Изобретение относится к области полупроводниковой промышленности, в частности к интегральным микросхемам гальванической развязки, предназначенным для коммутации тока силовых реле в системах управления.
Гальваническая развязка в системах управления выполняет функцию разрыва общей цепи заземления и защиты системы от высоковольтных переходных процессов с целью уменьшения помех и искажений сигналов, а также повышения электробезопасности.
Из уровня техники известно, что основными средствами обеспечения гальванической развязки, позволяющими блокировать протекание тока от одного устройства к другому и при этом обеспечивать передачу информации, являются трансформаторы, развязывающие конденсаторы, оптопары и устройства гальваноразвязки цифрового сигнала типа «iCouplers».
Кроме прочих требований к устройствам гальванической развязки, например, для использования в области ракетно-космической техники, предъявляются также высокие требования по радиационной стойкости, в частности, к дозовым эффектам более 150 крад для гражданского применения и более 1000 крад для военного применения с обеспечением ресурса не менее 120 тыс. часов. В облегченном режиме эксплуатации ресурс составляет от 150 тыс. часов с последующим доведением до 200 тыс. часов.
В отношении радиационной стойкости слабым местом гальванической развязки электрических цепей управляющего сигнала и коммутируемого сигнала может являться оптрон (оптопара светодиод – фотодиод/фототранзистор). Альтернативой оптопаре является электромагнитная развязка – трансформатор.
Существенным недостатком оптрона является его относительно низкая стойкость к ионизирующему излучению (ИИ), под воздействием которого могут изменяться параметры работы полупроводниковых приборов, составляющих оптрон, особенно в процессе длительной эксплуатации. В зависимости от схемы подключения деградация оптрона под действием ионизирующего излучения может спровоцировать невозможность вовремя передать управляющий сигнал ключевому элементу, при этом ключ не сработает либо, наоборот, может вызвать срабатывание ключа без управляющего сигнала, что еще опаснее.
При этом следует отметить, что устройства развязки на базе фототранзисторов более чувствительны к радиации, чем соответствующие устройства на базе фотодиодов.
Фирма Avago Technologies предлагает для применения в военной и космической электронике высоконадежные герметичные оптроны на базе фотодиодов, в частности, для гальванической развязки. Подтвержденная испытаниями радиационная стойкость этих оптронов составляет 30–35 крад. (А. Буданова «Радиационная устойчивость оптронов компании Avago Technologies», Компоненты и технологии №5, 2010 г. стр.108–110). Недостатком гальванической развязки на основе оптронов фирма Avago Technologies являются высокие показатели энергозатрат.
Известно твердотельное реле RDHA720SF06A1NK фирмы International Rectifier (опубликовано в мае 2012 г. на сайте www.irf.com. См.: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/rdha720sf06a1nk.pdf). В конструкции твердотельного реле RDHA720SF06A1NK использована оптронная гальваническая развязка. Радиационная стойкость интегральных схем RDHA720SF06A1NK, заявленная производителем, составляет 100 крад. Трансформатор интегральной схемы изготовлен из металла и диэлектрика, то есть из материалов, которые имеют на порядки более высокую радиационную стойкость, чем полупроводники. Поэтому в условиях действия ИИ трансформатор способен длительно работать без существенной деградации электрофизических параметров.
Упомянутые устройства оптоэлектронной развязки просты в реализации, однако их применение увеличивает затраты энергии в цепях управления, что нежелательно в радиоэлектронной аппаратуре с автономным питанием. Несмотря на то что применение устройств трансформаторной гальванической развязки усложняет схему управления, потери энергии в такой схеме могут быть сведены к минимуму, и поэтому схемотехнические решения с электромагнитной развязкой для аппаратуры ракетно-космической техники особенно актуальны.
