工藝與材料的創(chuàng)新

　　隨著時(shí)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(shí),，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(shí),，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(duì)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(shí)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。因此,，開發(fā)就轉(zhuǎn)向了諸如溝槽FET（帶有額外解耦垂直場(chǎng)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(shì),。

　　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(chǎng)的數(shù)量級(jí)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(shì),。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(huì)上市。

　　工藝與材料的創(chuàng)新

　　隨著時(shí)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(shí),，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(shí),，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(duì)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(shí)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,。因此，開發(fā)就轉(zhuǎn)向了諸如溝槽FET（帶有額外解耦垂直場(chǎng)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(shì),。

　　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(chǎng)的數(shù)量級(jí)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(shì),。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(huì)上市,。

　　功率器件更加智能

　　智能電源IC （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(dòng)開關(guān)、視頻放大器,、橋式驅(qū)動(dòng)電路以及顯示驅(qū)動(dòng)等多個(gè)領(lǐng)域,。

　　中國(guó)是全球最大的消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)，各種電子產(chǎn)品的需求與日俱增,，這預(yù)示著智能電源IC將有巨大的市場(chǎng),。

　　智能電源IC采用結(jié)合型雙極/CMOS/DMOS（BCD）工藝，使模擬,、數(shù)字及電源方面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠集成在單片襯底上,。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,、邏輯速度與密度等）及功率處理能力?，F(xiàn)代工藝能夠集成數(shù)字處理器、RAM/ROM內(nèi)存,、內(nèi)嵌式內(nèi)存及電源驅(qū)動(dòng)器,。例如，采用BCD工藝可以在單芯片上集成電源,、邏輯及模擬等功能,。

　　隨著CMOS幾何尺寸的持續(xù)縮小，高內(nèi)嵌智能的需求導(dǎo)致了16/32位處理器、多Mb ROM/RAM/非易失性內(nèi)存,，及復(fù)雜IP的集成,。為了模組更高精度感測(cè)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(dòng)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(dòng)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逆變器的集成型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(gè)重要市場(chǎng),。先進(jìn)的亞微米CMOS工藝將推動(dòng)低成本、低導(dǎo)通阻抗驅(qū)動(dòng)器的集成從傳統(tǒng)LDMOS器件轉(zhuǎn)向雙及三低表面電場(chǎng)（RESURF） DMOS,、超結(jié)LDMOS及LIGBT,。 【 查看本站相關(guān)專題：功率器件在綠色節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用【IGBT,、MOSFET】 】

　　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(shì)是增強(qiáng)互連,，包括旨在降低阻抗/寄生效應(yīng)的晶圓級(jí)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(jí)封裝（CSP）,，也在增強(qiáng)裸片與外部電極之間的電阻連接效率。圖1顯示了封裝技術(shù)的演進(jìn),。

　　圖1 功率封裝集成路線圖

　　功率模塊本身就是功率電子器件按一定功能組合灌封而成,。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(gè)封裝中集成了多個(gè)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(cè)、驅(qū)動(dòng),、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(dòng)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(dòng)電路緊靠IGBT,，驅(qū)動(dòng)延時(shí)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(cè)IGBT電流和溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)電路,，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過載甚至短路，以及溫度過熱時(shí),，IGBT將被有控制地軟關(guān)斷,，同時(shí)發(fā)出故障信號(hào)。此外,，IPM還具有橋臂對(duì)管互鎖,、驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)等功能。盡管IPM價(jià)格高一些,，但由于集成了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能,，因此比單純的IGBT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(shí)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(gè)裸片和無源器件的平面共同集成（co-integration）,，以及旨在增加系統(tǒng)集成度的垂直堆棧技術(shù)。“解開封裝”（Un-packaging）技術(shù)是另一個(gè)有意義的研究領(lǐng)域,，此技術(shù)將幾個(gè)布有器件的（populated）的襯底機(jī)械集成,，無需殼體、端子及基座,。

　　持續(xù)推動(dòng)工藝技術(shù)進(jìn)步

　　許多廠商都在積極開發(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(tái)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(shí)裸片尺寸更小,。

　　未來幾年，安森美還將開發(fā)氮化鎵的晶圓生產(chǎn)工藝/器件集成工藝/制造工藝/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,、電感和電容集成等工藝技術(shù),；同時(shí)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(gè)封裝的裸片尺寸選擇更多。此外,，還將以更薄,、直徑更大的晶圓和銅線夾來降低材料成本。