CN113933670A - 用于功率设备的预测健康管理 - Google Patents

Abstract

本公开的各实施例涉及用于功率设备的预测健康管理。在一些示例中，一种设备包括功率结构和与功率结构电隔离的感测结构。该设备还包括处理电路装置，处理电路装置被配置为确定感测结构是否包括预测健康指示符，其中，预测健康指示符指示功率结构的健康状况。

Description

用于功率设备的预测健康管理

技术领域

本发明涉及用于半导体设备的电路装置。

背景技术

功率设备和半导体设备可能暴露于严重的应力状况。这种应力会导致逐渐老化和劣化，并最终会导致设备故障。现场中施加于开关的应力大小因情况而异。因此，功率设备的实际工作寿命可能是不可预测的。

功率设备可以被设计为在功率设备将要被安装在内的系统(例如，车辆)的寿命内承受最坏情况的任务分布。只有一小部分设备将暴露于最坏情况的任务分布。因此，对于几乎所有的应用情况，功率设备相对于其实际任务分布被过度设计。

发明内容

本公开描述用于包括功率结构和与功率结构电隔离的感测结构的设备的技术。该设备还包括处理电路装置，其被配置为确定感测结构是否包括预测健康指示符，其中，预测健康指示符指示功率结构的健康。在功率结构中存在任何健康问题的证据之前，处理电路装置能够基于预测健康指示符的检测来预测功率结构中的健康问题。

在一些示例中，一种方法包括测量感测结构中的电流，该感测结构与功率结构电隔离。该方法还包括确定感测结构中的电流大于阈值水平。该方法还包括响应于确定感测结构中的电流大于阈值水平，设置指示预测健康问题的位。

在一些示例中，一种系统包括功率衬底，功率衬底包括功率结构和感测结构，其中，感测结构与功率结构电隔离。该系统还包括被配置为控制驱动器以生成控制功率结构的驱动器信号的处理电路装置。处理电路装置还被配置为测量感测结构中的电流，该感测结构与功率结构电隔离。处理电路装置还被配置为确定感测结构中的电流是否大于阈值水平。处理电路装置还被配置为响应于确定感测结构中的电流大于阈值水平，设置指示预测健康问题的位。

一个或多个示例的细节在附图和下面的描述中进行阐述。其他特征、目标和优点将从说明书和附图以及权利要求书中显而易见。

附图说明

图1是根据本公开技术的包括功率结构和感测结构的设备的概念框图。

图2是根据本公开技术的包括一个或多个反熔丝和电流传感器的感测结构的概念框图。

图3是根据本公开技术的包括一个或多个反熔丝和电压比较器的感测结构的概念框图。

图4是根据本公开技术的感测结构和包括功率开关的功率结构的概念框图。

图5是根据本公开技术的包括逻辑设备和功率设备的系统的概念框图。

图6是示出根据本公开技术的用于在功率结构中检测预测健康指示符的示例技术的流程图。

图7是示出根据本公开技术的用于设计半导体设备的示例技术的流程图。

具体实施方式

本公开描述用于使用感测结构预测功率结构的健康的设备、方法和技术。代替直接感测功率结构的健康或状态，感测结构可以包括预测健康指示符，该预测健康指示符提供功率结构的健康的指示。通过将感测结构实施到还包括功率结构的芯片中，或者实施到靠近功率结构的单独芯片中，设备可以提供用于预测健康管理的健康监控能力。

例如，直接感测功率结构的健康的感测结构可能在劣化变得可检测(例如，明显)之前不感测功率结构的健康的劣化，这可能太晚以至于无法提醒用户、缓解劣化和/或防止功率结构的故障。相反，本公开的感测结构可以包括老化机制，其可以通过在功率结构的劣化变得明显之前变得明显来为功率结构提供预测健康指示。以这种方式，处理电路装置可以被配置为在功率结构的劣化变得明显之前基于感测结构的电参数来预测功率结构的劣化。

疲劳影响功率结构中的材料，并并能够最终导致老化和故障。疲劳还可以使得感测结构展示电子签名(electrical signature)，该电子签名可以指示功率结构的危险老化状态。感测结构可以被配置为当设备劣化到可以导致功率结构的健康问题的状态时提供电子签名。感测结构展示的电子签名可以包括专用感测结构中的高或低电流、高或低电压、高或低阻抗、电阻变化、阻抗变化、电容变化、演变短路和/或演变开路。一个示例签名是反熔丝的氧化物中的分解(breakdown)，这最终会导致短路。另一示例签名是熔丝状结构中的电流路径的分解，这最终会导致开路。本公开的设备可以包括处理电路装置，其能够响应于在由于过应力或磨损而在功率结构中发生劣化或变得明显之前检测到电子签名而提供警告信号。

感测结构可以包括专用的非关键传感器，该传感器受热机械疲劳的影响。然而，感测结构不是必须具有与功率结构相同的失效机制。由感测电路所经历的疲劳可以在专用电路上产生特性电子签名，并且该电子签名可以由专用电路中的传感器读取。在一些实例中，特性电子签名与健康问题出现之间的时间可以相对于功率结构的老化动力学而是可调整的(例如，通过校准)。

