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【重磅报告】亟待开拓的半导体研究领域(二)

导读: 信息时代的关键推动者是无缝地感知和传达信息的无处不在的能力。信息的爆炸和物联网的出现正在使现有技术的能力变得越来越紧张。结果电磁频谱变得越来越拥挤,需要新的传感和通信解决方案来满足日益增长的信息需求。

这是SIA系列报告的第二篇,在昨天我们已经发布了《【重磅报告】亟待开拓的半导体研究领域(一),给大家分享了SIA对于材料、封装、内部连接和存储相关的分析与展望。今天我们将继续分享报告的其他部分:

(四)电源管理

基本上所有的系统都依赖于电力来运行。通过功率开关方式,转换目标(AC-2-DC,DC-2-DC等)、受控、调节和存储的革命性进步,创新的系统和应用得以驱动和启用。

这些操作的效率是最重要的特征之一。例如,我们需要这样的功率开关:接通时,接近零电阻,断开时,几乎无阻塞电压,并且可以在几乎零时间内以零损耗在这两个状态之间切换。在接下来的十年中,我们需要从低功率水平(例如,电池供电的个人设备)提升到非常高的功率水平(例如,太阳能转换,高功率传输和可再生能源电网的连接)的功率转换效率。将需要器件来覆盖从几伏特到几千伏特的电压范围,从几瓦到几千瓦的功率水平。尽管功率水平有所不同,但几乎所有这些应用的驱动力都是:超越当下可实现的更低成本的高功率密度的要求。

未来十年需要解决的主要挑战是:

1、功率密度、转换效率、故障率、转换成本和重量等功率转换指标的显著改善,同时减少对环境的影响(例如,减少每千瓦所需铝、铜和铁的量)。

2、整个系统的持续动态性能改进使其拥有更好的容错性和鲁棒性,将开关速度提高10-50倍以上,并降低系统尺寸和成本。

3、高性能先进的封装可驱动极低的电感和较低的热阻,同时具备出色的热循环可靠性。

4、更复杂和连接更广的电力系统分析和设计。

要实现转换效率、线性度等方面的突破,需要显著改进材料、器件(例如Si/GaN/SiC/GaAs晶体管,无源元件和磁性元件)和电路拓扑(例如功率 设备驱动程序)方面的性能,电力调节和电力存储方面也需要进步,例如对更有效的电池充电。新的减热和除热方法也很重要。最后,为了显著提高功率密度,需要片上/封装内集成的新技术。

所需的重点研究领域是:

1、改进半导体以及无源器件(电容器,磁性材料)、材料和器件架构,以获得极低的RDS(on)、高耐压、高开关速度的器件,使之可在极高的工作温度下可靠,高效地工作。

2、转换器拓扑创新,如多单元架构、谐振拓扑和用于分析和优化的CAD工具。此外,新型的主动控制拓扑可以提高系统容错能力。

3、具有低电感和对不同半导体材料的兼容性的高效率高可靠性封装。

4、复杂电力系统的系统化分析和虚拟原型设计:包括半导体、封装和印刷电路板在内的整个系统的更全面的电磁干扰(EMI)和可靠性建模。

潜在研究课题

转换器拓扑:典型的转换器拓扑,如降压、升压和升降压,具有良好的性能指标,已被广泛使用数十年。随着过去十年改进的功率晶体管的发展,现在出现了探索更复杂的转换器拓扑的机会。改进的转换器拓扑结构可以显著提高功率密度和EMI。这反过来将支持提高功率输送效率、实现更高功率的系统,并提高整体系统的易用性。例如,对于移动电池充电器,解决体积和热量的问题是至关重要的:随着电池尺寸的增长和电池充电电流的增加,手机充电时间的限制因素在于,通过电源转换技术支持更高的充电电流的能力。新的拓扑结构提供了改善充电时间的机会,而不会违反超出的尺寸、体积和热限制。在低压系统的拓扑类别中,有两个主要的建议:

开关电容转换器:高密度开关电容转换器的开发已经表明了我们能够显著提高功率密度和转换效率。开关电容转换的剩余挑战是互连和转换比。

(1)通过互连,将功率晶体管连接到多个分散电容器的能力限制了所采用的开关电容转换器的数量、类型和复杂性。改进的开关电容拓扑结合高密度电容器的片上或单片集成,使得以前被认为极其复杂的拓扑结构变得更加实际。

