高能效功率電子技術領域的最新進展綜述

　　從1957年第一只晶閘管的誕生開始，功率電子技術以相當迅猛的速度發(fā)展。近年來又取得了長足的進展，產(chǎn)生極佳的經(jīng)濟及社會效益。從美國高能效經(jīng)濟委員會（ACEE）出版的一份報告可以看到，到2030年，受益于采用半導體技術而獲得的更高能效，可以使美國的經(jīng)濟規(guī)模擴大70%以上，與此同時，使用的電能卻將減少11%。作為高能效功率電子技術領域的領先廠商，安森美半導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，而且取得了長足的進展。

　　從工藝到材料都在創(chuàng)新

　　隨著時間的推移，功率晶體管技術得到了持續(xù)的改善。器件的體積不斷縮小，功率密度越來越高。在電壓高于1 kV的大功率晶體管方面，雙極結構已成為首選；低于1 kV電壓，特別是頻率高于100 kHz時，更多采用的是MOSFET。高于此電壓的大電流應用則選擇IGBT。

　　開發(fā)這類器件的主要挑戰(zhàn)在于，在開關頻率持續(xù)上升時，需要通過減小由導通阻抗導致的導電損耗、降低內(nèi)部電容，以及改善反向恢復性能，將內(nèi)部損耗降到最低。由于擊穿電壓更高及未鉗位開關特性（UIS）的緣故，提升擊穿強固性也非常重要。

　　以往，開發(fā)電壓低于40 V的低壓MOSFET的重點在于給定導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的特征導通阻抗（RDS（ON）spec）。由于低壓FET中溝道阻抗（channel resistance）對特征導通阻抗有較大影響，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，同時使用先進的光刻技術來縮小表面尺寸。

　　但是，減小溝槽FET間距的方法并不能輕松達到采用RDS（ON）xQg（d）定義的關鍵質(zhì)量因子，因為單位面積上的導通阻抗方面的改進被單位面積門電荷（Qg）增加所抵消。開發(fā)就轉向了諸如溝槽FET（帶有額外解耦垂直場效電板從漏極屏蔽門極）、溝槽LDMOS（結合了溝槽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。

　　雖然多年來基于硅的晶體管有了持續(xù)改進，但硅基材料特性上的限制表明，未來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，開關損耗更低，而且結合了更有吸引力的低導通阻抗（RDS（ON））和高擊穿電壓（VBD）性能的優(yōu)勢。

　　寬帶隙材料也可以在高壓應用中實現(xiàn)重大突破。氮化鎵和碳化硅的臨界擊穿場的數(shù)量級高于硅，迄今發(fā)布的器件也具有熱導率更高（比硅高約3倍）的優(yōu)勢。在高于1 kV的應用中碳化硅是首選材料，而氮化鎵則最適于電壓低于1 kV的應用。然而，仍然需要克服一些技術障礙，如增加硅上厚氮化鎵層以提供高額定電壓、制造增強模式晶體管及提升可靠性等。預計未來幾年首批高壓氮化鎵高電子遷移率晶體管（HEMT）就會上市。

　　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”集成起來的全新器件。它廣泛應用于包括電源轉換器、馬達控制、熒光燈整流器、自動開關、視頻放大器、橋式驅(qū)動電路以及顯示驅(qū)動等多個領域。中國是全球最大的消費電子產(chǎn)品市場，隨著人們經(jīng)濟生活水平的不斷提高，各種電子產(chǎn)品的需求與日俱增，預示著智能功率集成電路有巨大的市場。

　　智能電源IC采用結合型雙極/CMOS/DMOS（BCD）技術，使模擬、數(shù)字及電源方面的系統(tǒng)設計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)嵌智能的需求導致16/32位處理器、多Mb ROM/RAM及非揮發(fā)性內(nèi)存，及復雜數(shù)字知識產(chǎn)權（IP）的整合。為了模組更高精度感測機制、高比特率數(shù)據(jù)轉換、不同接口協(xié)議、預驅(qū)動器/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)動器。這些器件帶有低導通阻抗，及利用深溝槽及絕緣硅（SOI）技術的高密度、強固型高壓隔離架構。

　　用于AC-DC逆變器的整合型600 V晶體管技術與用于低于100 V應用的技術相輔相成，被證明是另一個重要市場。先進的亞微米CMOS工藝將推動低成本、低導通阻抗驅(qū)動器的整合從傳統(tǒng)LDMOS器件轉向雙及三低表面電場（RESURF） DMOS、超結LDMOS及LIGBT。

　　封裝技術潛力無限

　　當前功率半導體封裝的主要趨勢是增強互連，包括旨在降低阻抗/寄生效應的晶圓級技術，以及增強型片上散熱。厚銅、金或鋁線邦定、緞帶（ribbon）/封裝黏著（clip bonding） ，以及功率優(yōu)化的芯片級封裝（CSP）也在增強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的演進。

　　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。說它是一種封裝技術一點也不為過。早期的功率模塊在單個封裝中整合多個閘流體/整流器，從而提供更高的額定功率。過去三十年來的重大突破使當今的模塊將功率半導體與感測、驅(qū)動、保護及控制功能結合在一起。例如，智能功率模塊就是以IGBT為內(nèi)核的先進混合集成功率部件，由高速低功耗管芯（IGBT）和優(yōu)化的門極驅(qū)動電路，以及快速保護電路構成。IPM內(nèi)的IGBT管芯都選用高速型的，而且驅(qū)動電路緊靠IGBT，驅(qū)動延時小，所以IPM開關速度快，損耗小。IPM內(nèi)部集成了能連續(xù)檢測IGBT電流和溫度的實時檢測電路，當發(fā)生嚴重過載甚至直接短路時，以及溫度過熱時，IGBT將被有控制地軟關斷，同時發(fā)出故障信號。此外IPM還具有橋臂對管互鎖、驅(qū)動電源欠壓保護等功能。盡管IPM價格高一些，但由于集成的驅(qū)動、保護功能使IPM與單純的IGBT相比具有結構緊湊、可靠性高、易于使用等優(yōu)點。

　　模塊采用的直接敷銅（DBC）技術增強了電氣性能，而陶瓷襯底（如三氧化二鋁及氮化鋁）能夠同時提升冷卻效率。封裝-組裝技術上的改進也實現(xiàn)了幾個裸片和無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?！敖忾_封裝”（Un-packaging）技術是另一個有意義的研究領域，此技術將幾個布有器件的（populated）的襯底機械整合，免除殼體、端子及基座。

　　持續(xù)推動工藝技術進步

　　許多公司都在積極開發(fā)新的工藝技術。例如，安森美半導體開發(fā)出了專有Trench 3工藝的下一代MOSFET產(chǎn)品，可用于臺式機、筆記本和上網(wǎng)本等應用，有助于提升能效及開關性能，同時裸片尺寸更小。

　　未來幾年，安森美半導體還將開發(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；同時利用封裝技術實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新，以更纖薄的封裝、更低占位面積實現(xiàn)更高I/O密度，不斷提高封裝熱效率及工作溫度范圍，也使每個封裝的裸片尺寸選擇更多。此外，安森美半導體還將以更薄、直徑更大的晶圓和銅線夾來降低材料成本。