硅晶體管創(chuàng )新還有可能嗎？ 意法半導體超結MDmesh案例研究

前言

自從固態(tài)晶體管取代真空電子管以來(lái)，半導體工業(yè)取得了令人驚嘆的突破性進(jìn)展，改變了我們的生活和工作方式。如果沒(méi)有這些技術(shù)進(jìn)步，在封城隔離期間我們就無(wú)不可能遠程辦公，與外界保持聯(lián)系?？傊?，沒(méi)有半導體的技術(shù)進(jìn)步，人類(lèi)就無(wú)法享受科技奇跡。

舉個(gè)例子，處理器芯片運算能力的顯著(zhù)提高歸功于工程師的不斷努力，在芯片單位面積上擠進(jìn)更多的晶體管。根據摩爾定律，晶體管密度每18個(gè)月左右就提高一倍，這個(gè)定律控制半導體微處理器迭代50多年?，F在，我們即將到達原子學(xué)和物理學(xué)的理論極限，需要新的技術(shù)，例如，分層垂直堆疊技術(shù)。

同時(shí)，我們也正處于另一場(chǎng)革命浪潮之中，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙半導體正在快速發(fā)展，這些新材料具有獨特的物理性質(zhì)，可以提高器件的能效和功率密度，能夠在更惡劣的熱環(huán)境內安全工作。

意法半導體已經(jīng)量產(chǎn)STPOWER SiC MOSFET，這將有助于推進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)（EV）應用，引爆汽車(chē)大規模電動(dòng)化時(shí)代，最終實(shí)現自動(dòng)駕駛和綠色出行。

在本世紀初出現的超結MOSFET是一場(chǎng)高壓（即200V以上）硅基功率晶體管的技術(shù)革命。直到20世紀90年代末，芯片設計者還不得不接受這樣一個(gè)“公理”，即平面晶體管的品質(zhì)因數（導通電阻與芯片面積的乘積）與擊穿電壓BV成正比，比例最高到2.5。這個(gè)公理意味著(zhù)，在給定的電壓下，要達到較低的導通電阻值，唯一的解決辦法就是增加芯片面積，而這一結果是小封裝應用變得越來(lái)越難。通過(guò)使上述關(guān)系接近線(xiàn)性，超結技術(shù)拯救了高壓MOSFET。意法半導體將該技術(shù)命名為MDmesh，并將其列入STPOWER的子品牌。

作者：Filippo Di Giovanni 意法半導體功率晶體管事業(yè)部的戰略營(yíng)銷(xiāo)、創(chuàng )新和大項目經(jīng)理

超結晶體管的原理

超結晶體管的工作原理是利用一個(gè)簡(jiǎn)化的麥克斯韋方程，例如，只有垂直軸y的一維坐標系，該方程規定y軸上的電場(chǎng)斜率等于電荷密度r 除以介電常數e ，用符號表示：dE/dy=r/e。另一個(gè)方程是代表電壓V和y軸上的電場(chǎng)分量E的關(guān)系，即E=-dV/dy。換句話(huà)說(shuō)，電壓V是E的積分，或用幾何術(shù)語(yǔ)表示，E曲線(xiàn)下的面積是y的函數。我們可以通過(guò)比較標準平面MOSFET的垂直結構和相同尺寸的超結MOSFET來(lái)了解它們的工作原理。本質(zhì)上，超結是在垂直漏極內部延長(cháng)基本晶體管的p體，實(shí)現一個(gè)p型柱。

在平面結構（圖1左圖和圖表）中，從芯片表面開(kāi)始沿y軸向下，我們看到p體，在到達A點(diǎn)前，場(chǎng)強斜率一直是正值。從A點(diǎn)到B點(diǎn)是電荷極性為負的漏極，因此，場(chǎng)強斜率從正變負。從B點(diǎn)到襯底，負電荷密度變得更大（n-），所以，場(chǎng)強斜率上升。圖中的綠色區域表示在關(guān)斷狀態(tài)下可以維持的電壓。在右邊的超結圖中，p型柱的加入改變了電場(chǎng)分布情況。事實(shí)上，從C點(diǎn)到A點(diǎn)，電場(chǎng)分布保持恒定（體和柱的極性相同），然后，因為漏極和襯底的原因，場(chǎng)強變化與平面結構相同，斜率變負。因此，在電場(chǎng)下方的區域更大，電壓V2得以維持，這就是P型柱的神奇之處?，F在，在給定的電壓下，我們就可以降低漏極電阻率和導通電阻。

