智能功率集成電路及高壓功率器件可靠性研究.pdf

1、智能功率集成電路應(yīng)用廣泛，涵蓋電子照明、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源管理、工業(yè)控制以及顯示驅(qū)動(dòng)等眾多領(lǐng)域。作為智能功率集成電路的一個(gè)重要分支，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片始終是一個(gè)研究熱點(diǎn)。如何提升驅(qū)動(dòng)芯片的性能、降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的功耗，以最大限度的發(fā)揮電機(jī)的能力，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的發(fā)展趨勢。本論文著重研究兩類電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，即電機(jī)前置驅(qū)動(dòng)芯片和高壓功率驅(qū)動(dòng)芯片。針對(duì)存在的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和關(guān)鍵問題，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有高壓功率集成電路芯片制造工藝技術(shù)，提出了相應(yīng)的解決方案。作為功率集

2、成電路中的核心，功率器件所承受的工作電壓越來越高，電流越來越大，可靠性問題也越來越突出。功率器件的可靠性直接決定了功率集成電路的工作壽命。因此，本論文對(duì)功率器件的可靠性問題也進(jìn)行了重點(diǎn)研究研究成果對(duì)完善高壓功率器件的可靠性評(píng)估體系，具有實(shí)際意義。
　　本論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括:
　　1、對(duì)三相無刷直流電機(jī)前置驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行了研究分析，包括避免高低邊驅(qū)動(dòng)電路或輸出級(jí)上下功率管同時(shí)導(dǎo)通，減小高低邊驅(qū)動(dòng)電路的功耗，防護(hù)

3、輸出節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)的負(fù)電壓帶給電路的不利影響以及減小傳輸延時(shí)等，并從電路和器件結(jié)構(gòu)上提出了相應(yīng)的解決方案?；贖HGrace的0.35μm5V/80VBCD工藝，對(duì)所設(shè)計(jì)的高壓前置驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了流片驗(yàn)證。測試結(jié)果表明:前置驅(qū)動(dòng)電路功能正常，信號(hào)傳播延時(shí)、輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升/下降時(shí)間以及驅(qū)動(dòng)能力等關(guān)鍵性能參數(shù)與國外同類產(chǎn)品水平相當(dāng)。
　　2、對(duì)應(yīng)用于變頻節(jié)能空調(diào)的SOI高壓功率驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)研究，包括低壓控制電路和高壓驅(qū)動(dòng)電路設(shè)

4、計(jì)、高壓集成功率器件設(shè)計(jì)以及1μm500V的SOIBCD制造工藝設(shè)計(jì)研究。該芯片集成高壓三相半橋驅(qū)動(dòng)電路(LIGBT實(shí)現(xiàn))，采用自舉方式實(shí)現(xiàn)高邊驅(qū)動(dòng)電路供電。采用PWM調(diào)制模式控制輸出功率管導(dǎo)通時(shí)間。芯片具有死區(qū)控制和過溫、過流以及欠壓等完備的自我保護(hù)功能。在SOILIGBT器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還創(chuàng)新性地提出了帶有N+埋層的雙溝道LIGBT結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅具有高電壓、大電流驅(qū)動(dòng)性能，而且還具有良好的抗閂鎖能力，提高了器件乃至整個(gè)芯片的工作可

5、靠性。最后，通過TCAD軟件對(duì)整體工藝方案進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，并對(duì)所涉及的所有元器件進(jìn)行了工藝參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，確定了最終的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，完成了芯片整體版圖的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果顯示電路整體性能能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。
　　3、高壓集成功率器件SOILIGBT的可靠性研究。通過電壓應(yīng)力實(shí)驗(yàn)、TCAD仿真、電荷泵測試等方法，對(duì)SOILIGBT在不同電壓應(yīng)力條件下的熱載流子效應(yīng)進(jìn)行了深入的研究，并揭示了不同的退化機(jī)理:對(duì)于直流電壓應(yīng)力條件

6、，當(dāng)集電極電壓不變時(shí)，柵極電壓應(yīng)力越高，氧化層陷阱正電荷引起的退化機(jī)制越會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位;反之，柵極電壓應(yīng)力越低，界面態(tài)引起的退化機(jī)制就越會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。對(duì)于動(dòng)態(tài)電壓應(yīng)力條件，動(dòng)態(tài)柵極信號(hào)頻率越高、占空比越大以及信號(hào)上升/下降時(shí)間越短，SOILIGBT退化越嚴(yán)重。這是因?yàn)樾盘?hào)頻率越高，有效動(dòng)態(tài)應(yīng)力時(shí)間f×tr越大。信號(hào)占空比越大，器件受到高電壓應(yīng)力的時(shí)間就越長。對(duì)于較短的信號(hào)上升/下降時(shí)間，在信號(hào)關(guān)斷過程中，器件內(nèi)部仍然存在較多的少子電流

7、，而此時(shí)器件集電極電場仍維持在較高水平，并在局部區(qū)域產(chǎn)生了更大的電場強(qiáng)度峰值，所以產(chǎn)生了更多的熱載流子，進(jìn)而產(chǎn)生了更多的界面態(tài)或氧化層陷阱電荷，導(dǎo)致器件產(chǎn)生更加嚴(yán)重的退化。在此基礎(chǔ)上，研究了改進(jìn)器件熱載流子效應(yīng)的方法，并設(shè)計(jì)了高可靠性SOILIGBT器件，將其應(yīng)用于一款高壓大功率PDP掃描驅(qū)動(dòng)芯片中（國家核高基重大專項(xiàng)項(xiàng)目，2009ZX01033-001-003），經(jīng)流片測試表明，該器件正常工作壽命大幅提高，達(dá)到了10萬小時(shí)以上，滿足了