硅晶体管创新还有可能吗?意法半导体超结MDmesh案例研究

作者：Filippo Di Giovanni

意法半导体功率晶体管事业部的战略营销、创新和大项目经理

前言

自从固态晶体管取代真空电子管以来，半导体工业取得了令人惊叹的突破性进展，改变了我们的生活和工作方式。如果没有这些技术进步，在封城隔离期间我们就无不可能远程办公，与外界保持联系。总之，没有半导体的技术进步，人类就无法享受科技奇迹。

举个例子，处理器芯片运算能力的显著提高归功于工程师的不断努力，在芯片单位面积上挤进更多的晶体管。根据摩尔定律，晶体管密度每18个月左右就提高一倍，这个定律控制半导体微处理器迭代50多年。现在，我们即将到达原子学和物理学的理论极限，需要新的技术，例如，分层垂直堆叠技术。

同时，我们也正处于另一场革命浪潮之中，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽带隙半导体正在快速发展，这些新材料具有独特的物理性质，可以提高器件的能效和功率密度，能够在更恶劣的热环境内安全工作。

意法半导体已经量产STPOWER SiC MOSFET，这将有助于推进电动汽车(EV)应用，引爆汽车大规模电动化时代，最终实现自动驾驶和绿色出行。

在本世纪初出现的超结MOSFET是一场高压(即200V以上)硅基功率晶体管的技术革命。直到20世纪90年代末，芯片设计者还不得不接受这样一个“公理”，即平面晶体管的品质因数(导通电阻与芯片面积的乘积)与击穿电压BV成正比，比例最高到2.5。这个公理意味着，在给定的电压下，要达到较低的导通电阻值，唯一的解决办法就是增加芯片面积，而这一结果是小封装应用变得越来越难。通过使上述关系接近线性，超结技术拯救了高压MOSFET。意法半导体将该技术命名为MDmesh，并将其列入STPOWER的子品牌。

超结晶体管的原理

超结晶体管的工作原理是利用一个简化的麦克斯韦方程，例如，只有垂直轴y的一维坐标系，该方程规定y轴上的电场斜率等于电荷密度r 除以介电常数e ，用符号表示：dE/dy=r/e。另一个方程是代表电压V和y轴上的电场分量E的关系，即E=-dV/dy。换句话说，电压V是E的积分，或用几何术语表示，E曲线下的面积是y的函数。我们可以通过比较标准平面MOSFET的垂直结构和相同尺寸的超结MOSFET来了解它们的工作原理。本质上，超结是在垂直漏极内部延长基本晶体管的p体，实现一个p型柱。

在平面结构(图1左图和图表)中，从芯片表面开始沿y轴向下，我们看到p体，在到达A点前，场强斜率一直是正值。从A点到B点是电荷极性为负的漏极，因此，场强斜率从正变负。从B点到衬底，负电荷密度变得更大(n-)，所以，场强斜率上升。图中的绿色区域表示在关断状态下可以维持的电压。在右边的超结图中，p型柱的加入改变了电场分布情况。事实上，从C点到A点，电场分布保持恒定(体和柱的极性相同)，然后，因为漏极和衬底的原因，场强变化与平面结构相同，斜率变负。因此，在电场下方的区域更大，电压V2得以维持，这就是P型柱的神奇之处。现在，在给定的电压下，我们就可以降低漏极电阻率和导通电阻。

图1平面MOSFET(左)和超结MDmesh MOSFET(右)

技术演变过程

自从问世以来，MDmesh晶体管不断地被改进和完善，如今仍然有大量的变电设备在使用MDmesh晶体管。垂直p型柱的制造工艺已经过大幅优化，确保晶体管具有更好的制造良率和工作稳健性。根据目标电路的拓扑结构和应用需求，现在工程师可以选用不同的专用产品系列，这种在技术层面的多用途和灵活性为系统设计人员带来更多的选择。在400V至650V电压范围内，通用M2系列具有非常高的性价比，另外，还有应用范围覆盖PFC、软开关LLC和电桥拓扑的耐压提高至1700V的专用产品。

除此之外，意法半导体还引入铂离子注入等寿命终止技术来提高寄生二极管的性能，减少反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr，提高dV/dt(DM系列)耐量。这些产品特性非常适用于电桥和大功率移相电路。MDmesh快速二极管款甚至可以与低功率电机驱动器中的IGBT媲美，而无需在封装内再增加一个二极管。冰箱压缩机150W逆变器是一个提高能效的典型例子，如图2所示。

图2：MDmesh快速二极管款MOSFET与DPAK封装IGBT在压缩机逆变器应用中的能效曲线比较图。试验条件：0.23Nm (负载)，220V/50Hz (输入电压)

应用广泛的MDmesh晶体管的出货量已经达到数十亿颗。M6系列是为谐振变换器优化的MDmesh产品，通过与早期的M2系列对比，意法半导体设计师在迭代改进方面花了不少心血，如图3所示。

图3：从M2到M6：栅极电荷、阈值电压和输出电容三项指标被全面改进

在图3中，从左到右，我们看到较低的栅极电荷、较高的阈值电压和更加线性的电压和输出电容比，这些特性可以产生较高的开关频率、较低的开关损耗，在较轻的负载下实现更高的能效。

超结晶体管基础技术结合先进的制造工艺，通过对dI/dt、dV/d等重要开关参数给与特别考虑，意法半导体创造了一种高性能的高压MOSFET，如图4的安全工作区图所示。由于这些改进，DM6 MDmesh系列非常适合太阳能逆变器、充电站、电动汽车车载充电机(OBC)等应用。

