功率器件和智能功率模塊的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明設及功率器件技術(shù)，特別是設及一種功率器件和智能功率模塊。
【背景技術(shù)】
[000引智能功率模塊（Intelligent Power Mo化1日，IPM)可W在控制信號的作用下把直 流電壓（電流）轉(zhuǎn)變成幅值和頻率都可變的交流電壓（電流），輸出的交流電壓被加載到電 機上驅(qū)動其運轉(zhuǎn)。由于具有集成度高和可靠性好等優(yōu)點，智能功率模塊被廣泛應用到變頻 調(diào)速，電力牽引和變頻家電中。典型的IPM模塊由功率半導體器件（功率器件）、控制和保 護電路組成。功率器件按照電流、電壓等級的不同，一般采用金屬-氧化物-半導體場效應 晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, M0S陽T)或絕緣柵雙極 晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。控制和保護功能采用集成電路來 實現(xiàn)。由于功率器件在導通狀態(tài)和開通和關斷的轉(zhuǎn)換瞬間都會產(chǎn)生功耗，因此其結(jié)溫要遠 高于環(huán)境的溫度。通過在IPM模塊內(nèi)部集成溫度檢測單元，可W實時監(jiān)控其溫度，確保功率 器件的安全工作。
[000引 目前，IPM模塊廣泛采用熱敏電阻來檢測功率器件的溫度。在IPM模塊中，熱敏 電阻和功率器件共同安裝在導熱的基板上，由于電氣設計規(guī)則的要求二者之間有一定的 距離。當IPM模塊工作后，內(nèi)部的功率器件會消耗一定的功率而發(fā)熱，其功率約在幾瓦到 幾百瓦之間。按照傅里葉熱傳導定律，熱量會從功率器件傳遞到熱敏電阻上，檢測熱敏電 阻阻值的變化即可W檢測熱敏電阻的溫度，通過校準即可W得到功率半導體器件的溫度。 熱敏電阻的阻值和溫度之間一般為非線性關系，在數(shù)據(jù)的實時處理中需要經(jīng)過運算或者 查表才能給出溫度值。如專利申請：一種智能功率模塊的溫度控制方法及變頻設備（申 請?zhí)枺?01310404618.幻和用于智能功率模塊的過熱保護電路及其控制方法（【申請?zhí)枴?201110147882. 0)中公布的溫度檢測方法都是采用熱敏電阻。
[0004] 在實際應用中，從功率器件到熱敏電阻的熱阻通路會隨著制造工藝的波動而發(fā)生 變化，另外，熱敏電阻的電阻-溫度特性也會顯著影響檢測溫度的精度。因此該種方法檢測 溫度的精度和準確度受智能功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。在瞬態(tài)過程中熱量的傳導受到系統(tǒng) 的熱阻Rth和熱容C th的影響，在經(jīng)過3至5倍的熱時間常數(shù)（定義為熱阻和熱容的乘積，約 為幾十個微秒到幾個毫秒）后系統(tǒng)中的溫度分布才趨于穩(wěn)定。因此該種方法不能夠檢測功 率器件的瞬時結(jié)溫變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 基于此，有必要提供一種可根據(jù)其特定的電性參數(shù)可監(jiān)控自身結(jié)溫的具有溫度檢 測功能的功率器件。
[0006] 一種具有溫度檢測功能的功率器件，與溫度檢測電路連接，所述溫度檢測電路內(nèi) 置或外置于所述功率器件，所述功率器件包括：
[0007] 第一有源區(qū)，用于傳輸所述功率器件導通狀態(tài)下的電流；
[000引第一發(fā)射極，與所述第一有源區(qū)電性相連；
[0009] 第一柵極區(qū)，設置于所述第一有源區(qū)上；
[0010] 第一柵極，與所述第一柵極區(qū)電性相連；
[0011] 第二有源區(qū)，設置于所述第一有源區(qū)外圍，構(gòu)成用于執(zhí)行溫度檢測功能的檢測器 件；
[0012] 第二發(fā)射極，與所述第二有源區(qū)電性相連；
[0013] 集電區(qū)，位于所述功率器件的背面；
[0014] 集電極，與所述集電區(qū)電性相連；及
[0015] 耐壓區(qū)，設置于所述第二有源區(qū)的外圍；
[0016] 所述溫度檢測電路通過檢測所述檢測器件和溫度相關的電性參數(shù)的變化來監(jiān)控 功率器件的結(jié)溫變化。
[0017] 此外，還提了一種智能功率模塊，包括至少一個上述的具有溫度檢測功能的功率 器件。
[001引上述的功率器件通過內(nèi)部設置檢測器件，采用功率器件的部分有源區(qū)作為檢測器 件的主體，通過檢測關斷狀態(tài)下該有源區(qū)與溫度相關的電性參數(shù)，利用該電性參數(shù)與溫度 的變化關系，可W實時的監(jiān)控功率器件的結(jié)溫，結(jié)溫的檢測精度高。
【附圖說明】
[0019] 圖1 (a)為本發(fā)明第一實施例中的功率器件的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖1化）為圖1 (a)所示的功率器件對應的電路圖；
