半導(dǎo)體裝置及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】半導(dǎo)體裝置(10)在半導(dǎo)體芯片(SCH)上具有熱源元件(HSE)和熱傳感器元件(TE)。從平面視圖看熱源元件(HSE)的輪廓凹陷，并且凹陷的空間(SP)的深度(y1)被設(shè)置為從整個(gè)長度(y0)的0.75到0.25倍的尺寸。熱傳感器元件(TE)的中心部分(Tc)處于接近于連接區(qū)域(hse3)的一側(cè)，并且以長度(y3)比長度(x31a)和長度(x31b)短的這樣的方式定位于空間(SP)中。如此，可實(shí)現(xiàn)熱源元件溫度檢測(cè)靈敏度和半導(dǎo)體元件的有效定位。
【專利說明】
半導(dǎo)體裝置及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明設(shè)計(jì)半導(dǎo)體裝置及其設(shè)計(jì)方法，并且尤其涉及設(shè)有熱源元件和溫度感測(cè)元件的半導(dǎo)體裝置及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體裝置中，熱源元件通常是例如雙極或MIS功率晶體管，數(shù)百毫安到數(shù)安的電流穿過該雙極或MIS功率晶體管。溫度感測(cè)元件表示檢測(cè)形成功率晶體管的半導(dǎo)體芯片的溫度(特別是功率晶體管自身的結(jié)溫)的半導(dǎo)體元件，并且可以是諸如晶體管的有源器件或諸如二極管或電阻器的無源器件。
[0003]熱源元件和溫度感測(cè)元件采用例如電壓調(diào)節(jié)器和DC/DC變換器。在雙極型中，高電流穿過晶體管的集電極與發(fā)射極之間，并且在MIS類型中，穿過源極和漏極之間。此外，當(dāng)在兩個(gè)電極之間施加高電壓時(shí)，這些功率晶體管消耗大量的電功率。例如，當(dāng)200mA的電流穿過MIS晶體管的源極和漏極之間，并且8V的電壓施加在這兩個(gè)電極之間時(shí)，MIS晶體管消耗
1.6W的電功率。
[0004]隨著電功率消耗增加，功率晶體管的結(jié)溫上升，并且在附近形成的這些半導(dǎo)體元件的結(jié)溫相應(yīng)地上升。隨著異常高的結(jié)溫，半導(dǎo)體裝置暴露在惡化或損壞的風(fēng)險(xiǎn)中。為了克服不便，將溫度感測(cè)元件布置在半導(dǎo)體芯片中，特別地在功率晶體管附近，以檢測(cè)半導(dǎo)體芯片的溫度，使得當(dāng)達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，關(guān)閉功率晶體管和其它半導(dǎo)體元件或者整個(gè)半導(dǎo)體裝置的操作，借此防止半導(dǎo)體裝置的惡化或損壞。
[0005]專利文獻(xiàn)I公開了一種用于制造半導(dǎo)體集成電路裝置的方法以及半導(dǎo)體集成電路裝置。提供一種溫度檢測(cè)電路部分，其檢測(cè)在操作中的功率MIS晶體管的溫度，以及當(dāng)溫度等于預(yù)定值或以上時(shí)，停止功率MIS晶體管的操作。在功率MOSFET區(qū)域的中心，布置溫度檢測(cè)電路區(qū)域。據(jù)稱，將溫度檢測(cè)電路區(qū)域布置在功率MOSFET區(qū)域的中心(其在功率IC處于操作中時(shí)具有最高溫度)幫助提高溫度檢測(cè)靈敏度，使得功率IC保護(hù)操作可在適合的時(shí)間穩(wěn)定地執(zhí)行。
[0006]專利文獻(xiàn)2公開了一種溫度檢測(cè)電路和過熱保護(hù)電路。在溫度檢測(cè)電路中設(shè)置具有溫度依賴性的二極管，并且布置輸出晶體管以便于圍繞二極管。據(jù)稱，從效率和精度的觀點(diǎn)看，具有溫度依賴性的二極管最好布置在輸出晶體管附近，并且因此二極管被布置在輸出二極管的中央部分(參見專利文獻(xiàn)2，圖5)。
[0007]引用文獻(xiàn)列表
[0008]專利文獻(xiàn)
[0009]專利文獻(xiàn)1:日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_N0.Hl 1-177087
[0010]專利文獻(xiàn)2:日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_N0.2002-108465

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]技術(shù)問題
[0012]專利文獻(xiàn)I和專利文獻(xiàn)2在如下方面類似:設(shè)置熱源元件和溫度感測(cè)元件，并且溫度感測(cè)元件被布置在熱源元件附近。它們還共享將兩個(gè)元件彼此相鄰布置的原因:為了提高熱源元件(功率晶體管)的溫度檢測(cè)靈敏度。
[0013]如今，半導(dǎo)體裝置本身越來越小型化，并且因此熱源元件也相應(yīng)地越小型化并且被制成越來越緊湊。隨著熱源的面積和體積減小，在半導(dǎo)體芯片中的熱源元件的比例減小，并且熱生成密度增加，使得在半導(dǎo)體芯片中的熱梯度更顯著。在該背景下，本發(fā)明的發(fā)明人研究如何可以最好地布置在專利文獻(xiàn)I和專利文獻(xiàn)2中公開的熱源元件和溫度感測(cè)元件。結(jié)果，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使當(dāng)半導(dǎo)體元件彼此相鄰布置時(shí)，如在專利文獻(xiàn)I和專利文獻(xiàn)2中提出的僅僅將兩個(gè)元件彼此接近布置未實(shí)現(xiàn)足夠的熱保護(hù)?；谠摪l(fā)現(xiàn)，本發(fā)明旨在提供一種半導(dǎo)體裝置和用于設(shè)計(jì)該半導(dǎo)體裝置的方法，其幫助提高溫度感測(cè)元件的溫度檢測(cè)精度并且允許包括在半導(dǎo)體芯片中的溫度感測(cè)元件的熱保護(hù)電路的有效布置。
[0014]用于解決問題的手段
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，半導(dǎo)體裝置包括熱源元件和溫度感測(cè)元件。如平面視圖所示，所述熱源元件具有由如下來限定的形狀:第一邊(11);第二邊(12)，其位于與所述第一邊(11)相同的線上，并且在相距所述第一邊(11)第二距離x3處，朝著遠(yuǎn)離所述第一邊
(11)延伸第三距離x2;第三邊(13)，具有與所述第二距離x3相同的長度;第四邊(14)，其將所述第一邊(11)的一端與所述第三邊(13)的一端連接在一起;第五邊(I 5)，其將所述第二邊(12)的一端與所述第三邊(13)的另一端連接在一起;第六邊(16)，其一端連接到所述第一邊(11)的另一端并且在與所述第四邊(14)相同的方向上延伸，并且具有比所述第四邊
(14)更大的長度，所述長度被表示為長度yO;第七邊(17)，其連接到所述第二邊(12)的另一端并且其一端在與所述第五邊(15)相同的方向上延伸，并且具有比所述第五邊(15)更大的長度，所述長度被表示為長度yO;以及第八邊(18)，其將所述第六邊(16)的另一端與所述第七邊(17)的另一端連接在一起。所述第八邊(18)具有長度xO，以及所述溫度感測(cè)元件被布置在所述第三邊(13)附近。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，半導(dǎo)體裝置在半導(dǎo)體芯片中具有熱源元件和溫度感測(cè)元件。所述熱源元件具有U型，并且由位于空間部分的相對(duì)側(cè)的兩個(gè)相對(duì)區(qū)域以及將所述兩個(gè)相對(duì)的區(qū)域耦接在一起的耦接區(qū)域來組成。所述溫度感測(cè)元件被布置在接近耦接區(qū)域的所述空間部分中。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的又另一個(gè)方面，用于設(shè)計(jì)半導(dǎo)體裝置的方法包括:第一步驟，其將具有空間部分的U型熱源元件劃分成三個(gè)區(qū)域并且確定所劃分的區(qū)域的和所述空間部分的尺寸和形狀;第二步驟，其執(zhí)行關(guān)于在所述第一步驟中確定的所述熱源元件和所述空間部分的熱分布仿真;第三步驟，其分析在所述第二步驟中執(zhí)行的仿真結(jié)果；以及第四步驟，其基于在所述第三步驟中獲得的仿真結(jié)果來確定所述三個(gè)區(qū)域的尺寸和所述空間部分的尺寸。
