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意法半导体超结MOSFET MDmesh的百亿里程碑

关键词:意法半导体 MOSFET

时间:2024-01-12 14:43:26      来源:网络

近日,意法半导体功率产品迎来了新的里程碑,其MDmesh超结MOSFET累计出货量达100亿颗,该系列产品旨在提高电源和电机的效率,在汽车、基站电源、新能源等行业都得到了广泛应用。

近日,意法半导体功率产品迎来了新的里程碑,其MDmesh超结MOSFET累计出货量达100亿颗,该系列产品旨在提高电源和电机的效率,在汽车、基站电源、新能源等行业都得到了广泛应用。

ST ADG部门战略市场经理Filippo Di Giovanni表示,其从事功率晶体管业务已近40年,但当其开始生产MDmesh时,从未想过出货量能达到100亿颗。“90年代末,MOSFET主流技术已经到了极限,想减少损耗提升效率的唯一方法就是增加面积,但是这并不可行。超结的概念开始发挥作用,沟槽技术可以在低压MOSFET和IGBT中实现更高的电流和电压处理一级更高的效率,但是要使其应用于高压MOSFET,还有很多工作要做。不断改进超结结构,不同的材料、技术和设计以优化性能。努力得到了回报,我们成功开发出了MDmesh,比以前的超结有了更低的导通电阻和更高的开关速度。”

ST ADG高压业务部门经理Maurizio Giudice则表示,100亿颗证明了产品的性能和可靠性,也证明了ST不断追求硅MOSFET极限的决心。“最令我自豪的关键因素是,MDmesh MOSFET对可持续发展提供了重要支撑,高效率,降低了能源成本同时减少了排放。ST作为一家IDM,能够完全控制从设计到生产的整个过程,研究和开发内部工艺,实现市场上性能最高的大功率开关器件。”

关于意法半导体超结MOSFET的技术说明,可参考以下文章:

上一场涉及高压(即高于 200 V)硅功率晶体管的革命发生在世纪之交,当时超结 MOSFET 出现了。 直到 20 世纪 90 年代末,设计人员都必须接受这样一个“公理”:对于平面晶体管,品质因数(FOM定义为导通电阻乘以芯片面积)与击穿电压 (BV) 成正比。该公理意味着在给定电压下达到较低导通电阻值的唯一解决方案是增加芯片面积。 这使得使用小外形封装的器件变得越来越困难。超结技术使上述关系更接近线性,从而拯救了高压 MOSFET。 ST将该技术命名为MDmesh,并使其成为STPOWER子品牌的一部分。

超晶体管的原理

超结晶体管的工作机制利用了麦克斯韦方程之一,该方程针对一维情况进行了简化——例如,垂直轴 y。 它指出电场沿该轴的斜率等于电荷密度 r 除以介电常数 e。 用符号dE/dy = r/e表示。另一个方程将电压 V 与电场 E 沿 y 的分量相关联; 即,E = –dV/dy。 换句话说,电压 V 是 E 的积分,或者用几何术语来说,E 曲线下方的面积是 y 的函数。 通过比较标准平面 MOSFET 的垂直结构与其类似尺寸的超结对应物,我们可以了解其工作原理。 超结本质上是通过实现 p 柱在垂直漏极内部基本晶体管的 p 体的延伸。

在平面结构(见图 1,左)中,从表面沿 y 轴开始,我们遇到 p 体,因此,斜率为正,直到到达点 A。从 A 到 B,我们有漏极极性相反,因此斜率反转为负。从 B 到基板,极性变得更加负 (n–),因此斜率增加。图中的绿色区域表示在关闭状态下可以维持的电压。 在右侧所示的超结图中,p型区柱的添加改变了电场分布。 事实上,从C到A,电场分布保持恒定(体和柱具有相同的极性),然后由于漏极和衬底的原因,斜率与平面结构中一样相反。 结果,电场下方的面积更大,因此电压V2得以维持。在这里,柱体发挥了它的魔力。 现在,在给定电压下,我们可以降低漏极电阻并降低导通电阻。


