基于MINITAB雙向可控硅換向版圖設(shè)計(jì)

趙慶平，邱玉石，姜恩華，趙 鑫

（1.淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000；2.阜新北鑫星液壓有限公司，遼寧 阜新 123000）

基于MINITAB雙向可控硅換向版圖設(shè)計(jì)

趙慶平1，邱玉石2，姜恩華1，趙 鑫1

（1.淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000；2.阜新北鑫星液壓有限公司，遼寧 阜新 123000）

通過概述雙向可控硅的換向機(jī)理，分析提高換向能力的幾種技術(shù)，運(yùn)用質(zhì)量統(tǒng)計(jì)軟件MINITAB的試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析法（DOE）對(duì)雙向可控硅芯片的版圖設(shè)計(jì)方案進(jìn)行歸納總結(jié)，確定五試驗(yàn)因子和二個(gè)試驗(yàn)水平表，進(jìn)而確定試驗(yàn)計(jì)劃.通過對(duì)16次工藝試驗(yàn)的結(jié)果分析，優(yōu)選出較佳版圖設(shè)計(jì)方案并獲得連續(xù)變量因子的回歸方程.優(yōu)選結(jié)果表明：在確定芯片工藝方案的前提下，短路區(qū)采用正方形分布，并組合相應(yīng)的換向隔離帶設(shè)計(jì)可更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指標(biāo).

MINITAB仿真；試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析法（DOE）；短路點(diǎn)；換向隔離帶；殘差

運(yùn)用六西格瑪設(shè)計(jì)（DFSS,Design for six sigma）是國(guó)際上諸如美國(guó)通用電氣公司(GE,General Elec?tric Company)、意法半導(dǎo)體、安森美半導(dǎo)體等公司進(jìn)行電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的常見方法，而利用質(zhì)量統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)方案優(yōu)選是DFSS的重要一步.本文利用MINITAB軟件的試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析法[1]對(duì)雙向可控硅芯片版圖設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)選，為國(guó)內(nèi)同行進(jìn)行半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)提供一種新的試驗(yàn)方法和思路.

1 換向原理簡(jiǎn)介

雙向可控硅（縮寫為TRIAC）是一種能在兩個(gè)方向上控制電流的雙向開關(guān)[2]，但由于在感性負(fù)載電路中存在著換向失敗問題，也就是說，在某一方向?qū)ㄒ院螅?dāng)轉(zhuǎn)換到反方向后，有可能失去反向保持阻斷的能力，因此換向能力成為制約其應(yīng)用范圍的關(guān)鍵指標(biāo).雙向可控硅是由兩個(gè)反并聯(lián)可控硅集成起來的，其換向失效機(jī)理如圖1[3]：

圖1 換向機(jī)理

假定左可控硅P1N1P2N2正在導(dǎo)通，當(dāng)負(fù)載反向時(shí)，要求雙向可控硅阻斷住電壓，即近門極MT1相對(duì)于遠(yuǎn)門極為正.在電流反向的瞬間，左可控硅有貯存電荷滯留，當(dāng)MT1變正時(shí)，貯存電荷將從兩個(gè)基區(qū)抽出，在MT1和左可控硅的陽極間形成一反向電流，如果電流值足夠大時(shí)，就會(huì)使N4附近的P1區(qū)電位升高，這會(huì)引起N4發(fā)射區(qū)注入電子而使右可控硅P2N1P1N4開通，導(dǎo)致?lián)Q向失敗.

設(shè)換向電流臨界下降率用(di/dt)c來表示，若設(shè)(dv/dt)s為靜態(tài)臨界電壓上升率，則換向電壓上升率(dv/dt)c與(dv/dt)s的關(guān)系由下式給出[4]

式中：τp為器件隔離區(qū)內(nèi)的少子壽命；d為換向隔離區(qū)寬度（即左右可控硅的隔離寬度）；LP為空穴在隔離區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散長(zhǎng)度；Cj為中心結(jié)的結(jié)電容.

基于此公式，提高雙向可控硅換向能力的方法主要有：

1）MOS器件工藝技術(shù);2）離子注入技術(shù);3）短路區(qū)優(yōu)化技術(shù);4）換向隔離帶少子壽命控制技術(shù).

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案確定

為保證雙向可控硅導(dǎo)通靈敏度，希望其四個(gè)象限或三個(gè)象限的觸發(fā)電流盡可能接近[5]，而與此同時(shí)又要保證其換向能力不受到更大的影響.雙向可控硅的設(shè)計(jì)總是在解決這一組矛盾，而解決的方法中短路區(qū)優(yōu)化技術(shù)與換向隔離帶技術(shù)得到最廣泛的應(yīng)用，往往成為改善器件性能的突破口.該兩種技術(shù)與雙向可控硅的關(guān)聯(lián)如圖2.

