解构MOSFET源起之道

本文由英飞凌科技股份公司器件设计和技术开发负责人Ashita Mirchandani、产品市场经理Bastian Lang提供

在过去的50年里,我们的世界发生了翻天覆地的变化,各种新的经济、社会和技术趋势不断涌现,并且正以不同的方式深刻影响着人们的日常生活。

然而,不管世界如何变化、变化到什么程度,

有一件事却始终不变,即:

技术,在其中起着至关重要的作用

无论是电动汽车、物联网、人工智能、数据互联或者5G,这些都是当今和未来重大的技术驱动的创新。这些新的应用领域不仅对我们的生活有着深远的影响,而且对深层的设计也提出了更高的要求。设计工程师在工作中每天都会面临新的挑战:要适应新的电源架构和更高的总线电压、要在更小的尺寸内传递更大的功率、实现更高的功率密度和转换效率。我们必须开发出不同的解决方案,以应对这些挑战。

然而,纵观这些方案背后的价值链,

我们可以发现所有这些都会归结到最微小的细节:

微芯片

毫无疑问,能否 正确地选择合适的功率开关器件决定着整个系统的性能(包括可靠性)。

始终处于关键功率半导体创新的前沿

英飞凌拥有超过40年的功率MOSFET创新经验,一直在引领着帮助设计工程师解决日常工作中遇到的挑战,实现他们的设计目标。尽管这些目标可能在这几年已经发生了改变,但英飞凌产品背后的创新精神一直贯穿从器件设计、技术、封装、产品开发到生产制造的整个过程。

回顾MOSFET行业的发展历史, MOSFET技术的不断进步极大地丰富了它的产品应用和市场前景,已经成为我们生活中不可或缺的一部分。1979年推出了第一个 六边形拓扑MOSFET。1995年又推出了 新一代MOSFET技术:该技术基于先进的四掩模工艺,利用创新的自对齐特性来提高制造精度和产量;该工艺使MOSFET的制造周期明显缩短(与六步工艺的要求相比),结深比传统工艺减小了40%,从而大大降低了晶体管结电阻,同时也提升了稳健性。

在这些技术开发出来之后不久,就诞生出了 世界上第一款FETKY产品:它是将MOSFET和肖特基二极管集成到一个封装中去,从而极大地减小了DC-DC转换器产品的尺寸和功率损耗。

后来,在1999年又推出了一种 新的条纹平面技术:它利用先进的制造专业技术,实现了完全自对齐制造工艺;其最大特点就是它的高密度平面结构,该结构可以提供极低的导通电阻、卓越的高频工作特性、业界最佳的产品稳健性和出色的制造周期。同年,还推出了业界最高单元密度和最低导通电阻 RDS(on) 的 沟槽式MOSFET产品系列:该技术专注于为手机、笔记本电脑和其它各种便携式电子设备提供最新的产品,同时也为性能更好的产品上市铺平了道路。

2000年,又发布了首个超低开关损耗的 OptiMOS™ MOSFET产品系列,它可以帮助设计人员提升效率、增加功率密度。OptiMOS™系列经过多年的发展,现在已经进化到了第六代。OptiMOS™产品可提供极低的 R DS(on) ,并兼具出色的高频开关性能。OptiMOS™系列针对各种应用和电路进行了优化,例如服务器、台式机电脑、无线充电器、快速充电器中开关电源(SMPS)里的同步整流和OR-ing电路。此外,在2012年还推出了低RDS(on) 、高电流能力的StrongIRFET™系列MOSFET产品,它是那些既要求参数性能、又要求产品稳健性的低频应用的理想选择。