Из патента РФ на полезную модель RU74021 (МПК H03K17/78, опубликован 10.06.2008) известно электронное реле с гальванической развязкой, содержащее входы управления реле, коммутирующее устройство, выполненное на n-МОП транзисторе, устройство разряда, выполненное на резисторе, первый и второй выводы которого являются первым и вторым выходами устройства разряда, подключены соответственно к затвору и истоку n-МОП транзистора, являющимися первым и вторым входами коммутирующего устройства, выходами которого являются сток и исток n-МОП транзистора, служащие выходами реле. Узел гальванической развязки состоит из генератора импульсов, импульсного трансформатора, имеющего первичную и вторичную обмотки, и выпрямительного диода, причем первичная обмотка импульсного трансформатора подключена к выходу генератора импульсов, входами которого являются входы управления электронным реле, первый вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с анодом выпрямительного диода, при этом катод выпрямительного диода и второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора подключены соответственно к первому и второму входам устройства разряда и коммутирующего устройства, являющимися соответственно первым и вторым выводами резистора, затвором и истоком n-МОП транзистора коммутирующего устройства.
Данное устройство обладает рядом недостатков. Устройство реализовано на дискретных элементах (в качестве элементов для реализации устройства использованы логические элементы, полевые n-МОП транзисторы, импульсные трансформаторы), а кроме того, устройство имеет крупные габариты и использует элементы с большой потребляемой мощностью.
Из уровня техники известна интегральная схема устройства управления силовым ключом с гальванической трансформаторной развязкой, раскрытая в описании патента США US6862196 (H02M3/335, 01.03.2005). Для уменьшения размеров и снижения стоимости в схеме устройства предлагается использовать трансформатор в форме планарных витков, размещенных на изолирующей подложке вместе с пассивными компонентами высокочастотного контура, подключенными со стороны первичной обмотки трансформатора. В схеме, раскрытой в описании патента, на стороне управляемого силового ключа отсутствует размещение каких-либо элементов управления ключом, а в качестве силового ключа выступает тиристор, сигнал на который подается через диод. Согласно описанию, планарный трансформатор обеспечивает передачу сигналов на частоте более 40 МГц, однако показатели надежности и радиационной стойкости в описании не раскрыты.
Из описания патента США US9166499 (H02M7/537, 20.10.2015) известно устройство управления силовыми ключами, в том числе МОП-транзисторами, включающее трансформаторы гальванической развязки, размещенные на полупроводниковой подложке вместе с другими элементами устройства управления. Размещение трансформаторов гальванической развязки на кремниевой или кварцевой подложке в составе электронного устройства также известно, например, из патента США US8519506 (H01L29/02, 27.08.2013) и заявки на патент США US20120002377 (H05К7/02, 05.01.2012). Однако радиационная стойкость и надежность указанных устройств является недостаточной для использования в области космической техники.
Из уровня техники известна технология iCoupler фирмы Analog Devices, согласно которой устройства гальванической развязки на основе трансформаторов выполнены на кристалле кремния (см. Скотт Вейн «Применение устройств гальванической развязки цифрового сигнала iCoupler®», Компоненты и технологии, №9, 2005, стр. 74–78). Согласно технологии iCoupler, планарный трансформатор изготавливается в ходе технологического процесса КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) на этапе металлизации. Одну «обмотку» трансформатора от другой изолирует слой электрически прочного синтетического полимера на основе полиимида. Эти «обмотки» подключены к быстродействующим КМОП-схемам, обеспечивающим интерфейс между трансформатором и внешними сигналами. Следует отметить, что синтетические полимерные материалы, которыми изолируют «обмотки» трансформатора, не обеспечивают требуемого уровня радиационной стойкости гальванической развязки.
Согласно информации, изложенной в патентах США US7495498 (H03K17/687, 24.02.2009) и US6982883 (H02H5/00, 03.01.2006), улучшению радиационной стойкости силового ключа способствует повышение управляющего напряжения, формируемого схемой управления, в частности, через повышающий трансформатор. Однако известные технические решения не обеспечивают достаточного уровня надежности.
