CN111273073B - Igbt芯片及半导体功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了IGBT芯片及半导体功率模块，IGBT芯片上设置有：工作区域、电流检测区域和接地区域；在第一表面上设置有工作区域和电流检测区域的公共栅极单元，工作区域的第一发射极单元、电流检测区域的第二发射极单元和第三发射极单元，第三发射极单元与第一发射极单元连接，公共栅极单元与第一发射极单元和第二发射极单元之间通过刻蚀方式进行隔开；在第二表面上设有工作区域和电流检测区域的公共集电极单元；电流检测区域和接地区域分别用于与检测电阻连接，以使检测电阻上产生电压，并根据电压检测工作区域的工作电流。本申请避免了栅电极因对地电位变化造成的偏差，提高了检测电流的精度。

Description

IGBT芯片及半导体功率模块

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其是涉及IGBT芯片及半导体功率模块。

背景技术

目前，半导体功率模块主要广泛应用在斩波或逆变电路中，如轨道交通、电动汽车、风力和光伏发电等电力系统以及家电领域。其中，半导体功率模块主要是由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)器件和FWD(FreewheelingDiode，续流二极管)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品。在实际应用中，为了保证半导体功率模块能够保证安全、可靠的工作，通常在半导体功率模块的DCB(DirectBonding Copper，陶瓷覆铜板)板上增加电流传感器以及温度传感器，从而实现对半导体功率模块中的器件进行过电流和温度的实时监控，方便电路进行保护。

现有技术中主要通过在IGBT器件芯片内集成电流传感器，并利用镜像电流检测原理实现电流的实时监控，如Kelvin开尔芬连接，但这种方式得到的检测电流曲线与工作电流曲线并不对应，即得到的检测电流与工作电流的比例关系不固定，从而导致检测电流的精度和敏感性比较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供IGBT芯片及半导体功率模块，以缓解上述技术问题，且，避免了栅电极因对地电位变化造成的偏差，提高了检测电流的精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种IGBT芯片，该IGBT芯片上设置有：工作区域、电流检测区域和接地区域；其中，IGBT芯片还包括第一表面和第二表面，且，第一表面和第二表面相对设置；第一表面上设置有工作区域和电流检测区域的公共栅极单元，以及，工作区域的第一发射极单元、电流检测区域的第二发射极单元和第三发射极单元，其中，第三发射极单元与第一发射极单元连接，公共栅极单元与第一发射极单元和第二发射极单元之间通过刻蚀方式进行隔开；第二表面上设有工作区域和电流检测区域的公共集电极单元；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检测电阻连接，以使检测电阻上产生电压，并根据电压检测工作区域的工作电流。

第二方面，本发明实施例还提供一种半导体功率模块，半导体功率模块配置有第一方面的IGBT芯片，还包括驱动集成块和检测电阻；其中，驱动集成块与IGBT芯片中公共栅极单元连接，以便于驱动工作区域和电流检测区域工作；以及，还与检测电阻连接，用于获取检测电阻上的电压。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供了IGBT芯片及半导体功率模块，IGBT芯片上设置有：工作区域、电流检测区域和接地区域；其中，IGBT芯片还包括第一表面和第二表面，且，第一表面和第二表面相对设置；第一表面上设置有工作区域和电流检测区域的公共栅极单元，以及，工作区域的第一发射极单元、电流检测区域的第二发射极单元和第三发射极单元，其中，第三发射极单元与第一发射极单元连接，公共栅极单元与第一发射极单元和第二发射极单元之间通过刻蚀方式进行隔开；第二表面上设有工作区域和电流检测区域的公共集电极单元；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检测电阻连接，以使检测电阻上产生电压，并根据电压检测工作区域的工作电流。本申请避免了栅电极因对地电位变化造成的偏差，提高了检测电流的精度。

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，对于本领域普通技术人员来讲，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器件的结构图；

