CN105849889A - 半导体装置及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
半导体装置(10)在半导体芯片(SCH)上具有热源元件(HSE)和热传感器元件(TE)。从平面视图看热源元件(HSE)的轮廓凹陷，并且凹陷的空间(SP)的深度(y1)被设置为从整个长度(y0)的0.75到0.25倍的尺寸。热传感器元件(TE)的中心部分(Tc)处于接近于连接区域(hse3)的一侧，并且以长度(y3)比长度(x31a)和长度(x31b)短的这样的方式定位于空间(SP)中。如此，可实现热源元件温度检测灵敏度和半导体元件的有效定位。
Description
技术领域
本发明设计半导体装置及其设计方法，并且尤其涉及设有热源元件和温度感测元件的半导体装置及其设计方法。
背景技术
在半导体装置中，热源元件通常是例如双极或MIS功率晶体管，数百毫安到数安的电流穿过该双极或MIS功率晶体管。温度感测元件表示检测形成功率晶体管的半导体芯片的温度(特别是功率晶体管自身的结温)的半导体元件，并且可以是诸如晶体管的有源器件或诸如二极管或电阻器的无源器件。
热源元件和温度感测元件采用例如电压调节器和DC/DC变换器。在双极型中，高电流穿过晶体管的集电极与发射极之间，并且在MIS类型中，穿过源极和漏极之间。此外，当在两个电极之间施加高电压时，这些功率晶体管消耗大量的电功率。例如，当200mA的电流穿过MIS晶体管的源极和漏极之间，并且8V的电压施加在这两个电极之间时，MIS晶体管消耗1.6W的电功率。
随着电功率消耗增加，功率晶体管的结温上升，并且在附近形成的这些半导体元件的结温相应地上升。随着异常高的结温，半导体装置暴露在恶化或损坏的风险中。为了克服不便，将温度感测元件布置在半导体芯片中，特别地在功率晶体管附近，以检测半导体芯片的温度，使得当达到预定温度时，关闭功率晶体管和其它半导体元件或者整个半导体装置的操作，借此防止半导体装置的恶化或损坏。
专利文献1公开了一种用于制造半导体集成电路装置的方法以及半导体集成电路装置。提供一种温度检测电路部分，其检测在操作中的功率MIS晶体管的温度，以及当温度等于预定值或以上时，停止功率MIS晶体管的操作。在功率MOSFET区域的中心，布置温度检测电路区域。据称，将温度检测电路区域布置在功率MOSFET区域的中心(其在功率IC处于操作中时具有最高温度)帮助提高温度检测灵敏度，使得功率IC保护操作可在适合的时间稳定地执行。
专利文献2公开了一种温度检测电路和过热保护电路。在温度检测电路中设置具有温度依赖性的二极管，并且布置输出晶体管以便于围绕二极管。据称，从效率和精度的观点看，具有温度依赖性的二极管最好布置在输出晶体管附近，并且因此二极管被布置在输出二极管的中央部分(参见专利文献2，图5)。
引用文献列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开No.H11-177087
专利文献2：日本专利申请特开No.2002-108465
发明内容
技术问题
专利文献1和专利文献2在如下方面类似：设置热源元件和温度感测元件，并且温度感测元件被布置在热源元件附近。它们还共享将两个元件彼此相邻布置的原因：为了提高热源元件(功率晶体管)的温度检测灵敏度。
如今，半导体装置本身越来越小型化，并且因此热源元件也相应地越小型化并且被制成越来越紧凑。随着热源的面积和体积减小，在半导体芯片中的热源元件的比例减小，并且热生成密度增加，使得在半导体芯片中的热梯度更显著。在该背景下，本发明的发明人研究如何可以最好地布置在专利文献1和专利文献2中公开的热源元件和温度感测元件。结果，已经发现，即使当半导体元件彼此相邻布置时，如在专利文献1和专利文献2中提出的仅仅将两个元件彼此接近布置未实现足够的热保护。基于该发现，本发明旨在提供一种半导体装置和用于设计该半导体装置的方法，其帮助提高温度感测元件的温度检测精度并且允许包括在半导体芯片中的温度感测元件的热保护电路的有效布置。
用于解决问题的手段
根据本发明的一个方面，半导体装置包括热源元件和温度感测元件。如平面视图所示，所述热源元件具有由如下来限定的形状：第一边(11)；第二边(12)，其位于与所述第一边(11)相同的线上，并且在相距所述第一边(11)第二距离x3处，朝着远离所述第一边(11)延伸第三距离x2；第三边(13)，具有与所述第二距离x3相同的长度；第四边(14)，其将所述第一边(11)的一端与所述第三边(13)的一端连接在一起；第五边(15)，其将所述第二边(12)的一端与所述第三边(13)的另一端连接在一起；第六边(16)，其一端连接到所述第一边(11)的另一端并且在与所述第四边(14)相同的方向上延伸，并且具有比所述第四边(14)更大的长度，所述长度被表示为长度y0；第七边(17)，其连接到所述第二边(12)的另一端并且其一端在与所述第五边(15)相同的方向上延伸，并且具有比所述第五边(15)更大的长度，所述长度被表示为长度y0；以及第八边(18)，其将所述第六边(16)的另一端与所述第七边(17)的另一端连接在一起。所述第八边(18)具有长度x0，以及所述温度感测元件被布置在所述第三边(13)附近。
根据本发明的另一个方面，半导体装置在半导体芯片中具有热源元件和温度感测元件。所述热源元件具有U型，并且由位于空间部分的相对侧的两个相对区域以及将所述两个相对的区域耦接在一起的耦接区域来组成。所述温度感测元件被布置在接近耦接区域的所述空间部分中。
