CN108291843A - 具有第一温度测量元件的半导体构件以及用于确定流过半导体构件的电流的方法 - Google Patents

具有第一温度测量元件的半导体构件以及用于确定流过半导体构件的电流的方法 Download PDF

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Abstract

描述一种半导体构件(10)，其具有衬底和至少两个温度测量元件(20，22)。所述两个温度测量元件(20，22)在所述半导体构件(10)的裸晶片(11)上布置在所述半导体构件(10)内的不同位置上。尤其是，温度测量元件(20)能够布置在所述半导体构件(10)的有源区域(14)中，并且温度测量元件(22)能够布置在所述半导体构件(10)的无源区域(16)中。所述温度测量元件(20，22)测量两个不同的温度TJ、Tsense，借助所述两个不同的温度然后能够计算流过所述半导体构件(10)的电流IDS。所述半导体构件能够是功率MOSFET(18)。此外，描述一种用于确定流过半导体构件(10)的电流IDS的方法，其中，使用在所述半导体构件(10)的不同位置上测量的两个温度。所描述的半导体构件(10)以及所描述的方法例如适合于应用在用于车辆的控制装置中。

Description

具有第一温度测量元件的半导体构件以及用于确定流过半导 体构件的电流的方法
技术领域
本发明涉及一种半导体构件、优选地一种功率MOSFET元件，以及一种用于制造半导体构件的方法和一种用于车辆的控制装置。
背景技术
对现代的半导体开关——如功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管，英语：Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)和IGBT(绝缘栅双极型晶体管，英语：insulated-gate bipolar Transistor)的要求除了包括非常小的导通损耗和开关损耗以及高的阻挡能力之外，包括越来越多的单片集成的功能，所述单片集成的功能使得能够可靠地探测到过负荷——如ESD-脉冲(静电放电，英语：Electrostatic Discharge)、过热温度、击穿或者过电流。在例如用于发动机控制的功率电子***中，用于调节***的相电流有决定性的意义。在开关过程期间过高的电流可能导致元件击穿和必要时导致其损坏。因此，在许多情况中，例如通过分流或者磁性传感器测量电流。这是费事的并且昂贵的。如果借助分流测量相电流，则为此需要在DBC(直接键合铜)上或者在冲压栅格(Stanzgitter)上的附加的面。此外，借助分流或者磁性传感器，需要另外的部件，这同样导致成本。
替代地，存在以下可能性：在设备中在内部通过隔开的单元区域进行相电流的测量。但在这里，至少一个外部的电阻以及外部的、通常模拟的分析处理电路也是必需的。
DE 10 2011 001 185 A1描述了一种用于借助漏极-源极电压的测量来进行电流感测的方法。在此，求取阻挡层的温度并且由所述温度计算与温度相关的电阻RDSon，由该电阻又可以计算当前的电流。
US 2007/00061099 A1也描述了一种借助漏极-源极电压和温度确定相电流的方法。布置在FET(场效应晶体管)附近的热敏电阻提供温度，处理器由所述温度与漏极-源极电压一起估计相电流。这通过在假定在热敏电阻和FET的阻挡层之间的温度差在瞬态振荡的状态中是恒定的情况下进行。
US 2011/0210711 A1描述了一种可能性：由处理器对在半导体构件内的过程建模，以便能够进行构件的状态的评估和随后必要时进行部件的控制。为此，考虑例如由热敏电阻提供的温度、漏极-源极电压和栅极-源极电压作为输入参数。
发明内容
