TWI721045B - 包含一基材及一第一溫度測量元件的半導體構件以及測定流經一半導體構件之電流的方法以及車輛用的控制單元 - Google Patents

包含一基材及一第一溫度測量元件的半導體構件以及測定流經一半導體構件之電流的方法以及車輛用的控制單元 Download PDF

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Abstract

本發明說明一種半導體構件(10)，其包括一基材以及至少兩個溫度測量元件(20、22)。該兩個溫度測量元件(20、22)被排列在該半導體構件(10)裡面的不同位置處的該半導體構件(10)的裸晶粒(11)上。明確地說，其中一溫度測量元件(20)會被排列在一主動區(14)之中並且一溫度測量元件(22)會被排列在該半導體構件(10)的一被動區(16)之中。該些溫度測量元件(20、22)會測量兩個不同的溫度TJ、Tsense，借助於該兩個溫度便能夠接著計算經過該半導體構件(10)的電流IDS。該半導體構件能夠為一功率MOSFET。
再者，本發明還說明一種用於測定流經一半導體構件(10)的電流IDS的方法，其中，會使用到在該半導體構件(10)的不同位置處所測得的兩個溫度。舉例來說，本文中所述的半導體構件(10)以及所述的方法適用於車輛用的控制單元。

Description

包含一基材及一第一溫度測量元件的半導體構件以及測定流經一半導體構件之電流的方法以及車輛用的控制單元
本發明關於一種半導體構件，較佳的係，一種功率MOSFET元件；並且關於一種生產半導體構件的方法以及車輛用的控制單元。
現代半導體開關(例如，功率MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效電晶體)以及IGBT(絕緣閘雙極電晶體))的要求除了超低導通狀態和切換損耗以及高阻隔能力之外，還包含越來越多的一體成形整合功能，藉由該些功能可以可靠的偵測過負載(例如，ESD(靜電放電)脈衝)、過溫度、崩潰、或是過電流。在功率電子系統中，舉例來說，針對引擎控制，用於該系統之調節的相位電流非常重要。在切換過程期間的超額高電流會導致該元件崩潰並且可能會導致損毀該元件。所以，於許多情況中，舉例來說，會經由一分路(shunt)或是一磁性感測器來測量該電流。此作法既複雜且昂貴。倘若藉由一分路來測量該相位電流的話，那麼，在DBC(直接焊接銅)上或是在引線框上便需要額外的區域方可達成此的目的。再者，利用該分路或磁性感測器還需要用到另一構件，其同樣會產生成本。
或者，藉由分離的胞體區域亦可以實施該裝置內部的相位電流的測量。然而，於此情況中，卻需要用到至少一外部電阻器以及一外部估算電路(經常為類比式電路)。
DE 10 2011 001 185 A1說明一種藉由量測汲極-源極電壓來進行電流感測的方法。於此情況中，空乏層的溫度會被測定並且從此溫度中算出溫度相依電阻值RDSon，接著，便能夠從RDSon處算出目前的電流。
US 2007/00061099 A1同樣說明一種借助於該汲極-源極電壓以及一溫度來測定相位電流的方法。一被排列在一FET(場效電晶體)附近的熱敏電阻器會提供一溫度，藉由一處理器可以從該溫度以及該汲極-源極電壓處預測該相位電流。這係在假設介於該熱敏電阻器以及該FET的空乏層之間的溫度差於穩態狀態中為恆定的情況下來實行。
US 2011/0210711 A1說明一種藉由一處理器來達成模擬一半導體構件裡面的處理的可能方式，以便能夠實行評估該構件的狀態，且所以，如果適合的話，亦能夠控制該構件。為達此目的，舉例來說，會使用由一熱敏電阻器所供應的溫度、該汲極-源極電壓、以及該閘極-源極電壓作為輸入參數。
