功率器件更加智能，高能效功率電子技術(shù)新進(jìn)展

　　工藝與材料的創(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。因此，開發(fā)就轉(zhuǎn)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(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。

　　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。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)未來幾年，首批高壓氮化鎵高電子遷移率晶體管（HEMT）就會(huì)上市。

　　工藝與材料的創(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。因此，開發(fā)就轉(zhuǎn)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(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。

　　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。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IC （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(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。

　　中國是全球最大的消費(fèi)電子產(chǎn)品市場，各種電子產(chǎn)品的需求與日俱增，這預(yù)示著智能電源IC將有巨大的市場。

　　智能電源IC采用結(jié)合型雙極/CMOS/DMOS（BCD）工藝，使模擬、數(shù)字及電源方面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠集成在單片襯底上。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、邏輯速度與密度等）及功率處理能力。現(xiàn)代工藝能夠集成數(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集成電源、邏輯及模擬等功能。

　　隨著CMOS幾何尺寸的持續(xù)縮小，高內(nèi)嵌智能的需求導(dǎo)致了16/32位處理器、多Mb ROM/RAM/非易失性內(nèi)存，及復(fù)雜IP的集成。為了模組更高精度感測機(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逆變器的集成型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。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)器的集成從傳統(tǒng)LDMOS器件轉(zhuǎn)向雙及三低表面電場（RESURF） DMOS、超結(jié)LDMOS及LIGBT。 【 查看本站相關(guān)專題：功率器件在綠色節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用【IGBT、MOSFET】 】

　　封裝技術(shù)潛力無限

　　當(dāng)前功率半導(dǎo)體封裝的主要趨勢是增強(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。圖1顯示了封裝技術(shù)的演進(jìn)。

　　圖1 功率封裝集成路線圖

　　功率模塊本身就是功率電子器件按一定功能組合灌封而成。說它是一種封裝技術(shù)一點(diǎn)也不為過。早期的功率模塊在單個(gè)封裝中集成了多個(gè)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(dāng)今的模塊將功率半導(dǎo)體與感測、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IGBT電流和溫度的實(shí)時(shí)檢測電路，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過載甚至短路，以及溫度過熱時(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，但由于集成了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能，因此比單純的IGBT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)裸片和無源器件的平面共同集成（co-integration），以及旨在增加系統(tǒng)集成度的垂直堆棧