图2为本发明实施例提供的一种电流敏感器件的结构图；

图3为本发明实施例提供的一种Kelvin连接示意图；

图4为本发明实施例提供的一种检测电流与工作电流的曲线图；

图5为本发明实施例提供的一种IGBT芯片的结构示意图；

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IGBT芯片的表面结构示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种IGBT芯片的表面结构示意图；

图9为本发明实施例提供的另一种IGBT芯片的表面结构示意图；

图10为本发明实施例提供的另一种IGBT芯片的表面结构示意图；

图11为本发明实施例提供的另一种IGBT芯片的表面结构示意图；

图12为本发明实施例提供的另一种IGBT芯片的表面结构示意图；

图13为本发明实施例提供的另一种IGBT芯片的表面结构示意图；

图14为本发明实施例提供的另一种IGBT芯片的表面结构示意图；

图15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16为本发明实施例提供的一种半导体功率模块的连接示意图。

图标：

1-电流传感器；10-工作区域；101-第一发射极单元；20-电流检测区域；201-第二发射极单元；202-第三发射极单元；30-接地区域；100-公共栅极单元；200-公共集电极单元；40-检测电阻；2-第一发射极单元金属；3-空穴收集区电极金属；4-氧化物；5-多晶硅；6-N+源区；7-P阱区；8-空穴收集区；9-N型耐压漂移层；11-P+区；12-公共集电极金属；13-接触多晶硅；50-半导体功率模块；51-IGBT芯片；52-驱动集成块；521-模块引线端子；522-导线；60-DCB板。

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，本领域普通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。

如图1所示，IGBT器件是由BJT(Bipolar Junction Transistor，双极型三极管)和MOS(Metal Oxide Semiconductor，绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。在实际应用中，IGBT器件兼有MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体管)的高输入阻抗和GTR(Giant Transistor，电力晶体管)的低导通压降两方面的优点，广泛应用在斩波或逆变电路中，如轨道交通、电动汽车、风力和光伏发电等电力系统以及家电领域。

此外，半导体功率模块主要包括IGBT器件和FWD，在实际应用中，为了保证半导体功率模块能够保证安全、可靠的工作，通常在半导体功率模块的DCB板上增加电流传感器以及温度传感器，以对半导体功率模块中的器件进行过电流和温度的实时监控，方便电路进行保护。现有技术中主要通过在IGBT器件芯片内集成电流传感器，并利用镜像电流检测原理实现电流的实时监控，例如，对于图2中的电流敏感器件，在IGBT器件芯片有源区内按照一定面积比如1:1000，隔离开1/1000的源区金属电极作为电流检测的电流传感器1，该电流传感器1的集电极和栅极与主工作区是共用，发射极则是分开的，因此，在电流传感器1的源区金属上引出电流以测试电极，并在外电路中检测测试电极中的电流，从而检测器件工作中电流状态。

但是，在上述镜像电流检测中，受发射极引线的寄生电阻和电感产生的阻抗的影响，电流检测精度会降低，因此，现有方法主要采用Kelvin连接，如图3所示，当栅极高电平时，电流传感器1与主工作区分别流过电流，电流传感器1的电流流过检测电阻40到主工作区发射区金属后通过主工作区发射极引线到地，并在检测电阻40上得到检测信号。因此，这种将检测电阻40通过引线直接与主工作区的源区金属相接，可以避免主工作区的工作电流接地电压对测试的影响。但是，这种方式得到的检测电流曲线与工作电流曲线并不对应，如图4所示，得到的检测电流与工作电流的比例关系不固定，在大电流时，检测电流与工作电流的偏差较大，此时，电流传感器1的灵敏性较低，从而导致检测电流的精度和敏感性比较低。

