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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Leistungsvorrichtungen und insbesondere Ausführungsformen von Techniken und Mechanismen für Verfahren und Schaltungen für eine verbesserte Zuverlässigkeit von Leistungsvorrichtungen, welche unter wiederholter thermischer Belastung arbeiten.
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Leistungsvorrichtungen umfassen im Allgemeinen Halbleiterbauelemente oder integrierte Schaltungen, die als Schalter oder Gleichrichter in der Leistungselektronik verwendet werden, wie z. B. eine getaktete Leistungsversorgung, usw. Leistungsvorrichtungen können typischerweise in einem „Kommutierungsmodus“ arbeiten, in dem sie entweder in einem leitenden Zustand (z. B. eingeschaltet) oder nicht-leitenden Zustand (z. B. ausgeschaltet) sind. Während des leitenden Zustands kann eine thermo-mechanische Belastung eine Verschlechterung/Zerstörung der Metallisierung im aktiven Bereich einer Leistungsvorrichtung bewirken, welche im Laufe der Zeit zu einem Ausfall führen kann, z. B. Kurzschlüsse usw. Genauer gesagt können transiente Hochleistungsereignisse, wie beispielsweise eine induktive Klemmung, hohe transiente lokale Temperaturen und Hochtemperaturgradienten erzeugen, welche Metall/Thermo-Migration (thermo-gesteuerte Migration der Metalle) in Chipkomponenten (z. B. Metallleitungen usw.) bewirken können. Tatsächlich kann eine Metall/Thermo-Migration ungleichförmige Belastungen während jedes Hochleistungszyklus ausüben, bis das Zwischenmetall-Dielektrikum Risse aufweist und/oder die Leistungsvorrichtung ausfällt.
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Eine Lösung zum Reduzieren von thermo-migrationsinduzierter Belastung in Leistungsvorrichtungen ist es, die Spitzentemperatur während der Hochleistungspulsereignisse zu reduzieren, was im Allgemeinen durch Erhöhen der Größe des aktiven Bereichs der Leistungsvorrichtung erzielt wird. Eine Erhöhung der Größe der Leistungsvorrichtung kann jedoch für Anwendungen, welche ein relativ kleines und/oder kompaktes Halbleiter-Packaging erfordern, unerwünscht sein. Dementsprechend sind alternative Techniken zum Reduzieren von thermo-migrationsinduzierter Belastung in Leistungsvorrichtungen erwünscht.
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Die
DE 692 21 771 T2 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit mehreren parallel geschalteten Transistoren deren Laststrecken parallel geschaltet sind und die separat voneinander angesteuert werden. Bei dieser Schaltungsanordnung werden Gateströme der einzelnen Transistoren überwacht, um einen Gate-Source-Kurzschluss in den einzelnen Transistoren detektieren zu können. Wird ein Gate-Source-Kurzschluss in einem der Transistoren detektiert, so wird dieser Transistor deaktiviert und ein durch die Schaltungsanordnung fließender Laststrom wird durch die jeweils anderen Transistoren übernommen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Zuverlässigkeit einer Leistungsschaltvorrichtung, die unter wiederholter thermischer Belastung arbeitet und die mehrere Leistungsvorrichtungskomponenten umfasst, zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 4, und eine Leistungsschaltvorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Offenbarung und deren Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
- 1 einen Schaltplan einer Ausführungsform einer Leistungsschaltvorrichtung veranschaulicht;
- 2 einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform einer Leistungsschaltvorrichtung veranschaulicht;
- 3 einen Schaltplan einer Ausführungsform einer Auswahlschaltung zum Auswählen verschiedener Teilmengen von Transistoren zum Deaktivieren während verschiedener Perioden des Leistungsvorrichtungsbetriebs veranschaulicht;
- 4 einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform einer Auswahlschaltung veranschaulicht, welche ausgelegt ist, um Temperatur, Strom und Spannung im aktiven Bereich einer Leistungsvorrichtung zu erfassen, um Hochbelastungsereignisse zu identifizieren;
- 5 ein Zeitdiagramm für die Ausführungsform der Auswahlschaltung veranschaulicht, welche in 4 dargestellt ist;
- 6 eine Darstellung einer Ausführungsform einer Sensoranordnung zum Überwachen der Belastung im aktiven Bereich einer Leistungsvorrichtung veranschaulicht;
- 7 eine Darstellung einer Ausführungsform einer Metallleitungssensoranordnung zum Überwachen der Belastung im aktiven Bereich einer Leistungsvorrichtung veranschaulicht;
- 8 eine Darstellung einer Ausführungsform einer Temperatursensoranordnung zum Überwachen der Belastung im aktiven Bereich einer Leistungsvorrichtung veranschaulicht;
- 9 eine graphische Darstellung einer Temperaturverteilung in einem aktiven Bereich einer herkömmlichen Leistungsschaltvorrichtung während einer Hochbelastungsperiode veranschaulicht;
- 10 eine graphische Darstellung einer Temperaturverteilung in einem aktiven Bereich einer Ausführungsform einer Leistungsschaltvorrichtung mit einer Teilmenge von Transistoren, welche während einer Hochbelastungsperiode deaktiviert werden, veranschaulicht;
- 11 eine graphische Darstellung einer Temperaturverteilung und eine graphische Darstellung von Temperaturprofilen entlang vier Y-Achsen im aktiven Bereich der in 9 dargestellten herkömmlichen Leistungsschaltvorrichtung veranschaulicht;
- 12 eine graphische Darstellung der Temperaturgradientengrößenverteilung und eine graphische Darstellung von Temperaturgradientenprofilen entlang den in 11 dargestellten vier Y-Achsen veranschaulicht;
- 13 eine graphische Darstellung einer Temperaturverteilung und eine graphische Darstellung von Temperaturprofilen entlang vier Y-Achsen im aktiven Bereich der in 10 dargestellten Ausführungsform einer Leistungsschaltvorrichtung veranschaulicht;
- 14 eine graphische Darstellung der Temperaturgradientengrößenverteilung und eine graphische Darstellung von Temperaturgradientenprofilen entlang den in 13 dargestellten vier Y-Achsen veranschaulicht;
- 15 eine graphische Darstellung veranschaulicht, welche die Ausfallwahrscheinlichkeiten für Leistungsvorrichtungen mit verschiedenen Konfigurationen vergleicht;
- 16 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Verarbeitungssystems veranschaulicht.