[0021] 圖2(a)為本發(fā)明第二實施例中的功率器件的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2化）為圖2(a)所示的功率器件對應的電路圖；
[0023] 圖3(a)為圖1(a)所示的功率器件的溫度檢測電路原理圖；
[0024] 圖3化）為圖1化）所示的功率器件的溫度檢測電路原理圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明實施例中功率器件的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖5為圖4所述的隔離區(qū)的第一種實現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖6為圖4所述的隔離區(qū)的第二種實現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[002引圖7為圖4所述的隔離區(qū)的第S種實現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 為了使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，W下結(jié)合 附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用 W解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0030] 常用的功率半導體器件，如MOS陽T，IGBT等，其結(jié)構(gòu)包括兩部分；（1)位于巧片邊 緣的耐壓區(qū)域，確保器件在關斷時能夠承受一定的耐壓；(2)位于巧片內(nèi)部的有源區(qū)域，有 源區(qū)域由許許多多結(jié)構(gòu)相同的元胞組成，當器件工作在導通狀態(tài)時，每一個元胞都流過一 定的電流。
[0031] 請參閱圖1(a)至圖4,本發(fā)明實施例中具有溫度檢測功能的功率器件10,與溫度 檢測電路20連接，所述溫度檢測電路20內(nèi)置或外置于所述功率器件10,功率器件10包括 第一有源區(qū)110、第一發(fā)射極El、第二有源區(qū)120、第二發(fā)射極E2、第一柵極區(qū)130、第一柵極 G1、耐壓區(qū)140、集電區(qū)160 (參考圖4)和集電極C。
[0032] 本發(fā)明中功率器件10的有源區(qū)域發(fā)熱元胞區(qū)域被分為兩部分，一部分為第一有 源區(qū)110,用于傳輸導通狀態(tài)下的電流，執(zhí)行功率器件10在電路應用中的主要功能；另一部 分較小面積的為第二有源區(qū)120,用于輸出與溫度相關的電性參數(shù)W執(zhí)行溫度檢測功能。由 此，分別W第一有源區(qū)110、第一柵極G1區(qū)130、集電區(qū)160 W及耐壓區(qū)140構(gòu)成常規(guī)的用 于傳輸導通狀態(tài)下的電流的器件本體Q1，W第二有源區(qū)120、第一柵極區(qū)130、集電區(qū)160 W 及耐壓區(qū)140構(gòu)成形成檢測器件T1。
[0033] 實施例一；
[0034] 請參閱圖1(a)和圖1(b)及圖3(a)，第一發(fā)射極E1與所述第一有源區(qū)110電性相 連的；第一柵極區(qū)130設置于所述第一有源區(qū)110上；第一柵極G1與所述第一柵極區(qū)130 電性相連，本實施例中，器件本體Q1和檢測器件T1共柵極，即該第一柵極G1 ;第二有源區(qū) 120設置于所述第一有源區(qū)110外圍，構(gòu)成用于執(zhí)行溫度檢測功能的檢測器件T1 ;第二發(fā)射 極E2與所述第二有源區(qū)120電性相連；集電區(qū)160與所述第一有源區(qū)110和第二有源區(qū) 120電性接觸（參見圖5)，且位于功率器件的器件本體Q1的背面；集電極C與所述集電區(qū) 160電性相連，本實施例中，器件本體Q1和檢測器件T1共集電極C ;耐壓區(qū)140設置于所述 第二有源區(qū)120的外圍。所述第一有源區(qū)110和所述第二有源區(qū)120的元胞結(jié)構(gòu)相同。
[0035] 所述溫度檢測電路20通過檢測所述檢測器件T1和溫度相關的電性參數(shù)的變化來 監(jiān)控功率器件10的結(jié)溫變化。具體地，該電性參數(shù)使所述檢測器件T1在關斷狀態(tài)下輸出 的漏電流，在導通狀態(tài)下的通態(tài)壓降。
[0036] 當器件本體Q1和檢測器件T1共第一柵極G1 (控制電極），器件本體Q1和檢測器 件T1工作在相同的狀態(tài)，此時二者的電流密度相同，因此具有共同的結(jié)溫。采用該種方式， 在第一有源區(qū)110和第二有源區(qū)120之間沒有熱量的傳輸，因此檢測的溫度最為精確。另 一方面，該種方式可W共用控制電極，因此可W節(jié)省巧片的面積。
[0037] 另外，所述第一有源區(qū)