CN110649093A - 一种igbt芯片及半导体功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种IGBT芯片及半导体功率模块，涉及半导体器件的技术领域，在IGBT芯片的第一表面上设有主工作区域的第一栅电极单元和第一发射极单元，电流检测区域的第二栅电极单元和第二发射极单元，IGBT芯片的第二表面上设有主工作区域的第一集电极单元和电流检测区域的第二集电极单元，接地区域设置于第一发射极单元内的任意位置处；电流检测区域和接地区域用于与测试取样电阻的两端连接，使得测试取样电阻上产生电压，以便根据电压检测主工作区域的工作电流，由于主工作区域的栅电极单元和电流检测区域的栅电极单元不连接，使得电流测量过程中电流检测区域与主工作区域的电流比例关系稳定，提高了电流检测精度和测试敏感性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其是涉及一种IGBT芯片及半导体功率模块。
背景技术
半导体功率模块被广泛的应用在斩波或逆变电路中，通常，在半导体功率模块中主要包含可控开关器件和续流器件如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)芯片。为了保证半导体功率模块能够安全、可靠的工作，通常对半导体功率模块中的器件进行电流的实时测试监控，方便电路进行保护。
目前是利用在IGBT芯片内集成的电流传感器来实现对半导体功率模块中的器件进行电流测试监控的，上述电流传感器通常采用Kelvin(开尔芬)连接方式集成在IGBT芯片内的，由于该测试方式使得电流检测区域与主工作区域的电流比例关系不稳定，从而存在电流检测精度和敏感度不高的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种IGBT芯片及半导体功率模块，以缓解上述技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种IGBT芯片，其中，该IGBT芯片包括：主工作区域、电流检测区域和接地区域；其中，IGBT芯片的第一表面上设有主工作区域的第一栅电极单元和第一发射极单元，电流检测区域的第二栅电极单元和第二发射极单元，且，第一栅电极单元、第一发射极单元、第二栅电极单元和第二发射极单元之间通过电极金属刻蚀而隔开；IGBT芯片的第二表面上设有主工作区域的第一集电极单元和电流检测区域的第二集电极单元，且，第一集电极单元和第二集电极单元重合；其中，第二表面与第一表面为IGBT芯片上相对的两个表面；接地区域设置于第一发射极单元内的任意位置处；电流检测区域和接地区域分别用于与测试取样电阻连接，使测试取样电阻上产生电压，以便根据电压检测主工作区域的工作电流。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，电流检测区域置于主工作区域的边缘区域。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，电流检测区域的面积小于主工作区域的面积。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，IGBT芯片为沟槽结构的IGBT芯片。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，在电流检测区和主工作区域的对应位置内分别设置多个沟槽，且，电流检测区的沟槽宽度小于主工作区域的沟槽宽度。
结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，在每个沟槽内填充多晶硅。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，在IGBT芯片的第一主面和IGBT芯片的第二主面之间，还设置有N型耐压漂移层和导电层。
结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，IGBT芯片的边缘还设置有终端保护区域，其中，终端保护区域包括在N型耐压漂移层上设置的多个P+场限环或P型扩散区；多个P+场限环或P型扩散区用于对IGBT芯片进行耐压保护。
