GaNonCMOS– POL 集成的下一步

時(shí)間：2022-01-05 16:47:03

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[導(dǎo)讀]更小、更高效的電源轉(zhuǎn)換器是過(guò)去幾十年來(lái)的發(fā)展方向，而這個(gè)趨勢(shì)也將持續(xù)下去。這是通過(guò)使用新拓?fù)?、新型材料和新集成工藝?lái)達(dá)到的。歐盟2020 項(xiàng)目的重點(diǎn)是集成新型材料，所以也資助了 GaNonCMOS 項(xiàng)目。

更小、更高效的電源轉(zhuǎn)換器是過(guò)去幾十年來(lái)的發(fā)展方向，而這個(gè)趨勢(shì)也將持續(xù)下去。這是通過(guò)使用新拓?fù)?、新型材料和新集成工藝?lái)達(dá)到的。歐盟2020 項(xiàng)目的重點(diǎn)是集成新型材料，所以也資助了GaNonCMOS項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目標(biāo)是將GaN和 Si 在不同層級(jí)上進(jìn)行高密度集成（PCB、堆棧和芯片），開(kāi)發(fā)適用于高開(kāi)關(guān)頻率和 PCB 嵌入的新型軟磁材料。與一般的主流不同，該項(xiàng)目的興趣不是將GaN材料使用在常見(jiàn)的650V范圍內(nèi)，而是運(yùn)用在低于 100V 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換，也就是服務(wù)器應(yīng)用以及汽車和航空航天工業(yè)的低功率PoL轉(zhuǎn)換器。來(lái)自?shī)W地利、比利時(shí)、德國(guó)、荷蘭和愛(ài)爾蘭的 11 家行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者和研究機(jī)構(gòu)共同加入了這個(gè)項(xiàng)目。RECOM 集團(tuán)也參與了這些新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，并遵循公司的目標(biāo)在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域上帶來(lái)創(chuàng)新、集成 (3DPP) 和更可靠的解決方案。

嵌入式

該項(xiàng)目的重點(diǎn)之一是將組件嵌入到 PCB 中。使用這種技術(shù)可以在 PCB 核心中隱藏一個(gè)或多個(gè)組件。嵌入的主要限制是組件的厚度及在各種環(huán)境條件下的行為和表現(xiàn)。嵌入式組件可以是 IC、開(kāi)關(guān)或無(wú)源組件，使用何種組件取決于設(shè)計(jì)目標(biāo)。厚銅層與嵌入式組件的引腳連接可以形成明確的熱路徑。IC 和 MOSFET 可以放得很近以降低寄生電感和實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)速度。電阻和電容等小型無(wú)源器件可以嵌入同一個(gè)空腔中，只有較大的器件留在外面，例如磁性器件、輸入或輸出電容。由于采用 FR4 耐燃材料，電容較不受到來(lái)自開(kāi)關(guān)或 IC 熱壓力的影響。雖然 3D 結(jié)構(gòu)讓整個(gè)布局變得更加復(fù)雜，但它具有更小的開(kāi)關(guān)和控制回路的優(yōu)勢(shì)。其他重要的優(yōu)點(diǎn)包括較小的面積和防止逆向工程的保護(hù)。