В патенте РФ RU108250 (H03K17/00, 10.09.2011), раскрывается электронное реле в виде интегральной микросхемы с трансформаторной развязкой, включающее N-канальный ДМОП транзистор (МОП-транзистор с двойной диффузией), подключенный к драйверу через трансформаторную развязку и два диода Шоттки. Однако данная полезная модель реализует схему управления силовым ДМОП-транзистором, которая не обеспечивают достаточного уровня надежности и радиационной стойкости.
Из патента РФ RU2185685 (H01L21/784, 20.07.2002) известен способ создании структур «кремний на сапфире», предназначенных для изготовления дискретных приборов и интегральных микросхем, стойких к воздействию радиации. Способ включает нанесение на сапфировую подложку пленки кремния путем наращивания эпитаксиальной пленки кремния с заданными кристаллографической ориентацией, типом проводимости и толщиной, а также последующую циклическую обработку полученной пленки для снижения ее дефектности.
В качестве наиболее близкого аналога заявленной интегральной микросхемы гальванической развязки может быть выбрана микросхема гальванической развязки, раскрытая в схеме управления силового ключа, представленной в интегральном исполнении с трансформаторной развязкой в описании упомянутого выше патента США US6862196. Недостатком данного технического решения является некомпактное взаимное расположение планарных витков трансформатора и других элементов в объеме кристалла микросхемы.
Изобретение направлено на решение задачи создания интегральной микросхемы, обеспечивающей гальваническую развязку по входу силового МОП-транзистора без использования навесных компонентов. Интегральная микросхема гальванической развязки при минимальных габаритах должна надежно обеспечивать функцию разрыва общей цепи заземления, защиты от высоковольтных переходных процессов, уменьшения помех и искажений сигналов, а также повышения электробезопасности.
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов интегральной микросхемы гальванической развязки при повышении показателей ее надежности и радиационной стойкости.
Для решения данной задачи разработана схема управления затвором внешнего силового МОП-транзистора на основе входного генератора, спирального трансформатора и выпрямителя.
Заявлена интегральная микросхема гальванической развязки, содержащая вход гальванической развязки и контактную площадку земли входа, связанные с блоком формирования высокочастотного синусоидального сигнала, который через спиральный трансформатор связан с выпрямителем. К выпрямителю подключен выход управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и контактная площадка земли выхода, между которыми подключен высокоомный резистор для сброса потенциала затвора внешнего силового МОП-транзистора, при этом интегральная микросхема гальванической развязки выполнена в виде пленочной интегральной микросхемы на подложке из сапфира.
Спиральный трансформатор заявленной интегральной микросхемы реализован в виде двух коаксиально расположенных плоских многовитковых спиралей.
Топологическая конфигурация многовиткового спирального трансформатора может быть реализована в нескольких вариантах: квадратная, круглая или меандровая, когда вся схема блока формирования высокочастотного сигнала (драйвера) и блока выпрямителя (схема управления) расположены внутри многовитковых спиралей (катушек трансформатора). Указанные варианты различаются между собой коэффициентами связи катушек. Предпочтительной топологической конфигурацией коаксиально расположенных плоских многовитковых спиралей оказалась их меандровая конфигурация с образованием на подложке контура Н-образной фигуры.
Заявленная интегральная микросхема в предпочтительном варианте содержит спиральный трансформатор, который реализован в виде двух коаксиально расположенных плоских многовитковых спиралей, образующих на подложке контур Н-образной фигуры, перекладина которой расположена в центральной части подложки, а ножки Н-образной фигуры выполнены в форме двух прямоугольных петель, охватывающих периферийные участки подложки с формированием окна во внутренней части каждой петли. При этом в первом окне размещен вход гальванической развязки, контактная площадка земли входа и блок формирования высокочастотного синусоидального сигнала, а во втором окне размещен выпрямитель, выход управления затвором внешнего силового МОП-транзистора, контактная площадка земли выхода и высокоомный резистор.
Выпрямитель заявленной интегральной микросхемы выполнен на основе полноволнового выпрямительного моста Грейтца из четырех диодов Р+-n-–типа.