(2)合理利用转换比。开关电容转换器在固定转换比下可提供非常高的效率。在实际应用中,在宽输入和输入电压范围内工作的能力是必须的。一个越来越有趣的研究领域是结合谐振技术,实现宽转换范围的开关电容转换器。为了克服限制,这些技术具体采用非常小的电感器作为对传统开关电容器转换器的补充,其通常小于10 nH。

(3)谐振变换器:共振转换器具有完善的拓扑结构,通过消除在每个开关周期内发生的损耗(通常称为开关损耗)来增加价值通常称为开关损耗。这些损耗限制了转换器的工作频率,也限制了可实现的功率密度。谐振转换器的主要挑战在于如何在广泛的工作条件下实现出色的性能。需要研究用于低电压系统的谐振转换器,使之可在宽Vin,Vout和负载电流范围内保持高效率。这些拓扑不应该增加系统的复杂性,才可以保持所需的功率密度改进。

(4)无源元件集成:诸如电容器、电阻器和电感器的无源元件是任何电源转换系统的基础和关键部分。通常,两个最关键的无源元件是电感器和电容器。在许多情况下,无源器件使用的被动局面实际上是由于其尺寸,损耗和成本而限制了系统可实现的性能。需要进行重大研究,以改善无源组件以及整体系统性能。

(5)电容器集成:集成电容器可以大大提高电源管理系统的性能。尽可能地靠近开关装置,定位电容器有助于改善易用性,实现更高的效率和更高的功率密度。集成在硅中的高密度电容器可用于自启动电容器、输入电容器、输出电容器和去耦电容器。这些可能应用中的每一个的性能优点具体来说不太相同,但是总体来说,它们实现整体上更高效和更高密度的系统。不仅需要研究电容密度的提高(例如新材料),还要考虑可制造性,包括制造成本。

(6)电感器集成:功率电感器在许多开关电源设计中是必需的。电感器提供大信号转换器波形的滤波,并提高效率和可控性。与电容器类似,尽管工艺技术取得了重大进展,但是系统性能的限制因素通常在于磁性材料。尽管在将磁性材料集成到硅中的工作上尽了很大的努力,但商业成功很有限。而在进入商业应用的障碍则是性能和成本。

(7)与性能相关的挑战通常集中在材料上。为了构建高品质的电感器,需要厚料(铜,磁性材料等)。但是沉积的材料越厚,电阻越低,饱和电流就越高。所以需要研究新的磁性材料,新的电感器结构和新的沉积/蚀刻技术,使集成电感器在性能(效率、电流水平)和成本方面更为实用。

(8)多芯片模块(MCM)技术:共同包装不同芯片的需求变得越来越重要。这样做提供了为主要目的优化单个die的自由度,同时实现了改进的功率密度,系统解决方案成本和易用性。通过使用GaN和SiC,这种需要变得更加必要。需要在模块材料,多芯片封装建模,热效应和性能,以及仿真工具来模拟多芯片模块这些方面的研究。

(9)功率器件技术:功率转换器性能基本上由开关晶体管的性能决定。这些晶体管通常具有几个帮助设计人员快速评估该技术的质量的品质因素(FOMs)。第一个是给定击穿电压(BVdss)的Rsp。Rsp是用于确定由FET的单位面积引起的电阻。Rsp越低,器件越好(相同电阻的die面积越小)。第二种是一组开关品质因素,它们决定了为功率器件的电容元件充电/放电需要提供的能量。这些基于电荷的品质因素越低,整体性能越好。

虽然硅一直是用于功率器件的主要半导体材料,但是已经越来越多地使用宽带隙半导体,例如用于高电压,高功率器件的GaN和SiC,以及越来越多地使用高迁移率半导体像用于低电压电源转换器的GaAs。这些器件提供了显着改进的Rsp和开关品质因素,这进而实现更高的开关频率和降低的功率损耗。

为了增加在电力管理领域对这些新材料的接受度,在未来十年中需要研究,设备/过程的建模,基本设备运行和可靠性方面的协议,改进增长技术,减少缺陷率,改进和缩小制造到200毫米甚至300毫米,以帮助提高成本效益指标。

使用这些材料创新新设备架构至关重要,以继续改进关键设备品质因素。除了GaN,SiC和GaAs之外,还有其他材料具有更宽的带隙,例如AlN和金刚石,这可以帮助实现更高水平的性能。设备和制造技术以及对这种新材料的可靠性理解也应是未来十年的研究课题。

另外,随着功率器件的改进,将需要开发与Si和非Si材料兼容的新型封装技术,以利用其改进的性能。

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