第二方面，本发明实施例还提供一半导体功率模块，其中，该半导体功率模块配置有上述的IGBT芯片，还包括第一驱动集成块和第二驱动集成块；第一驱动集成块与IGBT芯片中电流检测区域的第二栅电极单元连接，用于驱动电流检测区域工作；第二驱动集成块与IGBT芯片中主工作区域的第一栅电极单元连接，用于驱动主工作区域工作。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，半导体功率模块还包括测试取样电阻；第二驱动集成块还与测试取样电阻连接，用于获取测试取样电阻上的电压。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的一种IGBT芯片及半导体功率模块，在IGBT芯片的第一表面上设有主工作区域的第一栅电极单元和第一发射极单元，电流检测区域的第二栅电极单元和第二发射极单元，IGBT芯片的第二表面上设有主工作区域的第一集电极单元和电流检测区域的第二集电极单元，接地区域设置于第一发射极单元内的任意位置处；电流检测区域和接地区域分别用于与测试取样电阻的两端连接，使得测试取样电阻上产生电压，以便根据电压检测主工作区域的工作电流，由于主工作区域的栅电极单元和电流检测区域的栅电极单元不连接，使得电流测量过程中电流检测区域与主工作区域的电流比例关系稳定，提高了电流检测精度和测试敏感性。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种IGBT芯片电路示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种IGBT芯片电路示意图；
图3为本发明实施例提供的一种电流曲线示意图；
图4为本发明实施例提供的一种IGBT芯片的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种IGBT芯片电路示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种IGBT芯片的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种半导体功率模块的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种半导体功率模块接线连接示意图。
图标：
101-第一栅电极单元；102-第一发射极单元；103-第二栅电极单元；104-第二发射极单元；105-接地区域；106-终端保护区域；200-集电极；4-金属片；6-N+源区；7-P阱区；14、8-沟槽；9-多晶硅；10-绝缘氧化层；11-N型耐压漂移层；12-导电层；13-金属电极；700-半导体功率模块；701-IGBT芯片；702-第一驱动集成块；703-第二驱动集成块；800-DCB板；801-模块引线端子；802-导线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，由于IGBT芯片具有通态压低、电流容量大、输入阻抗高、响应速度快和控制简单的特点，被广泛应用于工业、信息、新能源、医学、交通、军事和航空冷雨。随着IGBT芯片封装技术的持续进步和应用要求的不断提高，各种半导体功率模块正在不断涌现，它是在普通IGBT模块的基础之上，将驱动控制电路和保护电路一起封装在模块内部，从而提高模块的可靠性、降低了损耗、减小了体积并提高了产能。
为了使半导体功率模块的优点得到充分的体现，同时更好地保护模块内部的芯片，一般选择在功率模块的DCB(Direct Bonding Copper，陶瓷覆铜板)板上增加电流传感器，普遍采用的是镜像电流检测原理，如图1所示的一种IGBT芯片电路示意图，如图1所示，该主要方法是在芯片有源区内按一定面积比例如1：1000，隔离开1/1000的源区金属电极，作为电流检测的传感器，该电流传感器的集电极和栅极与主工作区域是共用的，发射极是分开的。在电流检测时，通过测试取样电阻R上产生的测量电压VS，在外电路中通过测试电极中的电流，来检测器件工作中的电流状态。
在该镜像电流检测中，电流测试精度会受发射极引线的寄生电阻和电感产生阻抗的影响，所以对上述镜像电流检测进行改进，目前普遍采用Kelvin连接，图2示出了另一种IGBT芯片电路示意图，如图2所示，当栅极高电平时，电流传感器与主工作区分别流过电流，电流传感器电流流过取样电阻R到主工作区发射区金属后通过主工作区发射极引线到地，在取样电阻上得到检测信号，这种将检测电阻通过引线直接与主工作源区金属相接，可以回避掉主工作电流接地电压对测试的影响。
但是Kelvin连接容易导致测试电流与工作电流不是“镜像电流”，如图3所示的一种电流曲线示意图，如图3所示，检测电流曲线与工作电流曲线不对应，也就是，在电流检测时，通过测试取样电阻R上产生的电压，而得知相应的主工作区域的电流大小。但测试取样电阻R上的电压同时抬高了电流检测区域的MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属-氧化物(oxide)-半导体场效应晶体管)沟槽沟道对地电位，相当了降低了电流检测区域的栅极电压，使电流检测区域的MOS的沟道电阻增加。当电流检测区域的电流越大，电流检测区域的MOS的沟道电阻就越大，从而使检测电压在IGBT主工作区域电流越大，电流检测区域的电流与主工作区域电流的比例关系偏离的就大，产生大电流下的信号失真，主工作区域工作在大电流或异常过流的检测精度和敏感度比较低。基于此，本发明实施例提供的一种IGBT芯片及半导体功率模块，可以缓解上述技术问题。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种IGBT芯片进行详细介绍。