根据本发明，提供一种半导体构件，其具有衬底和第一温度测量元件，其中，所述第一温度测量元件布置在所述半导体构件的大的损耗功率的位置附近，其中，第二温度测量元件在空间上与所述第一温度测量元件间隔开地布置在所述衬底上。半导体构件可以是例如MOSFET、IGBT或者其他的功率半导体。衬底可以是半导体衬底(例如硅)、其他的半导体衬底或者绝缘体上硅结构(Silicon-on-Insulator，SOI)。
在此，高的损耗功率的位置理解为在半导体芯片上的以下位置：在运行中、尤其在接通的状态中，高的损耗功率下降在所述位置上并且所述位置因此比其周围环境更强烈地加热。在此，概念“高的损耗功率”尤其可相对于在芯片上的其他的位置来解释。优选地，第一温度测量元件布置在最大的损耗功率的位置附近、例如布置在阻挡区附近。优选地，在大的或者最大的损耗功率的位置和第一温度测量元件之间的空间距离尽可能小、尤其如在技术上可能的那样小，而不影响各个元件的功能。换言之，第一温度测量元件优选地紧邻大的或者最大的损耗功率的位置。例如，第一温度测量元件可以直接地邻接半导体构件的阻挡区。
一种根据本发明的用于确定流过半导体构件的电流的方法基本上包括以下步骤：
a)读取由布置在高的损耗功率的区域中的第一温度测量元件提供的第一温度的值
b)读取由与所述第一温度测量元件间隔开的第二温度测量元件提供的第二温度的值
c)在将所述第一温度和所述第二温度包括在内的情况下，计算流过所述半导体构件的电流。
一种根据本发明的用于车辆的控制装置包括至少一个根据本发明的半导体构件。
根据本发明的半导体构件具有以下优点：仅仅需要少量的附加的元件来作出足够准确的、关于流过半导体构件的当前的电流的结论。可以仅仅利用***ASIC(专用集成电路，英语：application specific integrated circuit)的逻辑电路和AD转换器用于分析处理，从而，相对于常规的、不具有根据本发明的电流感测装置的半导体构件，又仅仅需要少量的附加的部件。
此外，借助根据本发明的半导体构件以及根据本发明的方法可能的是，求取流过构件的相电流，而不同时将漏极-源极电压作为初始值包括在内。取而代之地，在半导体构件的两个不同的点上测量相应的局部的温度，由此，在了解在两个测量点之间的热阻和热容的情况下可以推断出构件的当前的损耗功率，从而可以借助电阻RDSon确定流过部件的电流。因此，可以设置用于对功率电子组件如MOSFET或者IGBT进行安全地开关的过电流限制。
第一温度测量元件可以与第二温度测量元件热耦合。在一种特别的实施方式中设置，所述第一温度测量元件和所述第二温度测量元件分别包括一个二极管。在此，温度的度量分别可以是在相应的二极管上下降的电压。以这种方式和方法，可以以用于温度测量元件的小的结构性耗费来求取温度。因此，可以节省用于外部的部件的安装空间、损耗功率和成本，并且在相应的设计中，可以改进电流监视的响应时间和准确性。
根据本发明的一种优选的实施方式设置，所述第一温度测量元件和所述第二温度测量元件单片式地集成到所述半导体构件中。通过这些措施可以减小在调试半导体构件时的耗费，这同样减小有效成本。需要较少的单个的部件。因为可以将所需要的功能以小的耗费集成到已知的半导体构件中，所以总体上产生明显的成本节省。此外，单个部件的较小的数量意味着可能的误差来源的较小的数量。
在本发明的一种扩展方案中，半导体构件包括第三温度测量元件。附加的第四温度测量元件或者还更多的温度测量元件也是可能的。通过包括另外的温度测量元件在内，可以提高电流确定的准确性。另外的温度测量元件也可以单片式地集成到芯片中。所有的温度测量元件例如可以实现为平面的多晶硅二极管。但原则上，可以考虑不同的温度测量元件的任意的组合，以便实现本发明。同样地，也能够实现单片式地集成的和在外部的温度测量元件、如例如热敏电阻的同时使用。然而，由于制造技术上的优点，所有的温度测量元件优选单片式地集成。
在本发明的另一种优选的实施方式中，在所述第一温度测量元件和所述第二温度测量元件之间存在有限的热容和有限的热阻。当第一温度和第二温度作为输入参量用于计算时，可以相对准确地确定在半导体构件中的当前的损耗功率。