针对上述问题，本发明实施例提供了IGBT芯片及半导体功率模块，避免了栅电极因对地电位变化造成的偏差，提高了检测电流的精度。

为便于对本实施例进行理解，下面首先对本发明实施例提供的一种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，图5为本发明实施例提供的一种IGBT芯片的结构示意图，如图5所示，在IGBT芯片上设置有：工作区域10、电流检测区域20和接地区域30；其中，在IGBT芯片上还包括第一表面和第二表面，且，第一表面和第二表面相对设置；第一表面上设置有工作区域10和电流检测区域20的公共栅极单元100，以及，工作区域10的第一发射极单元101、电流检测区域20的第二发射极单元201和第三发射极单元202，其中，第三发射极单元202与第一发射极单元101连接，公共栅极单元100与第一发射极单元101和第二发射极单元201之间通过刻蚀方式进行隔开；第二表面上设有工作区域10和电流检测区域20的公共集电极单元200；接地区域30则设置于第一发射极单元101内的任意位置处；电流检测区域20和接地区域30分别用于与检测电阻40连接，以使检测电阻40上产生电压，并根据电压检测工作区域10的工作电流。

具体地，工作区域10和电流检测区域20具有公共栅极单元100和公共集电极单元200，此外，电流检测区域20还具有第二发射极单元201和第三发射极单元202，检测电阻40则分别与第二发射极单元201和接地区域30连接。此时，在电流检测过程中，工作区域10由公共栅极单元100提供驱动，以使公共集电极单元200上的电流Ic通过第二发射极单元201达到检测电阻40，从而可以在检测电阻40上产生测试电压Vs，进而可以根据该测试电压Vs检测工作区域10的工作电流。因此，在上述电流检测过程中，电流检测区域20的第二发射极单元201相当于没有公共栅极单元100提供驱动，即对于IGBT芯片的电子和空穴两种载流子形成的电流，电流检测区域20的第二发射极单元201只获取空穴形成的电流作为检测电流，从而避免了检测电流受公共栅极单元100的电压的影响，以及测试电压Vs的影响而产生信号的失真，即避免了公共栅极单元100因对地电位变化造成的偏差，从而提高了检测电流的精度。

本发明实施例提供的IGBT芯片，在IGBT芯片上设置有：工作区域、电流检测区域和接地区域；IGBT芯片还包括第一表面和第二表面，且，第一表面和第二表面相对设置；第一表面上设置有工作区域和电流检测区域的公共栅极单元，以及，工作区域的第一发射极单元、电流检测区域的第二发射极单元和第三发射极单元，其中，第三发射极单元与第一发射极单元连接，公共栅极单元与第一发射极单元和第二发射极单元之间通过刻蚀方式进行隔开；第二表面上设有工作区域和电流检测区域的公共集电极单元；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检测电阻连接，以使检测电阻上产生电压，并根据电压检测工作区域的工作电流。本申请避免了栅电极因对地电位变化造成的偏差，提高了检测电流的精度。

进一步的，电流检测区域20包括取样IGBT模块，其中，取样IGBT模块中双极型三极管的集电极和绝缘栅型场效应管的漏电极断开，以得到第二发射极单元201和第三发射极单元202。

具体地，如图6所示，将IGBT模块中双极型三极管BJT的集电极和绝缘栅型场效应管MOS的漏电极断开，并替代包含镜像电流测试的电路中的取样IGBT，从而得到包含无栅极驱动的电流检测的IGBT芯片的等效测试电路，即图5中的IGBT芯片结构，从而得到第二发射极单元201和第三发射极单元202，此时，BJT的集电极单独引出，即第二发射极单元201，作为测试电流的等效电路，电流检测区域20只取BJT的空穴电流作为检测电流，且，空穴电流与工作区域10的工作电流成比例关系，从而通过检测电流检测区域20中的电流即可得到IGBT芯片的工作区域10的电流，避免了现有方法中栅极对地电位变化造成的偏差，提高了检测电流的精度。

此外，在第一表面上，电流检测区域20设置在工作区域10的边缘区域，且，电流检测区域20的面积小于工作区域10的面积。此外，IGBT芯片为沟槽结构的IGBT芯片，在电流检测区域20和工作区域10的对应位置内分别设置多个沟槽，可选的，电流检测区域20和工作区域10可以同时设置有多个沟槽，或者，仅工作区域10设置有多个沟槽，本发明实施例对此不作限制说明。以及，当设置有沟槽时，在每个沟槽内还填充有多晶硅。此外，在第一表面和第二表面之间，还设置有N型耐压漂移层和导电层，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；从而通过多个P+场限环或P型扩散区对IGBT芯片进行耐压保护，在实际应用中，由于P+场限环或P型扩散区的数量与IGBT芯片的电压等级有关，因此，关于P+场限环或P型扩散区的数量，本发明实施例对此不作限制说明。