Блок формирования высокочастотного синусоидального сигнала заявленной интегральной микросхемы включает в себя высокочастотный кольцевой генератор и формирователь импульсов. При этом кольцевой генератор выполнен в виде нескольких сопряженных колец с количеством замкнутых в кольцо инверторов, выбранным из группы, включающей 25 инверторов, 75 инверторов, 125 инверторов.
Также заявлен способ изготовления интегральной микросхемы гальванической развязки, включающий нанесение на сапфировую подложку пленки кремния и ее последующую обработку с формированием элементов интегральной микросхемы. При этом на одной сапфировой подложке одновременно формируют входную и выходную части микросхемы, которые выполняют изолированными друг от друга с возможностью индукционного взаимодействия через спиральный трансформатор. Во входной части микросхемы формируют вход гальванической развязки и контактную площадку земли входа, которые соединяют с блоком формирования высокочастотного синусоидального сигнала, а выходную часть микросхемы снабжают выпрямителем, соединенным с выходом управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и контактной площадкой земли выхода. Спиральный трансформатор выполняют в виде двух коаксиально расположенных плоских многовитковых спиралей, лежащих одна над другой в верхнем и нижнем слоях металлизации микросхемы, изолированных друг от друга слоем двуокиси кремния, а управляющий выход силового МОП-транзистора соединяют с контактной площадкой земли выхода через высокоомный резистор.
В соответствии с заявленным способом на сапфировой подложке сначала формируют эпитаксиальную пленку кремния n-типа толщиной 2–3 мкм, а ее последующая обработка включает операции формирования активной структуры кристалла микросхемы и финишные операции, предусматривающие нанесение межслойной изоляции, вскрытие контактных окон, формирование рисунка первой металлизации, нанесение следующей межслойной изоляции и нанесение и формирование рисунка второй металлизации, после чего осуществляют нанесение пассивирующего слоя.
Операции формирования активной структуры кристалла микросхемы включают в себя разделение эпитаксиальной пленки кремния n-типа на островки, дополнительное легирование заданных областей полученных островков, последующее затворное окисление, осаждение поликристаллического кремния (поликремния), его легирование фосфором, травление и термообработку.
В соответствии с заявленным способом выпрямитель выполняют на эпитаксиальных островках кремния на сапфире в виде четырех диодов Р+- n-–типа, из которых составляют полноволновой выпрямительный мост Грейтца, а блок формирования высокочастотного синусоидального сигнала выполняют на основе высокочастотного кольцевого генератора, который размещают в верхнем слое металлизации микросхемы и формируют одновременно с верхней спиралью трансформатора.
В соответствии с заявленным способом в качестве материала для нанесения первого и второго слоя металлизации интегральной микросхемы выбирают чистый алюминий или сплав на основе алюминия.
Далее изобретение более подробно описывается со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 представлена структурная схема интегральной микросхемы гальванической развязки.
На фиг. 2 представлена условная схема блока формирования высокочастотного синусоидального сигнала.
На фигурах 3А, 3B, 3C, 3D, 3E показана приблизительная последовательность операций формирования активных областей.
На фиг. 4 представлена топология кристалла микросхемы трансформаторной развязки.
На фиг. 5 представлен макет интегральной микросхемы силового радиационно-стойкого твердотельного коммутатора.
На фигурах 1–5 приняты следующие обозначения основных позиций, показанных на схемах:
1 – вход гальванической развязки;
2 – выход управления затвором внешнего силового МОП-транзистора;
3 – контактная площадка земли входа;
4 – контактная площадка земли выхода;
100 – блок формирования высокочастотного синусоидального сигнала;
101 – спиральный трансформатор;
102 – выпрямитель;
103 – высокоомный резистор;
104 – условная схема гальванической развязки в составе коммутатора;
200 – условная схема силового радиационно-стойкого твердотельного коммутатора.