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Entsprechende Zahlen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, sofern nicht anders angegeben. Die Figuren wurden gezeichnet, um die relevanten Aspekte der Ausführungsformen deutlich zu veranschaulichen, und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
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Die Herstellung und Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden unten detailliert erörtert. Es sollte jedoch erkannt werden, dass die hierin offenbarten Konzepte in einer großen Vielzahl von spezifischen Kontexten verkörpert werden können und dass die hierin erläuterten speziellen Ausführungsformen lediglich veranschaulichend sind und nicht dazu dienen, den Schutzbereich der Ansprüche einzuschränken. Ferner versteht es sich, dass verschiedene Änderungen, Substitutionen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung reduzieren eine thermomigrationsinduzierte Belastung in Leistungsvorrichtungen durch Deaktivieren einer Teilmenge von Leistungsvorrichtungskomponenten (z. B. Transistoren usw.), wenn die Leistungsvorrichtung einen Hochbelastungszustand erfährt. Das Deaktivieren der Teilmenge von Leistungsvorrichtungskomponenten dient dazu, um den aktiven Bereich der Leistungsschaltvorrichtung in kleinere aktive Regionen zu verzweigen, was die Temperaturgradienten im aktiven Bereich bzw. in den aktiven Regionen vorteilhafterweise ändert, z. B. der parallel zum Stromfluss verlaufenden Achse in einigen Implementierungen. In einigen Ausführungsformen deaktiviert eine Steuerschaltung dynamisch verschiedene Teilmengen von Leistungsvorrichtungskomponenten, um die thermo-migrationsinduzierten Belastungsstellen zu verschiedenen Teilen der aktiven Region über die Lebensdauer der Leistungsschaltvorrichtung zu verlagern. Verschiedene Techniken können verwendet werden, um auszuwählen, welche Teilmengen von Leistungsvorrichtungskomponenten während einer gegebenen Betriebsperiode deaktiviert werden. Beispielsweise können Teilmengen von Leistungsvorrichtungskomponenten zufällig oder nach einem vordefinierten Muster ausgewählt werden, z. B. ein Muster, welches während der Simulation und/oder Tests entwickelt wurde, um die durchschnittliche Lebensdauer einer Leistungsschaltarchitektur zu verlängern. Alternativ können die Teilmengen von Leistungsvorrichtungskomponenten basierend auf Messwerten von Belastungssensoren ausgewählt werden. Die Belastungssensoren können ein beliebiger Sensor sein, dessen Messwerte verwendet werden können, um zu bestimmen/vorherzusagen, welche Teile des aktiven Bereichs eine Belastung erfahren haben, einschließlich Temperatursensoren und mechanischer Belastungssensoren. Insbesondere kann eine Manipulation von Temperaturgradienten in manchen Situationen die Lebensdauer einer Leistungsvorrichtung verlängern, selbst wenn die Spitzentemperatur erhöht wird. Auf ähnliche Weise verbessert ein Deaktivieren einer Teilmenge von Leistungsvorrichtungskomponenten die Gesamtlebenserwartung einer Leistungsvorrichtung, obwohl die Temperaturgradienten über einige Teile des aktiven Bereichs erhöht sind. Vorteilhafterweise beeinflusst ein Deaktivieren von Teilmengen von Leistungsvorrichtungskomponenten den Durchlasswiderstand der Leistungsvorrichtung nicht signifikant. Diese und andere Aspekte werden nachstehend detaillierter erläutert.
