用于在重復(fù)熱應(yīng)力下操作的功率器件的改善的可靠性的方法和電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及功率器件，并且在具體的實(shí)施例中涉及用于在重復(fù)熱應(yīng)力下操作的功率器件的改善的可靠性的方法和電路的技術(shù)和機(jī)制。
【背景技術(shù)】
[0002]功率器件通常包括用作例如開關(guān)模式功率電源等的功率電子產(chǎn)品中的開關(guān)或整流器的半導(dǎo)體器件或集成電路。功率器件通?？梢圆僮髟凇皳Q相模式”中，其中功率器件或者處于傳導(dǎo)階段(例如開關(guān)導(dǎo)通)或者非傳導(dǎo)階段(例如，開關(guān)切斷)。在傳導(dǎo)階段，熱機(jī)應(yīng)力可能導(dǎo)致在功率器件的有源區(qū)域中的金屬化的劣化/損壞，其隨時(shí)間可能導(dǎo)致故障，例如短路等。更具體地，類似電感鉗位的高功率瞬態(tài)事件可能產(chǎn)生高瞬態(tài)局部溫度以及高溫度梯度，其可能導(dǎo)致在芯片部件(例如，金屬線等)中的金屬/熱致迀移(熱驅(qū)動(dòng)的金屬迀移)。的確，金屬/熱致迀移可能在每個(gè)高功率周期期間施加不均勻的應(yīng)力，直到金屬間的電介質(zhì)破裂并且/或者功率器件失效。
[0003]—種用于降低功率器件中的熱致迀移引發(fā)的應(yīng)力的解決方案為降低在高功率脈沖事件期間的峰值溫度，其通常通過(guò)增加功率器件的有源區(qū)域的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，增加功率器件的尺寸對(duì)于需要相對(duì)較小和/或緊湊的半導(dǎo)體封裝的應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能是不希望的。因此，需要用于降低功率器件中的由熱致迀移引發(fā)的應(yīng)力的備選技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]通過(guò)描述了用于在重復(fù)熱應(yīng)力下操作的功率器件的改善的可靠性的方法和電路的本公開的實(shí)施例，通常實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
[0005]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供了一種用于調(diào)節(jié)功率器件的方法。在該示例中，所述方法包括當(dāng)功率開關(guān)器件經(jīng)受到高應(yīng)力條件時(shí)進(jìn)行感測(cè)。所述功率開關(guān)器件包括輸入端口、輸出端口，以及耦合在該輸入端口和輸出端口之間的功率器件部件。當(dāng)功率開關(guān)器件經(jīng)受到高應(yīng)力條件時(shí)，電流在輸入端口和輸出端口之間流動(dòng)。所述方法進(jìn)一步包括響應(yīng)于功率開關(guān)器件經(jīng)受到高應(yīng)力條件而激活功率器件部件的第一子集而不激活功率器件部件的第二子集。當(dāng)功率開關(guān)器件經(jīng)受到高應(yīng)力條件時(shí)，電流流經(jīng)功率器件部件的第一子集而不流經(jīng)功率器件部件的第二子集。
[0006]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，提供另一種用于調(diào)節(jié)功率器件的方法。在該示例中，所述方法包括當(dāng)功率開關(guān)器件經(jīng)受到高應(yīng)力條件時(shí)進(jìn)行感測(cè)。所述功率開關(guān)器件包括輸入端口、輸出端口，耦合在輸入端口和輸出端口之間的功率器件部件。當(dāng)功率開關(guān)器件經(jīng)受到高應(yīng)力條件時(shí)，電流在輸入端口和輸出端口之間流動(dòng)。所述方法進(jìn)一步包括在不同周期期間動(dòng)態(tài)地將功率器件部件的不同子集去激活。在每個(gè)周期期間，功率器件部件中的至少一些功率器件部件保持為被激活。當(dāng)功率開關(guān)器件經(jīng)受到高應(yīng)力條件時(shí)，在給定的周期期間，電流流經(jīng)激活的功率器件部件而不流經(jīng)去激活的功率器件部件的子集。