本發明提供一種半導體構件，其包括一基材以及一第一溫度測量元件，其中，該第一溫度測量元件被排列在該半導體構件中具有高功率損耗的位置附近，且其中，一第二溫度測量元件在空間上被排列在該基材上和該第一溫度測量元件相隔一距離處。舉例來說，該半導體構件能夠為一MOSFET、一IGBT、或是特定其它功率半導體。該基材能夠為一半導 體基材，舉例來說，矽基材、特定其它半導體基材、或是絕緣體上矽(Silicon-On-Insulator，SOI)基材。
於此情況中，具有高功率損耗的位置被理解為該半導體晶片之中於操作期間(明確地說，在切換為導通的狀態之中)的高功率損耗會下降並且溫度因而加熱上升至大於其周遭環境之程度的位置。於此情況中，明確地說，「高功率損耗」應該以該晶片中的其它位置為基準來詮釋。較佳的係，該第一溫度測量元件被排列在最高功率損耗的位置附近，舉例來說，被排列在空乏區的附近。較佳的係，介於具有高功率損耗或最高功率損耗的位置以及該第一溫度測量元件之間的空間距離越小越好，明確地說，在技術上越小越好，而不會影響獨特元件的功能。換言之，該第一溫度測量元件較佳的係位於緊鄰具有高功率損耗或最高功率損耗的位置的地方。舉例來說，該第一溫度測量元件能夠直接鄰接該半導體構件的空乏區。
根據本發明用於測定流經一半導體構件之電流的方法原理上包括下面的步驟：a)讀出由被排列在具有高功率損耗的區域之中的第一溫度測量元件所供應的第一溫度的數值；b)讀出由一第二溫度測量元件所供應的第二溫度的數值，該第二溫度測量元件位於和該第一溫度測量元件相隔一距離處；以及c)利用該第一溫度和該第二溫度來計算經過該半導體構件的電流。
根據本發明之車輛用的控制單元包括根據本發明的至少一半導體構件。
根據本發明的半導體構件的優點為僅需要少數額外元件便 可以非常精確地陳述流經該半導體構件的目前電流。為達此估算的目的，可能僅會使用系統ASIC(特定應用積體電路)的邏輯以及AD轉換器，因此相較於沒有根據本發明之電流感測的習知半導體構件，本發明僅需要少數的額外構件。
再者，借助於根據本發明的半導體構件以及根據本發明的方法，可以測定流過該構件的相位電流，而不需要包含該汲極-源極電壓作為初始數值。
取而代之的係，該些個別區域溫度係在該半導體構件的兩個不同點處被測量，配合知道該兩個測量點之間的熱電阻以及熱電容，因此，便可以推知該構件的目前功率損耗，俾使得能夠借助於電阻值RDSon來測定流經該構件的電流。因此，可以建立功率電子構件(例如，MOSFET或是IGBT)的安全切換的過電流限制。
該第一溫度測量元件會被熱耦接至該第二溫度測量元件。於其中一特殊的實施例中假設，該第一溫度測量元件以及該第二溫度測量元件於每一種情況中皆包括一二極體。在此處的每一種情況中的溫度測量值可以為跨越該個別二極體所下降的電壓。依此方式，在該些溫度測量元件中利用很低的結構性費用便可以測定溫度。因此，可以節省用於該些外部構件的結構空間、功率損耗、以及成本，並且利用適當的設計，還可以改良該電流監視的響應時間以及精確性。
根據本發明的其中一較佳實施例假設，該第一溫度測量元件以及該第二溫度測量元件以一體成形的方式被整合至該半導體構件之中。此措施可以在建立該半導體構件時降低費用，其同樣會降低有效成本。此 措施僅需要較少數的獨特構件。因為該些必要功能能列用極少的費用被整合至已知的半導體構件之中，所以，總的來說，這會導致明顯的成本節省效果。又，較少數量獨特構件的意義為有較少數量的可能故障源。