具体地，图7示出了一种IGBT芯片的表面结构图，如图7所示，第一发射极单元金属2为第一发射极单元101在第一表面中的设置位置，空穴收集区电极金属3为电流检测区域20的电极空穴收集区在第一表面中的设置位置。当改变电流检测区域20的形状时，如指状或者梳妆时，IGBT芯片的表面结构如图8所示，本发明实施例对此不作限制说明。

在图7的基础上，图9为图7中的空穴收集区电极金属3按照A-A’方向的横截图，如图9所示，电流检测区域20的空穴收集区8与空穴收集区电极金属3接触，在每个沟槽内填充有多晶硅5，此外，在两个沟槽中间，还设置有P阱区7和N+源区6，以及，在沟槽与多晶硅5中间设置有氧化物4，以防多晶硅5发生氧化。

此外，在第一表面和第二表面之间，还设置有N型耐压漂移层9和导电层，这里导电层包括P+区11，以及在P+区11下面设置有公共集电极金属12，作为工作区域10和电流检测区域20的公共集电极单元200。此外，当空穴收集区8内设置有沟槽时，如图10所示，此时空穴收集区8中的沟槽与空穴收集区电极金属3接触，即接触多晶硅13。

可选的，在图7的基础上，图11为图7中的空穴收集区电极金属3按照B-B’方向的横截图，如图11所示，此时，电流检测区域20的空穴收集区8与空穴收集区电极金属3接触，且，与P阱区7连通；当空穴收集区8通过设置有多晶硅5的沟槽与P阱区7隔离时，横截面如图12所示，此时，如果工作区域10设置有多晶硅5的沟槽终止于空穴收集区8的边缘时，则横截面如图13所示，且，空穴收集区8内是不包含设置有多晶硅5的沟槽的情况。此外，当空穴收集区8内包含设置有多晶硅5的沟槽时，如图14所示，此时，空穴收集区8的沟槽通过P阱区7与工作区域10内的设置有多晶硅5的沟槽隔离，这里空穴收集区8的沟槽与公共集电极金属接触并重合。

因此，本发明实施例提供的一种IGBT芯片，在电流检测区域20内没有开关控制电级，即使有沟槽MOS结构，沟槽中的多晶硅5也与公共集电极单元200接触，且，与公共栅极单元100绝缘。又由于电流检测区域20中的空穴收集区8为P型区，可以与工作区域10的P阱区7在芯片横向上联通为一体，也可以隔离开；此外，空穴收集区8可以处于与第一发射极单元金属2隔离的任何位置，特别的，在终端保护区域的P+场限环也可以成为空穴收集区8，本发明实施例对此不作限制说明。

因此，本发明实施例提供的IGBT芯片在电流检测过程中，通过检测电阻上产生的电压，得到工作区域的电流大小。但是，在实际检测过程中，检测电阻上的电压同时抬高了电流检测区域的MOS沟槽沟道对地电位，即相当降低了电流检测区域的栅极电压，从而使电流检测区域的MOS的沟道电阻增加。当电流检测区域的电流越大时，电流检测区域的MOS的沟道电阻就越大，从而使检测电压在工作区域的电流越大，导致电流检测区域的电流与工作区域电流的比例关系偏离增大，产生大电流下的信号失真，造成工作区域在大电流或异常过流的检测精度低。而本发明实施例中电流检测区域的第二发射极单元相当于没有公共栅极单元提供驱动，即对于IGBT芯片的电子和空穴两种载流子形成的电流，电流检测区域的第二发射极单元只获取空穴形成的电流作为检测电流，从而避免了检测电流受公共栅极单元的电压的影响，以及测试电压的影响而产生信号的失真，即避免了公共栅极单元因对地电位变化造成的偏差，从而提高了检测电流的精度。

