È ancora possibile l’innovazione nei transistori di potenza in Silicio?

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L’esempio della tecnologia super-giunzione MDmesh di STMicroelectronics

Filippo Di Giovanni – Strategic Marketing, Innovation and Key Programs Manager – Power Transistor Macro Division STMicroelectronics, Italy

Sin da quando i transistori a stato solido hanno sostituito i tubi a vuoto, l’industria dei semiconduttori ha realizzato dei progressi notevoli che hanno cambiato il nostro modo di vivere. Senza tali innovazioni, non ci sarebbe possibile lavorare a distanza o rimanere connessi anche durante i confinamenti che si sono resi necessari nel periodo della pandemia.

Come esempio basti considerare l’aumento vertiginoso della capacità di calcolo dei microprocessori resa possibile dal numero crescente di transistori impacchettati in una singola piastrina di silicio (chip). La famosa legge empirica di Moore, secondo la quale la densità di integrazione raddoppia circa ogni 18 mesi, ha spinto i progettisti a sviluppare generazioni successive di microprocessori per più di 50 anni. Come risultato della rapidità di innovazione, si stanno raggiungendo i limiti fisici delle dimensioni atomiche che impongono nuove tecniche di progettazione 3D (tridimensionale).

Oggi ci troviamo nel bel mezzo di un’altra rivoluzione che è legata all’introduzione dei materiali a semiconduttore a larga banda interdetta (wide band gap, WBG). Tali tecnologie, quali il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), presentano caratteristiche fisiche uniche che le rendono adatte a migliorare l’efficienza nei sistemi di conversione energetica, a massimizzare la densità di potenza e a garantire prestazioni notevoli anche in condizioni ambientali avverse, per esempio a temperature molto elevate.

STMicroelectronics produce già, in alti volumi, dispositivi della serie STPOWER SiC MOSFET che equipaggiano i nuovi veicoli elettrici (EV) favorendone l’introduzione su larga scala e abilitando di fatto una mobilità sostenibile e nuovi sistemi a guida autonoma.

Un altro tipo di rivoluzione, stavolta nel campo dei transistori di potenza di alta tensione (cioè, superiore a 200 V), ebbe luogo alla fine degli anni 90 quando furono introdotti i MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) a super-giunzione. Prima di allora i progettisti dovevano accettare l’”assioma” secondo cui in un transistore MOSFET planare la figura di merito, definita come prodotto della resistenza in conduzione (Ron) per l’area del chip, è proporzionale alla tensione di rottura (breakdown) elevata alla potenza di 2,5. Tale legge, come conseguenza, implicava la necessità di allargare le dimensioni del chip per poter arrivare a valori di tensioni elevate, limitando di fatto l’uso di package di piccole e medie dimensioni largamente utilizzati nelle applicazioni di elettronica di potenza. Per fortuna venne in soccorso dei progettisti di MOSFET di potenza una nuova tecnologia che rendeva la relazione suddetta di tipo lineare. Chiamata MDmesh, è stata inglobata di recente nel “sub-brand” STPOWER.

Principio di funzionamento dei transistori a super-giunzione

Il meccanismo che sottende il funzionamento di un MDmesh può essere compreso ricorrendo ad una delle equazioni di Maxwell per il caso semplice monodimensionale, per esempio lungo l’asse y. Tale equazione dice semplicemente che la pendenza del campo elettrico lungo l’asse y è uguale alla densità di carica r diviso la costante dielettrica e. Matematicamente possiamo scrivere pertanto dE/dy=r/e. L’altra equazione mette in relazione la tensione V con la componente del campo elettrico E lungo y, quindi E=-dV/dy. In altre parole, la tensione V è l’integrale di E o, geometricamente parlando, l’area sottesa dalla curva E in funzione di y. Possiamo adesso capire come funziona la nuova tecnologia raffrontandola alla struttura verticale di un MOSFET planare standard. La super-giunzione è essenzialmente un’estensione della zona di p-body del transistore di base all’interno del drain per mezzo della realizzazione di colonne di tipo p.