於本發明的其中一種發展中，該半導體構件包括一第三溫度測量元件。同樣地，亦可能有一額外的第四溫度測量元件，甚至有更多的溫度測量元件。電流測定的精確性能夠藉由併入另外的溫度測量元件而提高。該些另外的溫度測量元件亦能夠以一體成形的方式被整合至該晶片之中。舉例來說，所有溫度測量元件雖然皆能夠被實現成一平面式多晶矽二極體；然而，原則上，可能會採用不同溫度測量元件的任意組合來施行本發明。同樣地，亦可以同時使用一體成形整合的溫度測量元件以及外部溫度測量元件，例如，熱敏電阻器。然而，在考慮到生產工程優點的情況下，較佳的係，所有該些溫度測量元件會以一體成形的方式被整合。
於本發明的另一較佳實施例中，一有限熱電容和一有限熱電阻會出現在該第一溫度測量元件以及該第二溫度測量元件之間。如果利用該第一溫度以及該第二溫度作為計算的輸入變數的話，那麼，便能夠以相對精確的方式來測定該半導體構件的目前功率損耗。
於本發明的其中一種發展中，該半導體構件有至少一主動區以及至少一被動區，其中，該第二溫度測量元件被排列在該被動區之中。在該被動區之中的溫度經常低於該主動區之中的溫度，並且明確地說，會明顯低於具有最高功率損耗的區域之中的溫度。由該第一溫度測量元件以及該第二溫度測量元件所測定的兩個溫度之間的較大溫度差會提高訊噪比並且因而改良電流的測定數值的精確性。
於本發明的其中一較佳實施例中，該半導體構件能夠為一MOSFET，以及該些溫度測量元件之中的其中一者能夠為此MOSFET的本體二極體(body diode)。一MOSFET特別適於一功率半導體構件的實施例，舉例來說，一功率開關的實施例。如果利用該MOSFET的本體二極體作為該些溫度測量元件之中的其中一者的話，那麼，用於施行本發明所需要的額外元件的數量便會減少，因為此本體二極體本來就存在於每一個MOSFET之中。
於本發明的其中一種有利的發展中假設，可以於每一種情況中透過專屬的觸墊分接出跨越該第一溫度測量元件的第一溫度測量電壓及/或跨越該第二溫度測量元件的第二溫度測量電壓。換言之，在和測量該兩個溫度測量電壓有關的電路之中的位置點能夠從外部接觸。此配置的優點係該種構造能夠從外面以靈活的方式被進一步互連。再者，用於測定溫度所需要的電壓因而能夠以簡單的方式來測量，舉例來說，藉由被連接至一估算電路(舉例來說，該系統ASIC)的觸墊來測量。
於其中一特殊實施例中，該第一溫度測量元件以及該第二溫度測量元件係被串聯連接。該兩個溫度測量元件接著會被饋接一共同電流源，並且相同的電流會流過該些溫度測量元件。可能存在的進一步溫度測量元件亦能夠串聯互連該些第一溫度測量元件以及第二溫度測量元件並且由單一感測電流來供能。
或者，該第一溫度測量元件以及該第二溫度測量元件亦可以被並聯連接。
特別快速且精確的二極體會有利於施行本發明，該些二極體 的正向電壓輪廓理想上非常匹配於溫度。介於該熱點(也就是說，該晶片中具有高功率損耗或是最高功率損耗的位置)以及晶片邊緣或該被動區裡面的特定其它位置之間的相對低熱電阻與熱電容會導致非常良好的訊噪比並且因受到諸如焊劑、縮孔、DBC(直接焊接銅)、或是黏著劑、…等變動操控的該些其它層之中的溫度輪廓所造成的影響會極小。
根據本發明的方法適合測定一功率開關的目前溫度、功率損耗、以及電流數值並且測定調節變數，以便避免該構件的加速老化或損毀。
本發明的有利發展會在專利依附項之中詳述並且在說明之中予以說明。
2:主要場效電晶體(FET)
3:源極接點
4:汲極接點
5:閘極接點
6:測量場效電晶體(FET)
7:電阻器
8:電流測量點
10:半導體構件
11:裸晶粒
12:基材
14:主動區
16:被動區
18:邊緣區域
20:第一溫度測量元件
22:第二溫度測量元件
24:本體二極體
26:第一電流源
27:第二電流源
30:源極
32:汲極
34:閘極
40:層
42:層
44:層
46:層
50:第一節點
52:第二節點
54:功率損耗源
58:熱電容