实施例二：

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种半导体功率模块，如图15所示，半导体功率模块50配置有上述IGBT芯片51，还包括驱动集成块52和检测电阻40。

具体地，如图16所示，IGBT芯片51设置在DCB板60上，驱动集成块52的OUT端口通过模块引线端子521与IGBT芯片51中公共栅极单元100连接，以便于驱动工作区域10和电流检测区域20工作；Si端口通过模块引线端子521与检测电阻40连接，用于获取检测电阻40上的电压；以及，GND端口通过模块引线端子521与电流检测区域的第一发射极单元101引出的导线522连接，检测电阻40的另一端还分别与电流检测区域的第二发射极单元201和接地区域连接，从而通过Si端口获取检测电阻40上的测量电压，并根据该测量电压检测工作区域的工作电流。

本发明实施例提供的半导体功率模块，设置有IGBT芯片，其中，IGBT芯片上设置有：工作区域、电流检测区域和接地区域；其中，IGBT芯片还包括第一表面和第二表面，且，第一表面和第二表面相对设置；第一表面上设置有工作区域和电流检测区域的公共栅极单元，以及，工作区域的第一发射极单元、电流检测区域的第二发射极单元和第三发射极单元，其中，第三发射极单元与第一发射极单元连接，公共栅极单元与第一发射极单元和第二发射极单元之间通过刻蚀方式进行隔开；第二表面上设有工作区域和电流检测区域的公共集电极单元；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检测电阻连接，以使检测电阻上产生电压，并根据电压检测工作区域的工作电流。本申请避免了栅电极因对地电位变化造成的偏差，提高了检测电流的精度。

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，可以参考前述方法实施例中的IGBT芯片对应过程，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。对于本领域的普通技术人员而言，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：以上所述实施例，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，本领域的普通技术人员应当理解：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所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种IGBT芯片，其特征在于，所述IGBT芯片上设置有：工作区域、电流检测区域和接地区域；其中，所述IGBT芯片还包括第一表面和第二表面，且，所述第一表面和所述第二表面相对设置；

所述第一表面上设置有所述工作区域和所述电流检测区域的公共栅极单元，以及，所述工作区域的第一发射极单元、所述电流检测区域的第二发射极单元和第三发射极单元，其中，所述第三发射极单元与所述第一发射极单元连接，所述公共栅极单元与所述第一发射极单元和所述第二发射极单元之间通过刻蚀方式进行隔开；

所述第二表面上设有所述工作区域和所述电流检测区域的公共集电极单元；

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检测电阻连接，以使所述检测电阻上产生电压，并根据所述电压检测所述工作区域的工作电流；

所述电流检测区域包括取样IGBT模块，其中，所述取样IGBT模块中双极型三极管的集电极和绝缘栅型场效应管的漏电极断开，以得到所述第二发射极单元和所述第三发射极单元其中，将IGBT模块中双极型三极管BJT的集电极和绝缘栅型场效应管MOS的漏电极断开，并替代包含镜像电流测试的电路中的取样IGBT，从而得到包含无栅极驱动的电流检测的IGBT芯片的等效测试电路，从而得到所述第二发射极单元和所述第三发射极单元。

2.根据权利要求1所述的IGBT芯片，其特征在于，所述电流检测区域设置在所述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4所述的IGBT芯片，其特征在于，在所述电流检测区域和所述工作区域的对应位置内分别设置有多个沟槽。

6.根据权利要求5所述IGBT芯片，其特征在于，在每个所述沟槽内填充有多晶硅。

7.根据权利要求1所述的IGBT芯片，其特征在于，在所述第一表面和所述第二表面之间，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上述权利要求1-8任一项所述的IGBT芯片，还包括驱动集成块和检测电阻；

其中，所述驱动集成块与所述IGBT芯片中公共栅极单元连接，以便于驱动所述工作区域和所述电流检测区域工作；以及，还与所述检测电阻连接，用于获取所述检测电阻上的电压。

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