HV Device Development and Its High Reliability Establishment in a Vehile 42V Power Electonic IC

摘要

[[abstract]]我們觀察到車用IC使用成本逐年在增高，因此未來車用IC在車輛產業將扮演著重要角色。電子應用在汽車上相當廣泛，其中以車用MCU市場最高，其次為類比IC。目前車上所使用12V電源已經超過了50年的歷史，過去由於汽車上需用電的電子設備較少，12V電源勉強還能滿足車上需求。但隨著相關電子設備導入車內，起動機的功率也逐年提高，12V電源已無法滿足車體的需要，因而下一個電源世代中，受到矚目的是42V電源系統。歐洲汽車廠已開發出42V車用電源系統的相關標準，Benz與BMW也都計畫將42V電源推向汽車市場中，日本和美國的汽車廠也將跟進，車用電源系統的世代交替之趨，似乎難以抗拒。因此在本年度的計劃中，我們將以此未來42V車用電源系統高壓驅動IC為發展及技術開發目標。從功率效應來評估，42V電源所產生功率將達到12V電源1倍之多，提供了汽車電子設備更大的發展空間。在車用系統特性需求與應用領域上，IC模組主要的關鍵技術包括了半導體功率元件技術，其中半導體功率元件扮演相當重要一環。Power MOS 功率電晶體一般被使用在輸出端驅動器上，此外此元件也被利用當做高壓ESD保護元件，但高壓功率半導體元件抗ESD的能力經常性地比一般低電壓製程之積體電路更為脆弱。然而，為了要有效分析ESD的特性，了解其寄生BJT的元件結構將會有相當大的幫助。由於車用電子之Power MOS功率元件在應用上，本身周遭環境及外來突波均有可能產生異常高的電壓。因此功率元件也必須考量抗高靜電放電(ESD)破壞及突然外來過壓破壞(EOS)之能力。以往高壓功率元件有著很差的ESD防護能力，因此本計劃擬提升Power MOS功率元件之ESD/EOS 防護能力，使其之具有較佳的可靠性。靜電放電的問題日益嚴重，傳統靜電防護元件的設計大多利用嘗試錯誤法實際測試或用SPICE模擬等效電路，以獲得可能適合的保護元件。本研究先利用Tsuprem-4及MEDICI等EDA模擬軟體設計出Power MOS電性參數值，而且由TLP 量測找出Design Widow中適切的ESD保護元件參數，再利用佈局參數分析比較其結果，使保護元件的電性表現符合Design Window範圍來達到Power MOS的ESD保護最佳化的目的。在汽車電子功率元件技術中，高效能的ESD保護結構應該具有一個高於42V的保持電壓(可由TLP測試可量得)。這能確保一個良好的ESD保護效能在高電壓峰值時不會有發生另一個可靠性Latch-up的危險。本計劃中將提出最佳化方法去達到這樣的目的，對於功率結構的分析，針對ESD應力下我們使用TLP 測量工具，HBM測試， EMMI測量和2D-元件模擬來研究42V/數安培-Power MOS 功率電晶體詳細的物理結構。最後希望此功率技術產品的ESD性能可通過 > 6KV、保持電壓> 60V, 最小驅動電流1安培。根據此研究，我們將提出一個有關ESD-Power MOS簡潔模型，這個模型成功的描述出Power MOS的高電流、高電壓特性。