图 1:平面(左)和超结 MDmesh(右)MOSFET

技术演进

自首次出现以来,MDmesh 晶体管得到了不懈的改进和完善,大量的功率转换应用仍然受益于它们的使用。 该用于创建垂直支柱的工艺技术已得到极大优化,以实现更好的制造产量和设备耐用性。 根据目标电路拓扑和应用,现在可以提供不同的专用产品系列。 这种技术的多功能性和灵活性使系统设计人员可以从多种选项中进行选择。 通用 M2 系列在 400 至 650V 范围内具有最佳性价比,并且有单独解决 PFC、软开关 LLC 和桥拓扑的特定应用变体,电压能力可扩展至 1,700V 。

最重要的是,诸如铂离子注入之类的技术被用来增强集成体二极管的性能,以减少反向恢复时间 trr、反向恢复电荷 Qrr 以及改进的 dV/dt。 这些特性非常适合桥式和高功率相移电路。 快速二极管甚至可以与低功率电机驱动中的 IGBT 竞争,从而无需共同封装二极管。 就效率而言,一个典型的例子是用于冰箱压缩机的 150W 逆变器,如图 2 所示。


图 2:采用 DPAK 封装的快速二极管 MDmesh MOSFET 与 IGBT 的压缩机逆变器效率曲线。 测试条件:0.23 Nm(负载),220V / 50Hz(输入电压)

在图 3 中,通过比较针对谐振转换器优化的最新 M6 系列所实现的功能,我们可以看到 ST 设计人员在改进早期 M2 版本方面是多么勤奋。


图 3:从 M2 到 M6 — 改善栅极电荷、阈值电压和输出电容

在图 3 的图表中,从左到右,我们看到较低的栅极电荷、增加的阈值电压和线性与电压输出电容可转化为更高的开关频率、更低的换向损耗以及较轻负载下的更高效率。

超结技术与最先进的工艺相结合,产生了高性能高压 MOSFET,特别关注 dI/dt 和 dV/dt 等关键开关参数,如图 4 中的安全操作图所示。 得益于这些改进,DM6 MDmesh 系列非常适合太阳能逆变器、充电站和电动汽车车载充电器 (OBC) 等应用。


图 4:dI/dt 与 dV/dt 安全工作区域

应用领域

ST 的 MDmesh 晶体管用于多种应用,这使我们能够在具有代表性的应用中展示其优点,比如智能手机适配器。


图 5:智能手机适配器中的 MDmesh

图 6 显示了相对于“基本”M2 系列,“定制”M5 系列如何在更高功率下提高 1.5 kW PFC 的效率。 所使用的两个 MOSFET 具有相似的导通电阻(M5 和 M2 的导通电阻分别为 37mΩ 和 39mΩ)和电压阻断能力 (650V)。


图 6:M5 系列(蓝色)如何在更高功率下提高 PFC 效率

图 7 显示了另一个有趣的示例:用于汽车 OBC 的 3 kW 半桥 LLC 电路,在 Vin = 380–420 V、Vout = 48 V、开关频率 f =250-140Hz 时将最新 DM6 (STWA75N65DM6) 与最佳竞争产品进行比较。


图 7:3kW 全桥 LLC输出效率比较

图 8 说明了损耗的划分,表明达到最低损耗水平和最高效率的关键是通过传导损耗和开关损耗的最佳组合。


图 8:3kW 全桥 LLC 转换器中各种损耗来源的分析

快速发展的 5G 技术也受益于 MDmesh 创新。 随着 5G 系统蜂窝密度的高水平和基站尺寸的不断减小(从微蜂窝到微微蜂窝),MDmesh 因其效率、大批量生产能力、性能等优势,成为中继器电源的完美搭配。

为了使 5G 系统能够以 98% 以上的效率运行,PFC 和 DC/DC 转换器级的效率需要分别达到 99%。 PFC 的解决方案可以是采用 MCU 数字控制的三角电流模式 (TCM) 操作的 3 通道交错无桥图腾柱。 TCM 系统使转换器能够在零电压开关下运行,从而显着降低开关损耗。 总体而言,除了减小电感器、EMI 滤波器和输出电容器的尺寸外,还获得了平坦的效率曲线和低负载时的良好效率值。