[0018]本發(fā)明的有益效果
[0019]根據(jù)本發(fā)明的在半導(dǎo)體裝置中設(shè)置的U型熱源元件被設(shè)定為具有基于熱分布仿真而預(yù)定的形狀的尺寸。另外，對(duì)具有預(yù)定形狀和尺寸的空間部分劃界，并且在空間部分中，溫度感測(cè)元件可被有效地布置，且具有提高的溫度檢測(cè)靈敏度和精度。
【附圖說明】
[0020]圖1是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的示意圖；
[0021]圖2是在圖1中的熱源元件和溫度感測(cè)元件的布置圖；
[0022]圖3是圖2的變形例的不意圖；
[0023]圖4是圖2的另一個(gè)變形例的不意圖；
[0024]圖5是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的熱分布仿真圖；
[0025]圖6是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的另一個(gè)熱分布仿真圖；
[0026]圖7是在圖5中示出的熱分布仿真的溫度梯度圖；
[0027]圖8是在圖6中示出的熱分布仿真的溫度梯度圖；
[0028]圖9是根據(jù)本發(fā)明的如通過仿真確定的在溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc處的溫度的溫度梯度圖；
[0029]圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的在熱源元件HSE中的消耗的電功率與溫度檢測(cè)靈敏度之間的關(guān)系的仿真圖；
[0030]圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的在熱源元件HSE與空間部分之間的面積比率的示意圖；以及
[0031]圖12示出根據(jù)本發(fā)明的在空間部分中布置的熱保護(hù)電路TSD的具體電路的一個(gè)示例的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]圖1是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的示意圖。半導(dǎo)體裝置10具有在具有硅襯底的半導(dǎo)體芯片SCH中形成的熱源元件HSE和溫度感測(cè)元件TE。在本發(fā)明中，熱源元件HSE可以是用作熱源的雙極性晶體管、MIS晶體管等，如在電壓調(diào)節(jié)器、DC/DC變換器等中使用的功率晶體管等。另一方面，溫度感測(cè)元件TE可以是用作被提供以監(jiān)測(cè)熱源元件HSE的溫度的溫度傳感器的半導(dǎo)體元件，特別是晶體管、二極管、電阻器等。
[0033]如在平面視圖中可看到，熱源元件HSE形成U形。熱源元件HSE由具有較大面積的相對(duì)區(qū)域hsel和hse2以及具有較小面積的親接區(qū)域hse3組成。相對(duì)區(qū)域hsel和hse2具有大致相等的面積。相對(duì)區(qū)域h s e I的面積被表示為其分別在X和Y方向上的長度XI和y O的乘積。相對(duì)區(qū)域hse2的面積被表示為其分別在X和Y方向上的長度x2和yO的乘積。使長度xl和x2相等給出相對(duì)區(qū)域hsel和hse2相等的面積。這兩個(gè)通常被設(shè)計(jì)為相等的面積。然而，這兩個(gè)可給出不同的面積，其取決于各種半導(dǎo)體元件和焊墊如何定位于熱源元件HSE的周圍以及半導(dǎo)體元件如何彼此接線。
[0034]親接區(qū)域hse3的面積被表示為其分別在X和Y方向上的長度x3和y2的乘積。親接區(qū)域hse3位于相對(duì)區(qū)域hsel和hse2之間，以便于將相對(duì)區(qū)域hsel和hse2親接在一起。將親接區(qū)域hse3設(shè)置在相對(duì)區(qū)域hsel和hse2之間留下空間部分SP，其中布置熱保護(hù)電路TSD。用作溫度傳感器的溫度感測(cè)元件TE是熱保護(hù)電路TSD的一部分。從溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc到耦接區(qū)域hse3的一側(cè)的距離y3被設(shè)計(jì)為比從溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc到相對(duì)區(qū)域hsel和hse2的最短距離x31a和x31b更短。原因如下:熱從三個(gè)方向(即從相對(duì)的區(qū)域hsel，從相對(duì)的區(qū)域hse2，以及從耦接區(qū)域hse3)傳導(dǎo)到整個(gè)溫度感測(cè)元件TE;沒有熱源元件HSE出現(xiàn)在耦接區(qū)域hse3的相對(duì)側(cè)，在方向Y上的熱傳導(dǎo)比在方向X上的熱傳導(dǎo)弱。因此，為加強(qiáng)從耦接區(qū)域hse3的熱傳導(dǎo)，耦接區(qū)域hse3的一側(cè)與溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc之間的距離被減小。更優(yōu)選地，從耦接區(qū)域hse3的中央部分到溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc的距離被作成比從相對(duì)區(qū)域hsel和hse2的中央部分到溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc的距離更短。目標(biāo)如下:預(yù)測(cè)耦接區(qū)域hse3和相對(duì)區(qū)域hsel和hse2具有在其各自的中央部分處的最高溫度;減小從耦接區(qū)域hse3的中央部分到溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc的距離幫助增加以及加快從耦接區(qū)域hse3到溫度感測(cè)元件TE的熱傳導(dǎo)。
[0035]假設(shè)熱源元件HSE在Y方向上的長度yO是恒定的，親接區(qū)域hse3的面積與空間部分SP的面積成反比。即，增加長度y I導(dǎo)致減小長度y2，以及相反，增加長度y2導(dǎo)致減小長度yI。在本發(fā)明中，確定與空間部分SP相關(guān)的長度yl優(yōu)先于與耦接區(qū)域hse3相關(guān)的長度y2。目標(biāo)是確保足夠大的空間部分SP以在其中布置熱保護(hù)電路TSD。對(duì)具有給予空間部分SP的尺寸優(yōu)先的長度yl的確定影響耦接區(qū)域hse3的面積。另一方面，然而，要求耦接區(qū)域hse3足夠大以向溫度感測(cè)元件TE傳導(dǎo)足夠的熱量，因此需要具有預(yù)定的或更大的面積。因此，存在對(duì)于給予長度yl優(yōu)先的限制。