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung können in Leistungsschaltvorrichtungen ausgeführt sein, welche mit induktiven Lasten gekoppelt sind. 1 veranschaulicht einen Schaltplan einer Ausführungsform einer Leistungsschaltvorrichtung 100, welche mit einer induktiven Last (L) gekoppelt ist. Wie gezeigt, umfasst die Leistungsschaltvorrichtung 100 einen Gate-Treiber 105, eine Vielzahl von Transistoren 110, 120, 130, eine Vielzahl von Schaltern 115, 125 und 135 und eine Zener-Diode 150. Insbesondere sind die Schalter 115, 125, 135 ausgelegt, um Verbindungen selektiv zu öffnen, welche während Hochbelastungsperioden Aktivierungssignale an Gates der Transistoren 110, 120, 130 tragen, wodurch das Aktivierungssignal daran gehindert wird, die Transistoren 110, 120, 130 während eines Hochbelastungsereignisses zu aktivieren. In der vorliegenden Offenbarung wird der Begriff „Hochbelastungsperiode“ synonym mit den Begriffen „Hochbelastungszyklus“ und „Hochbelastungsinstanz“ verwendet.
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Genauer gesagt weisen die Transistoren 110, 120, 130 einen Source-Drain-Pfad auf, welcher zwischen dem Eingang (IN) und dem Ausgang (OUT) der Leistungsschaltvorrichtung 100 gekoppelt ist, sowie Gates, welche mit der Zener-Diode 150 über die Verbindungen C1, C2, C3 und mit dem Gate-Treiber 105 über eine Verbindung (C4) gekoppelt sind. Wenn einer oder mehrere der Transistoren 110, 120, 130 über ein Aktivierungssignal oder ein Auslösesignal aktiviert werden, fließt elektrischer Strom der induktiven Last (L) zwischen den Eingangs (IN)- und Ausgangs (OUT)-Anschlüssen der Leistungsschaltvorrichtung 100.
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Aktivierungssignale werden über die Verbindungen C1, C2, C3 kommuniziert, wenn die Zener-Diode 150 in einen Avalanche-Modus übergeht, was auftreten kann, wenn die Spannung der induktiven Last (L) einen Schwellenwert überschreitet (was indikativ dafür ist, dass die Leistungsschaltvorrichtung 100 einen Hochbelastungszustand erfährt). Tatsächlich wird die Zener-Diode 150 nach dem Übergehen in den Avalanche-Modus kurzgeschlossen, was auslöst, dass das Aktivierungssignal durch die Zener-Diode 150 und über die Verbindungen C1, C2, C3 zu den Gates der Transistoren 110, 120, 130 fließt. Eine oder mehrere der Verbindungen C1, C2, C3 können durch die Schalter 115, 125, 135 geöffnet (oder unterbrochen) werden. Die Schalter 115, 125, 135 können eine beliebige Komponente oder ein beliebiges Merkmal sein, welche(s) ausgelegt ist, um die Verbindungen C1, C2, C3 (jeweils) zu unterbrechen oder zu öffnen, um Aktivierungssignale daran zu hindern, Gates der entsprechenden Transistoren 110, 120, 130 zu erreichen, wenn die Leistungsschaltvorrichtung 100 einen Hochbelastungszustand erfährt. In einer Ausführungsform ist eine Teilmenge der Schalter 115, 125, 135 während eines Herstellungsprozesses der Leistungsschaltvorrichtung 100 dauerhaft geöffnet. In einer weiteren Ausführungsform werden verschiedene Teilmengen der Schalter 115, 125, 135 während verschiedener Betriebszyklen dynamisch geöffnet, um die thermoinduzierten Belastungsstellen zu verschiedene Teilen des aktiven Bereichs über die Lebensdauer der Leistungsschaltvorrichtung 100 zu migrieren.
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In einigen Ausführungsformen deaktiviert das Deaktivieren von einem oder mehreren der Transistoren 110, 120, 130 während Hochbelastungsperioden den deaktivierten Transistor nicht vollständig, da der deaktivierte Transistor nichtsdestotrotz über ein Auslösesignal betätigt werden kann. Genauer gesagt ist ein Gate-Treiber 105 ausgelegt, um die Leistungsschaltvorrichtung 100 durch Kommunizieren eines Auslösesignals über die Verbindung C4 an die Gates der Transistoren 110, 120, 130 zu betätigen. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Aktivierungssignal“ auf ein Signal, welches generiert/ausgelöst wird, wenn eine Leistungsvorrichtung einen Hochbelastungszustand erfährt, während sich der Begriff „Auslösesignal“ auf ein Steuersignal bezieht, welches generiert wird, um die Leistungsvorrichtung unabhängig davon, ob sich die Leistungsvorrichtung in einem Hochbelastungszustand befindet, zu betätigen. Die Verbindungen C1, C2 und C3 sind deutlich getrennt und verschieden von der Verbindung C4, so dass ein Auslösesignal über die Verbindung C4 an die Gates der Transistoren 110, 120, 130 unabhängig davon, ob eine oder mehrere der Verbindungen C1, C2 und C3 geöffnet sind, kommuniziert werden kann. Beispielsweise kann ein Auslösesignal über die Verbindung C4 an das Gate des Transistors 120 kommuniziert werden, selbst wenn die Verbindung C2 geöffnet ist. Die Transistoren 110, 120, 130 können durch die Zener-Diode 150 vor Überspannung geschützt werden. Andere Schutzfunktionalitäten können auch implementiert werden, z. B. Kurzschlussschutz, Übertemperaturschutz usw. Die Transistoren 110, 120, 130 können Zellen oder Gruppen von Zellen sein, welche Teil des aktiven Bereichs der Leistungsvorrichtung 100 sind.
