GaNonCMOS – POL 集成的下一步

更小、更高效的电源转换器是过去几十年来的发展方向，而这个趋势也将持续下去。这是通过使用新拓扑、新型材料和新集成工艺来达到的。欧盟2020 项目的重点是集成新型材料，所以也资助了 GaNonCMOS 项目。该项目的目标是将 GaN 和 Si 在不同层级上进行高密度集成（PCB、堆栈和芯片），开发适用于高开关频率和 PCB 嵌入的新型软磁材料。与一般的主流不同，该项目的兴趣不是将GaN 材料使用在常见的650V范围内，而是运用在低于 100V 的 DC/DC 转换，也就是服务器应用以及汽车和航空航天工业的低功率 PoL 转换器。来自奥地利、比利时、德国、荷兰和爱尔兰的 11 家行业领导者和研究机构共同加入了这个项目。RECOM 集团也参与了这些新技术的开发，并遵循公司的目标在电源转换领域上带来创新、集成 (3DPP) 和更可靠的解决方案。

嵌入式

该项目的重点之一是将组件嵌入到 PCB 中。使用这种技术可以在 PCB 核心中隐藏一个或多个组件。嵌入的主要限制是组件的厚度及在各种环境条件下的行为和表现。嵌入式组件可以是 IC、开关或无源组件，使用何种组件取决于设计目标。厚铜层与嵌入式组件的引脚连接可以形成明确的热路径。IC 和 MOSFET 可以放得很近以降低寄生电感和实现更高的开关速度。电阻和电容等小型无源器件可以嵌入同一个空腔中，只有较大的器件留在外面，例如磁性器件、输入或输出电容。由于采用 FR4 耐燃材料，电容较不受到来自开关或 IC 热压力的影响。虽然 3D 结构让整个布局变得更加复杂，但它具有更小的开关和控制回路的优势。其他重要的优点包括较小的面积和防止逆向工程的保护。

另一种方法是降低 PCB 的厚度。例如，在降压转换器的设计中电感通常是最高的器件。如果需要非常扁平的设计，有可能无法找到合适的薄型电感，而这个项目实现了嵌入式磁性器件的想法。但是当特定参数的芯片尺寸太大无法嵌入，要如何嵌入所需的电感？磁性片材为解决之道。具某些磁性特性且非常薄的材料（100-200 μm）可以切割成不同的形状并放在 PCB 上。PCB的布线形成了绕线结构。与紧凑但较高的片式电感相比，这种电感有较大的面积，而且已经有好几种采用这种技术的例子。减少空间的最佳方法是让电感的面积与 PCB 上其他小器件的面积差不多一样（请见图 1）。下面的插图描绘了内层使用有绕组的环形磁芯形状来形成环形电感（请见图 2）。其他形状和绕组结构也可能可行，取决于可用空间、必要的耦合、电流容量等因素。图 3 描绘了一个简单的 1:1 变压器设计，磁性材料采用相同的环形磁芯形状。嵌入式变压器的优点是增加了污染等级并降低了爬电距离和间隙要求。要满足更高电感值和更高电流所需的面积明显增加了。虽然磁片的嵌入过程已在更大的范围上 (10x10 cm) 得到验证，但最理想的是较低电流的应用，最高到2A。有些参数会造成影响，例如绕组数量会增加电感的直流电阻但降低整体效率。

图 1 – 降压转换器的嵌入式环形电感器设计及绕组层（AT&S 和 RECOM）


图 2 – 降压转换器的嵌入式环形电感器设计的侧视图，显示了PCB 内的磁片（AT&S 和 RECOM）

图 3 – 具有明显分离绕组的环形变压器设计示例 (AT&S)

材料及可靠性

在项目中测试了 10 多种不同的磁性片材以确定是否适合嵌入。就如片式电感一样，片材也有不同的属性。 片材是在高压下嵌入然后封装在 PCB 中。为了评估电气参数的稳定性和机械一致性，根据汽车标准（AEC Q200）对大量样品进行了长期可靠性测试，包括：温度循环（2000 次）、温湿度偏压（85°C、85% RH 下 1000 小时）、高温储存（125°C下1000 小时）、低温储存（-55°C下1000小时），以及高度加速压力测试（130°C、85% RH 下 96 小时）。只有少数材料不但通过了这些测试也没有改变参数或造成 PCB分层。 这些知识有助于运用这个技术，在设计阶段避开风险材料因为有些材料会在嵌入过程中破裂。

大多数片材适用于 1MHz 至 5MHz 之间的开关频率。除了对磁性片材进行测试以外，该项目还开发适合20MHz左右开关频率的新型磁性材料。在几项试验的过程中也成功产出了一种可以嵌入的新型化合物。

图 4 – 有分层（左）和无分层（右）的嵌入式磁片横截面 (AT&S)

芯片级集成

正如项目名称所示，目标之一是将 GaN 器件（开关）与 CMOS 驱动器集成在一起。为了符合集成过程的电气和物理要求，GaN 和 Si 器件均在开发过程中历经多次迭代的自行开发和制造。新开发的工艺称为晶圆直接键合 (IBM)，能在切割之前键合两个晶圆。这个复杂的过程仍在测试阶段，但当预期的障碍被克服后，这将是芯片集成的另一个里程碑，因为一个器件结合了两种半导体材料的优点达到了两全其美。实际上，驱动器和开关之间没有寄生电感的话可以在数百 MHz 范围内实现极高的开关频率，结果是无源组件（磁性组件和电容器）的尺寸必须够小，进而大幅降低功率转换的体积。