在本发明的一种扩展方案中，所述半导体构件具有至少一个有源区域和至少一个无源区域，其中，所述第二温度测量元件布置在所述无源区域中。在无源区域中，温度通常比在有源区域中更低并且尤其比在最大的损耗功率的区域中显著更低。在由第一温度测量元件和第二温度测量元件求取的这两个温度之间的较大的温度差增大信噪比并且因此提高所求取的电流的值的准确性。
在本发明的一种优选的实施方式中，半导体构件可以是MOSFET并且温度测量元件中的一个可以是该MOSFET的体二极管。MOSFET特别好地适合用于构造功率半导体构件，例如功率开关。当MOSFET的体二极管作为温度测量元件中的一个使用时，对于本发明的实施必需的附加的元件的数量减少，因为这样的体二极管固有地存在于每个MOSFET中。
在本发明的一种有利的扩展方案中设置，在所述第一温度测量元件上的第一温度测量电压和/或在所述第二温度测量元件上的第二温度测量电压能够分别通过专属触垫分接出(abgenommen)。换言之，可以从外部接触电路中的对于两个温度测量电压的测量重要相关的点。这样的构型提供以下优点：可以灵活地从外部进一步地给所述结构布线。此外，因此可以以简单的方式和方法测量对于温度的求取所需要的电压，例如，其方式是，使触垫与分析处理电路如例如***ASIC连接。
在一种特别的实施方式中，所述第一温度测量元件和所述第二温度测量元件串联连接。这两个温度测量元件可以由共同的电流源馈电并且由相同的电流流过。必要时存在的另外的温度测量元件也可以与第一和第二温度测量元件串联连接并且借助唯一的感测电流来通电。
替代地，可能的是，第一温度测量元件和第二温度测量元件并联连接。
为了实施本发明，特别快速和准确的二极管是有利的，理想地，由其流电压变化过程使得所述二极管在温度上特别好。由于在热点——即在芯片上的大的或者最大的损耗功率的位置——和芯片边缘或者无源区域内的其他的位置之间的热阻和热容相对小，得出非常好的信噪比和受置于波动下面的另外的层(如例如焊剂、缩孔、DBC(直接焊接铜)或者胶粘剂)中的温度变化过程的影响很小。
根据本发明的方法适合用于确定功率开关的当前的温度值、损耗功率值和电流值以及用于避免构件加速老化或者损坏的调节参量。
在从属权利要求中说明和在说明书中描述本发明的有利的扩展方案。
附图说明
参照附图和以下的说明书详细地阐述本发明的实施例。示出：
图1示出根据现有技术的、用于求取流过半导体构件的电流的一种可能性，
图2示出根据本发明的半导体构件的一个实施例的示意性示图，
图3示出根据图2的实施例的俯视图，
图4示出根据图2的实施例的侧视图，
图5示出根据本发明的半导体构件的布线的第一实施方式，
图6示出根据本发明的半导体构件的布线的第二实施方式，
图7示出根据本发明的半导体构件的布线的第三实施方式，
图8示出根据本发明的半导体构件的实施方式的热学等效电路图，
图9示出示例性的测量结果的示图，
图10示出根据本发明的半导体构件在电路***中的可能的集成的示图。
具体实施方式
首先在图1中示出根据现有技术的用于求取流过具有划分出的单元的电流传感器形式的半导体构件10的电流的一种可能性。在附图的右边部分中示出主FET(场效应晶体管)2。所述主FET如通常那样与源极触头3、漏极触头4和栅极触头5连接。在附图的左边区域中示出测量FET6。该测量FET与主FET 1并联连接并且由一些划分出的、但在其他方面与主FET1的单元等同的单元组成。分隔出的单元作为电流镜使用。借助外部的电阻7可以在电流测量点8上读取电流ISense，该电流允许直接推断出流过主FET1的电流。但是，电阻7可以限制电流测量的动态性和准确性。此外，在从现有技术已知的解决方案中，通常一同使用温度传感器和电流传感器，以便能够实现监视，这又导致相对高的结构性的和控制技术的耗费。
图2示意性地示出以功率开关、例如MOSFET形式的半导体构件10的裸晶片11。该裸晶片不但包括有源面14而且包括无源区域16，在所述有源面中放置有必要时在显微镜下小的开关元件并且在所述有源面中产生电损耗功率，所述无源区域是非有源的并且因此无损耗功率的。无源区域16可以涉及例如构件10的键合盘区域、边缘区域或者栅极流道(Gaterunner)。在所提到的无源区域16中的每一个区域中可以布置有第二电流测量元件22。
