装置和用于制造装置的方法与流程

1.本发明涉及电子开关领域。
2.更准确地说，本发明涉及一种用于保护电子开关免受超温事件影响的装置。
3.本发明还涉及用于制造这种装置的方法。


背景技术：

4.本文包括对本发明的背景的讨论以解释本发明的背景。这不应被视为承认所提及的任何材料在任何权利要求的优先权日已公开、已知或成为公知常识的一部分。
5.电子开关被制成在特定最高结温下工作。在该温度以上工作可能会触发热逃逸条件，该条件会导致装置发生不可逆转的灾难性故障。在某些超温事件中，电子开关中的温度可能会在大约10μs的时间范围内升高到600℃以上。
6.超温事件可能由不同情况引起，例如：有缺陷冷却系统、电子开关的远处短路、导致支路配置短路的错误控制命令装置在超出其规范工作。
7.对超温事件的反应通常主要基于检测超温事件的原因。检测超温事件的原因的已知方法可以包括熔断器、去饱和电路、监测栅极电流或栅极-发射极电压、或结温传感器。
8.对于每种可能的情况，这种方法都需要大量传感器和致动器，并且可能会产生各种错误触发。此外，这种方法导致固有延迟，这与高效保护电子开关所需的快速反应不兼容。
9.现有技术中已知的检测手段都不允许可靠地保护电子开关免受超温事件的影响，同时一旦纠正了超温事件的原因，就使电子开关再次运行。
10.本发明的一个目的是提供克服上述缺点的手段。


技术实现要素：

11.为此，本发明提出了一种包括栅极焊盘、源极焊盘和无源致动器的装置，该无源致动器被布置为仅当无源致动器中的温度超过阈值时，才在栅极焊盘和源极焊盘之间形成可逆机械连接和电连接。
12.有利地，由于无源致动器，根据本发明的装置允许保护电子开关免受超温事件的影响，而不管是什么导致超温事件。实际上，每当无源致动器中的温度超过阈值时，就在栅极焊盘和源极焊盘之间形成机械连接和电连接。
13.有利地，一旦超温事件的原因被纠正，根据本发明的装置就允许使电子开关再次操作。实际上，机械连接和电连接是可逆的，并且仅在无源致动器中的温度超过阈值时才形成。因此，当致动器中的温度低于所述阈值时，栅极焊盘和源极焊盘之间不存在机械连接和电连接。
14.根据可单独或组合考虑的进一步实施方式，根据本发明的装置还可以包括根据任何可能组合的以下特征中的一个或多个：
[0015]-当无源致动器中的温度超过阈值时，无源致动器包括至少从源极焊盘延伸到栅
极焊盘的可热延展导电材料；和/或
[0016]-无源致动器永久地连接到源极焊盘并热耦合到源极焊盘；和/或
[0017]-用于支承栅极焊盘和源极焊盘的基板，其中，无源致动器从基板延伸；和/或
[0018]-无源致动器从源极焊盘延伸；和/或
[0019]-无源致动器使用微机电系统技术制造；和/或
[0020]-用于检测栅极焊盘和源极焊盘之间的连接状态并基于连接状态产生信号的外部电路；和/或
[0021]-无源致动器包括两个臂，每个臂包括第一末端和第二末端，其中，每个臂的第一末端连接在一起并且每个臂的第二末端各自连接到源极焊盘的不同点；和/或
[0022]-加热器件(means)，在施加高于预定水平的致动器电压的情况下将无源致动器温度保持为超过阈值；和/或
[0023]-加热器件包括用于通过焦耳效应加热无源致动器的电阻；和/或
[0024]-无源致动器的至少一个臂具有与通过焦耳效应加热致动器的电阻相关的预定宽度；和/或
[0025]-无源致动器的至少一个臂的宽度介于4μm和40μm之间；和/或
[0026]-多个无源致动器；和/或
[0027]-每个无源致动器被布置为仅当所述无源致动器中的温度超过对于每个无源致动器不同的相应阈值时，才在栅极焊盘和源极焊盘之间形成可逆机械连接和电连接。
[0028]