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung können auch in einer Schaltvorrichtung ausgeführt sein, welche mit einer kapazitiven Last gekoppelt ist. 2 veranschaulicht einen Schaltplan einer Ausführungsform einer Leistungsschaltvorrichtung 200, welche mit einer kapazitiven Last (C) gekoppelt ist. Wie gezeigt, umfasst die Leistungsschaltvorrichtung 200 die Gate-Treiber 205, 208, eine Vielzahl von Transistoren 210, 220, 230, eine Vielzahl von Schaltern 215, 225, 235 und einen Stromsensor (CT). Der Gate-Treiber 205 und die Transistoren 210, 220, 230 können ähnlich wie die entsprechenden Komponenten der Leistungsschaltvorrichtung 100 ausgelegt sein. Beispielsweise kann der Gate-Treiber 205 ein Auslösesignal an Gates der Transistoren 210, 220, 230 über die Verbindung C4 bereitstellen, um die Leistungsschaltvorrichtung 200 zu betätigen. Darüber hinaus können die Transistoren 210, 220, 230 Strom leiten, welcher von den Eingangs (IN)- und Ausgangs (OUT)-Anschlüssen der Leistungsschaltvorrichtung 200 fließt, wenn ein Auslöse- oder Aktivierungssignal an ihren Gates empfangen wird.
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Der Stromsensor 290 kann ausgelegt sein, um zu erkennen, wenn die Leistungsschaltvorrichtung 200 einen Hochbelastungszustand erfährt, sowie um den Gate-Treiber 208 zu benachrichtigen, wenn der Hochbelastungszustand erkannt wird, was den Gate-Treiber 208 veranlassen kann, ein Aktivierungssignal an die Gates der Transistoren 210, 220, 230 über die Verbindungen C1, C2, C3 bereitzustellen. Die Schalter 215, 225, 235 können ähnlich wie die Schalter 115, 125, 135 in der Leistungsschaltvorrichtung 100 ausgelegt sein. Beispielsweise können die Schalter 215, 225, 235 statisch oder dynamisch ausgelegt sein, um die Verbindungen C1, C2, C3 zu unterbrechen/öffnen. Obgleich die Leistungsschaltvorrichtungen 100, 200 dargestellt sind, dass sie Transistoren umfassen, können die hierin beschriebenen Architekturen/Techniken auf Leistungsvorrichtungen angewendet werden, welche eine beliebige Art von Leistungsvorrichtungskomponente umfassen, z. B. Dioden, Thyristoren usw., da das Verfahren die Lebensdauer des Metallisierungssystems erhöht (die Teil der Leistungsvorrichtungskomponente ist). Dementsprechend sind Aspekte der vorliegenden Offenbarung, welche im Rahmen von „Transistoren“ erläutert werden, auf eine beliebige Art von Leistungsvorrichtungskomponente anwendbar, sofern nicht anders angegeben. Die Lebensdauer einer Leistungsvorrichtung oder eines Systems kann weitgehend durch seine schwächste Stelle bestimmt werden, und Aspekte der vorliegenden Offenbarung können die Belastungsstellen weg von den Schwachstellen (oder Stellen, die die meiste Belastung bis zu diesem Zeitpunkt erhalten haben) verlagern, um die Lebensdauer zu erhöhen.
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In einigen Ausführungsformen deaktiviert eine Steuerschaltung dynamisch verschiedene Teilmengen von Leistungsvorrichtungskomponenten, um thermomigrationsinduzierte Belastungsstellen zu verschiedenen Teilen der aktiven Region über die Lebensdauer der Leistungsschaltvorrichtung zu verlagern. In einem Beispiel wird eine neue Teilmenge von Leistungsvorrichtungskomponenten nach einer vordefinierten Anzahl von Hochbelastungsinstanzen deaktiviert. 3 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Auswahlschaltung 300 zum Auswählen verschiedener Teilmengen von Transistoren zum Deaktivieren während verschiedener Betriebsperioden. Wie gezeigt, umfasst die Ausführungsform der Auswahlschaltung 300 einen Komparator 310, welcher erkennt, wenn die Leistungsschaltvorrichtung einen Hochbelastungszustand erfährt, einen Zähler 320, welcher die Anzahl der Instanzen verfolgt, in denen der Komparator 310 den Hochbelastungszustand erkennt, und einen Partitionsdecoder 330, welcher auswählt, welche Teilmenge von Leistungsvorrichtungskomponenten während der nächsten Betriebsperiode deaktiviert werden soll. In diesem Beispiel erkennt der Komparator 310 einen Spannungsanstieg, wenn die Klemmschaltung (z. B. die Zener-Kette) ausgelöst wird, und sendet ein Zählsignal an den Zähler 320. Nach Empfangen einer Schwellenwertzahl von Zählsignalen veranlasst der Zähler 320 den Partitionsdecoder 330, eine neue Teilmenge von Leistungsvorrichtungskomponenten zum Deaktivieren während der nächsten Betriebsperiode auszuwählen.