MDmesh 晶体管为 5G 无线系统的推出铺平了道路。

扩散焊接工艺和封装

MDmesh 的下一代迭代中另一个有趣的创新是扩散焊接工艺。

在标准焊接工艺(软焊接)中,金属间相 (IMP) 的形成是键合形成的基础。 它由界面处的薄金属间化合物层和其间未反应的焊料材料组成。标准软焊点的失效机制分析揭示了未反应焊料内的疲劳裂纹会扩展。

所有金属间化合物的两个重要特性是硬度和脆性,会影响其延展性。 众所周知,金属会在热机械应力下导致设备故障,从而降低电子设备的可靠性。

此外,焊料层含有不同大小的空隙,不仅会恶化芯片与引线框架之间的热连接,还会产生“热点”;也就是说,微观下将达到非常高的局部温度。 另一个需要考虑的影响是 MOSFET 参数的温度依赖性,例如导通电阻会增加,而阈值电压会随着温度升高而降低。 虽然前一种是稳定的,但后者可能是有害的,尤其是在开/关转换期间。

为了克服这些问题,正在开发一种称为等温扩散焊接的新工艺,它将标准焊接的特征与扩散接合相关联。

这基本上是通过具有低熔点的材料(例如,Sn-Cu焊膏)和具有高熔点的材料(例如,来自衬底的Cu)之间通过界面处的IMP生长的反应来实现的。

与传统焊接相比,接头是在焊接过程本身期间通过等温凝固形成的,而不是在冷却后。

形成具有非常高熔点的相这一优点还与优异的机械鲁棒性有关。随着功率封装中的结温达到 200°C,扩散焊接技术改进了芯片到基板的互连,确保工作温度不会超过可能导致过早失效的连接工艺温度。

焊接工艺改进的热性能消除了软焊料的一些缺点,这也转化为更好的电气性能。 因此,它与 TO-LL(TO 无铅)等新封装概念完美结合,TO-LL 在 SMD(表面安装器件)封装中具有最佳的电路板空间面积与热阻之比。 它还配备了开尔文引脚,使关断更加高效,因此可以使用 M6 或桥接电路来解决硬开关拓扑问题,而 MD6 系列可提供更低的导通电阻。


图 9:TO-LL 与更多 SMD 封装的比较

为了完成此封装概述,图 9 显示了创新的 ACEPACK SMIT(表面安装隔离顶部冷却)“分立”电源模块。这种模制引线框封装包含直接键合铜 (DBC) 基板,并且可以容纳单独的电源模块。ACEPACK SMIT 具有令人印象深刻的低热阻 (0.2°C/W),背面陶瓷可确保最低 3,400 VRMS 的绝缘电压(UL 认证),可以实现各种拓扑


图 10:ACEPACK SMIT封装

图 11:ACEPACK SMIT 内部配置灵活性

接下来是什么

20多年来,STPOWER MDmesh技术不断发展,与ST最具创新性的宽禁带半导体一起,继续提供市场上最广泛的功率器件。 图 12 描绘了以标准技术及其理论物理极限为基准的连续 MDmesh 版本的具体导通电阻与击穿电压:M9 和 K6 现已全面生产。为了清楚起见,K5 和 K6 代表极高电压(从 800 V 到 1,700 V)技术子集。


图 12:MDmesh 特定导通电阻的演变

为了了解为满足不同应用的要求而开发的 MDmesh 多次迭代所付出的努力,请查看图 13 中的一系列图像,从第一代 MOSFET 到最新的 TrenchFET。

下一步是什么? 推出MD6后,ST的目标是将沟槽结构的优点应用到超结中。 这一壮举将使 MDmesh 又向前迈出一步,并将其扩展到 SiC 等未来突破性技术。 通过适当的调整和优化,这种宽禁带半导体中利用的技术预计将在现有硅技术上广泛实施和调试,从而实现性能改进。


图 13:MDmesh 里程碑:迈向 Trench

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