本发明还涉及一种用于制造包括栅极焊盘、源极焊盘和无源致动器的装置的方法，该无源致动器被布置为仅当无源致动器中的温度超过阈值时，才在栅极焊盘和源极焊盘之间形成可逆机械连接和电连接，该方法包括以下步骤：
[0029]-提供包括晶体管区域的装置；
[0030]-在晶体管区域的部分表面上注入牺牲氧化物；
[0031]-使包括所注入的牺牲氧化物的晶体管区域的表面金属化以形成栅极焊盘、源极焊盘和无源致动器，无源致动器在牺牲氧化物的至少一部分上延伸；以及
[0032]-去除牺牲氧化物。
[0033]
为了更完整地理解本文提供的描述及其优点，现在结合附图和详细描述来参考以下简要描述，其中，相同的附图标记表示相同的部件。
附图说明
[0034]
[图1a]
[0035]
图1a描绘了根据本发明的实施方式的装置的示意图。
[0036]
[图1b]
[0037]
图1b描绘了根据本发明的实施方式的装置在正常操作温度下的俯视图。
[0038]
[图1c]
[0039]
图1c描绘了根据本发明的实施方式的装置在正常操作温度下的侧视图。
[0040]
[图2a]
[0041]
图2a描绘了根据本发明的实施方式的装置在正常操作温度下的俯视图。
[0042]
[图2b]
[0043]
图2b描绘了图2a的装置在超温事件期间的俯视图。
[0044]
[图2c]
[0045]
图2c描绘了根据本发明的实施方式的装置的一部分分别在正常操作温度条件下和在超温事件期间的两个俯视图的示意性叠加。
[0046]
[图3a]
[0047]
图3a描绘了根据本发明的实施方式的方法的依次的步骤。
[0048]
[图3b]
[0049]
图3b描绘了根据本发明的实施方式的方法的依次的步骤。
[0050]
[图3c]
[0051]
图3c描绘了根据本发明的实施方式的方法的依次的步骤。
[0052]
[图4]
[0053]
图4描绘了在根据本发明的实施方式的装置中的超温事件之前和期间作为时间的函数的栅极-源极电压、栅极电流和温度。
[0054]
[图5]
[0055]
图5描绘了根据本发明的实施方式的方法的流程图。
具体实施方式
[0056]
为了清楚和简洁起见或出于信息目的，图中的元件可以以概括或示意性形式示出。图中的元素不必须按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可以相对于其它元件被放大以帮助改进对本发明的实施方式的理解。
[0057]
尽管下面详细讨论了作出和使用各种实施方式，但是应当理解，如本文所描述的，提供了可以在广泛的各种背景中具体实施的许多创造性概念。本文讨论的实施方式仅是代表性的，并且不限制本发明的范围。对于本领域技术人员来说，同样显而易见的是，相对于处理限定的所有技术特征都可以单独或组合地转移到装置，并且相反，与装置相关的所有技术特征都可以单独或组合地转移到处理。
[0058]
如图1a、图1b和图1c所示，本发明涉及包括栅极焊盘10、源极焊盘20和无源致动器30的装置。
[0059]
在本发明的意义上，栅极焊盘10和源极焊盘20是分别对应于或机械连接和电连接到电子开关的栅极和源极或发射极的物理元件。栅极焊盘10和/或源极焊盘20可以形成在基板40上。
[0060]
本发明的实施方式可以应用于各种类型的电子开关(诸如场效应晶体管)，其具有至少三个端子：分别为源极、栅极和漏极，或发射极、栅极和集电极，该电子开关可操作地在打开状态和闭合状态之间切换，闭合状态对应于栅极端子和源极端子或发射极端子之间的零电压。
[0061]
在实施方式中，该装置可以包括晶体管区域100，该晶体管区域100包括如上定义的电子开关。有利地，无源致动器30是用于电子开关进行自我保护以免受超温事件影响的器件。
[0062]