[0007]根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例，提供一種功率開關(guān)器件。在該示例中，所述功率開關(guān)器件包括適配于耦合到負(fù)載的輸入端口，適配于耦合到散熱器的輸出端口，以及多個(gè)耦合在輸入端口和輸出端口之間的功率器件部件。當(dāng)功率開關(guān)器件經(jīng)受到高應(yīng)力條件時(shí)，電流在輸入端口和輸出端口之間流動(dòng)。當(dāng)功率開關(guān)器件在第一周期期間經(jīng)受到高應(yīng)力條件時(shí)，功率器件部件的第一子集為去激活的，并且當(dāng)功率開關(guān)器件在第一周期期間經(jīng)受到高應(yīng)力條件時(shí)，功率器件部件的第二子集保持為激活的。當(dāng)功率開關(guān)器件在第一周期期間經(jīng)受到高應(yīng)力條件時(shí)，電流流經(jīng)功率器件部件的第二子集而不流經(jīng)功率器件部件的第一子集。
【附圖說(shuō)明】
[0008]為了更為全面地理解本公開以及其優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在結(jié)合附圖對(duì)下面描述進(jìn)行引用，其中:
[0009]圖1圖示了功率開關(guān)器件的實(shí)施例的電路圖；
[0010]圖2圖示了功率開關(guān)器件的另一個(gè)實(shí)施例的電路圖；
[0011]圖3圖示了用于在功率器件的操作的不同周期期間選擇晶體管的不同子集以進(jìn)行去激活的選擇電路的實(shí)施例的電路圖；
[0012]圖4圖示了選擇電路的另一個(gè)實(shí)施例的電路圖，該選擇電路被配置為感測(cè)功率器件的有源區(qū)域內(nèi)的溫度、電流和電壓，以標(biāo)識(shí)高應(yīng)力事件；
[0013]圖5圖示了針對(duì)圖4所描繪的選擇電路的實(shí)施例的時(shí)序圖；
[0014]圖6圖示了用于監(jiān)視功率器件的有源區(qū)域中的應(yīng)力的傳感器陣列的實(shí)施例的示圖；
[0015]圖7圖示了用于監(jiān)視功率器件的有源區(qū)域中的應(yīng)力的金屬線傳感器陣列的實(shí)施例的示圖；
[0016]圖8圖示了用于監(jiān)視功率器件的有源區(qū)域中的應(yīng)力的溫度傳感器陣列的實(shí)施例的示圖；
[0017]圖9圖示了在高應(yīng)力周期期間傳統(tǒng)的功率開關(guān)器件的有源區(qū)域中的溫度分布圖；
[0018]圖10圖示了在高應(yīng)力周期期間具有去激活的晶體管子集的功率開關(guān)器件的實(shí)施例的有源區(qū)域中的溫度分布圖；
[0019]圖11圖示了在圖9描繪的傳統(tǒng)的功率開關(guān)器件的有源區(qū)域中的溫度分布圖和沿著四個(gè)Y軸的溫度輪廓曲線圖；
[0020]圖12圖示了圖11所描繪的溫度梯度幅度分布圖和沿著四個(gè)Y軸的溫度輪廓曲線圖；
[0021]圖13圖示了圖10所描繪的功率開關(guān)器件的實(shí)施例的有源區(qū)域中的溫度分布圖和沿著四個(gè)Y軸的溫度輪廓曲線圖；
[0022]圖14圖示了圖13所描繪的溫度梯度幅度分布圖和沿著四個(gè)Y軸的溫度梯度輪廓曲線圖；
[0023]圖15圖示了比較針對(duì)具有不同配置的功率器件的故障概率的曲線圖；
[0024]圖16圖示了處理系統(tǒng)的實(shí)施例的示圖。
[0025]除非另外指出，在不同圖中的相對(duì)應(yīng)的編號(hào)和符號(hào)通常指代相對(duì)應(yīng)的部分。描繪附圖用于清楚地說(shuō)明實(shí)施例的相關(guān)方面，并且不必按照比例繪制附圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面詳細(xì)討論本公開的實(shí)施例的形成和使用。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本文中所公開的概念可以被實(shí)施在多種特定情境中，并且本文中所討論的特定實(shí)施例僅僅為說(shuō)明性的且并不用于限定權(quán)利要求的范圍。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，可以在不背離如權(quán)利要求所限定的本公開的精神和范圍的前提下，在本文中做出各種改變、替換或者修改。