另一種方法是降低 PCB 的厚度。例如，在降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中電感通常是最高的器件。如果需要非常扁平的設(shè)計(jì)，有可能無(wú)法找到合適的薄型電感，而這個(gè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了嵌入式磁性器件的想法。但是當(dāng)特定參數(shù)的芯片尺寸太大無(wú)法嵌入，要如何嵌入所需的電感？磁性片材為解決之道。具某些磁性特性且非常薄的材料（100-200 μm）可以切割成不同的形狀并放在 PCB 上。PCB的布線形成了繞線結(jié)構(gòu)。與緊湊但較高的片式電感相比，這種電感有較大的面積，而且已經(jīng)有好幾種采用這種技術(shù)的例子。減少空間的最佳方法是讓電感的面積與 PCB 上其他小器件的面積差不多一樣（請(qǐng)見(jiàn)圖 1）。下面的插圖描繪了內(nèi)層使用有繞組的環(huán)形磁芯形狀來(lái)形成環(huán)形電感（請(qǐng)見(jiàn)圖 2）。其他形狀和繞組結(jié)構(gòu)也可能可行，取決于可用空間、必要的耦合、電流容量等因素。圖 3 描繪了一個(gè)簡(jiǎn)單的 1:1 變壓器設(shè)計(jì)，磁性材料采用相同的環(huán)形磁芯形狀。嵌入式變壓器的優(yōu)點(diǎn)是增加了污染等級(jí)并降低了爬電距離和間隙要求。要滿足更高電感值和更高電流所需的面積明顯增加了。雖然磁片的嵌入過(guò)程已在更大的范圍上 (10x10 cm) 得到驗(yàn)證，但最理想的是較低電流的應(yīng)用，最高到2A。有些參數(shù)會(huì)造成影響，例如繞組數(shù)量會(huì)增加電感的直流電阻但降低整體效率。

材料及可靠性

在項(xiàng)目中測(cè)試了 10 多種不同的磁性片材以確定是否適合嵌入。就如片式電感一樣，片材也有不同的屬性。片材是在高壓下嵌入然后封裝在 PCB 中。為了評(píng)估電氣參數(shù)的穩(wěn)定性和機(jī)械一致性，根據(jù)汽車標(biāo)準(zhǔn)（AEC Q200）對(duì)大量樣品進(jìn)行了長(zhǎng)期可靠性測(cè)試，包括：溫度循環(huán)（2000 次）、溫濕度偏壓（85°C、85% RH 下 1000 小時(shí)）、高溫儲(chǔ)存（125°C下1000 小時(shí)）、低溫儲(chǔ)存（-55°C下1000小時(shí)），以及高度加速壓力測(cè)試（130°C、85% RH 下 96 小時(shí)）。只有少數(shù)材料不但通過(guò)了這些測(cè)試也沒(méi)有改變參數(shù)或造成 PCB分層。這些知識(shí)有助于運(yùn)用這個(gè)技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段避開(kāi)風(fēng)險(xiǎn)材料因?yàn)橛行┎牧蠒?huì)在嵌入過(guò)程中破裂。

大多數(shù)片材適用于 1MHz 至 5MHz 之間的開(kāi)關(guān)頻率。除了對(duì)磁性片材進(jìn)行測(cè)試以外，該項(xiàng)目還開(kāi)發(fā)適合20MHz左右開(kāi)關(guān)頻率的新型磁性材料。在幾項(xiàng)試驗(yàn)的過(guò)程中也成功產(chǎn)出了一種可以嵌入的新型化合物。

芯片級(jí)集成

正如項(xiàng)目名稱所示，目標(biāo)之一是將GaN器件（開(kāi)關(guān)）與 CMOS 驅(qū)動(dòng)器集成在一起。為了符合集成過(guò)程的電氣和物理要求，GaN和 Si 器件均在開(kāi)發(fā)過(guò)程中歷經(jīng)多次迭代的自行開(kāi)發(fā)和制造。新開(kāi)發(fā)的工藝稱為晶圓直接鍵合 (IBM)，能在切割之前鍵合兩個(gè)晶圓。這個(gè)復(fù)雜的過(guò)程仍在測(cè)試階段，但當(dāng)預(yù)期的障礙被克服后，這將是芯片集成的另一個(gè)里程碑，因?yàn)橐粋€(gè)器件結(jié)合了兩種半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn)達(dá)到了兩全其美。實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)器和開(kāi)關(guān)之間沒(méi)有寄生電感的話可以在數(shù)百 MHz 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)極高的開(kāi)關(guān)頻率，結(jié)果是無(wú)源組件（磁性組件和電容器）的尺寸必須夠小，進(jìn)而大幅降低功率轉(zhuǎn)換的體積。