实施例一：
本发明实施例提供了一种IGBT芯片，该IGBT芯片包括：主工作区域、电流检测区域和接地区域；为了便于理解，如图4所示的一种IGBT芯片的结构示意图，如图4所示，IGBT芯片的第一表面上设有主工作区域的第一栅电极单元101和第一发射极单元102，电流检测区域的第二栅电极单元103和第二发射极单元104，且，各电极之间通过对IGBT芯片表面金属化层刻蚀线间隔开来；IGBT芯片的第二表面(图4中未示出)上设有主工作区域的第一集电极单元和电流检测区域的第二集电极单元，且，第一集电极单元和第二集电极单元重合；其中，第二表面与第一表面为IGBT芯片上相对的两个表面；接地区域105设置于第一发射极单元内的任意位置处；电流检测区域和接地区域分别用于与测试取样电阻的两端连接，用于使得测试取样电阻上产生电压，根据电压检测主工作区域的工作电流。
具体实现时，为了便于理解，图5示出了另一种IGBT芯片电路示意图，如图5所示，将电流检测区域的第二栅电极单元103与主工作区域的第一栅电极单元101分开，主工作区域的第一发射极单元102与电流检测区域的第二发射极单元104分开，且，在主工作区域的第一发射极单元内的任意位置处设置一接地区域105，取样电阻R的两端分别与电流检测区域的第二发射极单元104和接地区域105连接，在进行电流检测过程中，电流检测区域与主工作区域的栅电极驱动分别由不同电路回路驱动工作，使集电极200上的电流IC通过电流检测区域的第二发射极单元到达取样电阻R上，从而使取样电阻上能够产生测量电压VS，通过对取样电阻产生的测量电压VS进行测试，可获取流经主工作区域第一发射极单元的电压；由于取样电阻上产生的测量电压VS不对电流检测区域的MOS沟道电阻产生影响，因此，使得电流检测区域与主工作区域的电流比例关系比较稳定，从而提高了电流检测精度和测试敏感性。
本发明实施例提供的一种IGBT芯片，在IGBT芯片的第一表面上设有主工作区域的第一栅电极单元和第一发射极单元，电流检测区域的第二栅电极单元和第二发射极单元，IGBT芯片的第二表面上设有主工作区域的第一集电极单元和电流检测区域的第二集电极单元，接地区域设置于第一发射极单元内的任意位置处；电流检测区域和接地区域分别用于与测试取样电阻的两端连接，使得测试取样电阻上产生电压，以便根据电压检测主工作区域的工作电流，由于主工作区域的栅电极单元和电流检测区域的栅电极单元不连接，使得电流测量过程中电流检测区域与主工作区域的电流比例关系稳定，提高了电流检测精度和测试敏感性。
在实际使用时，电流检测区域是可以被隔离在主工作区域的任何位置，考虑到芯片引线方便，如图4所示，优先考虑将电流检测区域的栅电极单元和发射极单元隔离在主工作区域的任意边缘区域。
在实际应用时，上述电流检测区域的面积要小于主工作区域的面积，为了进一步提高电流检测的敏感性，通常，在不增加电流检测区域面积的前提下，提高驱动电流检测区域第二栅电极单元的电压，或者，将电流检测区域的阈值电压降低，从而降低电流检测区域的沟道电阻，进而提高电流的检测精度。
具体地，以IGBT芯片为沟槽结构的IGBT芯片为例具体说明IGBT芯片的结构，图6示出了另一种IGBT芯片的结构示意图，图6中的6a为沿图4中AA1方向的截面图，图6中的6b为沿图4中BB1方向的截面图，如图6所示，电流检测区对应位置处设置多个沟槽14，主工作区域的对应位置同样也设置了多个沟槽8，由图6可知，电流检测区的沟槽14宽度要小于主工作区域的沟槽8宽度，这样设置可以进一步降低电流检测区域的电阻，等效提高取样电阻的比例，提高了电流检测的精度。
优选地，如图6所示，在每个沟槽内填充多晶硅9，并在每个沟槽上铺设一层绝缘氧化层10防止多晶硅氧化，且，每两个沟槽之间还包括P阱区7和N+源区6，并且，在绝缘氧化层上放置金属片4分别构成电流检测区的第二栅电极单元、第二发射极单元和主工作区域的第一栅电极单元、第一发射极单元。
如图6所示，在IGBT芯片的第一表面和第二表面之间，还设置有N型耐压漂移层11和导电层12，其中，导电层可为集电极P+区，在集电极P+区上沉淀一层金属电极13作为主工作区域的第一集电极单元和电流检测区域的第二集电极单元。
如图1所示，IGBT芯片的边缘还设置有终端保护区域106，其中，终端保护区域包括在N型耐压漂移层上设置的多个P+场限环或P型扩散区；多个P+场限环或P型扩散区用于对IGBT芯片进行耐压保护。
通常，还在终端保护区域最边缘处设有一个N+沟道截止环，该N+沟道截止环主要用户提供电场截止的，还可在终端保护区域的表面沉淀一层二氧化硅绝缘层后再沉积一层SIPOS层(Semi、Insulating Poly、Crystalline Silicon)，起钝化保护作用，并使该区内的电场更加均匀，由于P+场限环或P型扩散区的个数与IGBT芯片的电压等级有关，因此，在本实施例中，不对P+场限环或P型扩散区的个数进行限定。