图1

英飞凌12-300 V功率MOSFET产品的

技术发展和产品系列

封装创新也是英飞凌MOSFET产品发展的核心。1993年,我们推出了业界第一个功率MOSFET的表贴封装形式:SOT-223。2002年,又推出了一种专利的表贴封装形式:DirectFET功率封装:它采用了一种全新的连接方法,在传导和热效率方面都有着革命性的性能提升。2013年,推出了如今已被广泛使用的TO-Leadless封装:与传统的D 2 PAK 封装相比,它可以在更小的封装尺寸内实现更高的电流能力。最近,英飞凌又推出了PQFN 3.3 x 3.3 源极底置(Source-Down)封装OptiMOS™功率MOSFET产品系列,其内部晶片上下倒置(源极在底部),从而极大地改善了热性能、降低了R DS(on)。

图2

StrongIRFET™和OptiMOS™产品系列中

节省空间的高性能封装

让我们仔细研究一下

封装创新可以为具体应用带来的好处

为提升系统性能的芯片级创新

这里所选的应用范例是人工智能。功率管理,更具体地说,系统中给处理器和ASIC供电的电源转换器的功率密度,是设计人员在实现人工智能以及满足云计算和云存储需求方面面临的最大挑战之一。

随着48V总线电压的引入,更多的电源转换环节被引入到了功率链中来。这种转换必须在有效负载附近进行,以避免传输损耗,从而更好地从48V这一更高的总线电压中受益。借助英飞凌的 混合开关电容(HSC)谐振DC-DC转换器方案,并利用英飞凌最新的 源级底置(Source-Down) OptiMOS™ 功率MOSFET器件,可以在系统级别实现功率转换的创新。这种全新的拓扑与当前主流转换方案相比,显示出了提升功率密度和效率水平的巨大潜力。结合英飞凌全新的 源极底置(Source-Down) MOSFET产品系列,此方案可以实现从底层、器件创新开始的,同时兼顾系统性能的整体优化。

让我们来看看这一点是如何做到的

要克服功率密度的挑战,

就需要器件级别的创新,

以及谐振拓扑的改进。

随着 英飞凌源极置底(Source-Down) 封装技术的推出,IQE006NE2LM5产品进一步增强了功率器件的电气和热性能,从而实现了现代数据中心应用所需的高功率密度。这种 创新封装的主要优势包括:

R DS(on) 和功率损耗I²R降低了30% 降低了封装相关的寄生参数,减小了品质因数(FOM),开关损耗也更低 降低了热阻 R thjc ,优化了封装内的热量分布 导热垫位于源极引脚之上,可优化布局,大的GND面积可以起到散热作用

为了比较性能优势

我们同时测试了两种

8:1混合开关电容(HSC)转换器

一种是基于传统的 漏极底置 (Drain-Down) 器件(BSZ011NE2LS5I),另一种是基于全新的 源极底置 (Source-Down) 器件(IQE006NE2LM5)

图2显示了器件的热性能对比。使用传统封装时,可以观察到 一个热点( 图3a);但是 当使用新的源极底置(Source-Down) 封装时可以消除这一热点( 图3b)。源极底置 (Source-Down) MOSFET的表面温度得到了显著改善:与漏极底置(Drain-Down)器件相比,表面温度低了9°C。 图4显示了效率对比(包括辅助电源损耗)。采用新型源极底置(Source-Down)器件的系统效率更高,功率密度也得以显著提升。

图3

(左:图3a ,右:图3b)

HSC转换器在48 V输入、450 W时的热性能:

a)使用BSZ011NE2LS5I,b)使用IQE006NE2LM5

图4

BSZ011NE2LS5I和IQE006NE2LM5

在T amb= 24°C且v = 3.3 m / s条件下,

HSC转换器在48 V转6 V时的效率

(包括辅助电源损耗)

当前影响人们日常生活的社会潮流趋势,

给设计工程师和半导体制造商

带来了严峻的挑战。

40多年来,

英飞凌 功率MOSFET的创新已经证明:

器件级的优化可以显著提升系统性能优势,

并可助力创造更轻松、更安全、更环保的未来。

了解 英飞凌创新低压MOSFET解决方案的最新信息

“英飞凌中国(InfineonChina)”

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