在本发明的意义上，无源致动器30是指适于控制装置的物理组件或机构。
[0063]
措辞“无源致动器30”是指适于操作和控制装置而无需输入电信号或电源且无需
连接到触发致动器的任何种类的外部传感器或动作器的致动器。无源致动器30由其自身温度激活。
[0064]
无源致动器30被布置为仅当无源致动器30中的温度超过阈值时，在栅极焊盘10和源极焊盘20之间形成可逆机械连接和电连接。
[0065]
换言之，只要无源致动器30中的温度保持低于或等于阈值，栅极焊盘10和源极焊盘20就不会彼此机械连接或电连接。
[0066]
如果无源致动器30中的温度从低于或等于阈值的第一值升高到高于阈值的第二值，则无源致动器30在栅极焊盘10和源极焊盘20之间同时建立机械连接或物理连接和电连接。只要无源致动器30中的温度保持超过阈值，就保持这种机械连接和电连接。
[0067]
之后，如果无源致动器30中的温度降低到阈值以下，则先前由无源致动器30形成的机械连接和电连接断开。
[0068]
无源致动器30因此用作接通/断开传感器，由此接通状态是高于阈值温度并且断开状态是低于或等于阈值温度值。
[0069]
有利地，由于超过阈值温度值就被动地形成机械连接和电连接，因此电子开关被可靠地保护免于过热。实际上，电子开关是去饱和的。
[0070]
此外，一旦无源致动器30中的温度升高到超过阈值，就实现了对电子开关的保护，而无需任何外部电路。相反，已知的系统和方法涉及与首先检测超温事件的原因并随后激活保护相关联的时间要求。
[0071]
此外，由于无源致动器30仅对温度进行响应，因此误触发的风险非常有限。
[0072]
有利地，由于机械连接和电连接是可逆的，因此电子开关可以在超温事件之后自动恢复而不需要任何温度检测。
[0073]
在实施方式中，阈值被预先确定为显著大于电子开关的工作温度并且小于表示电子开关故障的温度，诸如蠕变温度、变形温度、热逃逸激活温度或熔化温度。阈值可以例如在250℃到500℃的范围内。中间值包括300℃、350℃、400℃或450℃。
[0074]
无源致动器30可以是电热致动器类型的，即，通过热膨胀扩大产生运动的装置。这种致动器可以由通过致动器的电流被自加热，从而使其能够运动。
[0075]
无源致动器30可以包括在热量下伸长的可热延展材料36，例如铝、钛、金、铜、银或其它金属。
[0076]
可热延展材料36可以是导电的并且被配置为仅当无源致动器中的温度超过阈值时，至少从源极焊盘20延伸到栅极焊盘10。
[0077]
无源致动器30可以永久地连接到源极焊盘20。无源致动器30可以在栅极焊盘10的方向上从源极焊盘20延伸。换言之，无源致动器30和源极焊盘20可以是单片的。换言之，源极焊盘20本身可以包括无源致动器30。给定其位置，当无源致动器30中的温度高于阈值时，无源致动器30的可热延展材料36朝向栅极焊盘充分延伸，以与栅极焊盘10物理或机械接触。此外，如果可热延展材料36也是导电的，则在栅极焊盘10和源极焊盘20之间同时形成电连接。
[0078]
在实施方式中，在低于阈值的额定工作温度下，无源致动器30的热膨胀被限制以至少保持无源致动器30和栅极焊盘10之间的距离(该距离是预先确定的)，以避免由于无源致动器30面对栅极焊盘10的末端处的电场集中引起的任何故障。
[0079]
在实施方式中，该装置还包括用于限制无源致动器30的面向栅极焊盘10的末端处的电场集中的器件。这种器件可以包括在无源致动器30的表面上应用介电凝胶(诸如sylgardtm527h有机硅介电凝胶)。
[0080]
在实施方式中，无源致动器30可以形成在与源极焊盘20和/或栅极焊盘10相同的基板40上。在实施方式中，无源致动器30可以从基板40延伸。有利地，可以使用相同的制造链来制造电子开关和无源致动器30。
