基底。
半導(dǎo)體襯底上的集成電路最初彼此獨立，并且僅在這些集成電路被堆疊在一起之后被耦接。耦接在外部發(fā)生，或者通過豎向接觸元件60在堆疊體內(nèi)發(fā)生。在此處所示的情況下，芯片堆疊體36包括用于耦接的多個豎向接觸元件60。豎向接觸元件60是被配置成與芯片堆疊體36的堆疊方向62平行的導(dǎo)體。豎向接觸元件60被稱為“硅通孔”(tsv)，并且在兩個半導(dǎo)體襯底之間建立電連接。豎向接觸元件60是通過鉆孔或者特定蝕刻方法在半導(dǎo)體襯底中產(chǎn)生的孔或凹部。半導(dǎo)體襯底中的孔與半導(dǎo)體襯底中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)接觸并且延伸至半導(dǎo)體襯底的至少一側(cè)的表面。這些孔填充有導(dǎo)電材料例如銅或鋁，并且在半導(dǎo)體襯底的堆疊體中一個在另一個之上齊平地布置，使得第一半導(dǎo)體襯底32的孔中的導(dǎo)電材料與第二半導(dǎo)體襯底34中的另一個孔的導(dǎo)電材料電接觸。以這種方式，可以在第一半導(dǎo)體襯底32和第二半導(dǎo)體襯底34的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之間建立直接連接，從而可以在兩個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行幾乎無延遲的進(jìn)程間通信。
應(yīng)當(dāng)理解，可替選地，如先前關(guān)于圖2所述的那樣，半導(dǎo)體襯底32、34之間的連接也可以建立在芯片堆疊體36的外部。為了這個目的，半導(dǎo)體襯底上的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的觸點被布線到外部，并且優(yōu)選地在單件式部件的內(nèi)部仍互連。
為了接觸第一半導(dǎo)體襯底32的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，以自身已知的方式經(jīng)由接合線66可接觸的第一接觸表面64在此處被示意性地布置在第一半導(dǎo)體襯底32的表面上。另外，在該優(yōu)選示例性實施方式中，第二接觸表面68被布置在第一半導(dǎo)體襯底32的表面上，第二半導(dǎo)體襯底34的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)經(jīng)由該第二接觸表面68可接觸。為了這個目的，第二接觸表面68以先前所述的方式經(jīng)由附加的豎向接觸元件70連接至第二半導(dǎo)體襯底34的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。有利地，用于接觸未封裝的半導(dǎo)體芯片的常見方法因此也可以用于接觸未封裝的芯片堆疊體36?？商孢x地或者附加地，還可以將從外部可接觸的接觸表面配置在第二半導(dǎo)體襯底上。
作為接合線66的替選方案，可以設(shè)想用于接觸未封裝的芯片堆疊體36的其他選項，例如倒裝芯片裝配，也稱為可控塌陷芯片連接(c4)。在倒裝芯片裝配中，未封裝的芯片堆疊體36被向下安裝在載體上，直接面對半導(dǎo)體襯底32、34中的一個的有源接觸側(cè)，而無需另外的連接線。這導(dǎo)致殼體的尺寸特別小并且導(dǎo)體長度特別短。因此可以以特別簡單和有效的方式消除由接合線接觸引起的短路。另外，使用倒裝芯片接合技術(shù)，所有觸點的連接同時進(jìn)行；因此，可以減少制造時間。為了接合芯片，除了釬焊和導(dǎo)電接合之外，還可以使用壓焊(熱接合)作為接合方法。此外，倒裝芯片裝配的優(yōu)點在于，在接觸期間，通常只有輕微的機(jī)械應(yīng)力被施加在要接觸的芯片上。因此，還可以使用非常薄且多孔的半導(dǎo)體襯底32、34來制造芯片堆疊體36。使用倒裝芯片方法裝配的芯片通常不再單獨封裝，而是為該芯片提供合金或者填充化合物以使其免受環(huán)境影響和變化。這種“封裝”的制造是特別經(jīng)濟(jì)的。
