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Infineon"超接面工艺"为衔接 GaN、SiC 新材料作缓冲

时间:2017-06-15 08:11来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
节能系统设计○之大功率工艺封装
开关式电源 (Switch Power) 旨在控制开通和关断的时间点以维持稳定的输出电压,一般由脉冲宽度调变 (PWM) 控制 IC 和金氧半场效晶体管 (MOSFET) 构成,轻量、提高工作频率的耐受度是主要方向;而如何在高压功率组件获得良好的崩溃电压及导通电阻?向来是业界不断精进的课题。在氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC) 等新一代宽能隙 (Wide Band-gap) 半导体材料未臻成熟前,借助高掺杂浓度的"超接面"(Super Junction,简称 SJ) 结构,能有效优化上述两项技术指标、达到节能目的,并突破硅 (Si) 材料极限,故成为新型高压功率组件的新宠。
 
功率组件选购准则:效能、价格、易用性与产品组合
英飞凌 (Infineon) 是最早将 SJ 工艺商用化的半导体厂商,率先于 2001 年推出首款 SJ MOSFTET 产品——CoolMOS C3。英飞凌电源管理与多元电子事业处资深营销经理陈志星表示,经过近二十年的淬炼,CoolMOS 系列已能将效能、价格、易用性与产品组合 (portfolio) 之间取得最佳平衡。他建议,效能和价格固然是采购的基本准则,但电磁干扰 (EMI) 和射频干扰 (RFI) 对于系统设计的影响亦不容小觑,否则善后工作会很棘手且耽误开发时程;而往往切换频率越快,RFI 越明显,因此,设计前应做全方位的考虑,这即是所谓"易用性"的要义。
 

照片人物:英飞凌电源管理与多元电子事业处资深营销经理陈志星
 
就系统角度而言,还须考虑外围组件的适配度;例如,选用功率密度 (High Density) 高的组件,"扼流器"(Power Choke) 等无源组件的体积亦可随之微缩;以服务器为例,可连带使整个电源模块、乃至机壳外型都更为轻薄,以极大化利用有限的数据中心空间;若功率组件厂商能提供多种 RDS(ON) 导通电阻等级和不同封装方式的"产品组合",工程师也有更多选择的可能性。"这也是为何我们在原有极致效能的 650/600V CoolMOS C7之外,再锁定全面性的多样化需求,另推 CoolMOS P7的动机所在",陈志星说明。
 
CoolMOS 高压 MOSFET:增加频率范围,实现新型拓扑
陈志星介绍,2013 年问市的 CoolMOS C7 SJ MOSFET 系列在功率因子修正 (PFC)、双晶体管顺向式 (TTF) 和其他硬切换拓扑中,拥有媲美 GaN 的性能;适合高功率开关模式电源 (SMPS) 应用,如:超大型数据中心、电信基地台、太阳能和工业等着重高效率、降低物料清单 (BoM) 和整体持有成本 (TCO) 的应用。其 PFC 效率增幅可从 0.3% 提升至 0.7%,逻辑链路控制 (LLC) 拓扑效率则增加 0.1%;因能有效减少闸电荷和输出电容,使切换频率得以增加一倍、达 200 kHz,同时将损耗达到极低、可大幅缩小磁性组件的尺寸,进而降低整体 BoM 成本。
 

图1:英飞凌 CoolMOS 系列产品定位之落点分析
资料来源:英飞凌提供
 
近期亮相的 800/700V CoolMOS P7,则是面向今后"准谐振返驰式拓扑"趋势而来,号称更为面面俱到,适用于软切换拓扑应用,藉由改善切换损耗 (Eoss)、栅极电荷 (Qg) 与输入电容 (Ciss)/输出电容 (Coss),可将系统效能优化,提升返驰式充电器的全机效率并降低器件温度。今年新增的 600V 版本可涵盖 100 W~15 kW 的功率等级,目标应用包括充电器、适配器、照明、电视、PC 电源、太阳能、服务器、电信及电动车充电等,具备 37~600 mΩ 的宽广通态电阻 RDS(on) 范围;另本体二极管 (Body Diode) 能在 LLC 电路的硬式换流事件保护器件。
 
特别一提的是,P7 的导通电阻选项更多、启动电压更精准;且整合齐纳二极管 (Zener diode),具备更高的静电放电 (ESD) 耐受性,可减少良率损失并改善组装产能。P7 600V 版本提供表面黏着器件 (SMD) 或插入型封装,适合多种应用与功率范围;"除了导通电阻和损耗问题,封装亦会关系到负载与电路板空间运用效率,以及稳压效果",陈志星指出。他透露,由于稳压效果佳,C7 目前正在发展符合车规的版本。此外,为求更好的散热效果,C7 另提供 TO 无引线封装的"600V C7 Gold"版本 (简称 G7),适用于更高电流的设计。
 

图2:600 V CoolMOS C7 是迈向 GaN 等更高切换频率工艺的基石
资料来源:英飞凌提供
 
立足"硅基板氮化镓",持续挺进下个明星工艺:GaN 与 SiC
在将 SJ 工艺发扬光大之余,英飞凌对于有较高切换频率的 GaN,以及较高功率承受能力的 SiC 等新材料之技术研发亦未缺席;格外看好具有十倍于硅材的电场强度、高三倍的热导率、宽三倍的能隙、高一倍的饱和迁移速度等特性,适合 1200V 以上的高压应用,如:汽车和太阳能。事实上,英飞凌于 2015 年并购美国国际整流器公司 (IR) 后,不但进一步扩充关于 GaN 的专利产品组合,也拓展了"硅基板氮化镓"(GaN/Si) 产品、GaN/Si 磊晶工艺,以及 100~600 V 的技术。结合两大新兴技术,推出"SiC 射频功率晶体管"的首款 GaN 系列产品。
 
相较于既有的射频功率晶体管,新产品效率更高、功率密度与带宽更大,具备更高的数据传输量,支持频率范围达 6 GHz 频段;英飞凌还将它整合至自家 SMD 封装,以提供高效易用的 600 V 氮化镓功率器件。日前更成功展示采用沟槽式技术的 1200V CoolSiC MOSFET 模块平台和拓扑,动态损耗比 1200 V Si IGBT 降低一个数量级,首批产品将用于支持包括太阳能逆变器、不断电系统 (UPS) 及充电器/储能系统等应用,后续可延伸至工业马达驱动、医疗技术或铁道用辅助电源供应等;受惠于更低的失效率 (FIT) 和出色的短路容量,耐用性更佳。
 

图3:英飞凌 EASY 1B IGBT 模块导通电组 RDS(ON) 仅 45 mΩ,整合式本体二极管确保低损耗续流功能,适用于马达驱动、太阳能或焊接技术领域
资料来源:英飞凌提供
 
SiC MOSFET 可提供极快的切换瞬变,且英飞凌的技术可通过栅极串联电阻来促进瞬变调整的简易度,进而轻松实现优化的电磁兼容性 (EMC)。虽然与全球 LED 照明龙头科锐 (Cree) 旗下 Wolfspeed 电源和 RF 部门的交易暂时告吹,然而,奠基于既有专利工艺及封装技术扎根甚深,又是自有晶圆厂的 IDM 大厂、可视市况动态调控产能;或许正是支撑英飞凌连续多年稳居功率半导体市场宝座的最重要原因。
(责任编辑:helen)
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