硅晶體管的創(chuàng)新還有可能嗎？

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。現(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，有助于推動電動汽車 (EV) 的普及，并開啟大規(guī)模電氣化時(shí)代。也可以想象，這最終會導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)可持續(xù)移動的自動駕駛。

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

超級結(jié)晶體管的工作機(jī)制利用麥克斯韋方程之一，簡化為一維情況 - 例如，垂直軸，y。它指出電場沿該軸的斜率等于電荷密度 r 除以介電常數(shù) e。在符號中，dE/dy = r/e。另一個(gè)方程將電壓 V 與電場 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結(jié)對應(yīng)物來了解它是如何工作的。超級結(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)柱改變了電場分布。事實(shí)上，從 C 到 A，電場分布保持不變（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 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?？焖俣O管版本甚至可以在低功率電機(jī)驅(qū)動器中與 IGBT 競爭，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 系列非常適合太陽能逆變器、充電站和電動汽車車載充電器 (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 5：智能手機(jī)適配器中的 MDmesh

圖 6 顯示了“量身定制的”M5 系列如何相對于“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 = 的最佳競爭產(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、競爭力、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，不僅會破壞芯片與引線框架之間的熱連接，還會產(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)通電阻會增加，而閾值電壓會隨著溫度升高而降低。雖然前一種趨勢具有穩(wěn)定作用，但后一種趨勢可能有害，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?。ACEPACK 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)不會停止驚喜！

圖 13：MDmesh 里程碑：走向 Trench

審核編輯 黃昊宇