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Die Auswahlschaltung 300 umfasst ferner einen Ausgangszustandsgenerator 325, welcher einen Ausgangszustand für den Zähler 320 speichert, sowie einen Zustandsdecoder 340 und einen Flash-Speicher 350, welche die Anzahl von Klemmereignissen aufzeichnen, die ausgelöst werden, während der Zähler 320 eingeschaltet ist. Der Zustandsdecoder 340 und der Flash-Speicher 350 können in einigen Ausführungsformen ausgeschlossen werden, in welchem Fall der Zähler 320 den Partitionsdecoder 330 dazu veranlassen kann, eine neue Teilmenge von Leistungsvorrichtungskomponenten zum Deaktivieren während jeder aufeinanderfolgenden Hochbelastungsperiode auszuwählen. Der Zähler 320 kann ausgeschaltet werden, um den Zähler 320 zurückzusetzen, was bewirken kann, dass die Auswahlschaltung 300 während des nächsten Klemmereignisses wieder in einen Ausgangszustand zurückgesetzt wird.
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In einigen Ausführungsformen kann der Hochbelastungszustand unter Verwendung von Temperatur- und/oder Stromsensoren im aktiven Bereich einer Leistungsvorrichtung erkannt werden. 4 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Auswahlschaltung 400, welche ausgelegt ist, um Temperatur/Strom zu erfassen, um Hochbelastungsereignisse einer Leistungsvorrichtung zu bestimmen. Die Leistungsvorrichtung umfasst einen aktiven Bereich 401 und einen Treiber 405, welcher ausgelegt ist, um Leistungsvorrichtungskomponenten im aktiven Bereich 401 zu betätigen/aktivieren. Die Leistungsvorrichtungskomponenten im aktiven Bereich 401 können in Gruppen von einer oder mehreren Leistungsvorrichtungskomponenten partitioniert werden. Die Gruppen können durch verschiedene Sensoren, einschließlich Temperatursensoren und/oder Stromsensoren, überwacht werden. Wie gezeigt, umfasst die Ausführungsform der Auswahlschaltung 400 einen Hochleistungsdetektor 410, welcher Instanzen von hoher Belastung in der Leistungsvorrichtung erkennt, einen Zähler 420, welcher die Anzahl von Hochbelastungsinstanzen verfolgt, einen Ausgangszustandsgenerator 425, welcher einen Ausgangszustand für den Zähler 420 speichert, und einen Partitionsdecoder 430, welcher Teilmengen von Leistungsvorrichtungskomponenten zum Deaktivieren während der verschiedenen Betriebsperioden auswählt. Insbesondere kann der Hochleistungsdetektor 410 Hochbelastungsinstanzen in einer Vielzahl von Wegen erkennen. In einem Beispiel erkennt der Hochleistungsdetektor 410, dass eine Hochbelastungsinstanz aufgetreten ist, wenn eine Temperatur (oder Temperaturdifferenz) im aktiven Bereich einen Schwellenwert überschreitet. In einem weiteren Beispiel erkennt der Hochleistungsdetektor 410, dass eine Hochbelastungsinstanz aufgetreten ist, wenn ein Strom, welcher durch den aktiven Bereich fließt, einen Schwellenwert überschreitet. In einem noch weiteren Beispiel erkennt der Hochleistungsdetektor 410, dass eine Hochbelastungsinstanz aufgetreten ist, wenn ein Leistungspegel (z. B. ISout * Vout) im aktiven Bereich einen Schwellenwert überschreitet.
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5 veranschaulicht ein Zeitdiagramm 500 für die Ausführungsform der Auswahlschaltung 400, welches verschiedene Wege zum Erkennen von Hochbelastungszuständen zeigt. In einem Beispiel stellt der Hochleistungsdetektor 410 ein Zählsignal (z. B. HP out) in Reaktion auf eine Temperatur eines aktiven Bereichs bereit, welche einen oberen Schwellenwert überschreitet. Der Hochleistungsdetektor 410 stellt weiterhin das Zählsignal bereit, bis die Temperatur des aktiven Bereichs unterhalb eines unteren Schwellenwerts fällt. In einem weiteren Beispiel stellt der Hochleistungsdetektor 410 ein Zählsignal (z. B. HP out) in Reaktion auf einen Leistungspegel im aktiven Bereich bereit, welcher einen Schwellenwert überschreitet. Der Leistungspegel kann unter Verwendung der Strom (z. B. ISOUT)- und Spannungs (VOUT)-Messwerte aus dem aktiven Bereich bestimmt werden. Der Hochleistungsdetektor 410 stellt weiterhin das Zählsignal bereit, bis der Leistungspegel unterhalb des Schwellenwerts fällt.