[0036]空間部分SP也需要具有預(yù)定的入口寬度，也就是預(yù)定的長度x3，以在其中布置熱保護(hù)電路TSD。另外，空間部分SP需要具有足夠大的深度，也就是長度yl，以不僅確保足夠的長度和面積來在其中布置熱保護(hù)電路TSD，還允許從熱源元件HSE到溫度感測(cè)元件TE的足夠的熱傳導(dǎo)。根據(jù)采用本發(fā)明所做出的各種熱分布仿真，發(fā)現(xiàn)長度yO和yl最好具有關(guān)系0.25< yl/yO < 0.75。因此，設(shè)定使得71/>0 = 0.25導(dǎo)致使72/>0 = 0.75，以及設(shè)定使得71/>0 =0.75導(dǎo)致使y2/y0 = 0.25。之后將討論如何推導(dǎo)這些值。長度y0、yl和y2具體是這樣，例如，y0 = 350ym以及yl=y2= 175μηι，并且基于在熱源元件HSE中容許的電流、功率等，來確定這些長度。
[0037]基于與長度yl和y2基本相同的基礎(chǔ)，確定熱源元件HSE和空間部分SP的在方向X上的長度，即長度xl、x2和x3。具體地，基于在熱源元件HSE中容許的電流、功率等，確定長度
11、12和13。例如，它們被設(shè)定，使得11 = 12 = 25(^111以及13 = 14(^1]1。順便地，常?；谠跓嵩丛﨟SE中所需的電流和功率來確定長度xl和x2，而不是從確?？臻g部分以在其中容納熱保護(hù)電路TSD的視角來確定長度xl和x2。
[0038]根據(jù)采用本發(fā)明所做出的各種熱分布仿真，發(fā)現(xiàn)長度x0、xl、x2和x3最好具有關(guān)系x3 < xl =x2 < 3 X x3。因此，例如，設(shè)定使得χ3 = 140μηι導(dǎo)致使 140μηι < xl =χ2 < 420μηι。
[0039]除熱源元件HSE和熱保護(hù)電路TSD以外，在半導(dǎo)體芯片SCH中形成另一個(gè)電路0C。例如，在半導(dǎo)體裝置10包括LD0(低漏失(dropout))調(diào)節(jié)器的情況中，另一個(gè)電路OC包括基準(zhǔn)電壓源、用于驅(qū)動(dòng)輸出晶體管(熱源元件HSE)的驅(qū)動(dòng)器、各種控制電路等。
[0040]圖2示出在圖1中所示的熱源元件HSE和溫度感測(cè)元件TE的布置，并且特別示出熱源元件HSE和熱保護(hù)電路TSD的位置關(guān)系，熱保護(hù)電路TSD包括相對(duì)于彼此以放大尺寸示出的溫度感測(cè)元件TE。對(duì)于它們的位置關(guān)系的詳細(xì)討論，圖2與圖1相比較包括更多的參考標(biāo)記。通過使用這些參考標(biāo)記，以下描述繼續(xù)參考圖2。
[0041 ]在圖2中，熱源元件HSE具有U形。熱源元件HSE的U形由如下項(xiàng)組成:第一邊11、第二邊12、第三邊13、第四邊14、第五邊15、第六邊16、第七邊17和第八邊18。第一和第二邊11和12位于相同的線上，彼此與長度x3相隔，并且具有大致相等的長度xl和長度x2。第二邊12在遠(yuǎn)離第一邊11所延伸的方向的方向上延伸。第三邊13位于遠(yuǎn)離第一和第二邊11和12的在垂直于它們的方向上的長度yl處，并且具有大致等于長度x3的長度。第四邊14從端a延伸到端b，并且具有大致等于長度yl的長度。第五邊15從端c延伸到端d，并且具有大致等于長度yl的長度。第六邊16平行于但長于第四邊14;它從端g延伸到端h，并且具有長度yO。第七邊17平行于但長于第五邊15;它從端e延伸到端f，并且具有長度yO。第八邊18基本上平行于第一、第二和第三邊11、12和13;它從端f延伸到端g，并且具有長度xO。長度xO等于長度xl、x2和x3的總和。
[0042]為了描述方便的目的，特別是之后描述的熱量分布仿真的描述，熱源元件HSE被劃分成三部分，即相對(duì)區(qū)域hsel和hse2和耦接區(qū)域hse3。在圖2中示出的具體實(shí)施例中，劃分可通過延伸第四和第五邊14和15以便于形成兩個(gè)相對(duì)的區(qū)域和一個(gè)耦接區(qū)域來實(shí)現(xiàn)；相反，劃分可通過在方向X上延伸第三邊13來實(shí)現(xiàn)。同樣在該配置中，熱源元件HSE由位于空間部分SP的相對(duì)側(cè)的兩個(gè)相對(duì)區(qū)域以及將兩個(gè)相對(duì)區(qū)域耦接在一起的一個(gè)耦接區(qū)域來組成。
[0043]在圖2中，指示相對(duì)區(qū)域hsel和hse2的中央部分的點(diǎn)Pl被預(yù)測(cè)為熱源元件HSE具有最高溫度所在的地點(diǎn)。耦接區(qū)域hse3的中央部分由點(diǎn)P2來指示，其也被預(yù)測(cè)為大致在如點(diǎn)Pl的高溫，條件是耦接區(qū)域hse3具有預(yù)定的或更大的尺寸。耦接區(qū)域hse3的一邊上的中央部分(即第三邊13)由點(diǎn)P3來指示。點(diǎn)P3是最接近溫度感測(cè)元件的中央部分Tc的在熱源元件HSE上的地點(diǎn)。點(diǎn)P4與溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc相同。在估計(jì)熱源元件HSE的溫度中，在點(diǎn)P4處檢測(cè)的溫度極其重要。點(diǎn)P5位于空間部分SP的入口處，并且被預(yù)測(cè)為空間部分SP具有最低溫度所在的地點(diǎn)。因此，在把握進(jìn)入熱保護(hù)電路TSD的熱分布和熱梯度中，檢測(cè)在點(diǎn)P5處的溫度是極其有用的。
[0044]空間部分SP的尺寸和形狀由相對(duì)區(qū)域hsel和hse2以及耦接區(qū)域hse3來限定。空間部分SP的入口寬度等于長度x3，以及空間部分SP的深度等于長度yl。在空間部分SP中，布置熱保護(hù)電路TSD。特別是，設(shè)定在溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc與第三邊13之間的最短距離y3比在中央部分Tc(點(diǎn)P4)與第四邊14之間的最短距離x31更短，并且比在中央部分Tc與第五邊15之間的最短距離x31b更短。設(shè)定從點(diǎn)P2(耦接區(qū)域hse3的中央部分)與中央部分Tc(點(diǎn)P4)的距離比在點(diǎn)Pl(相對(duì)區(qū)域hsel的中央部分)與中央部分Tc(點(diǎn)P4)之間的距離更短。在距離耦接區(qū)域hse3的溫度感測(cè)元件TE的相對(duì)側(cè)上，沒有用作熱源的半導(dǎo)體裝置存在；因此，在方向Y上的熱傳導(dǎo)比在方向X上的熱傳導(dǎo)弱。該不方便可通過上述配置來緩解。
[0045]在圖2中示出的配置中，空間部分SP與耦接區(qū)域hse3基本上是相同的尺寸。具體地，長度y0、yl和y2是這樣，比率yl/yO等于0.5，比率y2/y0等于0.5，以及長度yl和y2是相等的?？臻g部分SP的入口寬度(也就是長度x3)大致等于長度xl或x2的一半。在該配置中，耦接區(qū)域hse3占據(jù)相對(duì)區(qū)域hse I和hse2的面積的八分之一(12.5 % )?？臻g部分SP的面積相對(duì)于熱源元件HSE的面積的比率大致等于九分之一(11.1%)。
[0046]此外，在圖2中示出的配置中，第三邊13位于連接點(diǎn)Pl(也就是，相對(duì)區(qū)域hsel和hse2的中央位置)之間的線段Pl-Pl上，使得溫度感測(cè)元件TE略微遠(yuǎn)離線段Pl-Pl而定位。然而，比率yl/y0 = 0.5可被設(shè)定為略高，例如在0.55，使得溫度感測(cè)元件TE被布置在線段Pl-Pl上。