图1是根据本公开技术的包括功率结构150和感测结构110的设备100的概念框图。在图1的示例中，设备100还包括处理电路装置160和可选的诊断接口170，尽管在一些示例中，处理电路装置160可以部分或完全位于设备100之外。

功率结构150可以包括用于调节向负载传送电功率或者调节由负载消耗的电功率的功率开关。功率结构150可以包括用于向负载供应电功率或者从负载吸收电功率的负载路径。功率结构150还可以包括电连接到负载路径以允许功率结构150吸收或提供电功率的电导体。功率结构150可以是功率电子电路和/或功率转换电路的一部分。

功率结构150可以包括但不限于任何类型的场效应晶体管(FET)(诸如扩散金属氧化物半导体FET(MOSFET))、双极结晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)和/或使用电压用于其控制的另一元件。功率结构150可以包括n型晶体管和/或p型晶体管。功率结构150可以包括半导体材料，诸如硅、碳化硅和/或氮化镓。

处理电路装置160通信地耦合至感测结构110。在一些示例中，处理电路装置160还经由诊断接口170通信地耦合至外部设备180。处理电路装置160可以包括硬件、软件、固件或它们的任何组合的任何适当的布置，以执行归属于本文的处理电路装置160的技术。处理电路装置160的示例包括微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路装置(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或任何其他等效集成或离散逻辑电路装置以及这些部件的任何组合中的一个或多个。当处理电路装置160包括软件或固件时，处理电路装置160还包括用于存储和执行软件或固件的任何硬件，诸如一个或多个处理器或处理单元。

一般地，处理单元可以包括一个或多个微处理器、DSP、ASIC、FPGA或任何其他等效集成或离散逻辑电路装置以及这种部件的任何组合。尽管未在图1中示出，但处理电路装置160可以包括或耦合至被配置为存储数据的存储器。存储器可以包括任何易失性或非易失性介质，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性RAM(NVRAM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存等。在一些示例中，存储器可以在处理电路装置160的外部(例如，可以在容纳处理电路装置160的封装外)。

诊断接口170是设备100的可选部件，其被配置为通信地耦合至外部设备180。外部设备180可以被配置为经由诊断接口170与处理电路装置160通信。例如，处理电路装置160可以被配置为将与感测结构110相关的数据发送到外部设备180。在一些示例中，处理电路装置160可以从外部设备180接收命令信号(例如，一位或多位)，并且可以被配置为响应于接收到命令信号而对感测结构110进行测量。附加地或备选地，处理电路装置160可以被配置为在制造时和/或在设备100的操作期间的预定时间间隔处进行测量。

在一些示例中，设备100可以包括板载存储器，诸如一次性可编程(OTP)存储器，用于存储在感测结构110的测试时使用的阈值。处理电路装置160可以被配置为基于经由诊断接口170从外部设备180接收的通信将一个或多个阈值存储到板载存储器。处理电路装置160可以被配置为执行感测结构110的测试并将测试结果发送到外部设备180。例如，测试可以发生在设备100被运送给客户之前。然后，外部设备180可以分析结果，确定新阈值，并将新阈值水平传送给处理电路装置160以存储于板载存储器。然后，处理电路装置160可以被配置为使用新阈值水平执行另一测试。

在一些示例中，处理电路装置160和/或外部设备180可以被配置为响应于确定感测结构110包括预测健康指示符而生成警报，以向用户通知功率结构150的未来健康问题。附加地或备选地，处理电路装置160和/或外部设备180可以被配置为响应于确定感测结构110包括预测健康指示符而在较低功率水平下关闭功率结构150和/或操作功率结构150。

功率结构150可以被构造为操作几年或几十年。在功率结构150的工作寿命期间，功率结构150可以经历数千或数百万次功率循环。例如，在每个功率循环期间，功率结构150的功率开关可以接通，然后断开，导致功率结构150的温度变化和浪涌电流。功率结构150将由于大量功率循环引起的疲劳而随时间劣化。

根据本公开的技术，感测结构110被配置为包括指示功率结构150的健康状况的预测健康指示符。为了测量功率结构150的健康状况，处理电路装置160可以被配置为确定感测结构110是否包括预测健康指示符。在一些示例中，预测健康指示符是感测结构110中超过阈值水平的电压或电流。由于感测结构110的老化机制，可以发生预测健康指示符。老化机制的一个示例是感测结构110中氧化物的分解。

感测结构110可以具有不同于功率结构150的老化机制的老化机制。尽管老化机制可以不同，但老化机制可以被设计为随时间而相关，使得感测结构110的老化机制(例如，预测健康指示符)可以在功率结构150的老化机制变得明显之前而变得明显。因此，通过检测到感测结构110包括预测健康指示符，处理电路装置160可以在健康问题影响功率结构150的性能之前预测功率结构150的健康问题。当老化机制已经发展到感测结构110的电参数与阈值水平相交的点时，感测结构110可以包括预测健康指示符。感测结构110可以被设计成使得感测结构110的老化机制在功率结构150的老化机制变得可检测之前变得明显。

