從1957年第一只晶閘管的誕生開始，功率電子技術(shù)以相當(dāng)迅猛的速度發(fā)展,。近年來又取得了長足的進(jìn)展,，產(chǎn)生極佳的經(jīng)濟(jì)及社會效益,。從美國高能效經(jīng)濟(jì)委員會(ACEE)出版的一份報告可以看到,，到2030年，受益于采用半導(dǎo)體技術(shù)而獲得的更高能效，可以使美國的經(jīng)濟(jì)規(guī)模擴(kuò)大70%以上，與此同時,，使用的電能卻將減少11%。作為高能效功率電子技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先廠商,，安森美半導(dǎo)體一直專注于超低損耗MOSFET/IGBT,、智能電源IC及集成功率模塊等方面的研發(fā)和創(chuàng)新,，而且取得了長足的進(jìn)展,。
從工藝到材料都在創(chuàng)新
隨著時間的推移，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,，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,，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,。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)就會上市,。
功率器件更加智能
智能電源集成電路(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,、自動開關(guān)、視頻放大器,、橋式驅(qū)動電路以及顯示驅(qū)動等多個領(lǐng)域,。中國是全球最大的消費(fèi)電子產(chǎn)品市場，隨著人們經(jīng)濟(jì)生活水平的不斷提高,，各種電子產(chǎn)品的需求與日俱增,，預(yù)示著智能功率集成電路有巨大的市場。
智能電源IC采用結(jié)合型雙極/CMOS/DMOS(BCD)技術(shù),，使模擬,、數(shù)字及電源方面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠整合在單片襯底上。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、密度等)及功率處理能力?，F(xiàn)代工藝能夠整合數(shù)字處理器,、RAM/ROM內(nèi)存,、內(nèi)嵌式內(nèi)存及電源驅(qū)動器。例如,，采用BCD工藝可以在單芯片上整合電源,、邏輯及模擬等諸多功能。
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16/32位處理器,、多Mb ROM/RAM及非揮發(fā)性內(nèi)存，及復(fù)雜數(shù)字知識產(chǎn)權(quán)(IP)的整合,。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逆變器的整合型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,，被證明是另一個重要市場,。先進(jìn)的亞微米CMOS工藝將推動低成本、低導(dǎo)通阻抗驅(qū)動器的整合從傳統(tǒng)LDMOS器件轉(zhuǎn)向雙及三低表面電場(RESURF) DMOS,、超結(jié)LDMOS及LIGBT,。
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)化的芯片級封裝(CSP)也在增強(qiáng)裸片與外部電極之間的電阻連接效率。下圖顯示了封裝技術(shù)的演進(jìn),。
圖：功率封裝整合路線圖
至于功率模塊,，本身就是功率電子器件按一定的功能組合灌封而成的。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封裝中整合多個閘流體/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,、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)動電路緊靠IGBT,，驅(qū)動延時小，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)時檢測電路，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過載甚至直接短路時,，以及溫度過熱時,，IGBT將被有控制地軟關(guān)斷，同時發(fā)出故障信號,。此外IPM還具有橋臂對管互鎖,、驅(qū)動電源欠壓保護(hù)等功能。盡管IPM價格高一些,，但由于集成的驅(qū)動,、保護(hù)功能使IPM與單純的IGBT相比具有結(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)了幾個裸片和無源器件的平面共同整合(co-integration),，以及旨在增加系統(tǒng)整合度的垂直堆棧技術(shù)。“解開封裝”(Un-packaging)技術(shù)是另一個有意義的研究領(lǐng)域,，此技術(shù)將幾個布有器件的(populated)的襯底機(jī)械整合,，免除殼體、端子及基座,。
持續(xù)推動工藝技術(shù)進(jìn)步
許多公司都在積極開發(fā)新的工藝技術(shù),。例如，安森美半導(dǎo)體開發(fā)出了專有Trench 3工藝的下一代MOSFET產(chǎn)品,，可用于臺式機(jī),、筆記本和上網(wǎng)本等應(yīng)用，有助于提升能效及開關(guān)性能,，同時裸片尺寸更小,。
未來幾年，安森美半導(dǎo)體還將開發(fā)氮化鎵(GaN)晶圓生產(chǎn)工藝、GaN器件集成工藝,、GaN制造工藝,、GaN封裝工藝、絕緣硅晶圓生產(chǎn)工藝,、接觸/隔離溝槽工藝模塊,、低電感封裝、電感和電容集成等眾多工藝技術(shù),；同時利用封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新,，以更纖薄的封裝、更低占位面積實(shí)現(xiàn)更高I/O密度,，不斷提高封裝熱效率及工作溫度范圍,，也使每個封裝的裸片尺寸選擇更多。此外,，安森美半導(dǎo)體還將以更薄,、直徑更大的晶圓和銅線夾來降低材料成本。