智能功率集成电路及高压功率器件可靠性研究

摘要

智能功率集成电路应用广泛，涵盖电子照明、电机驱动、电源管理、工业控制以及显示驱动等众多领域。作为智能功率集成电路的一个重要分支，电机驱动芯片始终是一个研究热点。如何提升驱动芯片的性能、降低电机驱动芯片的功耗，以最大限度的发挥电机的能力，是电机驱动芯片的发展趋势。本论文着重研究两类电机驱动芯片，即电机前置驱动芯片和高压功率驱动芯片。针对存在的设计难点和关键问题，结合国内现有高压功率集成电路芯片制造工艺技术，提出了相应的解决方案。作为功率集成电路中的核心，功率器件所承受的工作电压越来越高，电流越来越大，可靠性问题也越来越突出。功率器件的可靠性直接决定了功率集成电路的工作寿命。因此，本论文对功率器件的可靠性问题也进行了重点研究研究成果对完善高压功率器件的可靠性评估体系，具有实际意义。
　　本论文的主要工作和创新点包括:
　　1、对三相无刷直流电机前置驱动电路的设计难点进行了研究分析，包括避免高低边驱动电路或输出级上下功率管同时导通，减小高低边驱动电路的功耗，防护输出节点可能出现的负电压带给电路的不利影响以及减小传输延时等，并从电路和器件结构上提出了相应的解决方案。基于HHGrace的0.35μm5V/80VBCD工艺，对所设计的高压前置驱动电路进行了流片验证。测试结果表明:前置驱动电路功能正常，信号传播延时、输出驱动信号上升/下降时间以及驱动能力等关键性能参数与国外同类产品水平相当。
　　2、对应用于变频节能空调的SOI高压功率驱动芯片进行了整体设计研究，包括低压控制电路和高压驱动电路设计、高压集成功率器件设计以及1μm500V的SOIBCD制造工艺设计研究。该芯片集成高压三相半桥驱动电路(LIGBT实现)，采用自举方式实现高边驱动电路供电。采用PWM调制模式控制输出功率管导通时间。芯片具有死区控制和过温、过流以及欠压等完备的自我保护功能。在SOILIGBT器件结构设计中，还创新性地提出了带有N+埋层的双沟道LIGBT结构，该结构不仅具有高电压、大电流驱动性能，而且还具有良好的抗闩锁能力，提高了器件乃至整个芯片的工作可靠性。最后，通过TCAD软件对整体工艺方案进行了仿真和优化，并对所涉及的所有元器件进行了工艺参数的调整和优化，确定了最终的结构。在此基础上，完成了芯片整体版图的设计。仿真结果显示电路整体性能能够满足设计指标的要求。
　　3、高压集成功率器件SOILIGBT的可靠性研究。通过电压应力实验、TCAD仿真、电荷泵测试等方法，对SOILIGBT在不同电压应力条件下的热载流子效应进行了深入的研究，并揭示了不同的退化机理:对于直流电压应力条件，当集电极电压不变时，栅极电压应力越高，氧化层陷阱正电荷引起的退化机制越会占据主导地位;反之，栅极电压应力越低，界面态引起的退化机制就越会占据主导地位。对于动态电压应力条件，动态栅极信号频率越高、占空比越大以及信号上升/下降时间越短，SOILIGBT退化越严重。这是因为信号频率越高，有效动态应力时间f×tr越大。信号占空比越大，器件受到高电压应力的时间就越长。对于较短的信号上升/下降时间，在信号关断过程中，器件内部仍然存在较多的少子电流，而此时器件集电极电场仍维持在较高水平，并在局部区域产生了更大的电场强度峰值，所以产生了更多的热载流子，进而产生了更多的界面态或氧化层陷阱电荷，导致器件产生更加严重的退化。在此基础上，研究了改进器件热载流子效应的方法，并设计了高可靠性SOILIGBT器件，将其应用于一款高压大功率PDP扫描驱动芯片中（国家核高基重大专项项目，2009ZX01033-001-003），经流片测试表明，该器件正常工作寿命大幅提高，达到了10万小时以上，满足了该课题对产品应用的指标要求。

目录

声明

致谢

摘要

缩略词表

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．1．1 智能功率集成电路发展历程

1．1．2 智能功率集成电路的关键技术

1．1．3 智能功率集成电路的应用

1．2 国内外研究现状

1．3 本论文的主要工作

1．4 本论文的组织结构

2 三相无刷直流电机前置驱动芯片的设计研究

2．1 三相无刷直流电机简介

2．1．1 三相无刷直流电机结构

2．1．2 三相无刷直流电机工作原理

2．2 前置驱动电路关键技术研究

2．2．1 避免芯片外部高低边驱动电路同时导通

2．2．2 避免芯片内部高(低)边驱动电路中输出管同时导通

2．2．3 减小高边驱动电路的功耗

2．2．4 防护输出节点负电压的不利影响

2．2．5 减小传输延时

2．2．6 前置驱动电路整体仿真

2．3 前置驱动电路版图设计与芯片实现

2．4 前置驱动电路芯片测试

2．5 本章小结

3 应用于交频节能空调的高压驱动芯片设计研究

3．1 高压驱动芯片简介

3．2 高压驱动芯片电路设计

3．2．1 Hall输入放大器设计

3．2．2 带隙基准源与6V稳压器设计

3．2．3 三角波发生器设计

3．2．4 PWM调制器设计

3．2．5 三相逻辑电路设计

3．2．6 高边驱动电路设计

3．2．7 低边驱动电路设计

3．2．8 保护电路设计

3．2．9 整体电路分析

3．3 高压集成功率器件设计研究

3．3．1 SOI LIGBT的设计研究

3．3．2 SOI LDMOS的设计研究

3．3．3 高压二极管的设计研究

3．4 芯片整体制造工艺设计

3．5 三相直流无刷电机高压驱动芯片的版图设计与验证

3．5．1 高压驱动电路版图设计

3．5．2 高压驱动电路版图验证

3．6 高压驱动芯片整体参数指标

3．7 本章小结

4 高压集成功率器件SOI LIGBT可靠性研究

4．1 高压SOI LIGBT器件的可靠性问题

4．2 热载流子效应的研究方法

4．2．1 应力实验方法

4．2．2 TCAD仿真方法

4．2．3 电荷泵测试方法

4．3 SOI LIGBT在直流应力条件下热载流子效应研究

4．3．1 直流电压应力试验

4．3．2 TCAD仿真分析

4．3．3 电荷泵测试分析

4．3．4 退化机理揭示

4．4 SOI LIGBT在动态应力条件下热载流子效应研究

4．4．1 动态电压应力试验

4．4．2 TCAD仿真分析

4．4．3 退化机理揭示

4．5 SOI LIGBT热载流子效应改进方法

4．6 SOI LIGBT工作寿命测试

4．6．1 最差应力模式确定

4．6．2 加速寿命测试

4．6．3 正常工作条件下器件寿命预测

4．7 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简历及在学期问所取得的科研成果