圖4示出了芯片堆疊體36的特別優(yōu)選的示例性實施方式的簡化示意圖。在該示例性實施方式中，芯片堆疊體36由第一半導(dǎo)體襯底32、第二半導(dǎo)體襯底34和附加半導(dǎo)體襯底72形成。第一半導(dǎo)體襯底32和第二半導(dǎo)體襯底34被配置成基本上相同。因此，第一半導(dǎo)體襯底32包括集成電路形式的第一信號處理單元74，并且第二半導(dǎo)體襯底34包括集成電路形式的第二信號處理單元76。
在特別優(yōu)選的示例性實施方式中，第一信號處理單元74和第二信號處理單元76在功能上是相同的，但是相對于彼此進(jìn)行了不同的配置，以能夠降低信號處理期間的共起因故障的風(fēng)險。第一信號處理單元74與第一信號處理通道28相關(guān)聯(lián)，并且第二信號處理單元76與第二信號處理通道30相關(guān)聯(lián)。第一信號處理單元74和第二信號處理單元76并行處理輸入信號并且彼此獨立地根據(jù)輸入信號生成輸出信號。優(yōu)選地，僅第一信號處理單元74和第二信號處理單元76被設(shè)置在第一半導(dǎo)體襯底32和第二半導(dǎo)體襯底34上。
第一信號處理單元74和第二信號處理單元76共同起到容錯系統(tǒng)的作用，并且并行地處理輸入信號。這種冗余被稱為雙模塊冗余(dmr)，并且針對故障提供高水平的魯棒性。dmr系統(tǒng)可以可靠地檢測故障，但不能容易地確定發(fā)生故障的通道。為了這個目的，在另一示例性實施方式中，安全開關(guān)裝置可以包括至少一個附加信號處理單元，優(yōu)選地也集成在單件式電子部件中，從而生成三重冗余。具有三重冗余的系統(tǒng)也被稱為三模塊冗余(tmr)系統(tǒng)，并且例如被用于飛機(jī)或者對于可用性具有高要求的系統(tǒng)中。除了能夠檢測故障之外，tmr系統(tǒng)還可以基于多數(shù)原則進(jìn)行補救。
在該示例性實施方式中，信號處理單元74、76還分別由單獨的處理器時鐘88驅(qū)動。優(yōu)選地，第一信號處理單元74和第二信號處理單元76的處理器時鐘相對于彼此有相移。因此，信號處理單元74、76并行地處理輸入信號，但是具有微小的時間偏移。因此，可以進(jìn)一步提高故障安全性，因為可以可靠地檢測在兩個通道上同時發(fā)生的干擾例如短暫的電壓尖峰。
此外，在該優(yōu)選示例性實施方式中，附加半導(dǎo)體襯底72被布置在第一半導(dǎo)體襯底32與第二半導(dǎo)體襯底34之間。附加半導(dǎo)體襯底72包括形成控制存儲結(jié)構(gòu)的一個或者多個分離的集成電路，所述一個或者多個分離的集成電路可以耦接至第一半導(dǎo)體襯底32和/或第二半導(dǎo)體襯底34的集成電路。在此處描述的示例中，控制存儲結(jié)構(gòu)包括可以輔助信號處理或者可以監(jiān)測信號處理單元74、76正常運行的比較器78、存儲區(qū)80和“監(jiān)測器”82。
比較器78例如是用于比較兩個數(shù)字值的電子電路?！氨O(jiān)測器”82是可以預(yù)先防止由于軟件故障而導(dǎo)致的電子部件的總故障的集成電路。因此，“監(jiān)測器”例如被配置成由軟件以規(guī)定間隔設(shè)置為特定值并且在硬件方面連續(xù)遞減的計數(shù)器。如果計數(shù)器達(dá)到值0，則可以假定軟件發(fā)生故障，并且“監(jiān)測器”執(zhí)行預(yù)定響應(yīng)，在此處預(yù)定響應(yīng)特別地導(dǎo)致觸發(fā)安全開關(guān)裝置的安全功能。存儲區(qū)80可以例如是用于處理單元74、76的隨機(jī)存取存儲器或者具有所存儲的安全開關(guān)裝置的參數(shù)的只讀存儲器。