На фиг. 1 приведена структура гальванической развязки, содержащая вход гальванической развязки (1) и контактную площадку (3) земли входа, связанные с блоком (100) формирования высокочастотного сигнала, который через спиральный трансформатор (101) связан с выпрямителем (102). К выпрямителю (102) подключены выход (2) управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и контактная площадка (4) земли выхода, между которыми включен высокоомный резистор (103) для сброса потенциала затвора внешнего силового МОП-транзистора.
Контактные площадки (3) и (4) представляют собой металлизированные участки, служащие для соединения выводов элементов, а также для контроля электрических параметров и режимов функционирования микросхемы.
Блок (100) формирования высокочастотного сигнала состоит из задающего генератора и выходного мощного формирователя сигнала, связанного с первичной спиралью трансформатора. В качестве задающего генератора используются кольцевые генераторы с разным возможным числом замкнутых в кольцо инверторов, например, 25 инверторов, 75 инверторов, 125 инверторов. В интегральной схеме варианты коммутации реализуются в верхнем слое металлизации из алюминия одновременно с верхней спиралью трансформатора, в зависимости от требований к потребляемой мощности и уровню выходного сигнала конкретного устройства, что позволяет широко варьировать частоты в первичной цепи трансформатора и задавать таким образом оптимальную частоту «накачки» первичной цепи трансформатора. Пример реализации блока (100) формирования высокочастотного сигнала приведен на фиг. 2.
Спиральный трансформатор (101) реализован в виде двух коаксиальных плоских многовитковых спиралей, опирающихся на сапфировую подложку. Первичная обмотка включена между выходом кольцевого генератора блока (100) формирования высокочастотного синусоидального сигнала и контактной площадкой (3) земли входа. Вторичная обмотка трансформатора подключается к блоку (102) выпрямителя, включающему в себя полноволновой выпрямительный мост Грейтца из 4-х диодов Р+- n—типа, изготовленных на эпитаксиальных островках кремния на сапфире. Выходы выпрямителя (102) подключены к выходу (2) управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и выходу (4) контактной площадки земли выхода. Между выходными контактами (2) и (4) включен высокоомный резистор (103) с величиной сопротивления порядка 1 МОм.
Устройство работает следующим образом.
При поступлении на вход (1) гальванической развязки импульса напряжения управления силовым транзистором амплитудой от 2,4 до 7 В запускается работа кольцевого генератора блока (100) формирования высокочастотного сигнала, формирующего импульсы с частотой от 10 до 60 МГц, которые через спиральный повышающий трансформатор (101) поступают на вход выпрямителя (102), на выходе (2) которого формируется коммутирующий сигнал импульса постоянного напряжения с амплитудой не менее 8 В, обеспечивающий открывание внешнего силового МОП-транзистора. По заднему фронту входного импульса управления схема развязки выключается, и потенциал затвора силового МОП-транзистора разряжается через высокоомный резистор (103) между затвором и истоком.
Гальваническая трансформаторная развязка сконструирована следующим образом.
В качестве подложки для формирования интегральной микросхемы гальванической развязки выбрана подложка из сапфира (монокристаллический Al2O3). Сапфир при использовании в качестве изолирующей подложки имеет целый ряд преимуществ по сравнению с подложками из кремния или оксида кремния. Он обладает весьма малыми диэлектрическими потерями в СВЧ-диапазоне, высокой теплопроводностью, механической прочностью, устойчивостью к воздействию высокой температуры, влаги, излучений. Микросхемы на сапфировой подложке характеризуются повышенной долговечностью и имеют высокую устойчивость к радиации, что делает их наиболее подходящими для оборудования космической связи и навигации, а также инфраструктуры атомной промышленности. Кроме того, микросхемы на сапфировой подложке характеризует очень малый ток утечки, что обеспечивает их высокое быстродействие и малое энергопотребление.
На фиг. 3А, 3B, 3C, 3D, 3E показан один из возможных вариантов осуществления последовательности операций формирования активных областей интегральной микросхемы коммутатора с гальванической развязкой.