[0047]圖3示出圖2的一個(gè)變形示例。圖3在空間部分SP的深度上不同于圖2;具體地，長度71在長度70中的比例更高。圖3示意性地示出71與70的比率(也就是71/>0)被設(shè)定為0.75時(shí)的配置。增加比率yl/yO導(dǎo)致增加空間部分SP的面積；另一方面，耦接區(qū)域hse3然后具有更小的面積。隨著熱保護(hù)電路TSD具有逐漸增加的電路規(guī)模，它占據(jù)空間部分SP的面積的逐漸增加的部分。然而，隨著親接區(qū)域hse3越來越小，從親接區(qū)域hse3傳導(dǎo)到溫度感測(cè)元件TE的熱量越來越小;可以預(yù)測(cè)的是，同時(shí)，在點(diǎn)Pl (相對(duì)區(qū)域hse I和hse2的中央位置)與點(diǎn)P2 (耦接區(qū)域hse3的中央部分)之間的溫度差越來越大。因此，減小耦接區(qū)域hse3的面積導(dǎo)致降低溫度感測(cè)元件TE的溫度檢測(cè)靈敏度，并且這可能更不可取。
[0048]不管空間部分SP的面積，在溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc(點(diǎn)P4)與耦接區(qū)域hse3之間的最短距離y3被設(shè)定為比在中央部分Tc與相對(duì)區(qū)域hsel和hse2之間的最短距離x3 Ia和x31b更短。在中央部分Tc與點(diǎn)P2之間的距離被設(shè)定為比在中央部分Tc與點(diǎn)Pl之間的距離更短。以此方式，可以矯正在跨越親接區(qū)域hse3與跨越相對(duì)區(qū)域hse I和hse2之間的熱傳導(dǎo)中的差異。
[0049]將長度yl到長度yO的比率yl/yO設(shè)定在0.75給出空間部分SP更大的深度，但給出耦接區(qū)域11%3減小的面積，因?yàn)殚L度72到長度70的比率72/>0是0.25。
[0050]圖4示出圖2的另一個(gè)變形示例。圖4在空間部分SP的深度上不同于圖2和圖3;具體地，長度y I在長度yO中的比例更低。圖4示意性地示出y I與yO的比率yl/yO被設(shè)定為0.25時(shí)的配置。減小比率yl/yO導(dǎo)致減小空間部分SP的面積；另一方面，熱源元件HSE然后具有更大的面積。隨著熱保護(hù)電路TSD具有逐漸減小的電路規(guī)模，在空間部分SP中要求逐漸減小的面積。然而，空間部分SP的太小的面積使得不可能將熱保護(hù)電路TSD充分地布置在空間部分SP中。通常預(yù)測(cè)，從熱傳導(dǎo)的視角，擴(kuò)大的耦接區(qū)域hse3將不造成問題。另一方面，從點(diǎn)P2(耦接區(qū)域hse3的中央部分)到溫度感測(cè)元件TE的中央部分(點(diǎn)P4)的距離然后將更大，并且因此還預(yù)測(cè)，從耦接區(qū)域hse3的熱傳導(dǎo)效率將更低。
[0051]同樣在圖4中，不管空間部分SP的面積，在溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc(點(diǎn)P4)與親接區(qū)域hse3之間的最短距離y3被設(shè)定為比在中央部分Tc與相對(duì)區(qū)域hse I和hse2之間的最短距離x31a和x31b更短。在中央部分Tc與點(diǎn)P2之間的距離被設(shè)定為比在中央部分Tc與點(diǎn)Pl之間的距離更短。以此方式，可以抑制在跨越耦接區(qū)域hse3與跨越相對(duì)區(qū)域hsel和hse2之間的熱傳導(dǎo)中的差異。
[0052]將yl與yO的比率yl/yO設(shè)定在0.25給出空間部分SP小的深度，但給出耦接區(qū)域hse3增大的面積，因?yàn)閥2與yO的比率y2/y0是0.75。
[0053]圖5示出具有在圖1到圖4中示出的U型熱源元件HSE和空間部分SP的熱分布仿真的結(jié)果。采用U型熱源元件HSE執(zhí)行的仿真被劃分為三部分；如圖1和圖2所示，它沿著方向X被劃分成三部分，即兩個(gè)相對(duì)的區(qū)域hselO和hse20以及一個(gè)耦接區(qū)域hse30。另外也可沿著方向Y將其劃分成總共三個(gè)區(qū)域，即具有較小面積的兩個(gè)耦接區(qū)域和具有較大面積的一個(gè)相對(duì)區(qū)域。在任一情況中，根據(jù)本發(fā)明的熱分布仿真的一個(gè)特征是被劃分成兩個(gè)相對(duì)區(qū)域和一個(gè)耦接區(qū)域的U型。
[0054]在熱分布仿真中，使用CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)。熱分布仿真的結(jié)果從如下來導(dǎo)出:不僅半導(dǎo)體裝置10的半導(dǎo)體芯片SCH的尺寸和熱源元件HSE的尺寸，還有恒定值，例如所謂的組成材料(例如在其上安裝半導(dǎo)體裝置10的引線框、芯片焊接材料、導(dǎo)線、密封樹脂等)的熱傳導(dǎo)率[W/m.°C]、密度[kg/m3]和比熱。
[0055]在根據(jù)本發(fā)明的熱分布仿真中，使用具有在從例如1.0mmX 1.0至Ijl.4mmX 1.4mm范圍中的尺寸的硅半導(dǎo)體芯片SCH。熱源元件HSE具有整個(gè)半導(dǎo)體芯片SCH的面積的9%到33%。
[0056]在圖5(A)到圖5(C)中，相對(duì)區(qū)域hselO和hse20具有例如250μπι的長度xlO和x20，并且均具有350μπι的長度yO。耦接區(qū)域hse30具有ΙΙΟμπι的長度x30，并且被配置使得在耦接區(qū)域hse30與相對(duì)區(qū)域hselO和hse20之間留下15μηι的距離(分離寬度)，使得親接區(qū)域hse30與相對(duì)區(qū)域hselO以及與相對(duì)區(qū)域hse20分離，使得相對(duì)區(qū)域hselO和hse20彼此分離。
[0057]圖5(A)到圖5(C)在長度yl和y2上不同。在全部圖5(A)到圖5(C)中，長度yO(長度yl和y2的總和)是恒定的。
[0058]在根據(jù)本發(fā)明的熱分布仿真中，調(diào)節(jié)在熱源元件HSE中消耗的電功率，使得半導(dǎo)體芯片SCH的最大溫度是250°C。具體地，采用30W的電功率供應(yīng)熱源元件HSEdSOcC的最大溫度不是在該類型的半導(dǎo)體裝置中容許的一個(gè)，而是僅為了仿真。30W的電功率消耗也脫離正常的使用條件。對(duì)于預(yù)測(cè)不期望的行為并且估計(jì)實(shí)際熱分布的具體值，在大大脫離正常使用條件的這樣的條件下執(zhí)行的仿真被視為是有用的。
[0059]圖5(A)示意性地示出長度yl和y2相等的配置。隨著長度yl和y2相等，空間部分SP的面積大致等于親接區(qū)域hse30的面積。在該配置中，在點(diǎn)Pl處(相對(duì)區(qū)域hse 10和hse20的中央部分)的溫度和在點(diǎn)P2(耦接區(qū)域hse30的中央部分)處的溫度均是250°C，而沒有地點(diǎn)之間的差異。在點(diǎn)P3(在與溫度感測(cè)元件TE(未示出)相對(duì)的耦接區(qū)域hse30的那部分)處的溫度是大約230°C，以及在點(diǎn)P4(溫度感測(cè)元件TE的中央部分)處的溫度是大約200°C。在點(diǎn)P5(位于空間部分SP的端部)處的溫度是大約150 °C。因此，在具有最高溫度的點(diǎn)Pl和P2與P5之間的溫度差是大約100°C，以及在空間部分SP的相對(duì)端之間的溫度差是大約80°C。這意味著，當(dāng)熱保護(hù)電路TSD被布置在空間部分SP中時(shí)，在空間部分SP中的點(diǎn)P3和P5處布置的元件之間上升大致80°C的溫度差。80°C的溫度差是當(dāng)在點(diǎn)Pl和P2處的溫度達(dá)到250°C時(shí)升高的溫度。假設(shè)在點(diǎn)Pl和P2處的容許的溫度是例如150°C，預(yù)測(cè)溫度差是大約50°C而不是80°C。