應(yīng)當(dāng)理解，如此處描繪的那樣，附加半導(dǎo)體襯底72不一定必須被布置在芯片堆疊體36中在第一半導(dǎo)體襯底32與第二半導(dǎo)體襯底34之間?？商孢x地，附加半導(dǎo)體襯底72還可以被布置在第一半導(dǎo)體襯底32和第二半導(dǎo)體襯底34的上方或下方。如果第一信號處理單元74和第二信號處理單元76二者都耦接至附加半導(dǎo)體襯底72的控制存儲結(jié)構(gòu)，則此處所描繪的布置是特別優(yōu)選的。另外，通過使第一半導(dǎo)體襯底32和第二半導(dǎo)體襯底34基本上完全覆蓋附加半導(dǎo)體襯底72，可以提供對輻射和波影響的特別好的防護(hù)。
如先前參照圖3所述，通過豎向接觸元件60實現(xiàn)了第一半導(dǎo)體襯底32、第二半導(dǎo)體襯底34和附加半導(dǎo)體襯底72上的集成電路的耦接。同樣，如前所述，也可以通過表面上的接觸表面和附加的豎向接觸元件(此處未示出)來實現(xiàn)半導(dǎo)體襯底的接觸。
例如，在此處描述的情況下，比較器78耦接至第一半導(dǎo)體襯底32上的第一信號處理單元74和第二半導(dǎo)體襯底34上的第二信號處理單元76二者。因此，信號處理單元74、76可以非常有效和均勻地連接至比較器78，并且具有幾乎任意寬度。因此，可以在單個工作周期中以幾乎無延遲的方式進(jìn)行對第一信號處理單元74與第二信號處理單元76之間的值的比較。
對于存儲區(qū)80，接觸元件60可以以這樣的方式布置，使得第一信號處理單元74可以獨占地訪問第一存儲區(qū)80a，并且第二信號處理單元76可以獨占地訪問第二存儲區(qū)80b。從而“監(jiān)測器”82可以進(jìn)而有利地連接至信號處理單元74、76并且監(jiān)測信號處理單元74、76的正確功能。此外，在該配置中，還可以將第一半導(dǎo)體襯底32直接連接至第二半導(dǎo)體襯底34，因為豎向接觸元件從第一半導(dǎo)體襯底32通過附加半導(dǎo)體襯底72被布線到第二半導(dǎo)體襯底34。
作為圖4中的描繪的替選方案，第一半導(dǎo)體襯底32、第二半導(dǎo)體襯底34和附加半導(dǎo)體襯底72可以另外具有不同的材料特性，特別是不同的襯底厚度。優(yōu)選地，附加半導(dǎo)體襯底72比第一半導(dǎo)體襯底32和第二半導(dǎo)體襯底34厚，以能夠使兩個信號處理單元74、76彼此屏蔽。因此，借助于較厚的附加半導(dǎo)體襯底72，可以從物理上消除從第一信號處理單元74到第二信號處理單元76的串?dāng)_，反之，也可以從物理上消除從第二信號處理單元76到第一信號處理單元74的串?dāng)_。
最后，圖4示出了被配置成彼此分離的第一電壓源84和第二電壓源86。第一電壓源84耦接至第一半導(dǎo)體襯底32，并且第二電壓源86耦接至第二半導(dǎo)體襯底34。經(jīng)由第一電壓源84向第一半導(dǎo)體襯底32的集成電路提供供電電壓，并且經(jīng)由第二電壓源86向第二半導(dǎo)體襯底34的集成電路提供供電電壓。優(yōu)選地，第一電壓源84和第二電壓源86分別包括過電壓監(jiān)測單元(此處未示出)。過電壓監(jiān)測單元被配置成在過電壓的情況下例如經(jīng)由撬棒電路(crowbarcircuit)使電壓源去耦。
應(yīng)當(dāng)理解，在另一示例性實施方式中，圖4所示的結(jié)構(gòu)可以彼此任意組合。因此，芯片堆疊體36不限于所示出的三個半導(dǎo)體襯底28、30、72。在其他有利的實施方式中，附加半導(dǎo)體襯底和/或其他層例如隔離層可以被布置在芯片堆疊體36中。還可以設(shè)想，圖4所示的多個系統(tǒng)被容納在芯片堆疊體中以實現(xiàn)極其節(jié)省空間的n通道、高可用性且容錯的“堆疊體上系統(tǒng)”?？傊虼丝梢詣?chuàng)建能夠符合sil3安全完整性等級的要求的具有雙重或三重冗余的成本效益高、靈活且安全的安全開關(guān)裝置。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！