[0081]
无源致动器30可以热耦合到源极焊盘20。在实施方式中，由于一些已知的可热延展导电材料的热特性，可以通过致动器30和源极焊盘20之间的直接接触来实现热耦合。因此，在任何给定时间，无源致动器30中的温度基本上是均匀的并且基本等于源极焊盘20中的温度，因此基本等于电子开关的温度。有利地，无源致动器30直接响应电子开关中的温度。
[0082]
无源致动器30可以是mems热致动器或使用微机电系统技术或mem制造的热致动器的类型，它们是可以产生移动的显微装置。这种平面结构的致动器可以在平面内产生移动，并且很容易与其它微机电系统组件集成。
[0083]
有利地，由于使用mems技术，制造无源致动器30可以是制造电子开关的方法中包括的方法步骤。特别地，无源致动器30可以由与电子开关的栅极和源极相同的金属形成，从而允许简单的制造步骤。
[0084]
如图1b所示，无源致动器30可以是弹簧致动器mems类型。弹簧致动器mems至少包括第一臂70和第二臂80，每个臂70、80由可热延展材料36制成。第一臂70具有两个末端72、74。第二臂80具有两个末端82、84。第一臂和第二臂的第一末端72、82直接或间接连接在一起。第一臂和第二臂的第二末端74、84均连接到源极焊盘20。连接到源极焊盘20的第一臂70和第二臂80的第二末端74、84之间的距离用d表示并且针对所有温度是固定的。有利地，由于由两点固定件制成的三角形形状，热伸长仅发生在一个方向上。
[0085]
如图2c所示，无源致动器30可以包括在第一臂70和第二臂80的第一末端72、82之间形成接合部的第三臂90，因此它减小了电场并因此减小了触头弹跳。
[0086]
在实施方式中，该装置还可以包括连接到栅极焊盘10并且适于感测至少一个参数的外部电路50(未示出)，从所述参数可以推导出无源致动器30中的温度值或温度范围。外部电路50还可以连接至源极焊盘20。外部电路50可以例如感测或监测流经栅极焊盘10的电流、或栅极焊盘10与电路的另一参考点(诸如源焊盘20)之间的电压、或瓦数。
[0087]
外部电路50可以被配置为检测栅极焊盘10和源极焊盘20之间的连接状态并且基于连接状态产生信号。例如，当无源致动器30在栅极焊盘10与源极焊盘20之间形成电连接时，栅极焊盘10与源极焊盘20之间的连接状态为接通。
[0088]
在实施方式中，电子开关去饱和条件可以被外部电路50检测为通过栅极的过电流—为用户启用故障反馈状态。因此，一旦超温事件的原因已经被纠正，由外部电流产生的任何可能热源被终止并且电子开关被置于安全模式以用于继续未来操作。
[0089]
图4示出了允许检测超温事件的外部电路50的可能实现。图4同时描绘：
[0090]-栅极/源极电压gsv，其对应于方波电压，对应于在正常操作条件下使用的经典控制，施加在栅极焊盘10和源极焊盘20之间，作为时间t的函数；
[0091]-栅极电流gc，其对应于流经栅极焊盘10的电流，作为时间t的函数，栅极电流gc是
由于施加栅极/源极电压gsv导致的，以及
[0092]-热耦合到电子开关的无源致动器30中的温度值temp，其是时间t的函数。
[0093]
在时刻t1，无源致动器30中的温度值超过阈值并且无源致动器30在栅极焊盘10和源极焊盘20之间形成机械连接和电连接。
[0094]
流经栅极的电流被钳位在某个值gcp，该值与栅极/源极电压、栅极焊盘10的电阻值和无源致动器30的电阻值的组合有关。换句话说，外部电路50可以感测流经栅极焊盘10的栅极电流的形状的平稳状态(plateau)，并将平稳状态视为激活信号的触发器。
[0095]