根据本发明的又另一个方面，用于设计半导体装置的方法包括：第一步骤，其将具有空间部分的U型热源元件划分成三个区域并且确定所划分的区域的和所述空间部分的尺寸和形状；第二步骤，其执行关于在所述第一步骤中确定的所述热源元件和所述空间部分的热分布仿真；第三步骤，其分析在所述第二步骤中执行的仿真结果；以及第四步骤，其基于在所述第三步骤中获得的仿真结果来确定所述三个区域的尺寸和所述空间部分的尺寸。
本发明的有益效果
根据本发明的在半导体装置中设置的U型热源元件被设定为具有基于热分布仿真而预定的形状的尺寸。另外，对具有预定形状和尺寸的空间部分划界，并且在空间部分中，温度感测元件可被有效地布置，且具有提高的温度检测灵敏度和精度。
附图说明
图1是根据本发明的半导体装置的示意图；
图2是在图1中的热源元件和温度感测元件的布置图；
图3是图2的变形例的示意图；
图4是图2的另一个变形例的示意图；
图5是根据本发明的半导体装置的热分布仿真图；
图6是根据本发明的半导体装置的另一个热分布仿真图；
图7是在图5中示出的热分布仿真的温度梯度图；
图8是在图6中示出的热分布仿真的温度梯度图；
图9是根据本发明的如通过仿真确定的在温度感测元件TE的中央部分Tc处的温度的温度梯度图；
图10是示出根据本发明的在热源元件HSE中的消耗的电功率与温度检测灵敏度之间的关系的仿真图；
图11是示出根据本发明的在热源元件HSE与空间部分之间的面积比率的示意图；以及
图12示出根据本发明的在空间部分中布置的热保护电路TSD的具体电路的一个示例的示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明的半导体装置的示意图。半导体装置10具有在具有硅衬底的半导体芯片SCH中形成的热源元件HSE和温度感测元件TE。在本发明中，热源元件HSE可以是用作热源的双极性晶体管、MIS晶体管等，如在电压调节器、DC/DC变换器等中使用的功率晶体管等。另一方面，温度感测元件TE可以是用作被提供以监测热源元件HSE的温度的温度传感器的半导体元件，特别是晶体管、二极管、电阻器等。
如在平面视图中可看到，热源元件HSE形成U形。热源元件HSE由具有较大面积的相对区域hse1和hse2以及具有较小面积的耦接区域hse3组成。相对区域hse1和hse2具有大致相等的面积。相对区域hse1的面积被表示为其分别在X和Y方向上的长度x1和y0的乘积。相对区域hse2的面积被表示为其分别在X和Y方向上的长度x2和y0的乘积。使长度x1和x2相等给出相对区域hse1和hse2相等的面积。这两个通常被设计为相等的面积。然而，这两个可给出不同的面积，其取决于各种半导体元件和焊垫如何定位于热源元件HSE的周围以及半导体元件如何彼此接线。
耦接区域hse3的面积被表示为其分别在X和Y方向上的长度x3和y2的乘积。耦接区域hse3位于相对区域hse1和hse2之间，以便于将相对区域hse1和hse2耦接在一起。将耦接区域hse3设置在相对区域hse1和hse2之间留下空间部分SP，其中布置热保护电路TSD。用作温度传感器的温度感测元件TE是热保护电路TSD的一部分。从温度感测元件TE的中央部分Tc到耦接区域hse3的一侧的距离y3被设计为比从温度感测元件TE的中央部分Tc到相对区域hse1和hse2的最短距离x31a和x31b更短。原因如下：热从三个方向(即从相对的区域hse1，从相对的区域hse2，以及从耦接区域hse3)传导到整个温度感测元件TE；没有热源元件HSE出现在耦接区域hse3的相对侧，在方向Y上的热传导比在方向X上的热传导弱。因此，为加强从耦接区域hse3的热传导，耦接区域hse3的一侧与温度感测元件TE的中央部分Tc之间的距离被减小。更优选地，从耦接区域hse3的中央部分到温度感测元件TE的中央部分Tc的距离被作成比从相对区域hse1和hse2的中央部分到温度感测元件TE的中央部分Tc的距离更短。目标如下：预测耦接区域hse3和相对区域hse1和hse2具有在其各自的中央部分处的最高温度；减小从耦接区域hse3的中央部分到温度感测元件TE的中央部分Tc的距离帮助增加以及加快从耦接区域hse3到温度感测元件TE的热传导。
假设热源元件HSE在Y方向上的长度y0是恒定的，耦接区域hse3的面积与空间部分SP的面积成反比。即，增加长度y1导致减小长度y2，以及相反，增加长度y2导致减小长度y1。在本发明中，确定与空间部分SP相关的长度y1优先于与耦接区域hse3相关的长度y2。目标是确保足够大的空间部分SP以在其中布置热保护电路TSD。对具有给予空间部分SP的尺寸优先的长度y1的确定影响耦接区域hse3的面积。另一方面，然而，要求耦接区域hse3足够大以向温度感测元件TE传导足够的热量，因此需要具有预定的或更大的面积。因此，存在对于给予长度y1优先的限制。
空间部分SP也需要具有预定的入口宽度，也就是预定的长度x3，以在其中布置热保护电路TSD。另外，空间部分SP需要具有足够大的深度，也就是长度y1，以不仅确保足够的长度和面积来在其中布置热保护电路TSD，还允许从热源元件HSE到温度感测元件TE的足够的热传导。根据采用本发明所做出的各种热分布仿真，发现长度y0和y1最好具有关系0.25≤y1/y0≤0.75。因此，设定使得y1/y0＝0.25导致使y2/y0＝0.75，以及设定使得y1/y0＝0.75导致使y2/y0＝0.25。之后将讨论如何推导这些值。长度y0、y1和y2具体是这样，例如，y0＝350μm以及y1＝y2＝175μm，并且基于在热源元件HSE中容许的电流、功率等，来确定这些长度。
基于与长度y1和y2基本相同的基础，确定热源元件HSE和空间部分SP的在方向X上的长度，即长度x1、x2和x3。具体地，基于在热源元件HSE中容许的电流、功率等，确定长度x1、x2和x3。例如，它们被设定，使得x1＝x2＝250μm以及x3＝140μm。顺便地，常常基于在热源元件HSE中所需的电流和功率来确定长度x1和x2，而不是从确保空间部分以在其中容纳热保护电路TSD的视角来确定长度x1和x2。
根据采用本发明所做出的各种热分布仿真，发现长度x0、x1、x2和x3最好具有关系x3≤x1＝x2≤3×x3。因此，例如，设定使得x3＝140μm导致使140μm≤x1＝x2≤420μm。
除热源元件HSE和热保护电路TSD以外，在半导体芯片SCH中形成另一个电路OC。例如，在半导体装置10包括LDO(低漏失(dropout))调节器的情况中，另一个电路OC包括基准电压源、用于驱动输出晶体管(热源元件HSE)的驱动器、各种控制电路等。
图2示出在图1中所示的热源元件HSE和温度感测元件TE的布置，并且特别示出热源元件HSE和热保护电路TSD的位置关系，热保护电路TSD包括相对于彼此以放大尺寸示出的温度感测元件TE。对于它们的位置关系的详细讨论，图2与图1相比较包括更多的参考标记。通过使用这些参考标记，以下描述继续参考图2。
在图2中，热源元件HSE具有U形。热源元件HSE的U形由如下项组成：第一边11、第二边12、第三边13、第四边14、第五边15、第六边16、第七边17和第八边18。第一和第二边11和12位于相同的线上，彼此与长度x3相隔，并且具有大致相等的长度x1和长度x2。第二边12在远离第一边11所延伸的方向的方向上延伸。第三边13位于远离第一和第二边11和12的在垂直于它们的方向上的长度y1处，并且具有大致等于长度x3的长度。第四边14从端a延伸到端b，并且具有大致等于长度y1的长度。第五边15从端c延伸到端d，并且具有大致等于长度y1的长度。第六边16平行于但长于第四边14；它从端g延伸到端h，并且具有长度y0。第七边17平行于但长于第五边15；它从端e延伸到端f，并且具有长度y0。第八边18基本上平行于第一、第二和第三边11、12和13；它从端f延伸到端g，并且具有长度x0。长度x0等于长度x1、x2和x3的总和。
为了描述方便的目的，特别是之后描述的热量分布仿真的描述，热源元件HSE被划分成三部分，即相对区域hse1和hse2和耦接区域hse3。在图2中示出的具体实施例中，划分可通过延伸第四和第五边14和15以便于形成两个相对的区域和一个耦接区域来实现；相反，划分可通过在方向X上延伸第三边13来实现。同样在该配置中，热源元件HSE由位于空间部分SP的相对侧的两个相对区域以及将两个相对区域耦接在一起的一个耦接区域来组成。
在图2中，指示相对区域hse1和hse2的中央部分的点P1被预测为热源元件HSE具有最高温度所在的地点。耦接区域hse3的中央部分由点P2来指示，其也被预测为大致在如点P1的高温，条件是耦接区域hse3具有预定的或更大的尺寸。耦接区域hse3的一边上的中央部分(即第三边13)由点P3来指示。点P3是最接近温度感测元件的中央部分Tc的在热源元件HSE上的地点。点P4与温度感测元件TE的中央部分Tc相同。在估计热源元件HSE的温度中，在点P4处检测的温度极其重要。点P5位于空间部分SP的入口处，并且被预测为空间部分SP具有最低温度所在的地点。因此，在把握进入热保护电路TSD的热分布和热梯度中，检测在点P5处的温度是极其有用的。
空间部分SP的尺寸和形状由相对区域hse1和hse2以及耦接区域hse3来限定。空间部分SP的入口宽度等于长度x3，以及空间部分SP的深度等于长度y1。在空间部分SP中，布置热保护电路TSD。特别是，设定在温度感测元件TE的中央部分Tc与第三边13之间的最短距离y3比在中央部分Tc(点P4)与第四边14之间的最短距离x31更短，并且比在中央部分Tc与第五边15之间的最短距离x31b更短。设定从点P2(耦接区域hse3的中央部分)与中央部分Tc(点P4)的距离比在点P1(相对区域hse1的中央部分)与中央部分Tc(点P4)之间的距离更短。在距离耦接区域hse3的温度感测元件TE的相对侧上，没有用作热源的半导体装置存在；因此，在方向Y上的热传导比在方向X上的热传导弱。该不方便可通过上述配置来缓解。
在图2中示出的配置中，空间部分SP与耦接区域hse3基本上是相同的尺寸。具体地，长度y0、y1和y2是这样，比率y1/y0等于0.5，比率y2/y0等于0.5，以及长度y1和y2是相等的。空间部分SP的入口宽度(也就是长度x3)大致等于长度x1或x2的一半。在该配置中，耦接区域hse3占据相对区域hse1和hse2的面积的八分之一(12.5％)。空间部分SP的面积相对于热源元件HSE的面积的比率大致等于九分之一(11.1％)。
此外，在图2中示出的配置中，第三边13位于连接点P1(也就是，相对区域hse1和hse2的中央位置)之间的线段P1-P1上，使得温度感测元件TE略微远离线段P1-P1而定位。然而，比率y1/y0＝0.5可被设定为略高，例如在0.55，使得温度感测元件TE被布置在线段P1-P1上。
图3示出图2的一个变形示例。图3在空间部分SP的深度上不同于图2；具体地，长度y1在长度y0中的比例更高。图3示意性地示出y1与y0的比率(也就是y1/y0)被设定为0.75时的配置。增加比率y1/y0导致增加空间部分SP的面积；另一方面，耦接区域hse3然后具有更小的面积。随着热保护电路TSD具有逐渐增加的电路规模，它占据空间部分SP的面积的逐渐增加的部分。然而，随着耦接区域hse3越来越小，从耦接区域hse3传导到温度感测元件TE的热量越来越小；可以预测的是，同时，在点P1(相对区域hse1和hse2的中央位置)与点P2(耦接区域hse3的中央部分)之间的温度差越来越大。因此，减小耦接区域hse3的面积导致降低温度感测元件TE的温度检测灵敏度，并且这可能更不可取。
