高能效功率電子技術(shù)領(lǐng)域的新進(jìn)展

21ic訊　　從1957年第一只晶閘管的誕生開始，功率電子技術(shù)以相當(dāng)迅猛的速度發(fā)展。近年來(lái)又取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，產(chǎn)生極佳的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。從美國(guó)高能效經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(ACEE)出版的一份報(bào)告可以看到，到2030年，受益于采用半導(dǎo)體技術(shù)而獲得的更高能效，可以使美國(guó)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模擴(kuò)大70%以上，與此同時(shí)，使用的電能卻將減少11%。作為高能效功率電子技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先廠商，安森美半導(dǎo)體一直專注于超低損耗MOSFET/IGBT、智能電源IC及集成功率模塊等方面的研發(fā)和創(chuàng)新，而且取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。

從工藝到材料都在創(chuàng)新

隨著時(shí)間的推移，功率晶體管技術(shù)得到了持續(xù)的改善。器件的體積不斷縮小，功率密度越來(lái)越高。在電壓高于1 kV的大功率晶體管方面，雙極結(jié)構(gòu)已成為首選；低于1 kV電壓，特別是頻率高于100 kHz時(shí)，更多采用的是MOSFET。高于此電壓的大電流應(yīng)用則選擇IGBT。
　　
開發(fā)這類器件的主要挑戰(zhàn)在于，在開關(guān)頻率持續(xù)上升時(shí)，需要通過(guò)減小由導(dǎo)通阻抗導(dǎo)致的導(dǎo)電損耗、降低內(nèi)部電容，以及改善反向恢復(fù)性能，將內(nèi)部損耗降到最低。由于擊穿電壓更高及未鉗位開關(guān)特性(UIS)的緣故，提升擊穿強(qiáng)固性也非常重要。
　　
以往，開發(fā)電壓低于40 V的低壓MOSFET的重點(diǎn)在于給定導(dǎo)通阻抗條件下將裸片尺寸減至最小，從而降低單位成本。因此，最重要的質(zhì)量因子(Figure of Merit, FOM)就是單位為mΩ x mm2的特征導(dǎo)通阻抗(RDS(ON)spec)。由于低壓FET中溝道阻抗(channel resistance)對(duì)特征導(dǎo)通阻抗有較大影響，業(yè)界主要致力于在可用面積上配置盡可能多的FET溝道。平面溝道被垂直“溝槽門”溝道替代，同時(shí)使用先進(jìn)的光刻技術(shù)來(lái)縮小表面尺寸。
　　
但是，減小溝槽FET間距的方法并不能輕松達(dá)到采用RDS(ON)xQg(d)定義的關(guān)鍵質(zhì)量因子，因?yàn)閱挝幻娣e上的導(dǎo)通阻抗方面的改進(jìn)被單位面積門電荷(Qg)增加所抵消。開發(fā)就轉(zhuǎn)向了諸如溝槽FET(帶有額外解耦垂直場(chǎng)效電板從漏極屏蔽門極)、溝槽LDMOS(結(jié)合了溝槽MOS的緊湊性及背面漏極與LDMOS的較低Qg(d))以及優(yōu)化了金屬化/封裝的LDMOS等架構(gòu)。
　　
雖然多年來(lái)基于硅的晶體管有了持續(xù)改進(jìn)，但硅基材料特性上的限制表明，未來(lái)十年人們還需要尋求其它可用方案。目前，利用寬帶隙材料(氮化鎵、碳化硅及鉆石)的方案已經(jīng)出現(xiàn)。這些材料可以提供更好的熱特性，開關(guān)損耗更低，而且結(jié)合了更有吸引力的低導(dǎo)通阻抗(RDS(ON))和高擊穿電壓(VBD)性能的優(yōu)勢(shì)。
　　
寬帶隙材料也可以在高壓應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)重大突破。氮化鎵和碳化硅的臨界擊穿場(chǎng)的數(shù)量級(jí)高于硅，迄今發(fā)布的器件也具有熱導(dǎo)率更高(比硅高約3倍)的優(yōu)勢(shì)。在高于1 kV的應(yīng)用中碳化硅是首選材料，而氮化鎵則最適于電壓低于1 kV的應(yīng)用。然而，仍然需要克服一些技術(shù)障礙，如增加硅上厚氮化鎵層以提供高額定電壓、制造增強(qiáng)模式晶體管及提升可靠性等。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年首批高壓氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT)就會(huì)上市。