圖1平面MOSFET(左)和超結MDmesh MOSFET(右)

技術(shù)演變過(guò)程

自從問(wèn)世以來(lái)，MDmesh晶體管不斷地被改進(jìn)和完善，如今仍然有大量的變電設備在使用MDmesh晶體管。垂直p型柱的制造工藝已經(jīng)過(guò)大幅優(yōu)化，確保晶體管具有更好的制造良率和工作穩健性。根據目標電路的拓撲結構和應用需求，現在工程師可以選用不同的專(zhuān)用產(chǎn)品系列，這種在技術(shù)層面的多用途和靈活性為系統設計人員帶來(lái)更多的選擇。在400V至650V電壓范圍內，通用M2系列具有非常高的性?xún)r(jià)比，另外，還有應用范圍覆蓋PFC、軟開(kāi)關(guān)LLC和電橋拓撲的耐壓提高至1700V的專(zhuān)用產(chǎn)品。

除此之外，意法半導體還引入鉑離子注入等壽命終止技術(shù)來(lái)提高寄生二極管的性能，減少反向恢復時(shí)間trr和反向恢復電荷Qrr，提高dV/dt（DM系列）耐量。這些產(chǎn)品特性非常適用于電橋和大功率移相電路。MDmesh快速二極管款甚至可以與低功率電機驅動(dòng)器中的IGBT媲美，而無(wú)需在封裝內再增加一個(gè)二極管。冰箱壓縮機150W逆變器是一個(gè)提高能效的典型例子，如圖2所示。

圖2 MDmesh快速二極管款MOSFET與DPAK封裝IGBT在壓縮機逆變器應用中的能效曲線(xiàn)比較圖。試驗條件：0.23Nm (負載)，220V/50Hz (輸入電壓)

應用廣泛的MDmesh晶體管的出貨量已經(jīng)達到數十億顆。M6系列是為諧振變換器優(yōu)化的MDmesh產(chǎn)品，通過(guò)與早期的M2系列對比，意法半導體設計師在迭代改進(jìn)方面花了不少心血，如圖3所示。

圖3 從M2到M6：柵極電荷、閾值電壓和輸出電容三項指標被全面改進(jìn)

在圖3中，從左到右，我們看到較低的柵極電荷、較高的閾值電壓和更加線(xiàn)性的電壓和輸出電容比，這些特性可以產(chǎn)生較高的開(kāi)關(guān)頻率、較低的開(kāi)關(guān)損耗，在較輕的負載下實(shí)現更高的能效。

超結晶體管基礎技術(shù)結合先進(jìn)的制造工藝，通過(guò)對dI/dt、dV/d等重要開(kāi)關(guān)參數給與特別考慮，意法半導體創(chuàng )造了一種高性能的高壓MOSFET，如圖4的安全工作區圖所示。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、電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電機（OBC）等應用。

圖4 dI/dt與dV/dt安全工作區域

應用領(lǐng)域

意法半導體的MDmesh晶體管的應用非常廣泛，我們只能從中選擇幾個(gè)有代表性的用例展示產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)。

手機充電適配器是規模較大的MDmesh應用領(lǐng)域，圖5是一個(gè)120W充電適配器。

圖5 手機充電適配器中的MDmesh

圖6描述了“定制型”M5系列和基本型M2系列在功率較高的1.5kW功率因數校正電路中的能效比較。兩個(gè)MOSFET具有相似的導通電阻(M5和M2的導通電阻分別為37和39 mOhm)和反向耐壓(650V)。

圖6 M5系列（藍線(xiàn)）如何在大功率條件下提高PFC能效

圖7所示是一個(gè)有趣的例子，在車(chē)載充電機OBC的3kW半橋LLC電路中，在Vin=380V-420V、Vout=48V、開(kāi)關(guān)頻率f=250Hz-140kHz條件下，意法半導體最新的DM6系列 (STWA75N65DM6)與競品比較。

圖7 3kW全橋LLC:關(guān)斷電動(dòng)勢與輸出功率比；能效比與輸出功率比

圖8是損耗分類(lèi)分析圖，表明導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗的優(yōu)化組合是達到最低損耗和最高能效的關(guān)鍵因素。

圖8 3kW全橋LLC變換器中各種損耗根源分析

此外，快速增長(cháng)的5G技術(shù)也將受益于MDmesh技術(shù)創(chuàng )新。5G系統蜂窩小區密度連續提高，而基站卻不斷地小型化，從微蜂窩向微微蜂窩發(fā)展，在能效、產(chǎn)能、競爭力和性能方面占優(yōu)的MDmesh是中繼器電源芯片的絕佳選擇。

為了使5G系統的工作能效超過(guò)98%，PFC級和DC-DC變換器級的能效都必需達到99%。PFC的解決方案可以是MCU數控三角形電流模式（TCM）三通道交錯無(wú)橋圖騰柱電路。TCM系統使變換器能夠執行零電壓開(kāi)關(guān)操作，從而顯著(zhù)降低開(kāi)關(guān)損耗?？傮w上，最后得到一個(gè)平滑的能效曲線(xiàn)，能效在低負載時(shí)表現良好，此外，還可以使用尺寸更小的電感器、EMI擾濾波器和輸出電容。

MDmesh晶體管為5G無(wú)線(xiàn)系統的推出鋪平了道路。

擴散焊接和封裝

擴散焊接工藝是下一代MDmesh產(chǎn)品的另一個(gè)有趣的創(chuàng )新技術(shù)。

在標準焊接工藝（軟釬焊）中，金屬間化合物(IMP)的形成是鍵合的基礎，IMP包括界面上的金屬間化合物薄層和各層中間未反應焊料。熱循環(huán)后標準軟焊點(diǎn)失效機理分析發(fā)現，在未反應焊料體積內出現疲勞裂紋擴大現象。

硬度和脆性是所有金屬間化合物的兩個(gè)重要性質(zhì)，這兩個(gè)性質(zhì)會(huì )降低材料的延伸性。眾所周知，在熱機械應力作用下，脆性會(huì )導致設備失效，從而降低電子設備的可靠性。

此外，在焊料層中有大小不同的空隙，這不僅會(huì )降低芯片和引線(xiàn)框架之間的熱連接可靠性，而且還可能產(chǎn)生“熱點(diǎn)”，即局部溫度非常高的微觀(guān)體積。另一個(gè)要考慮的效應是MOSFET參數與溫度關(guān)系緊密，例如，隨著(zhù)溫度升高，導通電阻變大，而閾值電壓降低。雖然前一種趨勢具有穩定作用，但后一種趨勢可能對器件有害，尤其是在開(kāi)關(guān)轉換期間。

為了克服這些問(wèn)題，業(yè)界正在開(kāi)發(fā)一種結合標準焊接與擴散焊接特性的等溫擴散焊接新工藝。

本質(zhì)上，這種工藝是通過(guò)在界面生長(cháng)IMP來(lái)使低熔點(diǎn)材料（例如Sn-Cu焊膏）和高熔點(diǎn)材料（例如來(lái)自襯底的Cu）發(fā)生的一種反應。

與傳統焊接不同，這種焊接工藝是在焊接過(guò)程中，不限于冷卻后，通過(guò)等溫凝固方法形成焊點(diǎn)。

形成熔點(diǎn)非常高的合金相這一優(yōu)點(diǎn)還有助于產(chǎn)生優(yōu)異的機械穩健性。因為電力封裝產(chǎn)品的結溫會(huì )達到200°C，新擴散焊接技術(shù)可以改善芯片與基板的連接性能，確保工作溫度不超過(guò)會(huì )焊接工藝溫度，導致晶體管過(guò)早失效。

