用于在重复热应力下操作的功率器件的改善的可靠性的方法和电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及功率器件，并且在具体的实施例中涉及用于在重复热应力下操作的功率器件的改善的可靠性的方法和电路的技术和机制。
【背景技术】
[0002]功率器件通常包括用作例如开关模式功率电源等的功率电子产品中的开关或整流器的半导体器件或集成电路。功率器件通常可以操作在“换相模式”中，其中功率器件或者处于传导阶段(例如开关导通)或者非传导阶段(例如，开关切断)。在传导阶段，热机应力可能导致在功率器件的有源区域中的金属化的劣化/损坏，其随时间可能导致故障，例如短路等。更具体地，类似电感钳位的高功率瞬态事件可能产生高瞬态局部温度以及高温度梯度，其可能导致在芯片部件(例如，金属线等)中的金属/热致迀移(热驱动的金属迀移)。的确，金属/热致迀移可能在每个高功率周期期间施加不均匀的应力，直到金属间的电介质破裂并且/或者功率器件失效。
[0003]—种用于降低功率器件中的热致迀移引发的应力的解决方案为降低在高功率脉冲事件期间的峰值温度，其通常通过增加功率器件的有源区域的尺寸来实现。然而，增加功率器件的尺寸对于需要相对较小和/或紧凑的半导体封装的应用来说可能是不希望的。因此，需要用于降低功率器件中的由热致迀移引发的应力的备选技术。
【发明内容】
[0004]通过描述了用于在重复热应力下操作的功率器件的改善的可靠性的方法和电路的本公开的实施例，通常实现技术优势。
[0005]根据一个实施例，提供了一种用于调节功率器件的方法。在该示例中，所述方法包括当功率开关器件经受到高应力条件时进行感测。所述功率开关器件包括输入端口、输出端口，以及耦合在该输入端口和输出端口之间的功率器件部件。当功率开关器件经受到高应力条件时，电流在输入端口和输出端口之间流动。所述方法进一步包括响应于功率开关器件经受到高应力条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。当功率开关器件经受到高应力条件时，电流流经功率器件部件的第一子集而不流经功率器件部件的第二子集。
[0006]根据另一个实施例，提供另一种用于调节功率器件的方法。在该示例中，所述方法包括当功率开关器件经受到高应力条件时进行感测。所述功率开关器件包括输入端口、输出端口，耦合在输入端口和输出端口之间的功率器件部件。当功率开关器件经受到高应力条件时，电流在输入端口和输出端口之间流动。所述方法进一步包括在不同周期期间动态地将功率器件部件的不同子集去激活。在每个周期期间，功率器件部件中的至少一些功率器件部件保持为被激活。当功率开关器件经受到高应力条件时，在给定的周期期间，电流流经激活的功率器件部件而不流经去激活的功率器件部件的子集。
[0007]根据又一个实施例，提供一种功率开关器件。在该示例中，所述功率开关器件包括适配于耦合到负载的输入端口，适配于耦合到散热器的输出端口，以及多个耦合在输入端口和输出端口之间的功率器件部件。当功率开关器件经受到高应力条件时，电流在输入端口和输出端口之间流动。当功率开关器件在第一周期期间经受到高应力条件时，功率器件部件的第一子集为去激活的，并且当功率开关器件在第一周期期间经受到高应力条件时，功率器件部件的第二子集保持为激活的。当功率开关器件在第一周期期间经受到高应力条件时，电流流经功率器件部件的第二子集而不流经功率器件部件的第一子集。
【附图说明】
[0008]为了更为全面地理解本公开以及其优势，现在结合附图对下面描述进行引用，其中:
[0009]图1图示了功率开关器件的实施例的电路图；
[0010]图2图示了功率开关器件的另一个实施例的电路图；
[0011]图3图示了用于在功率器件的操作的不同周期期间选择晶体管的不同子集以进行去激活的选择电路的实施例的电路图；
[0012]图4图示了选择电路的另一个实施例的电路图，该选择电路被配置为感测功率器件的有源区域内的温度、电流和电压，以标识高应力事件；
[0013]图5图示了针对图4所描绘的选择电路的实施例的时序图；
[0014]图6图示了用于监视功率器件的有源区域中的应力的传感器阵列的实施例的示图；