[0027]本公開的諸方面通過(guò)對(duì)功率器件部件(例如，晶體管等)的子集進(jìn)行去激活來(lái)降低在當(dāng)功率器件經(jīng)受到高應(yīng)力條件時(shí)功率器件中熱致迀移引發(fā)的應(yīng)力。對(duì)功率器件部件的子集進(jìn)行去激活用以將功率開關(guān)器件的有源區(qū)域分劃為更小的有源區(qū)域，其有利地改變了在有源區(qū)域/區(qū)塊中的溫度梯度，例如，在一些實(shí)施中平行于電流的軸。在一些實(shí)施例中，控制電路動(dòng)態(tài)地對(duì)功率器件部件的不同子集進(jìn)行去激活，以在功率開關(guān)器件的使用壽命期間將熱致迀移引發(fā)的應(yīng)力點(diǎn)移動(dòng)到有源區(qū)域的不同部分?？梢允褂酶鞣N技術(shù)來(lái)在給定的操作周期期間選擇功率器件部件的哪些子集被去激活。例如，可以隨機(jī)地或者根據(jù)例如在為了延長(zhǎng)功率開關(guān)架構(gòu)的平均壽命的模擬和/或測(cè)試期間發(fā)展出的模式的預(yù)定模式來(lái)選擇功率器件部件的子集。備選地，可以基于來(lái)自應(yīng)力傳感器的讀數(shù)來(lái)選擇功率器件部件的子集。應(yīng)力傳感器可以是任何傳感器，其讀數(shù)可以用來(lái)確定/預(yù)測(cè)有源區(qū)域中的哪些部分經(jīng)受了應(yīng)力，包括溫度傳感器和機(jī)械應(yīng)力傳感器。注意到的是，在一些情況中，對(duì)于溫度梯度的操縱可以延長(zhǎng)功率器件的壽命，甚至在峰值溫度增加的情況下。類似地，對(duì)功率器件部件的子集進(jìn)行去激活改善了功率器件的整體壽命預(yù)期，即使溫度梯度跨越有源區(qū)域的一些部分而增加。有利地，對(duì)功率器件部件的子集進(jìn)行去激活并不會(huì)顯著地影響功率器件的導(dǎo)通狀態(tài)電阻。下面對(duì)于這些以及其他方面進(jìn)行詳細(xì)討論。
[0028]本公開的諸方面可以被實(shí)施在耦合到電感負(fù)載的功率開關(guān)器件中。圖1圖示了耦合到電感負(fù)載(L)的功率開關(guān)器件100的實(shí)施例的電路圖。如所示出的，功率開關(guān)器件100包括柵極驅(qū)動(dòng)器105，多個(gè)晶體管110、120、130，多個(gè)開關(guān)115、125和135，以及齊納二極管150。注意到，開關(guān)115、125、135被配置為在高應(yīng)力周期期間選擇性地打開運(yùn)送向晶體管110、120、130的柵極運(yùn)送激活信號(hào)的連接，由此防止激活信號(hào)在高應(yīng)力事件期間激活晶體管110、120、130。在本公開中，術(shù)語(yǔ)“高應(yīng)力周期”與術(shù)語(yǔ)“高應(yīng)力循環(huán)”和“高應(yīng)力實(shí)例”同義地使用。
[0029]更加具體地，晶體管110、120、130具有耦合在功率開關(guān)器件100的輸入(IN)和輸出(OUT)之間的源極-漏極路徑，以及經(jīng)由連接C1、C2、C3耦合到齊納二極管150并且經(jīng)由連接(C4)耦合到柵極驅(qū)動(dòng)器105的柵極。當(dāng)晶體管110、120、130中的一個(gè)或多個(gè)通過(guò)激活信號(hào)或觸發(fā)信號(hào)被激活時(shí)，電感負(fù)載(L)的電流在功率開關(guān)器件100的輸入(IN)和輸出(OUT)之間流動(dòng)。
[0030]當(dāng)齊納二極管150進(jìn)入可能會(huì)在電感負(fù)載(L)的電壓超過(guò)閾值(其指示著功率開關(guān)器件100正在經(jīng)受著高應(yīng)力條件)時(shí)發(fā)