Интегральная микросхема коммутатора с гальванической развязкой выполнена по технологии «кремний на сапфире» в рамках следующей последовательности технологических операций, которые осуществляют после получения исходной структуры в виде эпитаксиальной пленки кремния n-типа, выращенной на сапфировой подложке, после чего осуществляют последовательные операции фотолитографии:
1-ая фотолитография – формирование Р-карманов;
2-я фотолитография – формирование N-карманов;
3-ая фотолитография – формирование островков;
4-ая фотолитография – формирование контактных окон;
5-ая фотолитография – первая металлизация;
6-ая фотолитография – формирование контактных окон;
7-ая фотолитография – вторая металлизация;
8-ая фотолитография – формирование окна в пассивации.
На фиг. 3A показана исходная структура – эпитаксиальная пленка кремния n-типа на сапфировой подложке. Сапфир, представляющий собой монокристаллический Al2O3, имеет одинаковую кристаллографическую структуру с кремнием (Si), причем постоянные решеток Al2O3 и Si также близки между собой, поэтому кремний образует на сапфире монокристаллическую пленку при высокой прочности адгезионной связи с подложкой.
На всей поверхности сапфировой подложки выращивают слой n-Si толщиной 2–3 мкм. После формирования Р-кармана и дополнительного легирования областей канала перед формированием N-канальных транзисторов получают структуру, показанную на фиг. 3B. Затем через маску в слое n-Si вытравливаются канавки и области до Al2O3. В результате образуются островки, отделенные друг от друга воздушными промежутками. В этих островках формируют активную часть схемы: диоды и транзисторы схемы входного драйвера – блока формирования высокочастотного синусоидального сигнала (102) и схемы управления, представленной выпрямителем (102) и резистором (103). Спиральный трансформатор (101) Н-образной фигуры формируют непосредственно на поверхности Al2O3 в области ранее удаленного слоя n-Si.
На фиг. 3C показана структура после разделения эпитаксиальной пленки на островки.
Далее проводится затворное окисление и осаждение поликристаллического кремния, его легирование фосфором до уровня удельного поверхностного сопротивления 20÷25 Ом∙на квадрат.
После проведения операции фотокопии и последующего реактивно-ионного травления поликремния получают структуру, показанную на фиг. 3D.
Далее проводятся фотокопии, имплантации ионов фосфора и бора и последующая термообработка для разгонки примеси в истоковых и стоковых областях МОП-транзисторов. Полученная структура показана на фиг. 3Е.
После формирования активной структуры матрицы проводятся финишные операции: нанесение межслойной изоляции, вскрытие контактных окон, формирование рисунка первой металлизации, нанесение межслойной изоляции, вскрытия контактов между металлизациями, нанесение и формирование рисунка второй металлизации и нанесение пассивирующего слоя.
Спираль первичной обмотки трансформатора (101), выполненная из алюминия на этапе первой металлизации, лежит на сапфировой подложке. Толщина слоя алюминия в витках спирали первичной обмотки составляет приблизительно 0,45 мкм и имеет удельное поверхностное сопротивление 0,075 Ом∙на квадрат.
Количество витков спирали варьируется предпочтительно от 12 до 30.
Следует отметить, что прямоугольная форма спирали первичной и вторичной обмотки трансформатора (см. фиг. 4) предпочтительней, чем круглая, как более технологичная и обеспечивающая более высокую интегральную плотность микросхемы.
Как показано на фиг. 4, спиральный трансформатор в топологии интегральной микросхемы реализован в виде двух коаксиально расположенных в первом и втором слоях металлизации плоских многовитковых спиралей, приблизительно выполненных в форме двух прямоугольников, сопряженных перемычкой, при этом прямоугольники выполнены со скошенными углами при вершинах на внешней периферии многовитковых спиралей.