图3以俯视图示出图2中的半导体构件。在裸晶片11上布置有两个温度测量元件20、22。这些所谓的温度感测结构如此放置，使得第一温度测量元件20布置在有源区域14中或者至少非常接近有源区域14地布置。第二温度测量元件22位于离第一温度测量元件一定的空间距离内，例如位于构件的边缘区域18中。在有源区域14中，损耗功率比在无源区域16中更高。优选地，第一温度测量元件20可以接近半导体构件10的阻挡区地布置，因为损耗功率特别高。为了改善信噪比，在由第一温度测量元件20和第二温度测量元件22测量的温度之间的大的温度差是值得期望的。
图4以侧剖视图示出图2和3中的实施例。可看到衬底12，另外的结构被加入到所述衬底中。此外，示出由多个层40、42、44和46组成的下部结构。
温度测量元件20、22在电学上可以不同方式地连接。图5示出根据本发明的半导体构件10的布线的第一种可能性。可看到已知的用于源极30、漏极32和栅极34的接头。作为第一温度测量元件使用的第一二极管20和作为第二温度测量元件使用的第二二极管22串联连接。两个二极管20、22由在时间上恒定的电流Isense流过，该电流可以例如由ASIC 70提供。电压下降UD1或UD2与在第一二极管20的或第二二极管22的区域中的相应的局部温度成比例。
图6示出根据本发明的半导体构件10的布线的第二种可能性。在此，第一二极管20和第二二极管22并联连接。在此，它们由第一电流源26和第二电流源27馈以电流。
在图7中示出一种实施方式，其中，将所使用的功率MOSFET 18的体二极管24作为第二二极管用于温度测量。
图8以本发明的一种实施方式的等效的Foster网络形式示出热学等效电路图。因此可以描述本发明的作为在DBC(直接键合铜)或者冲压栅格上的MOSFET的一种实施方式的热学行为。以第一二极管20形式的第一温度测量元件测量在第一节点50上的温度TJ。在这里，TJ代表Tjunction、即在阻挡层的区域中的温度，这通常相当于在半导体构件10上最大的损耗功率的区域。而第二二极管22测量在第二节点52上的温度TTsense。由于在芯片上的相对于损耗功率源54在空间上不同的布置，有限的热阻56和热容58位于两个节点50、52之间。在正常情况中，由此得出比温度TJ更低的温度TTsense。在图的右边部分中示出网络的、在室温Tambient下的终端。
借助对两个温度TJ和TTSense的了解可以确定在这两个节点50、52之间的温度差ΔT。在图9中示出示例性地执行的测量系列。在此，分别求取在节点50、52和壳体之间的热阻。作为圆形符号绘出的数据点来自于测量Zth(t)Junction-Case，即在第一节点50和壳体之间的与时间相关的热阻。相应地，用于Zth(t)sense-Case的值、即在第二节点52和壳体之间的热阻作为方形绘出。
作为第三曲线，以三角形符号形式绘出这两个测量曲线之间的差。实线示出以具有分别7个RC环节的Foster模型对这两个测量曲线的相应的拟合和以具有2个RC环节的Foster模型对差曲线的相应的拟合。这些曲线的在Foster模型中的描述能够实现在ASIC中的在时间上的热学行为的模拟。
可看到，在瞬态振荡的状态中，即在大约50ms至100ms之后，差曲线基本上水平地延伸，即这两个热阻值Zth(t)Junction-Case和Zth(t)Tsense-Case的差几乎保持恒定。现在，根据等式
可以借助ΔT和从现在起在时间上恒定的ΔZth＝Zth(t)Junction-Case-Zth(t)Tsense-Case计算当前在晶片中的损耗功率。因为例如可以借助等式
计算构件在接通和瞬态振荡的状态中的电阻RDSon，其中，α～0.4，所以可以根据等式
来确定当前的电流。所提到的所有计算可以例如在可能本来存在的ASIC中进行。