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Verschiedene Techniken können verwendet werden, um auszuwählen, welche Teilmengen von Leistungskomponenten während einer gegebenen Betriebsperiode deaktiviert werden sollen. In einer Ausführungsform werden die Teilmengen von Leistungsvorrichtungskomponenten zufällig ausgewählt. In einer weiteren Ausführungsform werden die Teilmengen von Leistungsvorrichtungskomponenten basierend auf einem vordefinierten Muster ausgewählt. Das vordefinierte Muster kann gezeigt haben, dass einige wünschenswerte Leistungseigenschaften (z. B. Verlängern der durchschnittlichen Lebensdauer unter weiterer Beibehaltung bestimmter Leistungspegel) während einer Simulation und/oder Tests bereitgestellt werden.
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Als eine noch weitere Alternative können die Teilmengen von Leistungsvorrichtungskomponenten gemäß Messwerten von Belastungssensoren, wie beispielsweise Temperatursensoren, mechanischen Belastungssensoren und/oder anderen Sensoren, deren Messwerte verwendet werden können, um zu bestimmen/vorherzusagen, welche Teile/Komponenten eine Belastung erfahren haben, ausgewählt werden. Dies kann ermöglichen, dass die Belastungsstellen basierend auf den tatsächlichen (oder projizierten) Belastungspegeln verschoben werden, welche die Vorrichtung erfährt. 6 veranschaulicht eine Sensoranordnung 600, welche angepasst ist, um den aktiven Bereich einer Leistungsvorrichtung zu überwachen. Wie gezeigt, überwachen verschiedene Sensoren in der Sensoranordnung 600 verschiedene Teile der aktiven Bereiche. Die Sensoranordnung 600 kann Temperatursensoren, mechanische Belastungssensoren oder andere Sensoren umfassen, welche angepasst sind, um Belastung zu überwachen. Die Sensoranordnung 600 kann Belastungserkennungsinformationen in Echtzeit zur Verwendung bei der Auswahl von Teilmengen von Transistoren über die Lebensdauer einer Leistungsschaltvorrichtung bereitstellen.
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Eine Art von mechanischem Belastungssensor ist ein Metallleitungsbelastungssensor. 7 veranschaulicht eine Metallleitungsbelastungssensoranordnung 700 zum Überwachen der Belastung im aktiven Bereich einer Leistungsvorrichtung. Die Metallleitungen können in der Metallisierung von Leistungsvorrichtungskomponenten eingebettet werden und können angepasst werden, um die Belastungsverteilung basierend auf der Variation im Widerstand jeder Metallleitung zu erfassen. In einer Ausführungsform misst die Metallleitungsbelastungssensoranordnung 700 die Belastung indirekt durch Überwachen einer Widerstands-/Spannungsänderung aufgrund von Massenmigration und/oder piezoelektrischen Effekten. Die Sensoren in der Metallbelastungssensoranordnung 700 können einzelne Teile innerhalb des Halbleiter-Metall-Dielektrikum-Systems oder eine Kombination von Teilen innerhalb des Halbleiter-Metall-Dielektrikum-Systems sein. Temperatursensoren können auch verwendet werden, um Belastung zu überwachen. 8 veranschaulicht eine Temperatursensoranordnung 800 zum Überwachen der Belastung im aktiven Bereich einer Leistungsvorrichtung. Die Temperatursensoranordnung 800 kann angepasst werden, um eine Temperaturkarte der aktiven Region zu erstellen, welche verwendet werden kann, um eine direkte Korrelation zwischen der Temperaturverteilung und der mechanischen Belastung festzulegen.
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung erhöhen die Lebensdauer von Leistungsvorrichtungen durch Reduzieren und Umverteilen von thermo-mechanischer Belastung wesentlich. 9 veranschaulicht eine graphische Darstellung einer Temperaturverteilung in einem aktiven Bereich 900 einer herkömmlichen Leistungsschaltvorrichtung mit allen Transistoren aktiviert. 10 veranschaulicht eine graphische Darstellung einer Temperaturverteilung in einem aktiven Bereich 1000 in einer Ausführungsform einer Leistungsschaltvorrichtung mit einer Teilmenge von deaktivierten Transistoren. Wie gezeigt, sind die deaktivierten Transistoren in der Mitte des aktiven Bereichs 1000 angeordnet und dienen dazu, um den aktiven Bereich in zwei aktive Regionen zu verzweigen, welche auf gegenüberliegenden Seiten der deaktivierten Transistoren positioniert sind. Insbesondere weisen die beiden aktiven Regionen eine reduzierte Größe auf, was den Temperaturgradienten in den aktiven Regionen vorteilhafterweise ändert. Es sollte beachtet werden, dass 10 lediglich eine von vielen Konfigurationen veranschaulicht, in denen deaktivierte Transistoren einen aktiven Bereich in zwei oder mehrere aktive Regionen verzweigen/unterteilen können, um geänderte Temperaturgradienten zu erzielen. In anderen Konfigurationen können verschiedene Teilmengen von Transistoren deaktiviert werden, um den aktiven Bereich in verschiedene Unterregionen zu unterteilen, z. B. unterschiedliche Anzahl von Unterregionen, ungleichmäßige Unterregionen mit verschiedenen Breiten usw.