[0060]圖5(B)示意性地示出一種配置，其中與圖5(A)相比，給予空間部分SP更大的面積，并且因此給予耦接區(qū)域hse30更小的面積。具體地，在該配置中，長度yl等于長度yO的三分之二(67% )，以及耦接區(qū)域hse30的長度y2是長度yO的三分之一(33% )。在該配置中，當(dāng)在點(diǎn)Pl處的溫度是250°C時(shí)，在點(diǎn)P2(耦接區(qū)域hse30的中央部分)處的溫度略微較低，具體地是大約240°C。在點(diǎn)P3處的溫度是大約220°C，以及在點(diǎn)P4處的溫度是大約210°C。在點(diǎn)P3和P4處的溫度分布很大程度上與在圖5(A)中的相同。
[0061]在圖5(B)中的點(diǎn)P3和P4處的溫度分布很大地與在圖5(A)中的相同的理由被認(rèn)為是，在這些點(diǎn)上，來自相對(duì)區(qū)域hselO和hse20的熱傳導(dǎo)以及來自耦接區(qū)域hse30的熱傳導(dǎo)彼此爭(zhēng)競(jìng)(如8〖16)，且相對(duì)區(qū)域11%10和11%20具有比耦接區(qū)域11%30更大的功率來主導(dǎo)。在點(diǎn)P5處的溫度是大約140°C，很大程度上與在圖5(A)中的相同。原因被認(rèn)為是，在遠(yuǎn)離兩個(gè)點(diǎn)Pl以及遠(yuǎn)離點(diǎn)P2的點(diǎn)P5處，主導(dǎo)熱傳導(dǎo)的功率是弱的，其中兩個(gè)點(diǎn)Pl是相對(duì)區(qū)域hselO和hse20的中央部分，以及點(diǎn)P2是耦接區(qū)域hse30的中央部分。
[0062]圖5(C)示意性地示出一種配置，其中與圖5(B)相比，給予空間部分SP更大的面積，并且因此給予熱源元件HSE更小的面積。具體地，長度yl是長度yO的十分之九，以及耦接區(qū)域hse30的長度y2是長度yO的十分之一。在該配置中，當(dāng)在點(diǎn)Pl和P2處的溫度是250°C時(shí)，在點(diǎn)P2和P3(耦接區(qū)域hse30的中央部分)處的溫度是大約200°C。在點(diǎn)P4(溫度感測(cè)元件TE的中央部分)處的溫度是大約190°C，并且因此相對(duì)于在圖5(B)中的溫度低大約20°C。在任何情況下，在溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc處的溫度是大約60°C，這不同于250°C的最大溫度，從而指示比在圖5(A)和圖5(B)中的更低的溫度檢測(cè)靈敏度。較低溫度檢測(cè)靈敏度的原因被認(rèn)為是，導(dǎo)致到溫度感測(cè)元件TE的更弱的熱傳導(dǎo)的耦接區(qū)域hse30的較小面積(體積)，以及從點(diǎn)Pl(相對(duì)區(qū)域hselO和hse20的中央位置)到溫度感測(cè)元件TE的更長的距離。
[0063]類似于圖5，圖6示出具有在圖1到圖4中示出的U型熱源元件HSE的熱分布仿真的結(jié)果。假定被施加到整個(gè)熱源元件HSE的電功率是如在圖5中所示的30W。
[0064]在圖6(A)到圖6(B)中，相對(duì)區(qū)域hsel2和hse22的長度xl2和x22均等于330μπι，長度yO等于350μπι，耦接區(qū)域hse32的長度χ32等于ΙΙΟμπι，并且采用這樣一種配置，其中在耦接區(qū)域hse32與相對(duì)區(qū)域118612和118622之間留下1541]1的距離，親接區(qū)域118632與相對(duì)區(qū)域118612以及與相對(duì)區(qū)域hse22相分離，并且相對(duì)區(qū)域hsel2和hse22彼此分離。因此，在圖6(A)到圖6(C)中，相對(duì)區(qū)域hsel2和hse22的長度xl2和x22等于耦接區(qū)域hse32的長度x32的三倍。該三倍的尺寸與在圖5中示出的大致兩倍的尺寸不同。
[0065]在圖6(A)到圖6(C)當(dāng)中，長度yl和y2不同。如圖5中，在全部圖6(A)到圖6(C)中，長度y O (長度y I和y 2的總和)是恒定的。
[0066]圖6(A)示出其中空間部分SP被給出較小面積的配置。yl與yO的比率yl/yO等于
0.25，并且y2與yO的比率y2/y0等于0.75。采用該配置，具有熱源元件HSE和空間部分SP的熱分布仿真顯示出，當(dāng)在點(diǎn)Pl處的溫度是最高的(具體地250°C)時(shí)，在點(diǎn)P2處的溫度也是250°C。在點(diǎn)P3處的溫度然后是大約240°C，以及在點(diǎn)P4(溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc)處的溫度是大約220°C。在點(diǎn)P5處的溫度是大約210°C，并且因此展示與在點(diǎn)Pl處的溫度的大約40°(:的溫度差，這指示與在圖5中所示的大的差異。
[0067]圖6(B)示出其中空間部分SP被給出比在圖6(A)中的更大面積的配置。yl與yO的比率yl/yO等于0.5，并且y2與yO的比率y2/y0等于0.5。采用該配置，具有熱源元件HSE和空間部分SP的熱分布仿真顯示出，當(dāng)在點(diǎn)Pl處的溫度是最高的(具體地250°C)時(shí)，在點(diǎn)P2處的溫度也是250°C。在點(diǎn)P3處的溫度然后是大約240°C，以及在點(diǎn)P4處的溫度是大約230°C。在點(diǎn)P4(溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc)處的溫度相對(duì)于Pl處的溫度低大約20 °C。在點(diǎn)P5處的溫度是大約200 °C。
[0068]在圖6(B)中的配置中，空間部分SP的面積和耦接區(qū)域hse32的面積被設(shè)定為大致相等。然后，從Pl到P4的距離(也就是，從相對(duì)區(qū)域hsel2和hse22的中央部分到溫度感測(cè)元件TE的中央部分(點(diǎn)P4))最短。該最短距離比在圖6(A)中示出的距離更短。因此，具有最高溫度的熱量被有效地傳導(dǎo)到溫度感測(cè)元件TE，并且因此預(yù)測(cè)甚至部分的空間部分SP保持在尚溫O
[0069]圖6(C)示出其中空間部分SP的面積比在圖6(B)中的更大的配置。yl與yO的比率yl/yO等于0.75，并且長度y2與長度yO的比率y2/y0等于0.25。采用該配置，具有熱源元件HSE和空間部分SP的熱分布仿真顯示出，當(dāng)在點(diǎn)Pl處的溫度是最高的(具體地250°C)時(shí)，在點(diǎn)P2處的溫度是240°C。然后在點(diǎn)P3和P4處的溫度是大約230°C。也就是，在點(diǎn)P4(溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc)處的溫度展示與最高溫度相比大約20°C的溫度差。因此，與圖6(C)相比，在熱源元件HSE的最高溫度與由溫度感測(cè)元件TE檢測(cè)的溫度之間的溫度差大致相同。
[0070 ]在圖6中示出的熱源元件HSE的結(jié)構(gòu)中，如在圖5中示出的那些，熱源元件HSE被劃分成三部分，即兩個(gè)相對(duì)區(qū)域和一個(gè)耦接區(qū)域。還可采用具有與在圖6中示出的劃分結(jié)構(gòu)不同的劃分結(jié)構(gòu)的熱源元件HSE的仿真，例如采用如在圖2中示出的結(jié)構(gòu)，其中第三邊13延伸到第六和第七邊16和17以實(shí)現(xiàn)劃分成三部分，即兩個(gè)相對(duì)區(qū)域和一個(gè)耦接區(qū)域。同樣采用這樣的配置，兩個(gè)相對(duì)區(qū)域被布置在空間部分SP的相對(duì)側(cè)上，并且形成耦接區(qū)域以便于將兩個(gè)相對(duì)區(qū)域耦接在一起。