与电连接到功率结构的其他传感器不同，感测结构110与功率结构150电隔离。换句话说，结构110和150中的每一个都可以从单独的电源接收功率，其中，结构110和150的电源是电隔离的。用于结构110和150中的每一个的电源可以包括电流源、电压源、电源轨、电池和/或与市电的连接。用于感测结构110的电源可以是仅由感测结构110使用的专用电源，或者感测结构110可以被配置为与设备100的另一元件共享电源。由于结构110和150之间的电隔离，热机械疲劳对感测结构110的影响可以不影响功率结构150的操作。

然而，在一些示例中，结构110和150可以共享公共电源。可以设想，设备100可以包括为感测结构110和功率结构150二者供电的电源，使得用于感测结构110的电源不与功率结构150分离。即使结构110和150共享电源，结构110和150仍然可以具有不同的老化机制。例如，无论是否具有由结构110和150共享的公共电源，通过测量感测结构110的老化机制的进展或状态，处理电路装置160可以预测功率结构150的未来健康问题。

处理电路装置160可以被配置为通过测量感测结构110中的电流来确定感测结构110是否包括预测健康指示符。附加地或备选地，处理电路装置160可以被配置为通过测量感测结构110中的电压、电阻、电容和/或阻抗来确定感测结构110是否包括预测健康指示符。处理电路装置160可以被配置为响应于确定电流、电压、电阻、电容和/或阻抗大于或小于阈值水平来确定感测结构110包括预测健康指示符。

预测健康指示符可以预测功率结构150的健康问题。健康问题可以包括功率结构150的分解事件，诸如功率结构150的热机械劣化。功率结构150的劣化过程可以由热机械疲劳引起。随着时间的推移，功率结构150可能由于由启动和停止电流引起的应力、电流的快速变化、快速开启和关闭以及由导通电阻引起的功率耗散而劣化。功率结构150的劣化可能导致负载端子之间的短路或开路，或者可能导致控制端子与一个或两个负载端子之间的短路。

为了在健康问题发生之前预测功率结构150的健康问题，感测结构110可以提供预测健康指示。感测结构110可以被设计为使得预测健康指示符在功率结构150中发生健康问题之前变得明显。例如，第一个、非常早的指示符可以在功率结构150中的健康问题发生之前在感测结构110中变得明显。其他预测健康指示符(例如，与更高电流水平相关联)可以在第一指示符之后但在功率结构150中发生健康问题之前在感测结构110中变得明显。因此，感测结构110可以为功率结构150提供未来健康问题的早期指示。

在确定感测结构110包括预测健康指示符之后，处理电路装置160可以被配置为经由诊断接口170向外部设备180输出信号，其中信号包括关于预测健康指示符的数据。例如，信号可以包括关于预测健康指示符的类型或严重性的数据，诸如非常早期指示、早期指示或晚期指示。该信号还可以包括关于处理电路装置160检测到预测健康指示符的时间和/或每个预测健康指示符的出现次数的数据。

图2是根据本公开技术的包括一个或多个反熔丝220和电流传感器240的感测结构210的概念框图。感测结构210还包括将电压源230连接到反熔丝220的电导体212。尽管在图2和图3中示出反熔丝220和320作为感测结构210和310的示例，但其他部件可以用于提供预测健康指示符。例如，电容器可以基于电容器的介质阻挡层的分解提供预测健康指示符。随着介质阻挡层劣化，电容器的电容和泄漏电流可以发生变化并提供功率结构中未来健康问题的指示。

反熔丝220可以用于监控功率结构的健康。与熔丝相比，每个反熔丝228A-228N可以包括具有反向电气特性的电气设备。例如，熔丝从低电阻开始，并且可以被设计为当通过导电路装置径的电流超过规定极限时永久断开该路径。因此，熔丝从低电阻劣化到高电阻。相反，反熔丝220可以被配置为在制造时以相对较高的电阻(例如，在千兆欧姆或兆欧姆的量级)开始并且劣化到较低电阻。

编程反熔丝220可以将反熔丝220的高电阻转换为具有较低电阻(数十、数百或数千欧姆的量级)的永久性导电路径。反熔丝220的编程可以包括将一个或多个阈值水平存储到板载存储器以确定反熔丝220跨越阈值水平的快慢。编程可以包括在芯片寿命开始时(诸如在自动测试设备阶段)设置用于预测健康指示符的阈值。阈值可以存储在OTP存储器、闪存和/或任何其他类型的存储器中。尽管图2示出了多个反熔丝220，但感测结构210也可以用单个反熔丝来实施。感测结构210中可以具有任意数量的反熔丝220，包括一个、两个、三个或更多个反熔丝。反熔丝220可以并联连接和/或串联连接。

例如，反熔丝228A可以包括位于金属线222与226之间的氧化物224，其中金属线222可以布置为与金属线226平行。氧化物224可以被配置为由于感测结构210所经历的热机械应力而劣化和泄漏，这可能与功率结构所经历的热机械应力有关。因此，通过反熔丝228A的泄漏电流可以被配置为随着反熔丝228A的氧化物224由于热机械应力的劣化而增加。此外，由于热机械应力引起的劣化，反熔丝220的等效阻抗可以减小，并且跨反熔丝220的电压可以降低。

电流传感器240可以被配置为通过反熔丝220感测泄漏电流。泄漏电流可以通过欧姆定律而与跨反熔丝220的电压和反熔丝220的阻抗有关。当反熔丝220的阻抗由于热机械应力而降低时，如果电压源230输出的电压保持稳定，则通过反熔丝220的泄漏电流可已增加。由于反熔丝228A-228N串联连接，所以反熔丝228A-228N的等效阻抗可以等于每个反熔丝228A-228N的阻抗之和。对于图2所示的电压源示例，反熔丝228A-228N可以被串联连接，使得所有反熔丝228A-228N传导相同的电流。

在一些示例中，电压源230与功率结构的电源分离并且电隔离。在其他示例中，电压源230可以被配置为向功率结构供电，或者电压源230可以从功率结构的电源接收功率。电导体212连接电压源230和反熔丝220，并且电导体212也可以与功率结构电隔离。在一些示例中，电压源230可以被配置为输出一伏、二伏、三伏或五伏的相对稳定的电压。

处理电路装置可以被配置为从电流传感器240接收信号，其中，信号指示通过反熔丝220的泄漏电流。处理电路装置可以被配置为通过确定泄漏电流是否大于阈值水平来确定感测结构210是否包括预测健康指示符。响应于确定泄漏电流超过阈值水平，处理电路装置可以被配置为设置警告位。在一些示例中，处理电路装置可以被配置为向泄漏电流应用多个阈值水平，其中每个阈值水平表示不同的警告类型(例如，非常早期、早期等)。每个阈值水平可基于反熔丝的规格和布置。早期检测阈值可以对应于大于原始电阻的1％、2％、5％或10％的电阻，而后期检测阈值可以对应于小于原始电阻的1％的电阻。

感测结构210的阈值水平和其他参数(例如，反熔丝220的布置)可以通过校准处理进行调整。例如，处理电路装置可以被配置为基于来自外部设备的命令来确定阈值水平。校准处理可以用于将感测结构210与功率结构的主要失效机制(例如，老化机制)相关联，诸如热机械劣化。阈值水平是可调整的，以便在具有功率结构的任何健康问题之前很好地进行检测，或者阈值水平可以被调整为在更接近于功率结构中的健康问题发生的时间而被触发。因此，在感测结构210的老化机制变得明显与功率结构的老化机制变得明显之间的时间是可调整的。

图3是根据本公开技术的包括一个或多个反熔丝320和电压比较器340的感测结构310的概念框图。感测结构310还包括电导体312，其将电流源330连接到反熔丝320和电压比较器340。

电流源330被配置为驱动电流通过并联的反熔丝320。处理电路装置可以被配置为基于电压比较器340的输出来确定跨反熔丝320的压降。在一些示例中，电压比较器340可以包括被配置为应用一个或多个阈值水平的一个或多个比较器。在反熔丝320具有相对较高阻抗的示例中(例如，在制造时)，跨反熔丝320的压降可以与由电流源330生成的电源电压大致相同。在反熔丝320的阻抗降低的示例中，压降可能更接近零伏。

通过反熔丝320的泄漏电流可以被配置为随着反熔丝320的氧化物由于热机械应力的劣化而增加。此外，由于热机械应力引起的劣化，反熔丝320的等效阻抗可减小，并且跨反熔丝320的电压可以降低。

处理电路装置可以被配置为通过确定跨反熔丝的电压小于电压阈值水平来确定感测结构包括预测健康指示符。处理电路装置可以被配置为应用一个以上的电压阈值水平，其中最高电压阈值水平可以对应于非常早期的检测，而较低的电压阈值水平可以对应于早期检测。

图4是根据本公开技术的感测结构410和包括功率开关456的功率结构450的概念框图。在图4的示例中，设备400包括感测结构410、功率结构450和电源454。然而，在其他示例中，电源454可以在设备400之外。例如，电源454可以是独立设备和/或外部设备。

在一些示例中，设备400可以包括单个半导体衬底，该半导体衬底包括感测结构410和功率结构450。单个半导体衬底可以是单种半导体材料、单块半导体材料和/或单个半导体材料芯片。在其它示例中，感测结构410可以是片外的，使得结构410和450布置在单独的半导体衬底上。