圖2 換向能力因果

為進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)方案優(yōu)選，從圖2中粗選幾個(gè)與換向能力關(guān)聯(lián)的因素制定試驗(yàn)因子水平表,見表1：

表1 試驗(yàn)因子水平

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

采用MINITAB軟件列出試驗(yàn)計(jì)劃表，并將各試驗(yàn)結(jié)果（換向電壓上升率Dv/dt）填寫到對(duì)應(yīng)欄中，見表2：

表2 試驗(yàn)計(jì)劃與結(jié)果

換向電壓上升率Dv/dt的效應(yīng)正態(tài)圖，如圖3：

圖3 影響換向能力的效應(yīng)正態(tài)圖

從圖3中明顯可見除A因子和B因子對(duì)換向電壓上升率Dv/dt有顯著影響外，其它因子以及各因子之間的交互作用均不顯著.

將不顯著項(xiàng)剔除，重新進(jìn)行因子分析，四合一的殘差如圖4：

圖4 換向能力殘差

從四合一圖的左上角正態(tài)概率圖和左下角的直方圖，可判斷殘差（Dv/dt試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值之差）服從正態(tài)分布，從右上角的與擬合值圖及右下角的與順序圖中，可判斷所建立的試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合很好.

換向電壓上升率Dv/dt的主效應(yīng)如圖5：

圖5 換向能力主效應(yīng)

從圖5可見，在工藝方案一定的情況下，短路點(diǎn)采用正方形排列，隔離帶更寬些，將使換向能力更高.

利用MINITAB獲得關(guān)于B、D兩個(gè)試驗(yàn)因子的回歸方程如下：

其中換向電壓上升率(dv/dt)c單位為V/μs，隔離帶寬度B的取值為少子擴(kuò)散長(zhǎng)度的倍數(shù)，短路點(diǎn)面積D的單位為mm2.

4 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

按照以下試驗(yàn)條件進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證：雙向可控硅發(fā)射區(qū)采用正方形排列短路點(diǎn)，換向隔離帶寬度選擇6倍擴(kuò)散長(zhǎng)度，短路點(diǎn)面積為0.004 5 mm2.

獲得10個(gè)樣品的換向電壓上升率Dv/dt值及其四個(gè)象限的觸發(fā)電流值如表3：

該結(jié)果進(jìn)一步表明，在工藝方案一定的前提下，該版圖設(shè)計(jì)方案在保證換向能力滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的情況下并未對(duì)觸發(fā)電流靈敏度構(gòu)成顯著影響，因此是較佳設(shè)計(jì).

表3 試驗(yàn)方案驗(yàn)證

5 結(jié)語

在進(jìn)行可控硅版圖設(shè)計(jì)時(shí)往往要經(jīng)過小樣、正樣、小批量3個(gè)輪次的工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)周期少則兩個(gè)月，多則半年；而借助質(zhì)量統(tǒng)計(jì)軟件MINITAB進(jìn)行半導(dǎo)體器件的試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以縮短一半的試驗(yàn)周期，同時(shí)大大降低試驗(yàn)成本.通過依據(jù)器件設(shè)計(jì)原理結(jié)合采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析法合理安排試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)生或形成最佳的設(shè)計(jì)方案起著關(guān)鍵的作用，進(jìn)而可獲得期望的試驗(yàn)結(jié)果.

［1］馬逢時(shí)，周暐，劉傳冰.六西格瑪管理統(tǒng)計(jì)指南［M］.北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2013:80-95.

［2］維捷斯拉夫·本達(dá)，約翰·戈沃，鄧肯A·格蘭特.功率半導(dǎo)體器件——理論及應(yīng)用［M］.吳郁，張萬榮，劉興明，譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005:208-213.

［3］TAYLOR P D.晶閘管的設(shè)計(jì)與制造［M］.龐銀鎖，譯.北京：中國(guó)鐵道出版社，1992:36-45.

［4］趙善麒，鄭景春，宋澤令.大功率雙向晶閘管換向能力的研究［J］.電力電子技術(shù)，1995（1）：53-56.

［5］耿開遠(yuǎn).一種提高雙向1A可控硅觸發(fā)靈敏度的工藝方法［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2010，35（6）：573-576.

Commutation TRIACS Layout Design Based on the MINITAB

ZHAO Qing-ping1，QIU Yu-shi2，JIANG En-hua1，Zhao Xin1
（1.School of Physics and Electronic Information,Huaibei Normal University,235000,Huaibei,Anhui，China;
2.Fuxin Beixinxing Hydraulic Co.,Ltd.,123000,Fuxin,Liaoning,China)

Through summarizing the commutating theory of TRIACS（triode alternating current switch）,several methods to improve the commutating capability are analyzed，and the layout design of TRIACS chip is sum?marzed through design of experiment(DOE)using the MINITAB,five experiment factors and two level ta?bles are identified,and then the plan is determined.By analyzing 16 times process test results,it selected the better layout design scheme and obtained the continuous variable regression equation.The result of optimiza?tion shows that under the premise of TRIACS chip process is determined,and the emitter shorts are scat?tered in the form of square and grouped in the form of commutation isolation belts,which can achieve the de?sign index of the TRIACS better.

MINITAB simulation;design of experiment(DOE);the emitter shorts;commutation isolation belt; residual

TN 342+.3

A

2095-0691（2013）04-0034-05

2013-05-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41275027）；安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2013Z228）

趙慶平（1975- ），男，遼寧阜新人，碩士，講師，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù).