自從固態(tài)晶體管取代真空管以來,半導(dǎo)體行業(yè)取得了驚人的突破性進(jìn)展,改變了我們的世界。如果沒有這些改進(jìn)中的許多,即使在被迫隔離期間,我們也無法遠(yuǎn)程工作和保持聯(lián)系,也無法享受技術(shù)提供的所有其他奇跡。
一個(gè)例子:由于工程師不斷努力將每單位面積越來越多的晶體管擠到硅芯片上,處理能力的非凡提升成為可能。被確定為摩爾定律,它是晶體管密度每 18 個(gè)月左右可以翻一番的觀察,它指導(dǎo)了半導(dǎo)體行業(yè)中微處理器世代的發(fā)展 50 多年?,F(xiàn)在,我們正在達(dá)到需要新技術(shù)的原子和物理極限,例如層的垂直堆疊。
與此同時(shí),隨著碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬帶隙半導(dǎo)體的發(fā)展,我們也正處于另一場(chǎng)革命之中。新材料具有獨(dú)特的物理特性,可在更嚴(yán)酷的熱條件下提高效率、提高功率密度和更安全的性能。
STMicroelectronics 已經(jīng)開始大批量生產(chǎn) STPOWER SiC MOSFET,有助于推動(dòng)電動(dòng)汽車 (EV) 的普及,并開啟大規(guī)模電氣化時(shí)代。也可以想象,這最終會(huì)導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)可持續(xù)移動(dòng)的自動(dòng)駕駛。
另一項(xiàng)涉及高壓(即 200 V 以上)硅功率晶體管的革命發(fā)生在世紀(jì)之交,當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了超級(jí)結(jié) MOSFET。直到 1990 年代末,設(shè)計(jì)人員不得不接受這樣一個(gè)“公理”,即對(duì)于平面晶體管,品質(zhì)因數(shù)(定義為導(dǎo)通電阻乘以芯片面積)與擊穿電壓 (BV) 成正比,提高到 2.5 . 該公理暗示通過給定電壓達(dá)到較低導(dǎo)通電阻值的唯一解決方案是增加芯片面積。這使得使用具有小外形封裝的設(shè)備變得越來越困難。超級(jí)結(jié)技術(shù)通過使上述關(guān)系接近線性來拯救高壓 MOSFET。ST 將這項(xiàng)技術(shù)命名為 MDmesh,并使其成為 STPOWER 子品牌的一部分。
超結(jié)晶體管的原理
超級(jí)結(jié)晶體管的工作機(jī)制利用麥克斯韋方程之一,簡(jiǎn)化為一維情況 - 例如,垂直軸,y。它指出電場(chǎng)沿該軸的斜率等于電荷密度 r 除以介電常數(shù) e。在符號(hào)中,dE/dy = r/e。另一個(gè)方程將電壓 V 與電場(chǎng) E 沿 y 的分量聯(lián)系起來;即,E = –dV/dy。換句話說,電壓 V 是 E 的積分,或者用幾何術(shù)語(yǔ)來說,是作為 y 函數(shù)的 E 曲線下的面積。我們可以通過比較標(biāo)準(zhǔn)平面 MOSFET 的垂直結(jié)構(gòu)與其類似尺寸的超級(jí)結(jié)對(duì)應(yīng)物來了解它是如何工作的。超級(jí)結(jié)本質(zhì)上是通過實(shí)現(xiàn) p 型柱,在垂直漏極內(nèi)部擴(kuò)展基本晶體管的 p 體。
在沿 y 軸從表面開始的平面結(jié)構(gòu)(見圖 1,左)中,我們遇到 p 體,因此,在到達(dá) A 點(diǎn)之前,斜率為正。從 A 到 B,我們有排水管極性相反,因此,斜率反轉(zhuǎn)為負(fù)。從 B 到基板,極性變得更加負(fù) (n–),因此,斜率增加。圖中的綠色區(qū)域代表在關(guān)斷狀態(tài)下可以維持的電壓。在右側(cè)所示的超結(jié)圖中,添加 p 型區(qū)柱改變了電場(chǎng)分布。事實(shí)上,從 C 到 A,電場(chǎng)分布保持不變(體和柱具有相同的極性),然后由于漏極和襯底的原因,斜率與平面結(jié)構(gòu)中的相反。結(jié)果,電場(chǎng)下方的面積更大,所以電壓 V2 是持續(xù)的。在這里,柱子發(fā)揮了它的魔力?,F(xiàn)在,在給定電壓下,我們可以降低漏極電阻并降低導(dǎo)通電阻。
圖 1:平面(左)和超結(jié) MDmesh(右)MOSFET
技術(shù)演進(jìn)
自從首次亮相以來,MDmesh 晶體管一直在不斷改進(jìn)和完善,并且大量的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用仍然受益于它們的使用。用于創(chuàng)建垂直支柱的工藝技術(shù)已得到極大優(yōu)化,以提高制造產(chǎn)量和設(shè)備堅(jiān)固性。根據(jù)目標(biāo)電路拓?fù)浜蛻?yīng)用,現(xiàn)在提供不同的專用產(chǎn)品系列。這種技術(shù)多功能性和靈活性使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以從多種選項(xiàng)中進(jìn)行選擇。通用 M2 系列在 400 至 650 V 范圍內(nèi)具有最佳成本/性能,并且有針對(duì) PFC、軟開關(guān) LLC 和橋拓?fù)涞奶囟☉?yīng)用變體,電壓能力擴(kuò)展至 1,700 V .
最重要的是,諸如鉑離子注入之類的壽命終止技術(shù)正被用于提高集成體二極管的性能,以減少反向恢復(fù)時(shí)間 t rr,以及反向恢復(fù)電荷 Q rr加上改進(jìn)的 dV/dt( DM 系列)。這些特性是橋式和高功率移相電路的理想選擇。快速二極管版本甚至可以在低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中與 IGBT 競(jìng)爭(zhēng),從而無需使用共同封裝的二極管。在效率方面,典型的例子是一臺(tái)150W的冰箱壓縮機(jī)逆變器,如圖2所示。
圖 2:DPAK 封裝中快速二極管 MDmesh MOSFET 與 IGBT 的壓縮機(jī)逆變器效率曲線。測(cè)試條件:0.23 Nm(負(fù)載),220V / 50Hz(輸入電壓)
毫不奇怪,無處不在的 MDmesh 晶體管已經(jīng)生產(chǎn)了數(shù)十億!?
在圖 3 中,通過比較針對(duì)諧振轉(zhuǎn)換器優(yōu)化的最新 M6 系列實(shí)現(xiàn)的功能,我們可以看到 ST 設(shè)計(jì)人員在改進(jìn)早期 M2 版本方面是多么勤奮。
圖 3:從 M2 到 M6 — 改善柵極電荷、閾值電壓和輸出電容
在圖 3 的圖表中,從左到右,我們看到更低的柵極電荷、更高的閾值電壓和線性電壓輸出電容轉(zhuǎn)化為更高的開關(guān)頻率、更低的換向損耗和更輕負(fù)載下的更高效率。
底層超結(jié)技術(shù)與最先進(jìn)的工藝步驟相結(jié)合,產(chǎn)生了高性能高壓 MOSFET,特別關(guān)注關(guān)鍵開關(guān)參數(shù),如 dI/dt 和 dV/dt,如圖 4 中的安全操作圖所示。由于這些改進(jìn),DM6 MDmesh 系列非常適合太陽(yáng)能逆變器、充電站和電動(dòng)汽車車載充電器 (OBC),僅舉幾例。
圖 4:dI/dt 與 dV/dt 安全工作區(qū)
應(yīng)用領(lǐng)域
ST 的 MDmesh 晶體管用于多種應(yīng)用,這使我們能夠在一個(gè)小而具有代表性的選擇中展示它們的優(yōu)點(diǎn)。
最大容量的應(yīng)用之一是智能手機(jī)適配器。圖 5 顯示了 120-W 版本。
圖 6 顯示了“量身定制的”M5 系列如何相對(duì)于“基本”M2 系列以更高的功率提高 1.5 kW PFC 的效率。所使用的兩個(gè) MOSFET 具有相似的導(dǎo)通電阻(M5 和 M2 的導(dǎo)通電阻分別為 37mΩ 和 39mΩ)和電壓阻斷能力(650V)。
圖 6:M5 系列(藍(lán)色)如何在更高功率下提高 PFC 效率
圖 7 顯示了另一個(gè)有趣的例子:用于汽車 OBC 的 3 kW 半橋 LLC 電路比較了最新的 DM6 (STWA75N65DM6) 與 Vin = 380–420 V、Vout = 48 V、開關(guān)頻率 f = 的最佳競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品250 Hz 至 140 kHz。
圖 7:3 kW 全橋 LLC — 關(guān)閉能量和增量效率與 Pout
圖 8 說明了損耗的分配,表明達(dá)到最低損耗和最高效率的關(guān)鍵是通過傳導(dǎo)和開關(guān)損耗的最佳組合。
圖 8:分析 3 kW 全橋 LLC 轉(zhuǎn)換器中的各種損耗源
快速增長(zhǎng)的 5G 技術(shù)也受益于 MDmesh 創(chuàng)新。隨著 5G 系統(tǒng)的高度小區(qū)密集化和不斷減小的基站尺寸(從微小區(qū)到微微小區(qū)),MDmesh 憑借其效率、非常大的批量生產(chǎn)能力、競(jìng)爭(zhēng)力、和性能。
為了讓 5G 系統(tǒng)以高于 98% 的效率運(yùn)行,PFC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器級(jí)需要分別達(dá)到 99% 的效率。PFC 的一種解決方案可以是在三角電流模式 (TCM) 操作中使用 MCU 數(shù)字控制的 3 通道交錯(cuò)式無橋圖騰柱。TCM 系統(tǒng)使轉(zhuǎn)換器能夠在零電壓開關(guān)下運(yùn)行,從而顯著降低開關(guān)損耗??傮w而言,除了電感器、EMI 濾波器和輸出電容器的尺寸減小之外,結(jié)果是平坦的效率曲線和低負(fù)載下的良好效率值。
MDmesh 晶體管為 5G 無線系統(tǒng)的推出鋪平了道路。
擴(kuò)散焊和封裝
另一個(gè)被納入 MDmesh 下一次迭代的有趣創(chuàng)新是擴(kuò)散焊接工藝。
在標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝(軟焊接)中,金屬間相 (IMP) 的形成是鍵合形成的基礎(chǔ)。它由界面處的薄金屬間層和中間未反應(yīng)的焊料組成。熱循環(huán)后標(biāo)準(zhǔn)軟焊點(diǎn)的失效機(jī)理分析揭示了未反應(yīng)焊料體積內(nèi)的疲勞裂紋擴(kuò)展。
所有金屬間化合物的兩個(gè)重要特性是硬度和脆化,這是延展性的降低。眾所周知,后者會(huì)在熱機(jī)械應(yīng)力期間導(dǎo)致設(shè)備故障,從而降低電子設(shè)備的可靠性。
此外,焊錫層含有大小不一的空隙,不僅會(huì)破壞芯片與引線框架之間的熱連接,還會(huì)產(chǎn)生“熱點(diǎn)”;也就是說,微觀體積達(dá)到非常高的局部溫度。另一個(gè)需要考慮的影響是 MOSFET 參數(shù)的溫度依賴性,例如導(dǎo)通電阻會(huì)增加,而閾值電壓會(huì)隨著溫度升高而降低。雖然前一種趨勢(shì)具有穩(wěn)定作用,但后一種趨勢(shì)可能有害,尤其是在開/關(guān)轉(zhuǎn)換期間。
為了克服這些問題,正在開發(fā)一種稱為等溫?cái)U(kuò)散焊接的新工藝,它將標(biāo)準(zhǔn)焊接的特征與擴(kuò)散焊接相關(guān)聯(lián)。
這主要是通過具有低熔點(diǎn)的材料(例如,Sn-Cu 焊膏)和具有高熔點(diǎn)的材料(例如,來自基板的 Cu)之間通過界面處的 IMP 生長(zhǎng)而獲得的。
與傳統(tǒng)焊接相比,接頭是在焊接過程中通過等溫固化形成的,而不僅僅是在冷卻之后。
形成具有非常高熔點(diǎn)的相的這一優(yōu)勢(shì)還與優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度有關(guān)。隨著功率封裝的結(jié)溫達(dá)到 200°C,擴(kuò)散焊接技術(shù)改進(jìn)了芯片到基板的互連,確保工作溫度不超過會(huì)導(dǎo)致過早失效的連接工藝溫度。
焊接工藝改進(jìn)的熱性能消除了軟焊料的一些負(fù)面影響,這也轉(zhuǎn)化為更好的電氣性能。因此,它與新的封裝概念完美結(jié)合,例如 TO-LL(TO 無鉛)封裝,在 SMD(表面安裝器件)封裝中具有最佳的電路板空間面積與熱阻比。它還配備了開爾文引腳,使關(guān)斷效率更高,因此可以使用 M6 或橋接電路解決硬開關(guān)拓?fù)鋯栴},MD6 系列提供更低的導(dǎo)通電阻。
圖 9:TO-LL 與更多 SMD 封裝
為了完成這個(gè)封裝概述,創(chuàng)新的 ACEPACK SMIT(表面安裝隔離頂部冷卻)“分立”電源模塊如圖 9 所示。這種模制的引線框架封裝包含一個(gè)直接鍵合銅 (DBC) 基板,可以容納單獨(dú)的用于實(shí)現(xiàn)各種拓?fù)涞男酒CEPACK SMIT 具有令人印象深刻的低熱阻,0.2°C/W,背面陶瓷確保絕緣電壓最低為 3,400 VRMS(UL 認(rèn)可)。
圖 10:ACEPACK SMIT 包
圖 11:ACEPACK SMIT 內(nèi)部配置靈活性
接下來是什么
20 多年后,STPOWER MDmesh 技術(shù)不斷發(fā)展,與意法半導(dǎo)體最具創(chuàng)新性的 WBG 半導(dǎo)體一起,繼續(xù)提供市場(chǎng)上最廣泛的功率晶體管。圖 12 描繪了以標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)和理論物理極限為基準(zhǔn)的連續(xù) MDmesh 版本的特定導(dǎo)通電阻與擊穿電壓的關(guān)系:M9 和 K6 現(xiàn)在已全面投產(chǎn)。為清楚起見,K5 和 K6 代表極高電壓(從 800 V 到 1,700 V)技術(shù)子集。
圖 12:MDmesh 特定導(dǎo)通電阻的演變
為了了解為滿足不同應(yīng)用的要求而開發(fā)的 MDmesh 多次迭代所做的努力,請(qǐng)查看圖 13 中的一系列圖像,從第一代 MOSFET 到最新的 TrenchFET。
下一步是什么?引入MD6后,目的是將溝槽結(jié)構(gòu)的好處應(yīng)用到超結(jié)上。這一壯舉將使 MDmesh 又向前邁進(jìn)了一步,并將其擴(kuò)展到未來的突破性技術(shù),如 SiC。通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化,這種 WBG 技術(shù)有望享受在現(xiàn)有硅技術(shù)上廣泛實(shí)施和調(diào)試的性能改進(jìn)。旅程永遠(yuǎn)不會(huì)停止驚喜!
圖 13:MDmesh 里程碑:走向 Trench
審核編輯 黃昊宇
評(píng)論
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