不管空间部分SP的面积，在温度感测元件TE的中央部分Tc(点P4)与耦接区域hse3之间的最短距离y3被设定为比在中央部分Tc与相对区域hse1和hse2之间的最短距离x31a和x31b更短。在中央部分Tc与点P2之间的距离被设定为比在中央部分Tc与点P1之间的距离更短。以此方式，可以矫正在跨越耦接区域hse3与跨越相对区域hse1和hse2之间的热传导中的差异。
将长度y1到长度y0的比率y1/y0设定在0.75给出空间部分SP更大的深度，但给出耦接区域hse3减小的面积，因为长度y2到长度y0的比率y2/y0是0.25。
图4示出图2的另一个变形示例。图4在空间部分SP的深度上不同于图2和图3；具体地，长度y1在长度y0中的比例更低。图4示意性地示出y1与y0的比率y1/y0被设定为0.25时的配置。减小比率y1/y0导致减小空间部分SP的面积；另一方面，热源元件HSE然后具有更大的面积。随着热保护电路TSD具有逐渐减小的电路规模，在空间部分SP中要求逐渐减小的面积。然而，空间部分SP的太小的面积使得不可能将热保护电路TSD充分地布置在空间部分SP中。通常预测，从热传导的视角，扩大的耦接区域hse3将不造成问题。另一方面，从点P2(耦接区域hse3的中央部分)到温度感测元件TE的中央部分(点P4)的距离然后将更大，并且因此还预测，从耦接区域hse3的热传导效率将更低。
同样在图4中，不管空间部分SP的面积，在温度感测元件TE的中央部分Tc(点P4)与耦接区域hse3之间的最短距离y3被设定为比在中央部分Tc与相对区域hse1和hse2之间的最短距离x31a和x31b更短。在中央部分Tc与点P2之间的距离被设定为比在中央部分Tc与点P1之间的距离更短。以此方式，可以抑制在跨越耦接区域hse3与跨越相对区域hse1和hse2之间的热传导中的差异。
将y1与y0的比率y1/y0设定在0.25给出空间部分SP小的深度，但给出耦接区域hse3增大的面积，因为y2与y0的比率y2/y0是0.75。
图5示出具有在图1到图4中示出的U型热源元件HSE和空间部分SP的热分布仿真的结果。采用U型热源元件HSE执行的仿真被划分为三部分；如图1和图2所示，它沿着方向X被划分成三部分，即两个相对的区域hse10和hse20以及一个耦接区域hse30。另外也可沿着方向Y将其划分成总共三个区域，即具有较小面积的两个耦接区域和具有较大面积的一个相对区域。在任一情况中，根据本发明的热分布仿真的一个特征是被划分成两个相对区域和一个耦接区域的U型。
在热分布仿真中，使用CAE(计算机辅助工程)。热分布仿真的结果从如下来导出：不仅半导体装置10的半导体芯片SCH的尺寸和热源元件HSE的尺寸，还有恒定值，例如所谓的组成材料(例如在其上安装半导体装置10的引线框、芯片焊接材料、导线、密封树脂等)的热传导率[W/m·℃]、密度[kg/m3]和比热。
在根据本发明的热分布仿真中，使用具有在从例如1.0mm×1.0到1.4mm×1.4mm范围中的尺寸的硅半导体芯片SCH。热源元件HSE具有整个半导体芯片SCH的面积的9％到33％。
在图5(A)到图5(C)中，相对区域hse10和hse20具有例如250μm的长度x10和x20，并且均具有350μm的长度y0。耦接区域hse30具有110μm的长度x30，并且被配置使得在耦接区域hse30与相对区域hse10和hse20之间留下15μm的距离(分离宽度)，使得耦接区域hse30与相对区域hse10以及与相对区域hse20分离，使得相对区域hse10和hse20彼此分离。
图5(A)到图5(C)在长度y1和y2上不同。在全部图5(A)到图5(C)中，长度y0(长度y1和y2的总和)是恒定的。
在根据本发明的热分布仿真中，调节在热源元件HSE中消耗的电功率，使得半导体芯片SCH的最大温度是250℃。具体地，采用30W的电功率供应热源元件HSE。250℃的最大温度不是在该类型的半导体装置中容许的一个，而是仅为了仿真。30W的电功率消耗也脱离正常的使用条件。对于预测不期望的行为并且估计实际热分布的具体值，在大大脱离正常使用条件的这样的条件下执行的仿真被视为是有用的。
图5(A)示意性地示出长度y1和y2相等的配置。随着长度y1和y2相等，空间部分SP的面积大致等于耦接区域hse30的面积。在该配置中，在点P1处(相对区域hse10和hse20的中央部分)的温度和在点P2(耦接区域hse30的中央部分)处的温度均是250℃，而没有地点之间的差异。在点P3(在与温度感测元件TE(未示出)相对的耦接区域hse30的那部分)处的温度是大约230℃，以及在点P4(温度感测元件TE的中央部分)处的温度是大约200℃。在点P5(位于空间部分SP的端部)处的温度是大约150℃。因此，在具有最高温度的点P1和P2与P5之间的温度差是大约100℃，以及在空间部分SP的相对端之间的温度差是大约80℃。这意味着，当热保护电路TSD被布置在空间部分SP中时，在空间部分SP中的点P3和P5处布置的元件之间上升大致80℃的温度差。80℃的温度差是当在点P1和P2处的温度达到250℃时升高的温度。假设在点P1和P2处的容许的温度是例如150℃，预测温度差是大约50℃而不是80℃。
图5(B)示意性地示出一种配置，其中与图5(A)相比，给予空间部分SP更大的面积，并且因此给予耦接区域hse30更小的面积。具体地，在该配置中，长度y1等于长度y0的三分之二(67％)，以及耦接区域hse30的长度y2是长度y0的三分之一(33％)。在该配置中，当在点P1处的温度是250℃时，在点P2(耦接区域hse30的中央部分)处的温度略微较低，具体地是大约240℃。在点P3处的温度是大约220℃，以及在点P4处的温度是大约210℃。在点P3和P4处的温度分布很大程度上与在图5(A)中的相同。
在图5(B)中的点P3和P4处的温度分布很大地与在图5(A)中的相同的理由被认为是，在这些点上，来自相对区域hse10和hse20的热传导以及来自耦接区域hse30的热传导彼此争竞(jostle)，且相对区域hse10和hse20具有比耦接区域hse30更大的功率来主导。在点P5处的温度是大约140℃，很大程度上与在图5(A)中的相同。原因被认为是，在远离两个点P1以及远离点P2的点P5处，主导热传导的功率是弱的，其中两个点P1是相对区域hse10和hse20的中央部分，以及点P2是耦接区域hse30的中央部分。
图5(C)示意性地示出一种配置，其中与图5(B)相比，给予空间部分SP更大的面积，并且因此给予热源元件HSE更小的面积。具体地，长度y1是长度y0的十分之九，以及耦接区域hse30的长度y2是长度y0的十分之一。在该配置中，当在点P1和P2处的温度是250℃时，在点P2和P3(耦接区域hse30的中央部分)处的温度是大约200℃。在点P4(温度感测元件TE的中央部分)处的温度是大约190℃，并且因此相对于在图5(B)中的温度低大约20℃。在任何情况下，在温度感测元件TE的中央部分Tc处的温度是大约60℃，这不同于250℃的最大温度，从而指示比在图5(A)和图5(B)中的更低的温度检测灵敏度。较低温度检测灵敏度的原因被认为是，导致到温度感测元件TE的更弱的热传导的耦接区域hse30的较小面积(体积)，以及从点P1(相对区域hse10和hse20的中央位置)到温度感测元件TE的更长的距离。
类似于图5，图6示出具有在图1到图4中示出的U型热源元件HSE的热分布仿真的结果。假定被施加到整个热源元件HSE的电功率是如在图5中所示的30W。
在图6(A)到图6(B)中，相对区域hse12和hse22的长度x12和x22均等于330μm，长度y0等于350μm，耦接区域hse32的长度x32等于110μm，并且采用这样一种配置，其中在耦接区域hse32与相对区域hse12和hse22之间留下15μm的距离，耦接区域hse32与相对区域hse12以及与相对区域hse22相分离，并且相对区域hse12和hse22彼此分离。因此，在图6(A)到图6(C)中，相对区域hse12和hse22的长度x12和x22等于耦接区域hse32的长度x32的三倍。该三倍的尺寸与在图5中示出的大致两倍的尺寸不同。
在图6(A)到图6(C)当中，长度y1和y2不同。如图5中，在全部图6(A)到图6(C)中，长度y0(长度y1和y2的总和)是恒定的。
图6(A)示出其中空间部分SP被给出较小面积的配置。y1与y0的比率y1/y0等于0.25，并且y2与y0的比率y2/y0等于0.75。采用该配置，具有热源元件HSE和空间部分SP的热分布仿真显示出，当在点P1处的温度是最高的(具体地250℃)时，在点P2处的温度也是250℃。在点P3处的温度然后是大约240℃，以及在点P4(温度感测元件TE的中央部分Tc)处的温度是大约220℃。在点P5处的温度是大约210℃，并且因此展示与在点P1处的温度的大约40℃的温度差，这指示与在图5中所示的大的差异。
图6(B)示出其中空间部分SP被给出比在图6(A)中的更大面积的配置。y1与y0的比率y1/y0等于0.5，并且y2与y0的比率y2/y0等于0.5。采用该配置，具有热源元件HSE和空间部分SP的热分布仿真显示出，当在点P1处的温度是最高的(具体地250℃)时，在点P2处的温度也是250℃。在点P3处的温度然后是大约240℃，以及在点P4处的温度是大约230℃。在点P4(温度感测元件TE的中央部分Tc)处的温度相对于P1处的温度低大约20℃。在点P5处的温度是大约200℃。
在图6(B)中的配置中，空间部分SP的面积和耦接区域hse32的面积被设定为大致相等。然后，从P1到P4的距离(也就是，从相对区域hse12和hse22的中央部分到温度感测元件TE的中央部分(点P4))最短。该最短距离比在图6(A)中示出的距离更短。因此，具有最高温度的热量被有效地传导到温度感测元件TE，并且因此预测甚至部分的空间部分SP保持在高温。
图6(C)示出其中空间部分SP的面积比在图6(B)中的更大的配置。y1与y0的比率y1/y0等于0.75，并且长度y2与长度y0的比率y2/y0等于0.25。采用该配置，具有热源元件HSE和空间部分SP的热分布仿真显示出，当在点P1处的温度是最高的(具体地250℃)时，在点P2处的温度是240℃。然后在点P3和P4处的温度是大约230℃。也就是，在点P4(温度感测元件TE的中央部分Tc)处的温度展示与最高温度相比大约20℃的温度差。因此，与图6(C)相比，在热源元件HSE的最高温度与由温度感测元件TE检测的温度之间的温度差大致相同。
在图6中示出的热源元件HSE的结构中，如在图5中示出的那些，热源元件HSE被划分成三部分，即两个相对区域和一个耦接区域。还可采用具有与在图6中示出的划分结构不同的划分结构的热源元件HSE的仿真，例如采用如在图2中示出的结构，其中第三边13延伸到第六和第七边16和17以实现划分成三部分，即两个相对区域和一个耦接区域。同样采用这样的配置，两个相对区域被布置在空间部分SP的相对侧上，并且形成耦接区域以便于将两个相对区域耦接在一起。
图7是示出从不同视角的在图5中示出的热分布仿真的结果的温度梯度图。在图7中，沿着水平轴取得点P1到P5，并且沿着垂直轴取得不同于最高温度(也就是在点P1处的温度)的温度差。作为热分布的参数，取得空间部分SP的深度(也就是比率y1/y0)，并且采用三个值，即y1/y0＝0.90、y1/y0＝0.67和y1/y0＝0.50。
在图7中，点P1指示相对区域hse10和hse20的中央部分，不管参数值，发现在点P1处的温度是大约250℃。
点P2对应于耦接区域hse30的中央部分。在点P2处的温度与在点P1处的温度略微不同：它展示最小的温度差是在当比率y1/y0等于0.5时，温度差然后是0℃，并且然后等于在点P1处的温度；它展示最大的温度差是在当比率y1/y0等于0.9时，也就是，当在遍及仿真，给予空间部分SP最大的面积并且给予耦接区域hse30最小的面积时。在点P2处的温度然后是相对于在点P1处的温度低大约50℃。
点P3对应于耦接区域hse30的一侧的部分；也就是，它是对应于空间部分SP的深度端并且预测具有在空间部分SP中的最高温度的地点。如点2，点3展示在比率y1/y0等于0.5时的最小温度差，温度差然后是大约20℃；它展示在比率y1/y0是0.67时的第二最小温度差；它展示在比率y1/y0等于0.9时的最大温度差，温度差然后是大约50℃。
点P4对应于温度感测元件TE的中央部分Tc。点P4远离点P3达30μm到60μm，并且具有相对于在点P3处的温度低大约20℃的温度。然而，在当比率y1/y0等于0.5时与当比率y1/y0等于0.67时之间，没有观察到大的温度差。然而，与在这些时间观察的温度相比，当比率y1/y0等于0.9时，观察到具有大约20℃的温度差。然而，与在点P3处的温度差相比，在点P4处的温度差减小。
点P5对应于空间部分SP的所谓的入口，并且被认为是在空间部分中温度最低所在的地点。尽管如此，当比率y1/y0是在从0.5到0.9的范围中时，仿真结果显示具有大约110℃的温度差。然而，与在点P2处的温度差相比，在点P5处的温度差减小。顺便地，在图7中示出的特性可被解释为，当比率y1/y0在从0.67到0.5的范围中时，在不同点处的温度当中观察到没有大的温度差。在没有执行具有小于0.5的比率y1/y0的仿真时，认为将观察到与当比率y1/y0等于0.67时观察到的那些特性相类似的特性。
图8是示出从不同视角的在图6中示出的热分布仿真的结果的温度梯度图。在图8中，沿着水平轴取得点P1到P5，并且沿着垂直轴取得不同于最高温度(也就是在点P1处的温度)的温度差。作为热分布的参数，取得空间部分SP的深度(也就是比率y1/y0)，并且采用三个值，即y1/y0＝0.75、y1/y0＝0.50、y1/y0＝0.25。
在图8中，点P1指示相对区域hse12和hse22的中央部分。不管参数值，在点P1处的温度是大约250℃。与在图7中示出的特性相比，在图8中示出的特性展示更小的温度差，这指示获得了更好的结果。还发现，随着空间部分SP的深度变化，在不同点处的温度随着如在图7中的大致相同的趋势来变化。具体地，当比率y1/y0等于0.5时，温度差最小，并且当比率更高或更低时，在点P1和其它点之间的温度差趋于增加。然而，与图7相比，在不同点处的温度差比在图8中的更小，每个温度差的绝对值减小到大致一半。
点P2对应于耦接区域hse32的中央部分。不管比率y1/y0，在点P2处的温度基本上保持相同，并且大致等于最高温度，即250℃。
点P3对应于耦接区域hse32的一侧的部分；也就是，它是对应于空间部分SP的深度端并且被认为具有在空间部分SP中的最高温度的地点。不管空间部分SP的深度，在点P3处的温度差异基本上保持相同，并且大致是240℃。
点P4对应于温度感测元件TE的中央部分Tc。点P4远离点P3达30μm到60μm，并且具有比在点P3处的温度低大约10℃的温度。然而，在当比率y1/y0等于0.5时与当比率y1/y0等于0.25或0.75时之间观察到大约10℃的温度差，该温度差因此与在点P3处的温度差大致相同。
点P5对应于空间部分SP的入口，并且被认为是在空间部分中温度最低所在的地点。尽管如此，仿真结果显示在0.25≤y1/y0≤0.75的范围中的温度低于最高温度大约50℃。然而，在点P5处的温度展示作为在图7中的温度差的一半的温度差，也就是与在点P1处的温度的极大减小的温度差。
总之，图8显示如下：给予相对区域hse12和hse22比耦接区域hse32的面积(体积)更大的面积(体积)导致在空间部分SP中的更小的温度梯度，这在其中布置温度感测元件是优选的。
图9是绘出在图7到图8中示出的在点P4处的温度，特别是与250℃的最高温度的温度差的温度梯度图。无需说明的是，点P4对应于温度感测元件TE的中央部分Tc，并且是对于监测热源元件HSE的温度是尤其重要的地点。具体地，在点P4处的温度距离在点P1处的温度越近，可获得越高的温度检测灵敏度。
图9给出用于作为参数的不同值的两个绘图。其中一个描绘一种情况，即如图5所示，在方向X上的长度x10(x20)与耦接区域hse30的长度x30的比率(也就是，x10(x20)/x30)等于2；另一个描绘一种情况，即如图6所示，在方向X上的长度x12(x22)与耦接区域hse32的长度x32的比率(也就是，x12(x22)/x32)等于3。简言之，在将分别是耦接区域的宽度的两倍和三倍的宽度给予相对区域的情况之间，比较温度检测灵敏度。
图9显示，将比耦接区域的宽度更大的宽度给予相对区域导致更小的温度差和更大的温度检测灵敏度。不管指示空间部分SP的深度的比率(y1/y0)，该倾向保持相同。例如，当比率y1/y0等于0.5时，具有三倍宽度的温度差是大约20℃，以及具有二倍宽度的温度差是大约40℃，在两种情况之间的温度差大致加倍。
图9还显示，指示空间部分SP的深度的比率y1/y0最好接近于0.5的比率y1/y0，具体地在例如从0.25到0.75的范围中。