由外部电路50产生的信号可以包括到邮件控制器的电信号、用于显示电子开关由于超温事件而被置于安全模式的音频和/或视觉警告的信号。
[0096]
另选地或附加地，由外部电路50产生的信号可以包括用于激活外部开关以关闭施加到电子开关的栅极/源极电压的命令信号。
[0097]
在这个意义上，响应于无源致动器30由于超温故障而自动关闭电子开关，可以通知用户故障状况。
[0098]
在实施方式中，该装置还可以包括加热器件60(未示出)。加热器件60适于在施加高于预定水平的致动器电压的情况下将无源致动器30保持为高于阈值温度。有利地，可以控制无源致动器30以将电子开关保持在安全模式或关断状态。例如，该安全模式可以一直保持到外部电路50通过关断电子开关对感测到的信号做出响应为止。
[0099]
加热器件60可以包括电阻，该电阻的值适于通过焦耳加热产生预定加热功率。
[0100]
在实施方式中，无源致动器30包括加热器件60。实际上，无源致动器30可以固有地包括电阻，该电阻的值可以基于栅极到源极电压值、进一步基于致动器和环境之间的热阻、进一步基于制造无源致动器30的材料的导电性、以及进一步基于表示无源致动器30的形状的几何参数被预先确定。
[0101]
在如图1b所示的无源致动器30包括多个臂70、80的实施方式中，无源致动器30的至少一个臂70可以具有预定宽度，该预定宽度与通过焦耳效应加热无源致动器30的电阻相关。
[0102]
例如，由铝、钛、金、铜或银制成的无源致动器30的合适宽长比可以在0.5％至5％的范围内。中间范围值为1％、2％、3％和4％。
[0103]
在实施方式中，无源致动器30的至少一个臂70、80具有包括在4μm和40μm之间的宽度。中间范围值为5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm和35μm。有利地，臂70、80的特定构造允许通过焦耳效应加热无源致动器30以维持所述施加所需的机械连接和电连接。
[0104]
有利地，除了无源致动器30之外不需要额外器件来确保电子开关在超温事件的情况下保持在安全模式，得到保持制造成本最低的简单设计。
[0105]
根据实施方式，如图2a和图2b所示，该装置还可以包括多个无源致动器30、32、34，每个无源致动器30、32、34被布置为仅在所述无源致动器30、32、34中的温度超过阈值的情况下在栅极焊盘10和源极焊盘20之间形成可逆机械连接和电连接。
[0106]
每个无源致动器30、32、34可以永久地连接并且热耦合到源极焊盘20的点以围绕栅极焊盘10。
[0107]
第一无源致动器30可以被配置为仅在超过第一阈值的任何温度下连接源极焊盘20和栅极焊盘10。
[0108]
第二无源致动器32可以被配置为仅在超过大于第一阈值的第二阈值的任何温度下连接源极焊盘20和栅极焊盘10。
[0109]
在该实施方式中，当电子开关中的温度超过第一阈值但未超过第二阈值时，作为时间的函数的栅极电流在第一值处平稳。然而，当电子开关中的温度超过第二阈值时，作为时间的函数的栅极电流在第二值处平稳。
[0110]
有利地，可以基于栅极电流平稳的幅值以离散方式(例如通过外部电路50)估计电子开关温度。
[0111]
根据实施方式，每个无源致动器30、32、34具有不同的电阻。
[0112]
如图5所示，本发明还涉及制造上述装置的方法。
[0113]
该方法包括：
[0114]-在步骤prov dev提供包括晶体管区域100的装置；
[0115]-在步骤impl sacr中在晶体管区域100的部分表面上注入牺牲氧化物110，如图3a所示；
[0116]-包括注入的牺牲氧化物110的晶体管区域100的表面在步骤surf metall中被金属化，以形成栅极焊盘10、源极焊盘20和无源致动器30，无源致动器30在牺牲氧化物110的至少一部分上延伸，如图3b所示；以及