功率结构450的尺寸458可以大于感测结构410的尺寸418。例如，尺寸458可以大于尺寸418的至少十倍、一百倍、两百倍、一千倍或两千倍。结构410和450的尺寸418和458可以指被结构410和450覆盖的芯片面积或者被结构410和450占用的体积。尺寸458可以包括功率开关456以及部分或全部电导体452的尺寸。在一些示例中，尺寸458可以包括功率结构450的多个功率开关。因此，感测结构410可以为功率结构450提供预测健康指示符，即使感测结构410可能比功率结构450小得多。通过将感测结构410设计为小于功率结构450，感测结构410可以不实质性地增加设备400的尺寸。

此外，导体452的截面积可以大于感测结构410的导体的截面积。例如，导体452的截面积可以大于感测结构410的导体的截面积的至少十倍、二十倍、一百倍或一千倍。导体452可以连接到功率开关456的负载路径，使得当功率开关456被激活时电流可以流过导体452。

结构410与450之间的距离460可以足够小，使得结构410和450在一段时间内经历相关的热机械应力。结构410和450可以经历由功率开关456的功率循环引起的热机械应力。距离460可以小于功率开关456的一百、五十、二十、十、五或两个功率单元间距，其中，功率开关456包括多个功率单元，并且相邻的功率单元由中心对中心的功率单元间距隔开(例如，对于沟槽设备)。距离460可以小于五百、一百、五十、二十、十、五或两微米。距离460可以被测量为结构410于450的最近边缘之间的距离。例如，距离460可以从感测结构410的最近边缘到电导体452或功率开关456的最近边缘被测量。

图5是根据本公开技术的包括逻辑设备560和功率设备500的系统590的概念框图。在图5所示的示例中，处理电路装置562是逻辑设备560的一部分，逻辑设备560还包括用于驱动功率结构550的驱动器580。在一些示例中，处理电路装置562可已控制驱动器580，而另一处理元件可以被配置为确定感测结构510是否包括预测健康指示符。在一些示例中，逻辑设备560可以包括数字电路装置，而在其他示例中，逻辑设备560可以部分或全部由模拟电路装置组成，作为数字电路装置的替代或补充。

在图5所示的示例中，用于功率结构550的电源554在功率设备500之外。在其他示例中，电源554可已集成到功率设备500中，或者电源554可已完全或部分地在系统590外部。感测结构510可以包括与电源554分离并与电源554电隔离的电源，或者用于感测结构510的电源可以是电源554的一部分或连接到电源554。用于感测结构510的电源可以集成在电源设备500上(例如，在感测结构510内部)，或者用于感测结构510的电源可以完全或部分地在电源设备500外部。

在图5所示的示例中，驱动器580是逻辑设备560的一部分。在其他示例中，驱动器580可以与逻辑设备560分离。例如，驱动器580可以是独立设备，和/或驱动器580可以部分或完全集成到设备560中。

图6是示出根据本公开技术的用于检测功率结构中的预测健康指示符的示例技术的流程图。参考图1所示的电路来描述图6的技术，尽管其他部件可以例示类似的技术。

在图6的示例中，处理电路装置160测量与功率结构150电隔离的感测结构110中的电参数(600)。电参数可以包括电压、电流、阻抗(例如，电阻)、电参数的导数和/或电参数的任何组合。处理电路装置160可以被配置为接收由感测结构110内的传感器输出的信号。处理电路装置160可以被配置为基于从感测结构110接收的信号来确定电参数的幅度或值。

在图6的示例中，处理电路装置160确定感测结构110中的电参数是否大于阈值水平(602)。在一些示例中，处理电路装置160可以被配置为将电参数与多个阈值水平进行比较。例如，处理电路装置160可以将电参数与表示对功率结构150的健康问题的非常早期检测的第一阈值水平进行比较。非常早期检测可以发生在功率结构150的实际性能问题很早之前。处理电路装置160可以将电参数与表示对功率结构150的健康问题的早期检测的第二阈值水平进行比较。处理电路装置160可以将电参数与表示对功率结构150的健康问题的晚期检测的第三阈值水平进行比较。晚期检测可以发生在功率结构150的实际性能问题之前，但是处理电路装置160可以被配置为响应于确定已经超过第三阈值水平而输出警报。通过使用多个阈值水平，处理电路装置160可以被配置为精确定位功率结构150的预期寿命。

在图6的示例中，处理电路装置160设置指示功率结构150的预测健康问题的位(604)。该位可以存储在设备100的存储器中，其中存储器耦合至处理电路装置160。处理电路装置160可以被配置为响应于确定电参数大于第一阈值水平而设置第一位，响应于确定电参数大于第二阈值水平而设置第二位，以及响应于确定电参数大于第三阈值水平而设置第三位。

在一些示例中，处理电路装置160可以被配置为仅在几个测量值超过阈值水平之后设置位，以减少噪声对确定的影响。例如，响应于确定电参数大于阈值水平，处理电路装置160可以被配置为通过采取至少一个附加测量来重复处理以确认该确定。处理电路装置160可以被配置为响应于确定M个测量值中的N个测量值大于阈值水平而设置位，其中N是整数，并且M是大于或等于N的整数。例如，处理电路装置160可以响应于确定十个测量值中的三个测量值大于阈值水平来设置位。