通過(guò)改善熱性能，新焊接工藝解決了軟釬焊的一些缺點(diǎn)，所以，芯片的電氣性能更好。這種焊接工藝與新的封裝概念是完美組合，例如，TO-LL(TO無(wú)引腳)等SMD表面貼裝器件具有非常好的封裝面積與熱阻比率，還配備了開(kāi)爾文引腳，關(guān)斷能效更高，因此，可以用M6解決硬開(kāi)關(guān)拓撲設計問(wèn)題與或用導通電阻更低的MD6系列設計電橋電路。

圖9 TO-LL封裝與SMD封裝對比

為了更全面地介紹這個(gè)封裝，圖9展示了一個(gè)叫做ACEPACK? SMIT(貼裝隔離正面散熱)的創(chuàng )新的分立電源模塊，如圖9所示。這種模壓引線(xiàn)框架封裝包含一個(gè)DBC(直接鍵合銅)基板，可以安裝多個(gè)分立芯片，實(shí)現各種拓撲。ACEPACK SMIT的0.2 °C/W低熱阻率令人印象深刻，背面陶瓷確保最小絕緣電壓達到3400VRMS(UL認證)。

圖10 ACEPACK SMIT封裝

圖11 ACEPACK SMIT內部配置的靈活性

MDmesh的未來(lái)

經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，STPOWER MDmesh技術(shù)不斷進(jìn)步，與意法半導體創(chuàng )新性的寬帶隙半導體一起，繼續為市場(chǎng)帶來(lái)各種類(lèi)型的功率晶體管。圖12所示是不斷迭代的MDmesh晶體管與標準技術(shù)的導通電阻和擊穿電壓比值及其物理學(xué)理論極限，其中M9和K6現已量產(chǎn)。為了解釋的更清楚，K5和K6代表非常高的電壓（從800V到1700伏）技術(shù)。

圖12 MDmesh導通電阻演變

為了滿(mǎn)足不同應用的需求，MDmesh產(chǎn)品經(jīng)過(guò)多次升級換代，圖13是從第一代MOSFET到TrenchFET的迭代圖。

下一步計劃是什么呢？在推出MD6之后，意法半導體新的目標的是將溝槽柵極結構的優(yōu)點(diǎn)應用到超級結中，這會(huì )讓MDmesh又向前邁出一大步，然后將溝槽柵極結構擴展到SiC等未來(lái)的開(kāi)創(chuàng )性技術(shù)。通過(guò)適當的調整和優(yōu)化，寬帶隙技術(shù)有望在現有的硅技術(shù)上全面改進(jìn)性能，這個(gè)性能征程勢必會(huì )帶來(lái)更多的驚喜！

圖13 MDmesh里程碑: 走向溝槽柵極技術(shù)

編輯注：

Filippo Di Giovanni 是意法半導體功率晶體管事業(yè)部的戰略營(yíng)銷(xiāo)、創(chuàng )新和大項目經(jīng)理，常駐意大利卡塔尼亞。作為技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理，他幫助推出了第一款帶狀 MOSFET，并在 90 年代末協(xié)調參與了“超結”高壓 MOSFET (MDmesh^TM) 的開(kāi)發(fā)，見(jiàn)證了硅功率半導體的突破。

2012 年，他負責開(kāi)發(fā)首批 1,200V 碳化硅 (SiC) MOSFET，為意法半導體取得當今市場(chǎng)領(lǐng)導者，和各個(gè)應用領(lǐng)域（包括不斷增長(cháng)的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)）的主要供應商（之一）的地位做出了貢獻。

Di Giovanni 博士的研發(fā)經(jīng)歷還包括研究用于功率轉換和射頻領(lǐng)域的硅基氮化鎵 (GaN-on-Si) HEMT。他經(jīng)常受邀參加各種功率轉換相關(guān)的會(huì )議和研討會(huì )，他還負責與 ST 的重要行業(yè)合作伙伴共同開(kāi)發(fā)硅基氮化鎵。