高能效功率电子技术领域的新进展

高能效功率电子技术领域的新进展

    智能电源IC采用结合型双极/CMOS/DMOS(BCD)技术，使模拟、数字及电源方面的系统设计能够整合在单片衬底上。后续的BCD工艺改善了高压隔离、数字特征尺寸(提供更高模拟精度、逻辑速度、密度等)及功率处理能力。现代工艺能够整合数字处理器、RAM/ROM内存、内嵌式内存及电源驱动器。例如，采用BCD工艺可以在单芯片上整合电源、逻辑及模拟等诸多功能。

    随着CMOS几何尺寸的持续缩小，高内嵌智能的需求导致16/32位处理器、多MbROM/RAM及非挥发性内存，及复杂数字知识产权(IP)的整合。为了模组更高精度感测机制、高比特率数据转换、不同接口协议、预驱动器/控制环路，及精确片上电压/电流参考的需求，模拟功能也在不断增多。业界已经推出了100至200V及5至10A的电源驱动器。这些器件带有低导通阻抗，及利用深沟槽及绝缘硅(SOI)技术的高密度、强固型高压隔离架构。

    用于AC-DC逆变器的整合型600V晶体管技术与用于低于100V应用的技术相辅相成，被证明是另一个重要市场。先进的亚微米CMOS工艺将推动低成本、低导通阻抗驱动器的整合从传统LDMOS器件转向双及三低表面电场(RESURF)DMOS、超结LDMOS及LIGBT。

    封装技术潜力无限

    当前功率半导体封装的主要趋势是增强互连，包括旨在降低阻抗/寄生效应的晶圆级技术，以及增强型片上散热。厚铜、金或铝线邦定、缎带(ribbon)/封装黏着(clipbonding)，以及功率优化的芯片级封装(CSP)也在增强裸片与外部电极之间的电阻连接效率。下图显示了封装技术的演进。

   至于功率模块，本身就是功率电子器件按一定的功能组合灌封而成的。说它是一种封装技术一点也不为过。早期的功率模块在单个封装中整合多个闸流体/整流器，从而提供更高的额定功率。过去三十年来的重大突破使当今的模块将功率半导体与感测、驱动、保护及控制功能结合在一起。例如，智能功率模块就是以IGBT为内核的先进混合集成功率部件，由高速低功耗管芯（IGBT）和优化的门极驱动电路，以及快速保护电路构成。IPM内的IGBT管芯都选用高速型的，而且驱动电路紧靠IGBT，驱动延时小，所以IPM开关速度快，损耗小。IPM内部集成了能连续检测IGBT电流和温度的实时检测电路，当发生严重过载甚至直接短路时，以及温度过热时，IGBT将被有控制地软关断，同时发出故障信号。此外IPM还具有桥臂对管互锁、驱动电源欠压保护等功能。尽管IPM价格高一些，但由于集成的驱动、保护功能使IPM与单纯的IGBT相比具有结构紧凑、可靠性高、易于使用等优点。

    模块采用的直接敷铜(DBC)技术增强了电气性能，而陶瓷衬底(如三氧化二铝及氮化铝)能够同时提升冷却效率。封装-组装技术上的改进也实现了几个裸片和无源器件的平面共同整合(co-integration)，以及旨在增加系统整合度的垂直堆栈技术。“解开封装”(Un-packaging)技术是另一个有意义的研究领域，此技术将几个布有器件的(populated)的衬底机械整合，免除壳体、端子及基座。

    持续推动工艺技术进步

    许多公司都在积极开发新的工艺技术。例如，安森美半导体开发出了专有Trench3工艺的下一代MOSFET产品，可用于台式机、笔记本和上网本等应用，有助于提升能效及开关性能，同时裸片尺寸更小。

    未来几年，安森美半导体还将开发氮化镓(GaN)晶圆生产工艺、GaN器件集成工艺、GaN制造工艺、GaN封装工艺、绝缘硅晶圆生产工艺、接触/隔离沟槽工艺模块、低电感封装、电感和电容集成等众多工艺技术；同时利用封装技术实现产品创新，以更纤薄的封装、更低占位面积实现更高I/O密度，不断提高封装热效率及工作温度范围，也使每个封装的裸片尺寸选择更多。此外，安森美半导体还将以更薄、直径更大的晶圆和铜线夹来降低材料成本。