附加地或备选地，处理电路装置160可以被配置为响应于电参数大于阈值水平超过预定持续时间而设置位。例如，处理电路装置160可以确定电参数超过阈值水平，设置定时器，然后检查在定时器超期之后电参数是否仍然超过阈值水平。

在图6的示例中，处理电路装置160经由诊断接口170将预测健康问题的指示输出到外部设备180(606)。指示可以包括关于预测健康问题的数据，诸如发生时间、发生次数以及每次发生的严重程度或水平。

图7是示出根据本公开技术的用于设计半导体设备的示例技术的流程图。在图7的示例中，设计者通过循环确定与感测结构行为有关的数据(700)。数据可以与多个功率循环中的反熔丝的氧化物(例如，阻抗)的分解有关。附加地或备选地，数据可以与多个功率循环中的反熔丝中的电流或电压有关。

在图7的示例中，设计者确定关于所选技术的疲劳的初步认识(702)。疲劳数据可以包括功率结构在多个功率循环中的劣化。然后，设计者设计第一产品芯片和/或校准感测结构(704)。作为一个示例，设计者可以基于功率结构的鲁棒性来选择氧化物的厚度。感测结构的校准可以包括修整反熔丝和/或调整由处理电路装置应用的阈值水平。

在图7的示例中，设计者执行设备的测试(706)。测试可以包括确定感测结构何时开发预测健康指示符，以及这种开发是否在功率结构的健康问题变得明显之前发生。然后，设计者可以确定感测结构是否有效(708)。在设计者确定感测结构无效的示例中，设计者基于测试结果协调感测结构的特性和/或修整读出电路(710)。设计者可以协调阈值水平和/或调整反熔丝的布置和连接。在图7的示例中，设计者验证最终实施(712)。一旦设计被验证，设计就可用于生产一批设备来分发给客户。

本公开将功能归于处理电路装置160。处理电路装置160可以包括一个或多个处理器。处理电路装置160可以包括集成电路装置、分立逻辑电路装置、模拟电路装置的任何组合，诸如一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路装置(ASIC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)。在一些示例中，处理电路装置160可以包括多个部件，诸如一个或多个微处理器、一个或多个DSP、一个或多个ASIC或者一个或多个FPGA的任意组合以及其他分立或集成逻辑电路装置和/或模拟电路装置。

本公开描述的技术也可以在包括非暂态计算机可读存储介质(诸如与处理电路装置160相关联的存储器或存储单元)的产品中被体现或编码。在一些示例中，存储器可以是本地的并且与处理电路装置电集成，或者在其他示例中，存储器可以是外部的并且电连接到处理电路装置160，诸如经由数据总线或直接连接。示例性非暂态计算机可读存储介质可以包括RAM、ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存、硬盘、磁介质、光介质或任何其它计算机可读存储设备或有形计算机可读介质。术语“非暂态”可以指示存储介质未体现在载波或传播信号中。在特定实例中，非暂态存储介质能够存储可以随时间改变的数据(例如，在RAM或高速缓存中)。

以下编号的示例展示了本公开的一个或多个方面。

示例1.一种设备，包括功率结构和与功率结构电隔离的感测结构。该设备还包括处理电路装置，处理电路装置被配置为确定感测结构是否包括预测健康指示符，其中，预测健康指示符指示功率结构的健康。

