基于MINITAB双向可控硅换向版图设计

赵庆平，邱玉石，姜恩华，赵 鑫

（1.淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000；2.阜新北鑫星液压有限公司，辽宁 阜新 123000）

基于MINITAB双向可控硅换向版图设计

赵庆平1，邱玉石2，姜恩华1，赵 鑫1

（1.淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000；2.阜新北鑫星液压有限公司，辽宁 阜新 123000）

通过概述双向可控硅的换向机理，分析提高换向能力的几种技术，运用质量统计软件MINITAB的试验设计分析法（DOE）对双向可控硅芯片的版图设计方案进行归纳总结，确定五试验因子和二个试验水平表，进而确定试验计划.通过对16次工艺试验的结果分析，优选出较佳版图设计方案并获得连续变量因子的回归方程.优选结果表明：在确定芯片工艺方案的前提下，短路区采用正方形分布，并组合相应的换向隔离带设计可更好地实现产品的设计指标.

MINITAB仿真；试验设计分析法（DOE）；短路点；换向隔离带；残差

运用六西格玛设计（DFSS,Design for six sigma）是国际上诸如美国通用电气公司(GE,General Elec⁃tric Company)、意法半导体、安森美半导体等公司进行电子产品设计的常见方法，而利用质量统计软件进行设计方案优选是DFSS的重要一步.本文利用MINITAB软件的试验设计分析法[1]对双向可控硅芯片版图设计方案进行试验设计优选，为国内同行进行半导体器件设计提供一种新的试验方法和思路.

1 换向原理简介

双向可控硅（缩写为TRIAC）是一种能在两个方向上控制电流的双向开关[2]，但由于在感性负载电路中存在着换向失败问题，也就是说，在某一方向导通以后，当转换到反方向后，有可能失去反向保持阻断的能力，因此换向能力成为制约其应用范围的关键指标.双向可控硅是由两个反并联可控硅集成起来的，其换向失效机理如图1[3]：

图1 换向机理

假定左可控硅P1N1P2N2正在导通，当负载反向时，要求双向可控硅阻断住电压，即近门极MT1相对于远门极为正.在电流反向的瞬间，左可控硅有贮存电荷滞留，当MT1变正时，贮存电荷将从两个基区抽出，在MT1和左可控硅的阳极间形成一反向电流，如果电流值足够大时，就会使N4附近的P1区电位升高，这会引起N4发射区注入电子而使右可控硅P2N1P1N4开通，导致换向失败.

设换向电流临界下降率用(di/dt)c来表示，若设(dv/dt)s为静态临界电压上升率，则换向电压上升率(dv/dt)c与(dv/dt)s的关系由下式给出[4]

式中：τp为器件隔离区内的少子寿命；d为换向隔离区宽度（即左右可控硅的隔离宽度）；LP为空穴在隔离区内的扩散长度；Cj为中心结的结电容.

基于此公式，提高双向可控硅换向能力的方法主要有：

1）MOS器件工艺技术;2）离子注入技术;3）短路区优化技术;4）换向隔离带少子寿命控制技术.

2 试验设计方案确定

为保证双向可控硅导通灵敏度，希望其四个象限或三个象限的触发电流尽可能接近[5]，而与此同时又要保证其换向能力不受到更大的影响.双向可控硅的设计总是在解决这一组矛盾，而解决的方法中短路区优化技术与换向隔离带技术得到最广泛的应用，往往成为改善器件性能的突破口.该两种技术与双向可控硅的关联如图2.

图2 换向能力因果

为进行版图设计方案优选，从图2中粗选几个与换向能力关联的因素制定试验因子水平表,见表1：

表1 试验因子水平

3 试验设计分析

采用MINITAB软件列出试验计划表，并将各试验结果（换向电压上升率Dv/dt）填写到对应栏中，见表2：

表2 试验计划与结果

换向电压上升率Dv/dt的效应正态图，如图3：

图3 影响换向能力的效应正态图

从图3中明显可见除A因子和B因子对换向电压上升率Dv/dt有显著影响外，其它因子以及各因子之间的交互作用均不显著.

将不显著项剔除，重新进行因子分析，四合一的残差如图4：

图4 换向能力残差

从四合一图的左上角正态概率图和左下角的直方图，可判断残差（Dv/dt试验值与预测值之差）服从正态分布，从右上角的与拟合值图及右下角的与顺序图中，可判断所建立的试验模型与实测数据拟合很好.

换向电压上升率Dv/dt的主效应如图5：

图5 换向能力主效应

从图5可见，在工艺方案一定的情况下，短路点采用正方形排列，隔离带更宽些，将使换向能力更高.

利用MINITAB获得关于B、D两个试验因子的回归方程如下：

其中换向电压上升率(dv/dt)c单位为V/μs，隔离带宽度B的取值为少子扩散长度的倍数，短路点面积D的单位为mm2.

4 试验结果验证

按照以下试验条件进行结果验证：双向可控硅发射区采用正方形排列短路点，换向隔离带宽度选择6倍扩散长度，短路点面积为0.004 5 mm2.

获得10个样品的换向电压上升率Dv/dt值及其四个象限的触发电流值如表3：

该结果进一步表明，在工艺方案一定的前提下，该版图设计方案在保证换向能力满足设计指标要求的情况下并未对触发电流灵敏度构成显著影响，因此是较佳设计.

表3 试验方案验证

5 结语

在进行可控硅版图设计时往往要经过小样、正样、小批量3个轮次的工艺试验，试验周期少则两个月，多则半年；而借助质量统计软件MINITAB进行半导体器件的试验设计可以缩短一半的试验周期，同时大大降低试验成本.通过依据器件设计原理结合采用试验设计分析法合理安排试验，对产生或形成最佳的设计方案起着关键的作用，进而可获得期望的试验结果.

［1］马逢时，周暐，刘传冰.六西格玛管理统计指南［M］.北京：中国人民大学出版社，2013:80-95.

［2］维捷斯拉夫·本达，约翰·戈沃，邓肯A·格兰特.功率半导体器件——理论及应用［M］.吴郁，张万荣，刘兴明，译.北京：化学工业出版社，2005:208-213.

［3］TAYLOR P D.晶闸管的设计与制造［M］.庞银锁，译.北京：中国铁道出版社，1992:36-45.

［4］赵善麒，郑景春，宋泽令.大功率双向晶闸管换向能力的研究［J］.电力电子技术，1995（1）：53-56.

［5］耿开远.一种提高双向1A可控硅触发灵敏度的工艺方法［J］.半导体技术，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

国家自然科学基金项目（41275027）；安徽高校省级自然科学研究项目（KJ2013Z228）

赵庆平（1975- ），男，辽宁阜新人，硕士，讲师，研究方向为电子技术.