[0071]圖7是示出從不同視角的在圖5中示出的熱分布仿真的結(jié)果的溫度梯度圖。在圖7中，沿著水平軸取得點(diǎn)Pl到P5，并且沿著垂直軸取得不同于最高溫度(也就是在點(diǎn)Pl處的溫度)的溫度差。作為熱分布的參數(shù)，取得空間部分SP的深度(也就是比率yl/yO)，并且采用三個(gè)值，即yl/y0 = 0.90、yl/y0 = 0.67 和yl/y0 = 0.50。
[0072]在圖7中，點(diǎn)Pl指示相對(duì)區(qū)域hselO和hse20的中央部分，不管參數(shù)值，發(fā)現(xiàn)在點(diǎn)Pl處的溫度是大約250 °C。
[0073]點(diǎn)P2對(duì)應(yīng)于耦接區(qū)域hse30的中央部分。在點(diǎn)P2處的溫度與在點(diǎn)Pl處的溫度略微不同:它展示最小的溫度差是在當(dāng)比率yl/yO等于0.5時(shí)，溫度差然后是(TC，并且然后等于在點(diǎn)Pl處的溫度；它展示最大的溫度差是在當(dāng)比率yl/yO等于0.9時(shí)，也就是，當(dāng)在遍及仿真，給予空間部分SP最大的面積并且給予耦接區(qū)域hse30最小的面積時(shí)。在點(diǎn)P2處的溫度然后是相對(duì)于在點(diǎn)Pl處的溫度低大約50°C。
[0074]點(diǎn)P3對(duì)應(yīng)于耦接區(qū)域hse30的一側(cè)的部分;也就是，它是對(duì)應(yīng)于空間部分SP的深度端并且預(yù)測(cè)具有在空間部分SP中的最高溫度的地點(diǎn)。如點(diǎn)2，點(diǎn)3展示在比率yl/yO等于0.5時(shí)的最小溫度差，溫度差然后是大約20°C;它展示在比率yl/yO是0.67時(shí)的第二最小溫度差;它展示在比率y Ι/yO等于0.9時(shí)的最大溫度差，溫度差然后是大約50°C。
[0075]點(diǎn)P4對(duì)應(yīng)于溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc。點(diǎn)P4遠(yuǎn)離點(diǎn)P3達(dá)30μπι到60μπι，并且具有相對(duì)于在點(diǎn)Ρ3處的溫度低大約20 °C的溫度。然而，在當(dāng)比率yl/yO等于0.5時(shí)與當(dāng)比率yl/yO等于0.67時(shí)之間，沒有觀察到大的溫度差。然而，與在這些時(shí)間觀察的溫度相比，當(dāng)比率yl/yO等于0.9時(shí)，觀察到具有大約20°C的溫度差。然而，與在點(diǎn)P3處的溫度差相比，在點(diǎn)P4處的溫度差減小。
[0076]點(diǎn)P5對(duì)應(yīng)于空間部分SP的所謂的入口，并且被認(rèn)為是在空間部分中溫度最低所在的地點(diǎn)。盡管如此，當(dāng)比率yl/yO是在從0.5到0.9的范圍中時(shí)，仿真結(jié)果顯示具有大約110°C的溫度差。然而，與在點(diǎn)P2處的溫度差相比，在點(diǎn)P5處的溫度差減小。順便地，在圖7中示出的特性可被解釋為，當(dāng)比率yl/yO在從0.67到0.5的范圍中時(shí)，在不同點(diǎn)處的溫度當(dāng)中觀察到?jīng)]有大的溫度差。在沒有執(zhí)行具有小于0.5的比率yl/yO的仿真時(shí)，認(rèn)為將觀察到與當(dāng)比率yl/yO等于0.67時(shí)觀察到的那些特性相類似的特性。
[0077]圖8是示出從不同視角的在圖6中示出的熱分布仿真的結(jié)果的溫度梯度圖。在圖8中，沿著水平軸取得點(diǎn)Pl到P5，并且沿著垂直軸取得不同于最高溫度(也就是在點(diǎn)Pl處的溫度)的溫度差。作為熱分布的參數(shù)，取得空間部分SP的深度(也就是比率yl/y0)，并且采用三個(gè)值，即yl/y0 = 0.75、yl/y0 = 0.50、yl/y0 = 0.25。
[0078]在圖8中，點(diǎn)Pl指示相對(duì)區(qū)域hsel2和hse22的中央部分。不管參數(shù)值，在點(diǎn)Pl處的溫度是大約250°C。與在圖7中示出的特性相比，在圖8中示出的特性展示更小的溫度差，這指示獲得了更好的結(jié)果。還發(fā)現(xiàn)，隨著空間部分SP的深度變化，在不同點(diǎn)處的溫度隨著如在圖7中的大致相同的趨勢(shì)來變化。具體地，當(dāng)比率y Ι/yO等于0.5時(shí)，溫度差最小，并且當(dāng)比率更高或更低時(shí)，在點(diǎn)Pl和其它點(diǎn)之間的溫度差趨于增加。然而，與圖7相比，在不同點(diǎn)處的溫度差比在圖8中的更小，每個(gè)溫度差的絕對(duì)值減小到大致一半。
[0079]點(diǎn)P2對(duì)應(yīng)于耦接區(qū)域hse32的中央部分。不管比率yl/yO，在點(diǎn)P2處的溫度基本上保持相同，并且大致等于最高溫度，即250°C。
[0080]點(diǎn)P3對(duì)應(yīng)于耦接區(qū)域hse32的一側(cè)的部分;也就是，它是對(duì)應(yīng)于空間部分SP的深度端并且被認(rèn)為具有在空間部分SP中的最高溫度的地點(diǎn)。不管空間部分SP的深度，在點(diǎn)P3處的溫度差異基本上保持相同，并且大致是240°C。
[0081 ]點(diǎn)P4對(duì)應(yīng)于溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc。點(diǎn)P4遠(yuǎn)離點(diǎn)P3達(dá)30μπι到60μπι，并且具有比在點(diǎn)Ρ3處的溫度低大約10°C的溫度。然而，在當(dāng)比率yl/yO等于0.5時(shí)與當(dāng)比率71/70等于0.25或0.75時(shí)之間觀察到大約10°C的溫度差，該溫度差因此與在點(diǎn)P3處的溫度差大致相同。
[0082]點(diǎn)P5對(duì)應(yīng)于空間部分SP的入口，并且被認(rèn)為是在空間部分中溫度最低所在的地點(diǎn)。盡管如此，仿真結(jié)果顯示在0.25 < yl/yO < 0.75的范圍中的溫度低于最高溫度大約50°C。然而，在點(diǎn)P5處的溫度展示作為在圖7中的溫度差的一半的溫度差，也就是與在點(diǎn)Pl處的溫度的極大減小的溫度差。
[0083]總之，圖8顯示如下:給予相對(duì)區(qū)域hsel2和hse22比親接區(qū)域hse32的面積(體積)更大的面積(體積)導(dǎo)致在空間部分SP中的更小的溫度梯度，這在其中布置溫度感測(cè)元件是優(yōu)選的。
[0084]圖9是繪出在圖7至I個(gè)8中示出的在點(diǎn)P4處的溫度，特別是與250°C的最高溫度的溫度差的溫度梯度圖。無需說明的是，點(diǎn)P4對(duì)應(yīng)于溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc，并且是對(duì)于監(jiān)測(cè)熱源元件HSE的溫度是尤其重要的地點(diǎn)。具體地，在點(diǎn)P4處的溫度距離在點(diǎn)Pl處的溫度越近，可獲得越高的溫度檢測(cè)靈敏度。
[0085]圖9給出用于作為參數(shù)的不同值的兩個(gè)繪圖。其中一個(gè)描繪一種情況，即如圖5所示，在方向X上的長度Xl0(x20)與耦接區(qū)域hse30的長度X30的比率(也就是，xl0(x20)/x30)等于2;另一個(gè)描繪一種情況，即如圖6所示，在方向X上的長度xl2(x22)與耦接區(qū)域hse32的長度x32的比率(也就是，x12(x22)/x32)等于3。簡言之，在將分別是耦接區(qū)域的寬度的兩倍和三倍的寬度給予相對(duì)區(qū)域的情況之間，比較溫度檢測(cè)靈敏度。