图9示出用于如下情况的绘图，即将分别为耦接区域hse30或hse32的宽度的两倍或三倍的宽度给予相对区域hse10和hse20或者hse12和hse22。然而可预测，不仅采用二倍或三倍的宽度而且甚至采用相等的宽度，也就是，即使当相对区域具有与耦接区域相同的宽度时，本发明将提供类似的效果。再次参考图5(A)到图5(C)，将从图5(C)理解，由于距离相对区域hse10和hse20的中央部分(点P1)的长距离，到空间部分SP的热传导是不足够的。然而，将理解的是，增加耦接区域hse30的面积直到它具有如在图5(A)所示的某尺寸，这导致在空间部分SP中的温度的上升。从不同的视角看，该状态意味着在到空间部分SP的热传导中，耦接区域hse30是主导的。在该状态中，耦接区域hse30的宽度是相对区域hse10和hse20的宽度的一半。这可被解释为指示，将与耦接区域hse30相同的宽度给予相对区域hse10和hse20，这将提供类似的效果。
在根据本发明的半导体装置10中，热源元件HSE形成U型，以及提供具有预定尺寸的空间部分SP，被划分成分类为两个相对区域和一个耦接区域的三个区域。此后，在向热源元件HSE施加预定的消耗电功率并且监测和控制最高温度的时候，执行关于在热源元件HSE和空间部分SP中的热分布和热梯度的仿真。此后，分析仿真的结果。在分析中，研究了热源元件HSE的最高温度、在温度感测元件TE中的温度差，以及在空间部分SP中的热分布和热梯度。此后，基于分析的结果，确定将热保护电路TSD布置在空间部分SP中所需的面积，并且最后确定热源元件HSE和空间部分SP的形状和尺寸。通过这些步骤，可设计在热源元件HSE中需要的面积以及适用于热保护电路TSD完成其功能的半导体装置10。
图10是示出在热源元件HSE中的电功率消耗和温度检测灵敏度之间的关系的仿真图。具体地，它示出热分布仿真的结果，该结果示出在变化的电力消耗中，在点P1与P4(温度感测元件TE的中央部分Tc)之间的温度差。采用作为参数的两个值，即一种配置，其中如图5所示，相对区域hse10和hse20的横向宽度x10和x20等于耦接区域hse30的横向宽度x30的二倍，以及另一种配置，如图6所示，相对区域hse12和hse22的横向宽度x12和x22等于耦接区域hse32的横向宽度x32的三倍。在这两个配置中，y1/y0等于0.5并且y2/y0等于0.5，以及空间部分SP和耦接区域hse30(hse32)具有大致相同的尺寸。
图5到图9到此为止是指处理一种情况，其中在热源元件HSE中的电功率消耗是30W。图10是从当电功率消耗是30W和60W时热分布仿真的结果获得的特性图。沿着水平轴取得电功率消耗，并且沿着垂直轴取得温度差。
采用两倍的横向宽度，也就是采用x10(x20)/x30＝2，当电功率消耗是30W时，在点P1和P4之间的温度差是44℃。随着其它条件不变，将电功率消耗增加到60W导致温度差上升到88℃。
另一方面，采用三倍的横向宽度，也就是采用x12(x22)/x32＝3，当电功率消耗是30W时，在点P1和P4之间的温度差是22℃。随着其它条件不变，将电功率消耗增加到60W导致温度差上升到48℃。然而发现，与采用两倍的横向宽度相比，在点P1和P4之间的温度差小很多。这表明，作为指示温度感测元件TE的温度检测灵敏度的标志(barometer)，相对区域(x10、x20、x12、x22)的横向宽度与耦接区域(hse30、hse32)的横向宽度的比率非常重要。
在设计和制造类似种类的半导体装置和半导体集成电路装置中，在图10中示出的热分布仿真的结果是非常重要的。原因是，可估计用于通过热源元件HSE的电功率消耗的宽范围的温度感测元件TE的温度检测灵敏度。
从图10可以估计，例如，如将在热源元件HSE的电功率消耗是5W时获得的温度感测元件TE的温度检测灵敏度。可看到，当相对区域的横向宽度是耦接区域的横向宽度的两倍时，温度差是大约8℃，并且当横向宽度比率是三倍时，温度差是大约4℃。因此，可看到，当热源元件HSE的电功率消耗是5W时，温度感测元件TE的检测灵敏度是10℃或更少。还看到，当电功率消耗是10W时，温度差分别是大约16℃和大约8℃。
在图10中示出的特性图依赖如下项来变化：例如所谓的组成材料(例如在其上安装半导体装置10的引线框、芯片焊接材料、导线、树脂等)的热传导率[W/m·℃]、密度[kg/m3]和比热等。因此，通过先前准备的数个组合，可以减小半导体装置10的设计周期，并且提高半导体装置10的产品质量。
图11示出热源元件HSE的面积与空间部分SP的面积的面积比率，并且是通过空间部分SP的入口宽度(长度x3)和深度(长度y1)以及相对区域hsel1和hsel2的宽度(长度x1和x2)的使用而获得作为参数的示意图。
在图11中，例如，当x1(x2)/x3＝2以及y1/y0＝0.50时，空间部分SP的面积等于热源元件HSE的面积的九分之一(＝0.11)，因此面积比率是11.1％。这采用图5(A)来支持。当x1(x2)/x3＝3以及y1/y0＝0.50时，空间部分SP的面积等于热源元件的面积的十三分之一，因此面积比率是7.7％。这采用图6(B)来支持。当x1(x2)/x3＝1以及y1/y0＝0.75时，空间部分SP的面积等于热源元件HSE的面积的三分之一，因此面积比率是33.3％，这尽管在图中没有示出。在本发明中，空间部分SP的面积占据热源元件HSE的面积的比例通常是在图11中示出的从3.7％到33.3％的范围中。也就是，使得热源元件HSE和空间部分SP以平面视图看分别为S1和S2，然后S2很大程度上落在从0.037×S1到0.333×S1的范围中。