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11 veranschaulicht Temperaturprofile entlang vier Y-Achsen im aktiven Bereich 900 der herkömmlichen Leistungsschaltvorrichtung, und 12 veranschaulicht Temperaturgradienten entlang dieser vier Y-Achsen. 13 veranschaulicht Temperaturverteilungen entlang vier Y-Achsen-Profilen im aktiven Bereich 1000 der Ausführungsform der Leistungsschaltvorrichtung, während 14 Temperaturgradienten entlang dieser vier Y-Achsen-Profile veranschaulicht. Wie gezeigt, erzielt der aktive Bereich 1000 der Ausführungsform der Leistungsschaltvorrichtung andere Temperaturgradienten als der aktive Bereich 900 der herkömmlichen Leistungsschaltvorrichtung, was aus der Sicht der Zuverlässigkeit vorteilhaft ist.
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Diese Modifizierung in Temperaturgradienten erhöht die durchschnittliche Lebensdauer der Ausführungsform der Leistungsschaltvorrichtung. 15 veranschaulicht eine graphische Darstellung, welche die Ausfallwahrscheinlichkeiten von Leistungsvorrichtungen mit drei verschiedenen Konfigurationen vergleicht. Erste Konfiguration: eine herkömmliche Leistungsvorrichtung, welche alle Transistorteilmengen während Hochbelastungsperioden eingeschaltet hat. Zweite Konfiguration: eine Leistungsvorrichtung, welche eine Transistorteilmenge für alle Hochbelastungsperioden deaktiviert hat. Dritte Konfiguration: eine Leistungsvorrichtung, welche dazwischen wechselt, dass während Hochbelastungsperioden eine Teilmenge von Transistoren deaktiviert ist und alle Transistoren aktiviert sind. Wie gezeigt, weisen beide Ausführungsformen der Leistungsvorrichtungen eine längere Lebensdauer als die herkömmliche Leistungsvorrichtung auf. Wie gezeigt, weisen beide Ausführungsformen der Leistungsvorrichtungen geringere Ausfallwahrscheinlichkeiten als die herkömmlichen Leistungsvorrichtungen nach einer vergleichbaren Anzahl von Belastungszyklen auf. Man beachte, dass Vorrichtungen von der dritten Konfiguration keine Lebensdauer zweimal größer als Vorrichtungen von der ersten Konfiguration aufweisen, wie erwartet wurde. Tatsächlich überleben diese Vorrichtungen länger, da aufgrund von Richtungsänderungen von Temperaturgradienten während der Periode, wenn die Vorrichtung mit einer deaktivierten Teilmenge arbeitet, eine Belastungsrelaxation auftritt.
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Hohe lokale Temperaturen und eine ungleichmäßige Temperaturverteilung (Temperaturgradienten) induzieren eine mechanische Belastung in der Transistormetallisierung. Hierin bereitgestellte Ausführungsformen von Techniken steuern die Temperaturgradienten und Spitzentemperatur durch Modulation der Leistungsverteilung in der Vorrichtung. Die Modulation der Leistungsverteilung reduziert nicht die Gesamtleistung, welche von der Vorrichtung abgeleitet wird. Die durchschnittliche Temperatur auf der Oberfläche der Vorrichtung (z. B. die über die Fläche integrierte Temperatur) ist im herkömmlichen Fall aus 9 höher als in der Ausführungsform der Vorrichtung aus 10, und die Spitzentemperaturen sind ungefähr die gleichen für die getesteten Vorrichtungen; daher unterscheiden sich die Temperaturgradienten zwischen Vorrichtungen. Eine Drain-Strom-Modulation kann verwendet werden, um die Leistungsvorrichtung für die Leistungsverteilungssteuerung zu modulieren. Die Drain-Strom-Modulation kann von den Gate- und Bulk-Anschlüssen jeder Zelle bzw. Gruppe von Zellen angepasst werden. Die Drain-Source-Spannungsverteilung kann auch von Source-, Drain-Potentialen angepasst werden.
