[发明专利]功率器件中用于自我保护的结构和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种保护器件的结构及方法。特别的，本发明涉及一种改良的电路结构和方法，其使用具有正温度系数的导电材料来保护功率器件免受由短路所引起的过电流带来的损害。 

背景技术

在高功率情形下，功率器件常常会因为“短路”现象而导致失效，此时会对于使用该功率器件的系统中的其它组件造成损害。因此，功率器件最好可以在开路(open circuit)状态中失效，当然，如果可以完全避免失效的发生是更好的。而防止失效，可以通过集成保护电路使其作为器件的一部分或器件的外侧来实现。一种运用于半导体器件中的特殊保护方法是，如图1A所示，在连接垫(bond pads)接合之前，将可熔性连接装置(fusible link)，如金属熔线或多晶硅熔线，配置在内导线连接金属图案中。然而，如图1B所示，此种配置具有的缺陷是，在超高电流应用上，由于需要多条熔线与多个连接垫，使得晶粒尺寸增加，将会产生额外的费用，并对于制造与运作造成影响。使用多条熔线与多个连接垫所伴随的另一种缺点是，假如不是所有的熔线都在过电流发生期间熔断(blow open)，则熔线没有被熔断的器件的有源区域就会遭受损害。再者，其他的保护电路，例如金属熔线、多晶硅熔线或其它“故障旁路”(fail-open)保护电路，经常会不利于器件或系统的运作。这种熔线保护也具有缺点，就是此类保护为不可复位的(re-settable)，即使过电流情况消失，但一旦熔线损坏，那么熔线的连接也会遭受破坏。 

为了克服上述限制，使用正温度系数(PTC)的材料作为可复位的过电流保护器件。已知的，有各种正温度系数材料，例如聚合物正温度系数数材料，而在市面上商业化的产品有“多晶硅熔线”(Polyfuse)、“多晶硅开关”(Polyswitch)以及“多开关”(Multiswitch)。这些产品可制成内嵌有碳粒子的塑料制品。当塑料制品处于冷却状态时，全部的碳粒子会彼此接触，在器件中形成导电路径。当塑料制品加热时，膨胀会促使碳粒子分开，并使得器件的电阻快速地提高。如同钛酸钡(BaTiO₃)晶体管，此种器件具有高度非线性电阻/温度响应，并且可作为开关，而不是作为比例温度测量器。美国专利第4,238,812号和各种数据表格公开了正温度系数的应用，该应用提供了正温度系数材料作为商业产品的应用。此外，正温度系数材料的效用也已经被证实了，当温度提升时，正温度系数材料的电阻会提升5个数量级。 

即使正温度系数材料对于电子器件的过电流保护的应用是众所周知的，但当实际使用正温度系数材料时，仍然有许多技术上的限制与困难。正温度系数保护电路通常可通过如图1C所示的连接至负载的保护电路器件来实现，此保护电路器件包含正温度系数材料，且正温度系数材料具有随着温度而提高的电阻。然而，为了达到对器件的保护，需要利用自我加热(self-heating)来提高温度，而且，需要在器件内部提供I²R的电压降，并通过特殊的安装来避免散热片可能会减低器件保护的效用。在此同时，较高的电阻可能会导致较高的自我加热而达到更好的保护，然而，也会对于此功率系统产生负面的影响。同样地，还可能会通过增加更多的电路器件来提供外部热源以加热正温度系数材料，但是，这些增加的电路器件将会对电流保护造成限制并占据大量的空间。 

因此，在电路设计与器件制作领域中仍然存在着一种需求，就是需要提供一种新颖且改良的结构与制造方法，以解决上述困难。特别的，仍然有需要提供一种崭新与改良的结构达成正温度系数保护，使得前述的各种限制与困难得以解决。 

发明内容

因此，本发明一方面在于提供一种崭新且改良的可复位正温度系数保护结构，因此，电子器件内的温度提升会自动施加在正温度系数材料上，而且，使用正温度系数保护可使得寄生电阻的增幅最小，以此克服前述传统正温度系数保护所造成的困难与限制。 

更特别的，本发明的另一方面在于提供一种崭新且改良的正温度系数保护结构，其正温度系数保护与电子器件内的加热组件或区域具有大的热耦合， 同时，此类耦合在耦合或寄生电阻的增加最小的情况下提供。 

本发明的另一方面在于提供一种崭新且改良的正温度系数保护结构，其可方便地以标准封装技术实施，因而可避免在制造成本上所造成的不利影响。 

本发明的另一方面在于提供一种崭新的与改良的正温度系数保护结构，其可在不用增加封装尺寸的情况下实施，因而可减少潜在的在制造成本上所造成的不利影响。