图12示出在空间部分SP中布置的热保护电路TSD的具体电路配置的一个示例。热保护设计TSD是公知的设计。除温度感测元件TE以外，热保护电路TSD还包括：例如，恒定电流源CC1和CC2、电阻器R1和R2、晶体管Q、比较器COM和逆变器INV。作为温度感测元件TE，例如使用二极管连接的晶体管。当温度感测元件TE例如是二极管时，跨越二极管的正向电压具有相对于温度变化的例如-2mV的温度系数。因此，通过使在温度感测元件TE中产生的电压与比较器COM比较，可以检测热源元件HSE的温度。根据从比较器COM输出的TSD开/关(ON/OFF)信号，打开或关闭热保护电路TSD。作为温度感测元件TE，还可使用扩散电阻器、多晶硅电阻器或相似形式的半导体。在图12中示出的热保护电路TSD仅是一个示例；其电路配置可以更复杂，具有更高的集成度，或者可以更简单。根据电路配置以及电路组件的数量，可确定空间部分SP的入口宽度和深度。
工业适用性
采用根据本发明的半导体装置和用于设计该半导体装置的方法，可以采用温度感测元件基于热分布仿真来检测接近于热源元件的温度的温度。因此，本发明具有极高的工业适用性，适合用在包括功率晶体管的半导体装置中，以及适用于监测和控制在半导体集成电路装置中的热量。
参考标记列表
10 半导体装置
11 第一边
12 第二边
13 第三边
14 第四边
15 第五边
16 第六边
17 第七边
18 第八边
CC1、CC2 恒定电流源
COM 比较器
HSE 热源元件
hse1、hse2、hse10、hse12、hse20、hse22 相对区域
hse3、hse30、hse32 耦接区域
OC 其它电路
P1到P5 点
Q 晶体管
SCH 半导体芯片
SP 空间部分
TE 温度感测元件
TSD 热保护电路
Claims (11)
1.一种半导体装置，所述半导体装置具有热源元件和温度感测元件，其中，
如平面视图所示，所述热源元件具有由如下来限定的形状：
第一边，其具有第一距离x1；
第二边，其位于与所述第一边相同的线上，并且在相距所述第一边第二距离x3处，朝着远离所述第一边的方向延伸第三距离x2；
第三边，其位于远离所述第一边和第二边第四距离y1处并且在与所述第一边和所述第二边垂直的方向上，并且具有与所述第二距离x3相同的长度；
第四边，其将所述第一边的一端与所述第三边的一端连接在一起；
第五边，其将所述第二边的一端与所述第三边的另一端连接在一起；
第六边，其一端连接到所述第一边的另一端并且在与所述第四边相同的方向上延伸，并且具有比所述第四边更大的长度，所述长度被表示为长度y0；
第七边，其连接到所述第二边的另一端并且其一端在与所述第五边相同的方向上延伸，并且具有比所述第五边更大的长度，所述长度被表示为长度y0；以及
第八边，其将所述第六边的另一端与所述第七边的另一端连接在一起，所述第八边具有长度x0，并且
所述温度感测元件被布置在所述第三边附近。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中
与所述第四边和所述第五边相比，所述温度感测元件的中央部分被布置为更接近于所述第三边。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中
在所述第四距离y1与所述长度y0之间，保持关系0.25≤y1/y0≤0.75。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其中
所述第四距离y1基本上满足关系y1/y0＝0.5。
5.根据权利要求3所述的半导体装置，其中
所述第一和第二距离x1和x2基本上满足关系x3≤x1＝x2≤3×x3。
6.根据权利要求1到5中的任一个所述的半导体装置，其中
所述热源元件和所述温度感测元件被布置在由所述第一边、第二边、第三边、第四边和第五边所划界的空间部分中，并且
如所述平面视图所示，当所述热源元件的面积由S1来表示并且所述空间部分的面积由S2来表示时，保持关系0.037×S1≤S2≤0.333×S1。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其中
所述温度感测元件形成热保护电路的一部分，
所述热保护电路包括：
恒定电流源，其向所述温度感测元件和基准电压电路供应恒定电流；以及
比较器，其将来自所述基准电压电路的基准电压与在所述温度感测元件中产生的电压进行比较，并且
所述热保护电路被布置在空间部分中。
8.一种半导体装置，其在半导体芯片中具有热源元件和温度感测元件，
所述热源元件具有U型，并且由位于空间部分的相对侧的两个相对区域以及将所述两个相对区域耦接在一起的耦接区域来组成，以及
所述温度感测元件被布置在接近耦接区域的所述空间部分中。
9.根据权利要求8所述的半导体装置，其中
与所述温度感测元件的中央部分和一个所述相对区域中的中央部分之间的距离相比，所述温度感测元件的中央部分和所述耦接区域的中央部分之间的距离更短。
10.一种用于设计根据权利要求8或9所述的半导体装置的方法，所述方法包括：
第一步骤，其将U型热源元件划分成三个区域并且确定所划分的区域的尺寸和形状和所述空间部分的尺寸和形状；
第二步骤，其执行关于在所述第一步骤中确定的所述热源元件和所述空间部分的热分布仿真；
第三步骤，其分析在所述第二步骤中执行的仿真结果；以及
第四步骤，其基于在所述第三步骤中获得的仿真结果来确定所述三个区域的尺寸和所述空间部分的尺寸。
11.根据权利要求10所述的方法，其中
所述三个区域中的两个区域是相对区域，并且所述三个区域中的一个是耦接区域。
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