60:熱電阻
70:特定應用積體電路(ASIC)
72:計算元件
74:計算元件
76:差分模組
78:查找表
現在將參考圖式以及下面的說明來更詳細解釋本發明的示範性實施例。在圖式中：圖1所示的係根據先前技術之測定流經一半導體構件的電流的可能方式，圖2所示的係根據本發明的一半導體構件的其中一種示範性實施例的略圖，圖3所示的係根據圖2本發明的示範性實施例的平面視圖，圖4所示的係根據圖2本發明的示範性實施例的側視圖，圖5所示的係根據本發明的一半導體構件的電路系統互連的第一實施例，圖6所示的係根據本發明的一半導體構件的電路系統互連的第二實施例， 圖7所示的係根據本發明的一半導體構件的電路系統互連的第三實施例，圖8所示的係根據本發明的半導體構件的其中一實施例的熱等效電路圖，圖9所示的係示範性測量結果的關係圖，以及圖10所示的係將根據本發明的一半導體構件整合至一電路系統之中的其中一種可能方式的圖式。
首先，圖1所示的係根據先前技術之測定流經一半導體構件10的電流的可能方式，其形式為一句有多個分離胞體的電流感測器。主要FET(場效電晶體)2顯示在圖中的右手邊。其源極接點3、汲極接點4、以及閘極接點5如常見的方式互連。測量FET 6圖解在圖中的左手區域。其並聯連接該主要FET 2並且由數個胞體所組成，該些胞體和主要FET 2的胞體分離但是完全相同。該些分開的胞體充當一電流鏡。藉由外部電阻器7能夠在電流測量點8處讀出一電流ISense，該電流可以直接推論出關於流經該主要FET 2的電流。然而，該電阻器7卻會限制該電流測量的動態範圍以及精確性。此外，在先前技術之中所知悉的解決方式中經常會結合使用一溫度感測器以及一電流感測器，以便達成監視的目的，其因而會導致相對高的結構性以及控制工程費用。
圖2概略顯示一半導體構件10的裸晶粒11，該半導體構件10的形式為一功率開關，舉例來說，一MOSFET。該半導體構件10包括：主動區14，也就是說，該些可能非常微小的切換元件被放置的區域，且其 中會產生電氣功率損耗；以及被動區16，該些區域沒有作用，且因此，沒有功率損耗。舉例來說，該些被動區16能夠為焊接墊區、構件10的邊緣區、或是閘極滑槽(gate runner)。第二溫度測量元件22會被排列在該些被動區16中的每一者之中。
圖3所示的係圖2中的半導體構件的平面視圖。兩個溫度測量元件20、22係被排列在該裸晶粒11上。此些所謂的溫度測量結構被定位成使得該第一溫度測量元件20被排列在該主動區14之中或者至少非常靠近該主動區14。該第二溫度測量元件22位於和該第一溫度測量元件相隔一特定空間距離處，舉例來說，位於該構件的邊緣區域18之中。在該主動區14之中的功率損耗高於在該被動區16之中。較佳的係，該第一溫度測量元件20能夠被排列在該半導體構件10的空乏區附近，因為功率損耗特別高。本發明希望由該第一溫度測量元件20所測得的溫度和由該第二溫度測量元件22所測得的溫度之間有大額溫度差，以便改良訊噪比。
圖4所示的係圖2與3的示範性實施例的橫向剖視圖。圖中可區分出基材12，該些另外的結構則被整合於該基材之中。再者，圖中還顯示該結構係由複數層40、42、44、以及46所組成。
該些溫度測量元件20、22能夠以各種方式被電氣連接。圖5所示的係用於互連根據本發明的半導體構件10的第一種可能的方式。圖中可以區分出源極30、汲極32、以及閘極34的已知終端。充當第一溫度測量元件的第一二極體20以及充當第二溫度測量元件的第二二極體22被串聯連接。一隨著時間為恆定的電流Isense會流過兩個二極體20、22，舉例來說，該電流能夠由ASIC 70來提供。電壓降UD1與UD2會分別和該第一二極體20 以及該第二二極體22的區域之中的個別區域溫度成正比。