[0015]图7图示了用于监视功率器件的有源区域中的应力的金属线传感器阵列的实施例的示图；
[0016]图8图示了用于监视功率器件的有源区域中的应力的温度传感器阵列的实施例的示图；
[0017]图9图示了在高应力周期期间传统的功率开关器件的有源区域中的温度分布图；
[0018]图10图示了在高应力周期期间具有去激活的晶体管子集的功率开关器件的实施例的有源区域中的温度分布图；
[0019]图11图示了在图9描绘的传统的功率开关器件的有源区域中的温度分布图和沿着四个Y轴的温度轮廓曲线图；
[0020]图12图示了图11所描绘的温度梯度幅度分布图和沿着四个Y轴的温度轮廓曲线图；
[0021]图13图示了图10所描绘的功率开关器件的实施例的有源区域中的温度分布图和沿着四个Y轴的温度轮廓曲线图；
[0022]图14图示了图13所描绘的温度梯度幅度分布图和沿着四个Y轴的温度梯度轮廓曲线图；
[0023]图15图示了比较针对具有不同配置的功率器件的故障概率的曲线图；
[0024]图16图示了处理系统的实施例的示图。
[0025]除非另外指出，在不同图中的相对应的编号和符号通常指代相对应的部分。描绘附图用于清楚地说明实施例的相关方面，并且不必按照比例绘制附图。
【具体实施方式】
[0026]下面详细讨论本公开的实施例的形成和使用。然而，应当理解的是，本文中所公开的概念可以被实施在多种特定情境中，并且本文中所讨论的特定实施例仅仅为说明性的且并不用于限定权利要求的范围。此外，应当理解的是，可以在不背离如权利要求所限定的本公开的精神和范围的前提下，在本文中做出各种改变、替换或者修改。
[0027]本公开的诸方面通过对功率器件部件(例如，晶体管等)的子集进行去激活来降低在当功率器件经受到高应力条件时功率器件中热致迀移引发的应力。对功率器件部件的子集进行去激活用以将功率开关器件的有源区域分划为更小的有源区域，其有利地改变了在有源区域/区块中的温度梯度，例如，在一些实施中平行于电流的轴。在一些实施例中，控制电路动态地对功率器件部件的不同子集进行去激活，以在功率开关器件的使用寿命期间将热致迀移引发的应力点移动到有源区域的不同部分。可以使用各种技术来在给定的操作周期期间选择功率器件部件的哪些子集被去激活。例如，可以随机地或者根据例如在为了延长功率开关架构的平均寿命的模拟和/或测试期间发展出的模式的预定模式来选择功率器件部件的子集。备选地，可以基于来自应力传感器的读数来选择功率器件部件的子集。应力传感器可以是任何传感器，其读数可以用来确定/预测有源区域中的哪些部分经受了应力，包括温度传感器和机械应力传感器。注意到的是，在一些情况中，对于温度梯度的操纵可以延长功率器件的寿命，甚至在峰值温度增加的情况下。类似地，对功率器件部件的子集进行去激活改善了功率器件的整体寿命预期，即使温度梯度跨越有源区域的一些部分而增加。有利地，对功率器件部件的子集进行去激活并不会显著地影响功率器件的导通状态电阻。下面对于这些以及其他方面进行详细讨论。
[0028]本公开的诸方面可以被实施在耦合到电感负载的功率开关器件中。图1图示了耦合到电感负载(L)的功率开关器件100的实施例的电路图。如所示出的，功率开关器件100包括栅极驱动器105，多个晶体管110、120、130，多个开关115、125和135，以及齐纳二极管150。注意到，开关115、125、135被配置为在高应力周期期间选择性地打开运送向晶体管110、120、130的栅极运送激活信号的连接，由此防止激活信号在高应力事件期间激活晶体管110、120、130。在本公开中，术语“高应力周期”与术语“高应力循环”和“高应力实例”同义地使用。
[0029]更加具体地，晶体管110、120、130具有耦合在功率开关器件100的输入(IN)和输出(OUT)之间的源极-漏极路径，以及经由连接C1、C2、C3耦合到齐纳二极管150并且经由连接(C4)耦合到栅极驱动器105的栅极。当晶体管110、120、130中的一个或多个通过激活信号或触发信号被激活时，电感负载(L)的电流在功率开关器件100的输入(IN)和输出(OUT)之间流动。
[0030]当齐纳二极管150进入可能会在电感负载(L)的电压超过阈值(其指示着功率开关器件100正在经受着高应力条件)时发