[0086]圖9顯示，將比耦接區(qū)域的寬度更大的寬度給予相對(duì)區(qū)域?qū)е赂〉臏囟炔詈透蟮臏囟葯z測(cè)靈敏度。不管指示空間部分SP的深度的比率(yl/yO)，該傾向保持相同。例如，當(dāng)比率yl/yO等于0.5時(shí)，具有三倍寬度的溫度差是大約20°C，以及具有二倍寬度的溫度差是大約40°C，在兩種情況之間的溫度差大致加倍。
[0087]圖9還顯示，指示空間部分SP的深度的比率yl/yO最好接近于0.5的比率yl/yO，具體地在例如從0.25到0.75的范圍中。
[0088]圖9示出用于如下情況的繪圖，即將分別為耦接區(qū)域hse30或hse32的寬度的兩倍或三倍的寬度給予相對(duì)區(qū)域hselO和hse20或者h(yuǎn)sel2和hse22。然而可預(yù)測(cè)，不僅采用二倍或三倍的寬度而且甚至采用相等的寬度，也就是，即使當(dāng)相對(duì)區(qū)域具有與耦接區(qū)域相同的寬度時(shí)，本發(fā)明將提供類似的效果。再次參考圖5(A)到圖5(C)，將從圖5(C)理解，由于距離相對(duì)區(qū)域hselO和hse20的中央部分(點(diǎn)Pl)的長距離，到空間部分SP的熱傳導(dǎo)是不足夠的。然而，將理解的是，增加耦接區(qū)域hse30的面積直到它具有如在圖5(A)所示的某尺寸，這導(dǎo)致在空間部分SP中的溫度的上升。從不同的視角看，該狀態(tài)意味著在到空間部分SP的熱傳導(dǎo)中，親接區(qū)域hse30是主導(dǎo)的。在該狀態(tài)中，親接區(qū)域hse30的寬度是相對(duì)區(qū)域hselO和hse20的寬度的一半。這可被解釋為指示，將與耦接區(qū)域hse30相同的寬度給予相對(duì)區(qū)域hselO和hse20，這將提供類似的效果。
[0089]在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置10中，熱源元件HSE形成U型，以及提供具有預(yù)定尺寸的空間部分SP，被劃分成分類為兩個(gè)相對(duì)區(qū)域和一個(gè)耦接區(qū)域的三個(gè)區(qū)域。此后，在向熱源元件HSE施加預(yù)定的消耗電功率并且監(jiān)測(cè)和控制最高溫度的時(shí)候，執(zhí)行關(guān)于在熱源元件HSE和空間部分SP中的熱分布和熱梯度的仿真。此后，分析仿真的結(jié)果。在分析中，研究了熱源元件HSE的最高溫度、在溫度感測(cè)元件TE中的溫度差，以及在空間部分SP中的熱分布和熱梯度。此后，基于分析的結(jié)果，確定將熱保護(hù)電路TSD布置在空間部分SP中所需的面積，并且最后確定熱源元件HSE和空間部分SP的形狀和尺寸。通過這些步驟，可設(shè)計(jì)在熱源元件HSE中需要的面積以及適用于熱保護(hù)電路TSD完成其功能的半導(dǎo)體裝置10。
[0090]圖10是示出在熱源元件HSE中的電功率消耗和溫度檢測(cè)靈敏度之間的關(guān)系的仿真圖。具體地，它示出熱分布仿真的結(jié)果，該結(jié)果示出在變化的電力消耗中，在點(diǎn)Pl與P4(溫度感測(cè)元件TE的中央部分Tc)之間的溫度差。采用作為參數(shù)的兩個(gè)值，即一種配置，其中如圖5所示，相對(duì)區(qū)域hselO和hse20的橫向?qū)挾葂lO和x20等于親接區(qū)域hse30的橫向?qū)挾葂30的二倍，以及另一種配置，如圖6所示，相對(duì)區(qū)域hsel2和hse22的橫向?qū)挾葂l2和x22等于耦接區(qū)域hse32的橫向?qū)挾葂32的三倍。在這兩個(gè)配置中，yl/yO等于0.5并且y2/y0等于0.5，以及空間部分SP和耦接區(qū)域hse30(hse32)具有大致相同的尺寸。
[0091]圖5到圖9到此為止是指處理一種情況，其中在熱源元件HSE中的電功率消耗是30W。圖10是從當(dāng)電功率消耗是30W和60W時(shí)熱分布仿真的結(jié)果獲得的特性圖。沿著水平軸取得電功率消耗，并且沿著垂直軸取得溫度差。
[0092]采用兩倍的橫向?qū)挾龋簿褪遣捎脁10(x20)/x30= 2，當(dāng)電功率消耗是30W時(shí)，在點(diǎn)Pl和P4之間的溫度差是44 °C。隨著其它條件不變，將電功率消耗增加到60W導(dǎo)致溫度差上升到 88°C。
[0093]另一方面，采用三倍的橫向?qū)挾?，也就是采用x12(x22)/x32= 3，當(dāng)電功率消耗是30W時(shí)，在點(diǎn)Pl和P4之間的溫度差是22°C。隨著其它條件不變，將電功率消耗增加到60W導(dǎo)致溫度差上升到48°C。然而發(fā)現(xiàn)，與采用兩倍的橫向?qū)挾认啾龋邳c(diǎn)Pl和P4之間的溫度差小很多。這表明，作為指示溫度感測(cè)元件TE的溫度檢測(cè)靈敏度的標(biāo)志(barometer)，相對(duì)區(qū)域(xl0、x20、x12、x22)的橫向?qū)挾扰c耦接區(qū)域(hse30、hse32)的橫向?qū)挾鹊谋嚷史浅Ｖ匾?br>[0094]在設(shè)計(jì)和制造類似種類的半導(dǎo)體裝置和半導(dǎo)體集成電路裝置中，在圖10中示出的熱分布仿真的結(jié)果是非常重要的。原因是，可估計(jì)用于通過熱源元件HSE的電功率消耗的寬范圍的溫度感測(cè)元件TE的溫度檢測(cè)靈敏度。
[0095]從圖10可以估計(jì)，例如，如將在熱源元件HSE的電功率消耗是5W時(shí)獲得的溫度感測(cè)元件TE的溫度檢測(cè)靈敏度?？煽吹?，當(dāng)相對(duì)區(qū)域的橫向?qū)挾仁邱罱訁^(qū)域的橫向?qū)挾鹊膬杀稌r(shí)，溫度差是大約8°C，并且當(dāng)橫向?qū)挾缺嚷适侨稌r(shí)，溫度差是大約4°C。因此，可看到，當(dāng)熱源元件HSE的電功率消耗是5W時(shí)，溫度感測(cè)元件TE的檢測(cè)靈敏度是10°C或更少。還看到，當(dāng)電功率消耗是1W時(shí)，溫度差分別是大約16 °C和大約8 °C。
[0096]在圖10中示出的特性圖依賴如下項(xiàng)來變化:例如所謂的組成材料(例如在其上安裝半導(dǎo)體裝置10的引線框、芯片焊接材料、導(dǎo)線、樹脂等)的熱傳導(dǎo)率[W/m.°C]、密度[kg/m3]和比熱等。因此，通過先前準(zhǔn)備的數(shù)個(gè)組合，可以減小半導(dǎo)體裝置10的設(shè)計(jì)周期，并且提高半導(dǎo)體裝置10的產(chǎn)品質(zhì)量。
[0097]圖11示出熱源元件HSE的面積與空間部分SP的面積的面積比率，并且是通過空間部分SP的入口寬度(長度x3)和深度(長度yl)以及相對(duì)區(qū)域hsell和hsel2的寬度(長度xl和x2)的使用而獲得作為參數(shù)的示意圖。
[0098]在圖11中，例如，當(dāng)XI (x2) /x3 = 2以及y Ι/yO = 0.50時(shí)，空間部分SP的面積等于熱源元件HSE的面積的九分之一(=0.11),因此面積比率是11.1 %。這采用圖5 (A)來支持。當(dāng)xl(x2)/x3 = 3&&yl/y0 = 0.5(^t，空間部分SP的面積等于熱源元件的面積的十三分之一，因此面積比率是7.7%。這采用圖6(B)來支持。當(dāng)xl(x2)/x3 = l以及yl/y0 = 0.75時(shí)，空間部分SP的面積等于熱源元件HSE的面積的三分之一，因此面積比率是33.3%，這盡管在圖中沒有示出。在本發(fā)明中，空間部分SP的面積占據(jù)熱源元件HSE的面積的比例通常是在圖11中示出的從3.7 %到33.3 %的范圍中。也就是，使得熱源元件HSE和空間部分SP以平面視圖看分別為SI和S2，然后S2很大程度上落在從0.037 X SI到0.333 X SI的范圍中。