功率器件更加智能

智能電源集成電路(Smart power IC)是一種在一塊芯片上將"智能"和"電源"集成起來(lái)的全新器件。它廣泛應(yīng)用于包括電源轉(zhuǎn)換器、馬達(dá)控制、熒光燈整流器、自動(dòng)開關(guān)、視頻放大器、橋式驅(qū)動(dòng)電路以及顯示驅(qū)動(dòng)等多個(gè)領(lǐng)域。中國(guó)是全球最大的消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)，隨著人們經(jīng)濟(jì)生活水平的不斷提高，各種電子產(chǎn)品的需求與日俱增，預(yù)示著智能功率集成電路有巨大的市場(chǎng)。
　　
智能電源IC采用結(jié)合型雙極/CMOS/DMOS(BCD)技術(shù)，使模擬、數(shù)字及電源方面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠整合在單片襯底上。后續(xù)的BCD工藝改善了高壓隔離、數(shù)字特征尺寸(提供更高模擬精度、邏輯速度、密度等)及功率處理能力?，F(xiàn)代工藝能夠整合數(shù)字處理器、RAM/ROM內(nèi)存、內(nèi)嵌式內(nèi)存及電源驅(qū)動(dòng)器。例如，采用BCD工藝可以在單芯片上整合電源、邏輯及模擬等諸多功能。
　　
隨著CMOS幾何尺寸的持續(xù)縮小，高內(nèi)嵌智能的需求導(dǎo)致16/32位處理器、多Mb ROM/RAM及非揮發(fā)性內(nèi)存，及復(fù)雜數(shù)字知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)的整合。為了模組更高精度感測(cè)機(jī)制、高比特率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、不同接口協(xié)議、預(yù)驅(qū)動(dòng)器/控制環(huán)路，及精確片上電壓/電流參考的需求，模擬功能也在不斷增多。業(yè)界已經(jīng)推出了100至200 V及5至10 A的電源驅(qū)動(dòng)器。這些器件帶有低導(dǎo)通阻抗，及利用深溝槽及絕緣硅(SOI)技術(shù)的高密度、強(qiáng)固型高壓隔離架構(gòu)。
　　
用于AC-DC逆變器的整合型600 V晶體管技術(shù)與用于低于100 V應(yīng)用的技術(shù)相輔相成，被證明是另一個(gè)重要市場(chǎng)。先進(jìn)的亞微米CMOS工藝將推動(dòng)低成本、低導(dǎo)通阻抗驅(qū)動(dòng)器的整合從傳統(tǒng)LDMOS器件轉(zhuǎn)向雙及三低表面電場(chǎng)(RESURF) DMOS、超結(jié)LDMOS及LIGBT。

封裝技術(shù)潛力無(wú)限

當(dāng)前功率半導(dǎo)體封裝的主要趨勢(shì)是增強(qiáng)互連，包括旨在降低阻抗/寄生效應(yīng)的晶圓級(jí)技術(shù)，以及增強(qiáng)型片上散熱。厚銅、金或鋁線邦定、緞帶(ribbon)/封裝黏著(clip bonding) ，以及功率優(yōu)化的芯片級(jí)封裝(CSP)也在增強(qiáng)裸片與外部電極之間的電阻連接效率。下圖顯示了封裝技術(shù)的演進(jìn)。

　　
圖：功率封裝整合路線圖
　　
至于功率模塊，本身就是功率電子器件按一定的功能組合灌封而成的。說(shuō)它是一種封裝技術(shù)一點(diǎn)也不為過(guò)。早期的功率模塊在單個(gè)封裝中整合多個(gè)閘流體/整流器，從而提供更高的額定功率。過(guò)去三十年來(lái)的重大突破使當(dāng)今的模塊將功率半導(dǎo)體與感測(cè)、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)及控制功能結(jié)合在一起。例如，智能功率模塊就是以IGBT為內(nèi)核的先進(jìn)混合集成功率部件，由高速低功耗管芯（IGBT）和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)電路，以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。IPM內(nèi)的IGBT管芯都選用高速型的，而且驅(qū)動(dòng)電路緊靠IGBT，驅(qū)動(dòng)延時(shí)小，所以IPM開關(guān)速度快，損耗小。IPM內(nèi)部集成了能連續(xù)檢測(cè)IGBT電流和溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)電路，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載甚至直接短路時(shí)，以及溫度過(guò)熱時(shí)，IGBT將被有控制地軟關(guān)斷，同時(shí)發(fā)出故障信號(hào)。此外IPM還具有橋臂對(duì)管互鎖、驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)等功能。盡管IPM價(jià)格高一些，但由于集成的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)功能使IPM與單純的IGBT相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、易于使用等優(yōu)點(diǎn)。
　　
模塊采用的直接敷銅(DBC)技術(shù)增強(qiáng)了電氣性能，而陶瓷襯底(如三氧化二鋁及氮化鋁)能夠同時(shí)提升冷卻效率。封裝-組裝技術(shù)上的改進(jìn)也實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)裸片和無(wú)源器件的平面共同整合(co-integration)，以及旨在增加系統(tǒng)整合度的垂直堆棧技術(shù)。“解開封裝”(Un-packaging)技術(shù)是另一個(gè)有意義的研究領(lǐng)域，此技術(shù)將幾個(gè)布有器件的(populated)的襯底機(jī)械整合，免除殼體、端子及基座。

持續(xù)推動(dòng)工藝技術(shù)進(jìn)步

許多公司都在積極開發(fā)新的工藝技術(shù)。例如，安森美半導(dǎo)體開發(fā)出了專有Trench 3工藝的下一代MOSFET產(chǎn)品，可用于臺(tái)式機(jī)、筆記本和上網(wǎng)本等應(yīng)用，有助于提升能效及開關(guān)性能，同時(shí)裸片尺寸更小。
　　
未來(lái)幾年，安森美半導(dǎo)體還將開發(fā)氮化鎵(GaN)晶圓生產(chǎn)工藝、GaN器件集成工藝、GaN制造工藝、GaN封裝工藝、絕緣硅晶圓生產(chǎn)工藝、接觸/隔離溝槽工藝模塊、低電感封裝、電感和電容集成等眾多工藝技術(shù)；同時(shí)利用封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新，以更纖薄的封裝、更低占位面積實(shí)現(xiàn)更高I/O密度，不斷提高封裝熱效率及工作溫度范圍，也使每個(gè)封裝的裸片尺寸選擇更多。此外，安森美半導(dǎo)體還將以更薄、直徑更大的晶圓和銅線夾來(lái)降低材料成本。