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In einigen Ausführungsformen wird die Leistungsverteilung über die Lebensdauer der Leistungsvorrichtung gemäß Daten angepasst, welche von thermo-mechanischen Belastungssensoren gemessen werden, die in der Leistungsvorrichtung eingebettet sind. In anderen Ausführungsformen wird die Leistungsverteilung über die Lebensdauer der Leistungsvorrichtung gemäß einem vordefinierten Muster angepasst, welches ein Muster sein kann, das von Simulationen und/oder Tests abgeleitet ist. Ein geeignetes Detektionsvorspannungsschema kann verwendet werden, um das mechanische Belastungsinkrement pro Leistungszyklus zu steuern sowie um die Rate der Akkumulation der mechanischen Spitzenbelastung zu steuern. Um dies besser zu veranschaulichen, bedenke man, dass ein Transistor thermo-mechanische Belastung als Folge von Hochtemperatur/Lastwechsel erfährt. Während seiner Lebensdauer baut sich mechanische Spitzenbelastung irgendwo in der Metallisierung in einer Region auf. Von Sensor- oder Simulationsdaten wird eine Teilmenge von Zellen von Leistungsvorrichtungskomponenten in einer Weise angepasst, welche die Spitzenbelastung nach einer Zeitperiode von dieser Region weg verschiebt, so dass die mechanische Spitzenbelastung auf eine andere Region ausgeübt wird. Der Prozess wiederholt sich und die Belastung wird gleichförmig in der Metallisierung verteilt.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung reduzieren thermo-induzierte Belastung bzw. schwächen sie ab, ohne die Größe des aktiven Bereichs und/oder der Chipfläche signifikant zu erhöhen. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erzielen eine Variation in der Temperaturverteilung in der Leistungsvorrichtung im Laufe ihrer Lebensdauer durch Deaktivieren verschiedener Teilmengen von Transistoren während verschiedener Perioden. Dies kann die Lebensdauer der Leistungsvorrichtung durch Erzielen einer gleichmäßigeren mechanischen Belastungsverteilung verlängern. Die Temperaturverteilungssteuerung wird durch Leistungsverteilungsmodulation erreicht. Die Leistungsverteilung wird wiederum durch zweckmäßiges Vorspannen von Zellengruppen (Teilmengen) innerhalb des Transistors gesteuert. Durch Anwenden einer entsprechenden Vorspannung an den Anschlüssen jeder Zelle oder Gruppe von Zellen kann die Stromdichte und/oder Drain-Source-Spannung lokal in Echtzeit angepasst werden, um eine Leistungsdichteverteilung zu erzielen, welche zu einer gleichmäßiger verteilten mechanischen Belastung in der Metallisierung der Leistungsvorrichtung führt. Thermo-mechanische Belastungssensoren können verwendet werden, um Informationen über die mechanische Belastung zu erhalten, welche sich in der Metallisierung entwickelt.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können auf eine beliebige Art von Leistungsvorrichtung angewendet werden, einschließlich Leistungsvorrichtungen, welche doppelt diffundierte Metall-Oxid-Halbleiter (DMOS, Double-Diffused Metal-Oxid-Semiconductor)-Transistoren, Bipolartransistoren (BJTs, Bipolar Junction Transistors), Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs, Insulated-Gate Bipolar Transistors) integrieren. Tatsächlich können Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf eine beliebige Vorrichtung, welche als Heizelement oder Wärmequelle wirkt, angewendet werden, da dies die Lebensdauer ihres Metallisierungssystems verbessert.
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Über seine Lebensdauer wird ein Transistor mehreren Hochleistungspulsereignissen unterworfen, welche eine Erwärmung der Vorrichtung und hohe lokale Temperaturtransienten bewirken. Darüber hinaus erzeugt die ungleichmäßige Erwärmung der Vorrichtung Hochtemperaturgradienten. Hohe Temperaturen und Hochtemperaturgradienten sind sowohl in der Leistungsvorrichtung (Siliziumoberfläche) als auch in ihrem Metallisierungssystem (Metallschichten und Dielektrikum, das die Metalle trennt) vorhanden. Diese beiden Bedingungen führen zu verschiedenen Ausdehnungen im Silizium, Metall und Dielektrikum, was mechanische Belastungen an den entsprechenden Verbindungen generiert. Die Belastung akkumuliert sich mit jedem Hochleistungspulsereignis, bis das System letztendlich ausfällt.
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Praktisch gesprochen, werden die meisten Hochleistungspulse generiert, wenn der Schalter mit einer induktiven Last arbeitet oder wenn der Schalter mit einer kapazitiven Last arbeitet. Wenn der Schalter mit einer induktiven Last arbeitet, wird beim Ausschalten ein Hochleistungspuls in der Vorrichtung abgeleitet (induktives Klemmereignis). Wenn der Schalter andererseits mit einer kapazitiven Last arbeitet, wird beim Einschalten ein Hochleistungspuls in der Vorrichtung abgeleitet. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen Techniken zum Reduzieren der resultierenden thermo-mechanischen Belastung während dieser Schaltereignisse bereit.
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16 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines Verarbeitungssystems 1600, welches für die Implementierung der hierin offenbarten Vorrichtungen und Verfahren verwendet werden kann. Das Verarbeitungssystem 1600 kann einen Prozessor 1604, einen Speicher 1606 und eine Vielzahl von Schnittstellen 1610-1614 umfassen, welche wie in 16 gezeigt angeordnet sein können (oder auch nicht). Der Prozessor 1604 kann eine beliebige Komponente sein, welche Berechnungen und/oder andere verarbeitungsbezogene Aufgaben durchführen kann, und der Speicher 1606 kann eine beliebige Komponente sein, welche die Programmierung und/oder Anweisungen für den Prozessor 1604 speichern kann. Die Schnittstellen 1610-1614 können eine beliebige Komponente oder Sammlung von Komponenten sein, welche das Kommunizieren des Verarbeitungssystems 1600 mit anderen Systemen und/oder Vorrichtungen ermöglicht. Die Schnittstellen 1610-1614 können serielle Schnittstellen (z. B. Serial Peripheral Interface (SPI), Universal Serial Bus (USB) usw.), parallele Schnittstellen oder Kombinationen davon umfassen.