这样的ASIC的可能的结构在图10中示意性地示出。ASIC 70可以首先提供用于两个电流测量元件20、22的恒定的电流Isense。然后在计算元件72、74中，首先将温度测量元件20、22的两个流电压信号UD1、UD2换算成温度值Tsense、TJ，所述温度测量元件又可以以二极管形式构造。为此，必要时可以事先提供相应的特征曲线线性化。
为了确定温度差，在差分模块76中形成差ΔT。借助对温度TJ的了解，通过以上所提到的等式(2)估计当前的电阻Ron(TJ)。此外，热阻差(thermischenDifferenzwiderstand)Zth,J-Tsense的热学行为事先通过测量或者模拟来确定并且固定地存储在ASIC中，例如作为双环节的Foster网络或者作为表格78存储。这是足够准确的，因为用于Zth,J-Tsense的值仅仅由固定地布置在芯片上的元件推导出并且因此可预期没有由于结构与连接技术引起的变异(Streuungen)。然后，借助以上所提出的等式由输入参量ΔT(t)、Ron(TJ)和Zth,J-Tsense确定当前的漏极电流Ids并且其作为功率开关的控制参量或者监视参量使用。例如也可以考虑温度TJ(t)作为另外的控制参量和/或监视参量。
本发明尤其可以用于用于车辆(例如用于车辆的转向装置)的控制装置。同样可能的是，用于用于混合动力车辆或者电动车的功率模块以及“自锁的”MOSFET的应用。也可以考虑用于功率MOSFET和IGBT的多种另外的应用。

Claims (10)

1.一种半导体构件(10)，其具有衬底(12)和第一温度测量元件(20)，其特征在于，所述第一温度测量元件(20)布置在所述半导体构件(10)的大的损耗功率的位置附近，并且，第二温度测量元件(22)在空间上与所述第一温度测量元件(20)间隔开地布置在所述衬底(12)上。
2.根据权利要求1所述的半导体构件(10)，其特征在于，所述第一温度测量元件(20)和所述第二温度测量元件(22)分别包括一个二极管。
3.根据以上权利要求中任一项所述的半导体构件(10)，其特征在于，所述第一温度测量元件(20)和所述第二温度测量元件(22)单片式地集成到所述半导体构件(10)中。
4.根据以上权利要求中任一项所述的半导体构件(10)，其特征在于，在所述第一温度测量元件(20)和所述第二温度测量元件(22)之间存在有限的热容(58)和有限的热阻(56)。
5.根据以上权利要求中任一项所述的半导体构件(10)，其特征在于，所述半导体构件(10)具有至少一个有源区域(14)和至少一个无源区域(16)，其中，所述第二温度测量元件(22)布置在所述无源区域(16)中。
6.根据以上权利要求中任一项所述的半导体构件(10)，其特征在于，所述半导体构件(10)是MOSFET，并且，所述温度测量元件(20，22)中的一个是所述MOSFET的体二极管(24)。
7.根据以上权利要求中任一项所述的半导体构件(10)，其特征在于，在所述第一温度测量元件(20)上的第一温度测量电压(UD1)和/或在所述第二温度测量元件(22)上的第二温度测量电压(UD2)能够分别通过专属触垫分接出。
8.根据以上权利要求中任一项所述的半导体构件(10)，其特征在于，所述第一温度测量元件(20)和所述第二温度测量元件(22)串联连接。
9.一种用于确定流过半导体构件(10)的电流的方法，所述方法具有以下步骤：
a)读取由布置在高的损耗功率的区域中的第一温度测量元件(20)提供的第一温度(TJ)的值
b)读取由与所述第一温度测量元件(20)在空间上间隔开的第二温度测量元件(22)提供的第二温度(Tsense)的值
c)在将所述第一温度(TJ)和所述第二温度(Tsense)包括在内的情况下，计算流过所述半导体构件(10)的电流。
10.一种用于车辆的控制装置，其包括至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的半导体构件(10)。
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