示例2.根据示例1的设备，其中，功率结构和感测结构被形成在单个半导体衬底上。

示例3.根据示例1或2的设备，其中，功率结构的第一老化机制不同于感测结构的第二老化机制。

示例4.根据示例1-3或其任何组合的设备，其中，处理电路装置被配置为通过测量第二老化机制来确定感测结构是否包括预测健康指示符。

示例5.根据示例1-4或其任何组合的设备，其中，第一老化机制包括功率结构的热机械劣化。

示例6.根据示例1-5或其任何组合的设备，其中，第二老化机制包括感测结构中的氧化物的分解。

示例7.根据示例1-6或其任何组合的设备，其中，感测结构和功率结构在一段时间内经历相关的热机械应力。

示例8.根据示例1-7或其任何组合的设备，其中，预测健康指示符在功率结构的热机械劣化变得明显之前变得明显。

示例9.根据示例1-8或其任何组合的设备，其中，功率结构由第一电源供电，并且感测结构由与第一电源电隔离的第二电源供电。

示例10.根据示例1-9或其任何组合的设备，其中，感测结构包括反熔丝。

示例11.根据示例1-10或其任何组合的设备，其中，感测结构包括被配置为感测流过反熔丝的电流的电流传感器。

示例12.根据示例1-11或其任何组合的设备，其中，处理电路装置被配置为通过确定流过反熔丝的电流大于阈值水平来确定感测结构包括预测健康指示符。

示例13.根据示例1-12或其任何组合的设备，其中，反熔丝在制造时包括超过一百兆欧的初始电阻。

示例14.根据示例1-13或其任何组合的设备，其中，阈值水平对应于小于一兆欧的电阻。

示例15.根据示例1-14或其任何组合的设备，还包括被配置为存储阈值水平的可编程存储器。

示例16.根据示例1-15或其任何组合的设备，还包括被配置为被通信地耦合至外部设备的诊断接口。

示例17.根据示例1-16或其任何组合的设备，其中，处理电路装置被配置为基于经由诊断接口从外部设备接收的通信，在可编程存储器中存储用于设置阈值水平的新值。

示例18.根据示例1-17或其任何组合的设备，其中，反熔丝是第一反熔丝，并且感测结构还包括与第一反熔丝串联连接的第二反熔丝。

示例19.根据示例1-18或其任何组合的设备，其中，电流传感器被配置为感测通过第一反熔丝和通过第二反熔丝的电流。

示例20.根据示例1-19或其任何组合的设备，其中，感测结构包括被配置为驱动电流通过反熔丝的电流源。

示例21.根据示例1-20或其任何组合的设备，其中，感测结构包括电压比较器，电压比较器被配置为在电流源驱动电流通过反熔丝时，将跨反熔丝的电压与电压阈值水平进行比较。

示例22.根据示例1-21或其任何组合的设备，其中，处理电路装置被配置为通过确定跨反熔丝的电压小于电压阈值水平来确定感测结构包括预测健康指示符。

示例23.根据示例1-22或其任何组合的设备，其中，反熔丝是第一反熔丝，并且感测结构还包括与第一反熔丝并联的第二反熔丝。

示例24.根据示例1-23或其任何组合的设备，其中，电流源被配置为驱动电流通过第一反熔丝和通过第二反熔丝。

示例25.根据示例1-24或其任何组合的设备，其中，电压比较器被配置为在电流源驱动电流通过第一反熔丝和通过第二反熔丝时将跨第一反熔丝和第二反熔丝的电压与电压阈值水平进行比较。

示例26.根据示例1-25或其任何组合的设备，其中，功率结构的尺寸大于感测结构的尺寸的至少一百倍。

示例27.根据示例1-26或其任何组合的设备，其中，从感测结构到功率结构的距离小于功率结构中的功率单元的间距的十倍。

示例28.根据示例1-27或其任何组合的设备，其中，功率结构包括功率开关。

示例29.根据示例1-28或其任何组合的设备，其中，功率结构包括电连接到功率开关的负载路径的第一导体。

示例30.根据示例1-29或其任何组合的设备，其中，感测结构包括反熔丝以及电连接到该反熔丝的第二导体。

示例31.根据示例1-30或其任何组合的设备，其中，第一导体的截面积大于第二导体的截面积的至少十倍。

示例32.一种系统，包括功率衬底，功率衬底包括示例1-31的功率结构和感测结构或其任何组合。

示例33.根据示例32的系统，其中，处理电路装置被配置为控制驱动器以生成控制功率结构的驱动器信号。

示例34.根据示例32或33或其任何组合的系统，其中，处理电路装置被配置为测量与功率结构电隔离的感测结构中的电流。

示例35.根据示例32-34或其任何组合的系统，其中，处理电路装置被配置为确定感测结构中的电流是否大于阈值水平，并且响应于确定感测结构中的电流大于阈值水平而设置指示预测健康问题的位。

示例36.根据示例32-35或其任何组合的系统，其中，处理电路装置被配置为测量感测结构中的电流，包括测量通过反熔丝的泄漏电流；并且确定电流是否大于阈值水平包括确定泄漏电流是否大于阈值水平。

示例37.一种方法，包括测量与功率结构电隔离的感测结构中的电流。该方法还包括确定感测结构中的电流大于阈值水平。该方法还包括响应于确定感测结构中的电流大于阈值水平，设置指示预测健康问题的位。

示例38.根据示例37的方法，还包括由示例1-31或其任何组合的处理电路装置执行的任何技术。

示例39.一种方法，包括其上存储有可执行指令的计算机可读介质，可执行指令被配置为可以由处理电路装置执行，以使处理电路装置执行示例1-31或其任何组合的技术。

示例40.一种系统，包括用于执行示例1-31或其任何组合的方法的装置。

已经描述了本公开的各种示例。预期了所描述的系统、操作或功能的任何组合。这些和其他示例在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种设备，包括：

功率结构；

感测结构，与所述功率结构电隔离；以及

处理电路装置，被配置为确定所述感测结构是否包括预测健康指示符，其中，所述预测健康指示符指示所述功率结构的健康。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述功率结构和所述感测结构被形成在单个半导体衬底上。