图4 dI/dt与dV/dt安全工作区域

应用领域

意法半导体的MDmesh晶体管的应用非常广泛，我们只能从中选择几个有代表性的用例展示产品优点。

手机充电适配器是规模较大的MDmesh应用领域，图5是一个120W充电适配器。

图5：手机充电适配器中的MDmesh

图6描述了“定制型”M5系列和基本型M2系列在功率较高的1.5kW功率因数校正电路中的能效比较。两个MOSFET具有相似的导通电阻(M5和M2的导通电阻分别为37和39 mOhm)和反向耐压(650V)。

图6：M5系列(蓝线)如何在大功率条件下提高PFC能效

图7所示是一个有趣的例子，在车载充电机OBC的3kW半桥LLC电路中，在Vin=380V-420V、Vout=48V、开关频率f=250Hz-140kHz条件下，意法半导体最新的DM6系列 (STWA75N65DM6)与竞品比较。

图7 ：3kW全桥LLC:关断电动势与输出功率比;能效比与输出功率比

图8是损耗分类分析图，表明导通损耗和开关损耗的优化组合是达到最低损耗和最高能效的关键因素。

图8：3kW全桥LLC变换器中各种损耗根源分析

此外，快速增长的5G技术也将受益于MDmesh技术创新。5G系统蜂窝小区密度连续提高，而基站却不断地小型化，从微蜂窝向微微蜂窝发展，在能效、产能、竞争力和性能方面占优的MDmesh是中继器电源芯片的绝佳选择。

为了使5G系统的工作能效超过98%，PFC级和DC-DC变换器级的能效都必需达到99%。PFC的解决方案可以是MCU数控三角形电流模式(TCM)三通道交错无桥图腾柱电路。TCM系统使变换器能够执行零电压开关操作，从而显著降低开关损耗。总体上，最后得到一个平滑的能效曲线，能效在低负载时表现良好，此外，还可以使用尺寸更小的电感器、EMI扰滤波器和输出电容。

MDmesh晶体管为5G无线系统的推出铺平了道路。

扩散焊接和封装

扩散焊接工艺是下一代MDmesh产品的另一个有趣的创新技术。

在标准焊接工艺(软钎焊)中，金属间化合物(IMP)的形成是键合的基础，IMP包括界面上的金属间化合物薄层和各层中间未反应焊料。热循环后标准软焊点失效机理分析发现，在未反应焊料体积内出现疲劳裂纹扩大现象。

硬度和脆性是所有金属间化合物的两个重要性质，这两个性质会降低材料的延伸性。众所周知，在热机械应力作用下，脆性会导致设备失效，从而降低电子设备的可靠性。

此外，在焊料层中有大小不同的空隙，这不仅会降低芯片和引线框架之间的热连接可靠性，而且还可能产生“热点”，即局部温度非常高的微观体积。另一个要考虑的效应是MOSFET参数与温度关系紧密，例如，随着温度升高，导通电阻变大，而阈值电压降低。虽然前一种趋势具有稳定作用，但后一种趋势可能对器件有害，尤其是在开关转换期间。

为了克服这些问题，业界正在开发一种结合标准焊接与扩散焊接特性的等温扩散焊接新工艺。

本质上，这种工艺是通过在界面生长IMP来使低熔点材料(例如Sn-Cu焊膏)和高熔点材料(例如来自衬底的Cu)发生的一种反应。

与传统焊接不同，这种焊接工艺是在焊接过程中，不限于冷却后，通过等温凝固方法形成焊点。

形成熔点非常高的合金相这一优点还有助于产生优异的机械稳健性。因为电力封装产品的结温会达到200°C，新扩散焊接技术可以改善芯片与基板的连接性能，确保工作温度不超过会焊接工艺温度，导致晶体管过早失效。

通过改善热性能，新焊接工艺解决了软钎焊的一些缺点，所以，芯片的电气性能更好。这种焊接工艺与新的封装概念是完美组合，例如，TO-LL(TO无引脚)等SMD表面贴装器件具有非常好的封装面积与热阻比率，还配备了开尔文引脚，关断能效更高，因此，可以用M6解决硬开关拓扑设计问题与或用导通电阻更低的MD6系列设计电桥电路。

图9：TO-LL封装与SMD封装对比

为了更全面地介绍这个封装，图9展示了一个叫做ACEPACK™ SMIT(贴装隔离正面散热)的创新的分立电源模块，如图9所示。这种模压引线框架封装包含一个DBC(直接键合铜)基板，可以安装多个分立芯片，实现各种拓扑。ACEPACK SMIT的0.2 °C/W低热阻率令人印象深刻，背面陶瓷确保最小绝缘电压达到3400VRMS(UL认证)。

图10：ACEPACK SMIT封装

图11：ACEPACK SMIT内部配置的灵活性

MDmesh的未来

经过20多年的发展，STPOWER MDmesh技术不断进步，与意法半导体创新性的宽带隙半导体一起，继续为市场带来各种类型的功率晶体管。图12所示是不断迭代的MDmesh晶体管与标准技术的导通电阻和击穿电压比值及其物理学理论极限，其中M9和K6现已量产。为了解释的更清楚，K5和K6代表非常高的电压(从800V到1700伏)技术。

图12：MDmesh导通电阻演变

为了满足不同应用的需求，MDmesh产品经过多次升级换代，图13是从第一代MOSFET到TrenchFET的迭代图。

下一步计划是什么呢?在推出MD6之后，意法半导体新的目标的是将沟槽栅极结构的优点应用到超级结中，这会让MDmesh又向前迈出一大步，然后将沟槽栅极结构扩展到SiC等未来的开创性技术。通过适当的调整和优化，宽带隙技术有望在现有的硅技术上全面改进性能，这个性能征程势必会带来更多的惊喜!

图13: MDmesh里程碑: 走向沟槽栅极技术