Между нижней спиралью первичной обмотки трансформатора (101) и верхней спиралью вторичной обмотки трансформатора (101) расположен изолирующий слой двуокиси кремния толщиной 0,9–1,2 мкм, сформированный на этапе нанесения межслойной изоляции Верхняя спираль вторичной обмотки трансформатора (101) коаксиально расположена над нижней спиралью первичной обмотки трансформатора (101) и сформирована на этапе формирования рисунка второй металлизации одновременно с формированием кольцевого генератора. Толщина слоя алюминия в витках верхней спирали вторичной обмотки трансформатора (101) составляет приблизительно 1,05 мкм при величине удельного поверхностного сопротивления 0,03 Ом∙на квадрат.
Количество витков верхней спирали вторичной обмотки трансформатора (101) составляет предпочтительно от 24до 60 витков.
Завершается процесс изготовления интегральной микросхемы вскрытием контактных площадок кристалла микросхемы.
На фиг. 5 представлен макет интегральной микросхемы силового радиационно-стойкого твердотельного коммутатора (200), который разработан на основе заявленного изобретения. Силовой радиационно-стойкий твердотельный коммутатор (200) предназначен для использования в качестве компонента системы управления силовыми блоками в системах с резервированием систем управления. Он включает в себя гальваническую развязку (104), выполненную на подложке из сапфира, и силовой МОП-транзистор. Контактные площадки (2) и (4) выхода схемы гальванической развязки (104) соединяется с затвором и истоком внешнего силового МОП-транзистора путем термокомпрессионной или ультразвуковой сварки. Макет интегральной микросхемы коммутатора (200) для защиты от внешних воздействий изготовлен в планарном металлокерамическом корпусе со следующими основными параметрами: амплитуда управляющего сигнала от 3,3 до 5,0 В; максимальный входной ток 8,0 мА; сопротивление открытого ключа 0,05 Ом; время срабатывания 0,1 мс; ток утечки закрытого ключа 2 мА; напряжение коммутируемого сигнала на активную нагрузку от 3 до 45 В; ток коммутируемого сигнала в проверочном режиме от 5 до 20 мА; диапазон рабочих температур от -60 до +85°С. Интегральная микросхема гальванической развязки соответствует требованиям по радиационной стойкости в отношении дозового эффекта более 150 крад с обеспечением ресурса не менее 120 тыс. часов.
Изобретение относится к области полупроводниковой промышленности, в частности к интегральным микросхемам гальванической развязки, предназначенным для коммутации тока силовых реле в системах с резервированием систем управления, в частности, для аппаратуры ракетно-космической техники. Интегральная микросхема гальванической развязки содержит вход гальванической развязки и контактную площадку земли входа, связанные с блоком формирования высокочастотного синусоидального сигнала, который через спиральный трансформатор связан с выпрямителем. К выпрямителю подключен выход управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и контактная площадка земли выхода, между которыми подключен высокоомный резистор для сброса потенциала затвора внешнего силового МОП-транзистора. Интегральная микросхема выполнена в виде пленочной интегральной микросхемы на подложке из сапфира. Способ изготовления интегральной микросхемы гальванической развязки включает в себя нанесение на сапфировую подложку пленки кремния и ее последующую обработку с формированием элементов интегральной микросхемы. На сапфировой подложке одновременно формируют входную и выходную части микросхемы, которые выполняют изолированными друг от друга с возможностью индукционного взаимодействия через спиральный трансформатор, при этом во входной части микросхемы формируют вход гальванической развязки и контактную площадку земли входа, которые соединяют с блоком формирования высокочастотного синусоидального сигнала, выходную часть микросхемы снабжают выпрямителем, соединенным с выходом управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и с контактной площадкой земли выхода. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов интегральной микросхемы гальванической развязки при повышении показателей ее надежности и радиационной стойкости. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
1. Интегральная микросхема гальванической развязки, содержащая вход гальванической развязки и контактную площадку земли входа, связанные с блоком формирования высокочастотного синусоидального сигнала, который через спиральный трансформатор связан с выпрямителем, отличающаяся тем, что к выпрямителю подключен выход управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и контактная площадка земли выхода, между которыми подключен высокоомный резистор для сброса потенциала затвора внешнего силового МОП-транзистора, при этом интегральная микросхема гальванической развязки выполнена в виде пленочной интегральной микросхемы на подложке из сапфира.