[0117]-例如通过化学攻击，在步骤rem sacr中去除牺牲氧化物，如图3c所示。
[0118]
该方法可以用诸如光刻的两级mem技术来实现。
[0119]
示例
[0120]
本文的示例对应于图2c所示的更一般实施方式。无源致动器30是弹簧致动器mems类型的并且包括第一臂70、第二臂80和第三臂90，每个臂70、80、90由铝制成，铝是也导电的可热延展材料36。
[0121]
第一臂70具有两个末端72、74。
[0122]
第二臂80具有两个末端82、84。
[0123]
第一臂和第二臂的第一末端72、82通过第三臂90连接在一起。
[0124]
第一臂和第二臂的第二末端74、84均连接到源极焊盘20。
[0125]
在环境温度t1下，第一臂70和第二臂80的长度用l表示，第三臂90的长度用p表示，无源致动器30的高度用hi表示。在无源致动器30中温度值达到温度t2的给定增加产生第一臂70和第二臂80的相应伸长(标记为δl)和第三臂90的伸长(标记为δp)。可以使用与温度变化δt＝t2-t1、初始长度l和取决于材料的线性膨胀系数α的线性关系来计算热膨胀δl。热膨胀δl也可以从第三臂90的初始长度p计算。在给定温度下，无源致动器30的最终高度hf然后可以由等式(1)定义：
[0126][0127]
在该示例中，栅极焊盘10和源极焊盘20之间的距离为150μm。栅极焊盘10的长度为1500μm。无源致动器30由铝制成，具有24e-6/k的热膨胀系数α。距离d等于1450μm。距离p等于20μm。初始高度hi在t1＝25℃时为127μm，然后在t2＝300℃时，hf等于150μm，导致栅极焊盘10和源极焊盘20连接在一起。
[0128]
还应注意的是，在150℃的额定工作温度下，考虑到17v/μm的介电强度，无源致动器30和栅极焊盘10之间的距离足够大(为11μm)，以避免由于无源致动器30的臂70、80的第一末端72、82处的电场集中引起的任何击穿。
[0129]
当无源致动器30的温度超过阈值并且无源致动器30连接栅极焊盘10和源极焊盘20时，臂70、80的宽度根据无源致动器30由于自加热的温度上升δt的函数来计算。
[0130]
温度上升可以根据(2)通过臂70、80的宽度(标记为w)(该宽度可以针对特定栅极驱动器电压(标记为v)被设计)、臂70、80的特定厚度(标记为ε)、臂70、80的特定材料电阻率(标记为ρ)，臂70、80的特定长度(标记为l)、以及臂70、80的特定热阻(标记为rth)来控制。
[0131][0132]
40℃的温度上升足以维持无源致动器30的电连接，从而减少弹跳效应。根据(3)考虑以下值：热阻在500mk/w和50mk/w之间，栅极电压为15v，电阻率为1.59
×
10-8
ω.m，厚度为10μm，长度为725μm，臂70、80的宽度应介于4μm到40μm之间。
[0133][0134]
上面已经借助实施方式描述了本发明，但不限制总发明构思。此外，本发明的实施方式可以没有任何限制地进行组合。
[0135]
参考前述说明性实施方式，本领域技术人员将想到许多进一步修改和变化，这些实施方式仅以示例的方式给出，并且不旨在限制本发明的范围，本发明的范围仅由所附权利要求确定。
[0136]
在权利要求中，“包括”一词不排除其它元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。仅仅在相互不同的从属权利要求中陈述不同特征的事实并不表示不能有利地使用这些特征的组合。权利要求中的任何附图标号不应被解释为限制本发明的范围。