圖6所示的係用於互連根據本發明的半導體構件10的第二種可能的方式。於此情況中，第一二極體20以及第二二極體22被並聯連接。於此情況中，它們係由第一電流源26以及一第二電流源27來饋送電流。
在圖7所示的實施例之中使用功率MOSFET的本體二極體24作為第二二極體來進行溫度測量。
圖8所示的係本發明的其中一實施例的熱等效電路圖，其具有等效的福斯特網路(Foster network)的形式。本發明中在DBC(直接焊接銅)上或是在引線框上的MOSFET的其中一實施例的熱行為能夠依此方式來描述。具有第一二極體20之形式的第一溫度測量元件會測量第一節點50處的溫度TJ。此處的TJ代表Tjunction，也就是說，其為空乏層的區域(其經常對應於半導體構件10中具有最高功率損耗的區域)之中的溫度。相反地，第二二極體22會測量第二節點52處的溫度TTsense。由於相對於該晶片中的功率損耗源54的不同空間排列的關係，有限熱電阻60和熱電容58會出現在該兩個節點50、52之間。於正常的情況中，這會導致低於溫度TJ的溫度TTsense。圖中的右手邊圖解位於室溫Tambient處的該網路的終端。
因為知道兩個溫度TJ和TTsense，所以，可以測定該兩個節點50、52之間的溫度差△T。舉例來說，在圖9中所示的係本發明所實行的測量系列。此圖中測定每一種情況中介於節點50、52和殼體之間的熱電阻。被描繪成圓形符號的資料點從測量值Zth(t)Junction-Case開始，也就是說，其為介於該第一節點50與該殼體之間的時間相依熱電阻。對應地，Zth(t)Tsense-Case的數值則被描繪成方形，也就是說，其為介於該第二節點52與該殼體之間的熱 電阻。
第三條曲線為前面兩條測量曲線之間的差值，其被描繪成三角形符號的形式。實線所示的係針對兩條測量曲線的7個RC元件以及分別針對該差異曲線的2個RC元件的每一種情況之中的福斯特模型的對應擬合。在福斯特模型之中的曲線描述可以達成該ASIC之中的時間性熱行為的模擬結果。
從圖中可以看出，在穩態中，也就是說，在約50ms至100ms之後，該插值曲線實質上水平前進，也就是說，介於該兩個熱電阻數值Zth(t)Junction-Case和Zth(t)Tsense-Case之間的差值實際上維持恆定。藉由△T以及目前時間上恆定的△Zth=Zth(t)Junction-Case-Zth(t)Tsense-Case，接著，可以根據下面的公式來計算該晶粒之中的目前功率損耗。
Figure 105138550-A0305-02-0014-1
 因為，舉例來說，在切換為導通以及穩態之中的該構件的電阻RDSon能夠利用下面的公式來計算：
Figure 105138550-A0305-02-0014-2
 其中，α~0.4，其可以以下面的公式為基礎來測定目前的電流。舉例來說，上面所提及的所有計算皆能夠在可能存在的任何ASIC之中被實施。
Figure 105138550-A0305-02-0014-3
此ASIC的其中一種可能構造概略圖解再圖10之中。ASIC 70 會先為該兩個溫度測量元件20、22提供一恆定電流Isense。在計算元件72、74中，首先，該些溫度測量元件20、22(它們同樣被具現為二極體的形式)的兩個正向電壓訊號UD1、UD2會接著被轉換成溫度數值Tsense、TJ。為達此目的，如果適當的話，一對應的特徵曲線線性化會事先被進行。