2. Интегральная микросхема по п. 1, отличающаяся тем, что спиральный трансформатор реализован в виде двух коаксиально расположенных плоских многовитковых спиралей.
3. Интегральная микросхема по п. 2, отличающаяся тем, что указанные две коаксиально расположенные плоские многовитковые спирали образуют на подложке контур Н-образной фигуры, перекладина которой расположена в центральной части подложки, а ножки Н-образной фигуры выполнены в форме двух прямоугольных петель, охватывающих периферийные участки подложки с формированием окна во внутренней части каждой петли, при этом в первом окне размещен вход гальванической развязки, контактная площадка земли входа и блок формирования высокочастотного синусоидального сигнала, а во втором окне размещен выпрямитель, выход управления затвором внешнего силового МОП-транзистора, контактная площадка земли выхода и высокоомный резистор.
4. Интегральная микросхема по п. 1, отличающаяся тем, что выпрямитель выполнен на основе полноволнового выпрямительного моста Грейтца из четырех диодов Р+-n-–типа.
5. Интегральная микросхема по п. 1, отличающаяся тем, что блок формирования высокочастотного синусоидального сигнала включает в себя высокочастотный кольцевой генератор и формирователь импульсов.
6. Способ изготовления интегральной микросхемы гальванической развязки, включающий нанесение на сапфировую подложку пленки кремния и ее последующую обработку с формированием элементов интегральной микросхемы, отличающийся тем, что
на сапфировой подложке одновременно формируют входную и выходную части микросхемы, которые выполняют изолированными друг от друга с возможностью индукционного взаимодействия через спиральный трансформатор,
во входной части микросхемы формируют вход гальванической развязки и контактную площадку земли входа, которые соединяют с блоком формирования высокочастотного синусоидального сигнала, и
выходную часть микросхемы снабжают выпрямителем, соединенным с выходом управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и с контактной площадкой земли выхода,
причем спиральный трансформатор выполняют в виде двух коаксиально расположенных плоских многовитковых спиралей, лежащих одна над другой в верхнем и нижнем слоях металлизации микросхемы, изолированных друг от друга слоем двуокиси кремния, а управляющий выход силового МОП-транзистора соединяют с контактной площадкой земли выхода через высокоомный резистор.
7. Способ изготовления интегральной микросхемы по п. 6, отличающийся тем, что на сапфировой подложке формируют эпитаксиальную пленку кремния n-типа, предпочтительно толщиной 2–3 мкм, а ее последующая обработка включает операции формирования активной структуры кристалла микросхемы и финишные операции, предусматривающие нанесение межслойной изоляции, вскрытие контактных окон, формирование рисунка первой металлизации, нанесение межслойной изоляции, нанесение и формирование рисунка второй металлизации, после чего осуществляют нанесение пассивирующего слоя.
8. Способ изготовления интегральной микросхемы по п. 7, отличающийся тем, что операции формирования активной структуры кристалла микросхемы включают в себя разделение эпитаксиальной пленки кремния n-типа на островки, дополнительное легирование заданных областей полученных островков, последующее затворное окисление, осаждение поликристаллического кремния, его легирование фосфором, травление и термообработку.
9. Способ изготовления интегральной микросхемы по п. 8, отличающийся тем, что выпрямитель выполняют на эпитаксиальных островках кремния на сапфире в виде четырех диодов Р+-n--типа с формированием полноволнового выпрямительного моста Грейтца.
10. Способ изготовления интегральной микросхемы по п. 7, отличающийся тем, что первый и второй слои металлизации интегральной микросхемы выполняют на основе алюминия.
| US 6862196 B2, 01.03.2005 | |||
| US 9166499 B2, 20.10.2015 | |||
| Программный терморегулятор | 1939 |
|
SU74021A1 |
| 0 |
|
SU108250A1 | |
| Цифровой автоматический компенсатор | 1958 |
|
SU122813A2 |
