高压栅极驱动芯片可靠性研究

发布时间：2017-06-25 02:17

  本文关键词：高压栅极驱动芯片可靠性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高压栅极驱动芯片属于高低压兼容功率集成电路,可替代传统分立元件搭建的驱动方案,用来控制驱动高压功率器件。从而有效地减少系统中的元件个数,降低系统功耗与面积。目前,高压栅极驱动芯片已成为节能电机控制系统中的核心元件,应用于变频家电、电动交通工具、中小功率工业设备等领域。以上领域对芯片的可靠性都提出了很高的要求。高低压隔离技术是高压栅极驱动芯片设计的关键,虽然,目前分离式降低表面电场技术(Divided-RESURF)克服了高压互连及高侧漏电等问题,但是,由于隔离结构内嵌横向双扩散金属氧化物半导体器件(LDMOS),使得整体结构仍存在局部击穿与高温反偏应力(HTRB)考核下电学性能退化等风险。此外,在感性负载系统中,芯片容易在瞬态vs负过冲噪声与快速电压变化dvs/dt噪声的影响下,发生误开启、闩锁等问题。以上可靠性问题严重制约着高压栅极驱动芯片的应用。本文基于1μm 600V体硅高低压兼容工艺,先后对芯片的隔离可靠性及抗噪能力提升技术进行了系统地分析与研究。主要研究工作包括：1、提出了一种内嵌LDMOS器件的双条状N阱辅助耗尽Divided-RESURF隔离结构,有效地抑制了P型隔离阱对LDMOS器件漂移区电荷平衡的影响,降低了隔离结构高压侧拐角处的电场强度,避免了局部击穿,提高了击穿电压。在相同漂移区长度下,新型隔离结构的耐压提升了15.8%,高侧泄漏电流低于1μA。2、深入研究了嵌入在隔离结构中的LDMOS器件在高温反偏应力下击穿电压与导通电阻退化的内在机理,提出了一种降低表面栅极场板末端电场的新型结构,有效地抑制了表面可动离子对器件电学性能的影响,成功通过了1000小时的HTRB考核。3、分析了瞬态vs负过冲噪声产生的原因,并深入研究了其导致高压栅极驱动芯片失效的机理,提出了一种提升芯片抗瞬态vs负过冲能力的新型电路结构,通过采样瞬态vs负过冲信号并控制芯片的灌电流能力来降低噪声的持续时间,从而有效地提升芯片的抗噪能力。实验结果表明,采用该新型电路结构的高压栅极驱动芯片,其抗瞬态vs负过冲能力可达-98V。4、深入分析了vs/dt噪声产生的原因及其对高压栅极驱动芯片的影响,研究了传统抗噪能力提升电路的弊端,提出一种双脉冲触发电容负载型电平移位电路结构,规避了传统电路中位移电流流过电阻负载而导致的误触发风险。实验结果表面,采用新型电平移位电路的高压栅极驱动芯片,抗dvs/dt噪声能力高于85V/ns。5、对高压栅极驱动芯片的输入级电路、脉冲产生电路、欠压保护电路、抗静电保护电路等关键电路进行了详细的分析与设计,并对关键器件版图进行了重点研究,最后完成了全芯片的版图设计与流片。6、完成了高压栅极驱动芯片的静态参数、动态参数、抗瞬态vs负过冲能力及抗dvs/dt噪声能力等参数测试与可靠性考核。所设计的芯片成功应用于航空模型电调系统。
【关键词】：高压栅极驱动 隔离结构 瞬态v_S负过冲噪声 dv_S/dt噪声 可靠性
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN402
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 第一章 绪论7-21
• 1.1 高压栅极驱动芯片的现状与发展7-13
• 1.2 高低压兼容工艺的现状与发展13-18
• 1.3 本论文的主要工作与意义18-21
• 第二章 高压栅极驱动芯片的高可靠隔离结构研究21-45
• 2.1 高低压隔离技术21-27
• 2.2 新型双N阱辅助耗尽Divided-RESURF隔离结构27-32
• 2.3 高低压隔离结构的高温反偏应力退化研究32-43
• 2.4 优化后内嵌LDMOS器件的隔离结构的高温反偏应力考核结果43-44
• 2.5 本章小结44-45
• 第三章 高压栅极驱动芯片的抗噪能力研究45-67
• 3.1 抗瞬态v_s负过冲应力研究45-50
• 3.2 瞬态v_s负过冲提升技术新方法及电路实现50-52
• 3.3 抗dvs/dt噪声研究52-59
• 3.4 新型双脉冲电容负载型电平移位电路设计59-64
• 3.5 本章小结64-67
• 第四章 高可靠600V栅极驱动芯片设计67-97
• 4.1 输入级电路设计67-74
• 4.2 脉冲产生电路设计74-78
• 4.3 欠压保护与延时电路设计78-83
• 4.4 抗静电保护结构设计83-87
• 4.5 全芯片电路与仿真87-89
• 4.6 版图设计与流片89-95
• 4.7 本章小结95-97
• 第五章 高压栅极驱动芯片测试与考核97-113
• 5.1 电学参数测试系统研究与测试97-106
• 5.2 可靠性测试系统研究与测试106-110
• 5.3 应用系统测试110-112
• 5.4 本章小结112-113
• 第六章 总结与展望113-115
• 6.1 总结113-114
• 6.2 展望114-115
• 致谢115-117
• 参考文献117-127
• 博士期间研究成果127-130

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本文编号：480434