為測定溫度差，接著會在差分模組76之中形成一差值△T。因為知道溫度TJ，所以，接著可以藉由上面提及的公式(2)來預測目前的電阻Ron(TJ)。再者，熱差異電阻ZthJ-Tsense的熱行為已經藉由測量或模擬而於先前測定並且永久儲存在該ASIC之中，舉例來說，儲存成一雙元件福斯特網路或是儲存成一查找表78。這會非常精確，因為ZthJ-Tsense的數值僅從以固定方式被排列在該晶片上的元件中推知，且所以，預期不應該有肇因於構造和連接技術的變異。接著，藉由上面提出的公式能夠從輸入變數△T(t)、Ron(TJ)、以及ZthJ-Tsense中來測定目前的汲極電流Ids，並且充當該功率開關的控制及/或監視變數。舉例來說，溫度TJ(t)亦能夠作為另一控制及/或監視變數。
明確地說，本發明能夠使用於車輛用的控制單元，舉例來說，用於駕駛一車輛。本發明同樣可以使用在用於混合式車輛或電動車輛的功率模組以及「自鎖定(self-locking)」MOSFET之中。同樣地，亦可以設計出針對功率MOSFET以及IGBT的眾多進一步應用。
10:半導體構件
11:裸晶粒
14:主動區
16:被動區
18:邊緣區域
20:第一溫度測量元件
22:第二溫度測量元件

Claims (9)

  1. 一種半導體構件(10)，其包括一基材(12)以及一第一溫度測量元件(20)，其特徵為，該第一溫度測量元件(20)被排列在該半導體構件(10)中具有高功率損耗的位置附近，且其特徵為，一第二溫度測量元件(22)在空間上被排列在該基材(12)上和該第一溫度測量元件(20)相隔一距離處，其中該半導體構件(10)具有至少一主動區(14)以及至少一被動區(16)，且其中該第二溫度測量元件(22)被排列在該被動區(16)之中。
  2. 根據申請專利範圍第1項的半導體構件(10)，其中，該第一溫度測量元件(20)與該第二溫度測量元件(22)之每一者皆包括一個二極體。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項的半導體構件(10)，其中，該第一溫度測量元件(20)與該第二溫度測量元件(22)會以一體成形的方式整合至該半導體構件(10)之中。
  4. 根據申請專利範圍第1或2項的半導體構件(10)，其中，一有限熱電容(58)與一有限熱電阻(60)存在於該第一溫度測量元件(20)與該第二溫度測量元件(22)之間。
  5. 根據申請專利範圍第1或2項的半導體構件(10)，其中，該半導體構件(10)為一MOSFET，且其中，該些溫度測量元件(20，22)之中的一者為該MOSFET的本體二極體(24)。
  6. 根據申請專利範圍第1或2項的半導體構件(10)，其中，透過各自的專屬觸墊分接出跨越該第一溫度測量元件(20)的第一溫度測量電壓(UD1)及/或跨越該第二溫度測量元件(22)的第二溫度測量電壓(UD2)是可行的。
  7. 根據申請專利範圍第1或2項的半導體構件(10)，其中，該第一溫度 測量元件(20)與該第二溫度測量元件(22)被串聯連接。
  8. 一種用於測定流經一半導體構件(10)之電流的方法，其包括下面的步驟：a)讀出由排列在具有高功率損耗的區域之中的第一溫度測量元件(20)所提供的第一溫度(TJ)的數值；b)讀出由一第二溫度測量元件(22)所提供的第二溫度(Tsense)的數值，該第二溫度測量元件(22)在空間上位於和該第一溫度測量元件(20)相隔一距離處；以及c)利用該第一溫度(TJ)和該第二溫度(Tsense)來計算流經該半導體構件(10)的電流，其中該半導體構件(10)具有至少一主動區(14)以及至少一被動區(16)，且其中該第二溫度測量元件(22)被排列在該被動區(16)之中。
  9. 一種載具用的控制單元，其包括根據申請專利範圍第1至7項中任一項的至少一個半導體構件(10)。
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