[0099]圖12示出在空間部分SP中布置的熱保護(hù)電路TSD的具體電路配置的一個(gè)示例。熱保護(hù)設(shè)計(jì)TSD是公知的設(shè)計(jì)。除溫度感測(cè)元件TE以外，熱保護(hù)電路TSD還包括:例如，恒定電流源CCl和CC2、電阻器Rl和R2、晶體管Q、比較器COM和逆變器INV。作為溫度感測(cè)元件TE，例如使用二極管連接的晶體管。當(dāng)溫度感測(cè)元件TE例如是二極管時(shí)，跨越二極管的正向電壓具有相對(duì)于溫度變化的例如_2mV的溫度系數(shù)。因此，通過使在溫度感測(cè)元件TE中產(chǎn)生的電壓與比較器COM比較，可以檢測(cè)熱源元件HSE的溫度。根據(jù)從比較器COM輸出的TSD開/關(guān)(0N/OFF)信號(hào)，打開或關(guān)閉熱保護(hù)電路TSD。作為溫度感測(cè)元件TE，還可使用擴(kuò)散電阻器、多晶硅電阻器或相似形式的半導(dǎo)體。在圖12中示出的熱保護(hù)電路TSD僅是一個(gè)示例;其電路配置可以更復(fù)雜，具有更高的集成度，或者可以更簡單。根據(jù)電路配置以及電路組件的數(shù)量，可確定空間部分SP的入口寬度和深度。
[0100]工業(yè)適用性
[0101]采用根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置和用于設(shè)計(jì)該半導(dǎo)體裝置的方法，可以采用溫度感測(cè)元件基于熱分布仿真來檢測(cè)接近于熱源元件的溫度的溫度。因此，本發(fā)明具有極高的工業(yè)適用性，適合用在包括功率晶體管的半導(dǎo)體裝置中，以及適用于監(jiān)測(cè)和控制在半導(dǎo)體集成電路裝置中的熱量。
[0102]參考標(biāo)記列表
[0103]10半導(dǎo)體裝置
[0104]11第一邊
[0105]12第二邊
[0106]13第三邊
[0107]14第四邊
[0108]15第五邊
[0109]16第六邊
[0110]17第七邊
[0111]18第八邊
[0112]CC1、CC2恒定電流源
[0113]COM比較器
[0114]HSE熱源元件
[0115]hsel、hse2、hsel0、hsel2、hse20、hse22 相對(duì)區(qū)域
[0116]hse3、hse30、hse32親接區(qū)域
[0117]OC其它電路
[0118]Pl到P5點(diǎn)
[0119]Q晶體管
[0120]SCH半導(dǎo)體芯片
[0121]SP空間部分
[0122]TE溫度感測(cè)元件
[0123]TSD熱保護(hù)電路
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種半導(dǎo)體裝置，所述半導(dǎo)體裝置具有熱源元件和溫度感測(cè)元件，其中， 如平面視圖所示，所述熱源元件具有由如下來限定的形狀: 第一邊，其具有第一距離Xl ； 第二邊，其位于與所述第一邊相同的線上，并且在相距所述第一邊第二距離x3處，朝著遠(yuǎn)離所述第一邊的方向延伸第三距離x2; 第三邊，其位于遠(yuǎn)離所述第一邊和第二邊第四距離yl處并且在與所述第一邊和所述第二邊垂直的方向上，并且具有與所述第二距離x3相同的長度； 第四邊，其將所述第一邊的一端與所述第三邊的一端連接在一起； 第五邊，其將所述第二邊的一端與所述第三邊的另一端連接在一起； 第六邊，其一端連接到所述第一邊的另一端并且在與所述第四邊相同的方向上延伸，并且具有比所述第四邊更大的長度，所述長度被表示為長度yO; 第七邊，其連接到所述第二邊的另一端并且其一端在與所述第五邊相同的方向上延伸，并且具有比所述第五邊更大的長度，所述長度被表示為長度yO;以及 第八邊，其將所述第六邊的另一端與所述第七邊的另一端連接在一起，所述第八邊具有長度χΟ，并且 所述溫度感測(cè)元件被布置在所述第三邊附近。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中 與所述第四邊和所述第五邊相比，所述溫度感測(cè)元件的中央部分被布置為更接近于所述第三邊。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其中 在所述第四距離71與所述長度70之間，保持關(guān)系0.25<71/70<0.75。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述第四距離yl基本上滿足關(guān)系yl/y0 = 0.5。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述第一和第二距離xl和x2基本上滿足關(guān)系x3 < xl = x2 < 3 Xx3。6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任一個(gè)所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述熱源元件和所述溫度感測(cè)元件被布置在由所述第一邊、第二邊、第三邊、第四邊和第五邊所劃界的空間部分中，并且 如所述平面視圖所示，當(dāng)所述熱源元件的面積由SI來表示并且所述空間部分的面積由S2來表示時(shí)，保持關(guān)系0.037XS1 <S2< 0.333 X SI。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置，其中 所述溫度感測(cè)元件形成熱保護(hù)電路的一部分， 所述熱保護(hù)電路包括: 恒定電流源，其向所述溫度感測(cè)元件和基準(zhǔn)電壓電路供應(yīng)恒定電流；以及比較器，其將來自所述基準(zhǔn)電壓電路的基準(zhǔn)電壓與在所述溫度感測(cè)元件中產(chǎn)生的電壓進(jìn)行比較，并且 所述熱保護(hù)電路被布置在空間部分中。8.一種半導(dǎo)體裝置，其在半導(dǎo)體芯片中具有熱源元件和溫度感測(cè)元件， 所述熱源元件具有U型，并且由位于空間部分的相對(duì)側(cè)的兩個(gè)相對(duì)區(qū)域以及將所述兩個(gè)相對(duì)區(qū)域耦接在一起的耦接區(qū)域來組成，以及 所述溫度感測(cè)元件被布置在接近耦接區(qū)域的所述空間部分中。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其中 與所述溫度感測(cè)元件的中央部分和一個(gè)所述相對(duì)區(qū)域中的中央部分之間的距離相比，所述溫度感測(cè)元件的中央部分和所述耦接區(qū)域的中央部分之間的距離更短。10.—種用于設(shè)計(jì)根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的半導(dǎo)體裝置的方法，所述方法包括: 第一步驟，其將U型熱源元件劃分成三個(gè)區(qū)域并且確定所劃分的區(qū)域的尺寸和形狀和所述空間部分的尺寸和形狀； 第二步驟，其執(zhí)行關(guān)于在所述第一步驟中確定的所述熱源元件和所述空間部分的熱分布仿真； 第三步驟，其分析在所述第二步驟中執(zhí)行的仿真結(jié)果；以及 第四步驟，其基于在所述第三步驟中獲得的仿真結(jié)果來確定所述三個(gè)區(qū)域的尺寸和所述空間部分的尺寸。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中 所述三個(gè)區(qū)域中的兩個(gè)區(qū)域是相對(duì)區(qū)域，并且所述三個(gè)區(qū)域中的一個(gè)是耦接區(qū)域。
【文檔編號(hào)】H01L27/04GK105849889SQ201480070363
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2014年11月20日
【發(fā)明人】巖田光太郎, 田中邦昌
【申請(qǐng)人】羅姆股份有限公司