3.根据权利要求1所述的设备，

其中，所述功率结构的第一老化机制不同于所述感测结构的第二老化机制，以及

其中，所述处理电路装置被配置为通过测量所述第二老化机制来确定所述感测结构是否包括所述预测健康指示符。

4.根据权利要求3所述的设备，

其中，所述第一老化机制包括所述功率结构的热机械劣化，以及

其中，所述第二老化机制包括所述感测结构中的氧化物的分解。

5.根据权利要求4所述的设备，

其中，所述感测结构和所述功率结构在一段时间内经历相关的热机械应力，以及

其中，所述预测健康指示符在所述功率结构的所述热机械劣化变得明显之前变得明显。

6.根据权利要求1所述的设备，

其中，所述功率结构由第一电源供电，以及

其中，所述感测结构由与所述第一电源电隔离的第二电源供电。

7.根据权利要求1所述的设备，

其中，所述感测结构还包括：

反熔丝；以及

电流传感器，被配置为感测流过所述反熔丝的电流，以及其中，所述处理电路装置被配置为通过确定流过所述反熔丝的电流大于阈值水平来确定所述感测结构包括所述预测健康指示符。

8.根据权利要求7所述的设备，

其中，所述反熔丝在制造时包括超过一百兆欧的初始电阻，以及

其中，所述阈值水平对应于小于一兆欧的电阻。

9.根据权利要求7所述的设备，还包括：

可编程存储器，被配置为存储所述阈值水平；以及

诊断接口，被配置为被通信地耦合至外部设备，

其中，所述处理电路装置被配置为基于经由所述诊断接口从所述外部设备接收的通信，在所述可编程存储器中存储用于所述阈值水平的新值。

10.根据权利要求7所述的设备，

其中，所述反熔丝是第一反熔丝，

其中，所述感测结构还包括与所述第一反熔丝串联连接的第二反熔丝，以及

其中，所述电流传感器被配置为感测通过所述第一反熔丝和通过所述第二反熔丝的电流。

11.根据权利要求1所述的设备，

其中，所述感测结构还包括：

反熔丝；

电流源，被配置为驱动电流通过所述反熔丝；以及

电压比较器，被配置为在所述电流源驱动所述电流通过所述反熔丝时，将跨所述反熔丝的电压与电压阈值水平进行比较，

其中，所述处理电路装置被配置为通过确定跨所述反熔丝的电压小于所述电压阈值水平来确定所述感测结构包括所述预测健康指示符。

12.根据权利要求11所述的设备，

其中，所述反熔丝是第一反熔丝，

其中，所述感测结构还包括与所述第一反熔丝并联的第二反熔丝，

其中，所述电流源被配置为驱动电流通过所述第一反熔丝和通过所述第二反熔丝，以及

其中，所述电压比较器被配置为在所述电流源驱动电流通过所述第一反熔丝和通过所述第二反熔丝时将跨所述第一反熔丝和所述第二反熔丝的电压与电压阈值水平进行比较。

13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述功率结构的尺寸大于所述感测结构的尺寸的至少一百倍。

14.根据权利要求1所述的设备，其中，从所述感测结构到所述功率结构的距离小于所述功率结构中的功率单元的间距的十倍。

15.根据权利要求1所述的设备，

其中，所述功率结构包括：

功率开关；以及

第一导体，电连接到所述功率开关的负载路径，

其中，所述感测结构包括：

反熔丝；以及

第二导体，电连接到所述反熔丝，以及

其中，所述第一导体的截面积大于所述第二导体的截面积的至少十倍。

16.一种方法，包括：

测量与功率结构电隔离的感测结构中的电流；

确定所述感测结构中的所述电流大于阈值水平；以及

响应于确定所述感测结构中的所述电流大于所述阈值水平，设置指示预测健康问题的位。

17.根据权利要求16所述的方法，

其中，所述感测结构包括反熔丝，

其中，测量所述感测结构中的电流包括测量通过所述反熔丝的泄露电流，以及

其中，确定所述电流是否大于所述阈值水平包括确定所述泄露电流是否大于所述阈值水平。

18.一种系统，包括：

功率衬底，包括功率结构和感测结构，其中，所述感测结构与所述功率结构电隔离；

处理电路装置，被配置为：

控制驱动器，以生成控制所述功率结构的驱动器信号；

测量与所述功率结构电隔离的所述感测结构中的电流；

确定所述感测结构中的所述电流是否大于阈值水平；以及

响应于确定所述感测结构中的所述电流大于所述阈值水平，设置指示预测健康问题的位。

19.根据权利要求18所述的系统，

其中，所述感测结构包括反熔丝，以及

其中，所述处理电路装置被配置为：

测量所述感测结构中的所述电流包括测量通过所述反熔丝的泄露电流；以及

确定所述电流是否大于所述阈值水平包括确定所述泄露电流是否大于所述阈值水平。

20.根据权利要求18所述的系统，

其中，所述感测结构包括氧化物，

其中，所述处理电路装置被配置为通过测量所述氧化物的分解来确定所述感测结构是否包括预测健康指示符，

其中，所述感测结构和所述功率结构在一段时间内经历相关的热机械应力，以及

其中，所述氧化物的分解在所述功率结构的热机械劣化变得明显之前变得明显。

Images