实施例二：
在上述实施例的基础上，本实施例还提供一种半导体功率模块，如图7所示的一种半导体功率模块的结构示意图，该半导体功率模块700配置有上述的IGBT芯片701，还包括第一驱动集成块702和第二驱动集成块703；其中，第一驱动集成块702与IGBT芯片中电流检测区域的第二栅电极单元103连接，用于驱动所述电流检测区域工作；第二驱动集成块703与IGBT芯片中主工作区域的第一栅电极单元101连接，用于驱动所述主工作区域工作。
具体实现时，半导体功率模块还包括测试取样电阻；第二驱动集成块还与测试取样电阻连接，用于获取测试取样电阻上的电压。
为了便于理解，图8示出了一种半导体功率模块接线连接示意图，如图8所示，IGBT芯片701设置于DCB板800上，且，第一驱动集成块702和第二驱动集成块703通过模块引线端子801与IGBT芯片701连接。其中，第一驱动集成块702的OUT端口通过模块引线端子801与电流检测区域的第二栅电极单元103连接，第一驱动集成块702的GND端口通过模块引线端子801与电流检测区域的第二发射极单元104连接；第二驱动集成块703的OUT端口通过模块引线端子801与主工作区域的第一栅电极单元101连接，第二驱动集成块703的GND端口通过模块引线端子801与在主工作区域的第一发射极单元102上引出的导线802进行连接；而取样电阻R的一端与接地区域105连接，另一端与第一驱动集成块702的GND端口连接的模块引线端子其中的一个端子连接，且，取样电阻R还与第二驱动集成块703中的Si端口连接，用于通过该Si端口获取取样电阻R上产生的测量电压VS。
本发明实施例提供的半导体功率模块，与上述实施例提供的一种IGBT芯片具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的半导体功率模块的具体工作过程，可以参考前述一种IGBT芯片实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种IGBT芯片，其特征在于，所述IGBT芯片包括：主工作区域、电流检测区域和接地区域；
其中，所述IGBT芯片的第一表面上设有所述主工作区域的第一栅电极单元和第一发射极单元，所述电流检测区域的第二栅电极单元和第二发射极单元，且，所述第一栅电极单元、所述第一发射极单元、所述第二栅电极单元和所述第二发射极单元之间通过电极金属刻蚀而隔开；
所述IGBT芯片的第二表面上设有所述主工作区域的第一集电极单元和所述电流检测区域的第二集电极单元，且，所述第一集电极单元和所述第二集电极单元重合；其中，所述第二表面与所述第一表面为所述IGBT芯片上相对的两个表面；
所述接地区域设置于所述第一发射极单元内的任意位置处；
所述电流检测区域和所述接地区域分别用于与测试取样电阻连接，使所述测试取样电阻上产生电压，以便根据所述电压检测所述主工作区域的工作电流。
2.根据权利要求1所述的IGBT芯片，其特征在于，所述电流检测区域置于所述主工作区域的边缘区域。
3.根据权利要求2所述的IGBT芯片，其特征在于，所述电流检测区域的面积小于所述主工作区域的面积。
4.根据权利要求1所述的IGBT芯片，其特征在于，所述IGBT芯片为沟槽结构的IGBT芯片。
5.根据权利要求1所述的IGBT芯片，其特征在于，在所述电流检测区和所述主工作区域的对应位置内分别设置多个沟槽，且，所述电流检测区的沟槽宽度小于所述主工作区域的沟槽宽度。
6.根据权利要求5所述的IGBT芯片，其特征在于，在每个所述沟槽内填充多晶硅。
7.根据权利要求1所述的IGBT芯片，其特征在于，在所述IGBT芯片的第一表面和所述IGBT芯片的第二表面之间，还设置有N型耐压漂移层和导电层。
8.根据权利要求7所述的IGBT芯片，其特征在于，所述IGBT芯片的边缘还设置有终端保护区域，其中，所述终端保护区域包括在所述N型耐压漂移层上设置的多个P+场限环或P型扩散区；
多个所述P+场限环或所述P型扩散区用于对所述IGBT芯片进行耐压保护。
9.一种半导体功率模块，其特征在于，所述半导体功率模块配置有权利要求1-8任一项所述的IGBT芯片，还包括第一驱动集成块和第二驱动集成块；
所述第一驱动集成块与所述IGBT芯片中电流检测区域的第二栅电极单元连接，用于驱动所述电流检测区域工作；
所述第二驱动集成块与所述IGBT芯片中主工作区域的第一栅电极单元连接，用于驱动所述主工作区域工作。
10.根据权利要求9所述半导体功率模块，其特征在于，所述半导体功率模块还包括测试取样电阻；
所述第二驱动集成块还与所述测试取样电阻连接，用于获取所述测试取样电阻上的电压。
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