In una struttura planare (Fig.1, diagramma di sinistra e grafico), partendo dalla superficie e percorrendo l’asse y, incontriamo dapprima il p-body, quindi la pendenza è positiva fino a quando si raggiunge il punto A. Da A a B si incontra il drain con polarità inversa, pertanto la pendenza diventa negativa. Da B fino al substrato la polarità è “più negativa” essendo il materiale di tipo n- per cui in assoluto la pendenza aumenta. L’area in verde nel diagramma rappresenta la tensione che il MOSFET è chiamato a tenere all’OFF, come detto prima. Nel diagramma corrispondente alla super-giunzione si vede invece che l’introduzione della colonna di tipo p cambia l’andamento del campo elettrico. Infatti, da C ad A il campo elettrico si mantiene costante (il body e la colonna sono entrambi di tipo p) poi la pendenza cambia segno a causa del drain e del substrato. Conseguentemente, l’area sottesa da E è maggiore così come lo è la tensione V2 rispetto a V1. Ecco come l’introduzione della colonna p riesce a far aumentare la tensione che il transistore può reggere. Possiamo anche dire che, per data tensione, è possibile ridurre la resistività di drain e quindi abbassare la resistenza in conduzione (Ron).

Fig. 1 Planar vs. super junction MOSFET with p pillar

MOSFET planare (sinistra) e super-giunzione MDmesh (destra)

Evoluzione della Tecnologia

Sin dal loro avvento, i transistori MDmesh sono stati continuamente migliorati e ottimizzati cosa che ha avvantaggiato diverse applicazioni nel campo dell’Elettronica di Potenza. Inoltre, i processi tecnologici necessari a produrre le colonne verticali sono stati costantemente rivisti per migliorare le rese di produzione ed aumentare la robustezza dei dispositivi realizzati. In funzione delle varie tipologie circuitali la tecnologia MDmesh ha reso possibile l’introduzione di famiglie di prodotti dedicati e ottimizzati il che dà al progettista di sistemi ampia libertà nello scegliere la versione che meglio si adatta ai requisiti dell’applicazione in gioco. Ad esempio, la famiglia MDmesh M2 presenta il miglior rapporto costo/prestazioni nel range di tensione da 400V a 650V con varianti che separatamente si rivolgono a topologie PFC (power factor correction), convertitore risonante LLC “soft-switching” nonché a configurazioni circuitali a ponte e con tensioni che arrivano fino a 1700 V.

La stessa tecnologia si può anche abbinare alle tecniche di controllo della vita media dei portatori minoritari (minority carrier lifetime) mediante impianto di ioni platino con lo scopo di ridurre il tempo di recupero trr e della carica associata, Qrr, del diodo intrinseco e di migliorare la dV/dt (serie MDmesh DM). Tali caratteristiche rendono la tecnologia ideale nelle topologie di alta potenza a ponte e a “phase-shift”. Una versione con diodo veloce di questo tipo può anche competere con IGBT (insulated-gate bipolar transistor) in controllo motore di bassa potenza grazie all’eliminazione del diodo esterno antiparallelo che invece accompagna gli IGBT. Nella Fig.2 è riportato, in termini di curve di efficienza, un esempio di convertitore DC-AC da 150 W per un compressore da frigorifero.

Fig. 2 Curve di efficienza di un convertitore DC-AC per compressore frigorifero per un MDmesh con diodo intrinseco veloce e per un IGBT con diodo di ricircolo assemblati nel package del tipo DPAK. Condizioni di prova: 0.23 Nm (carico)，220V/50Hz (tensione d’ingresso)

Dato il vasto campo di applicazioni a cui si rivolgono, non sorprende che i transistori MDmesh siano stati prodotti in quantità dell’ordine dei miliardi di unità!

In Fig.3 si possono apprezzare gli ottimi risultati raggiunti dai progettisti nell’ultima serie di prodotto MDmesh M6 rispetto alle versioni precedenti MDmesh M2 nei convertitori risonanti.

Fig.3 Da M2 a M6: miglioramento della gate charge, della tensione di soglia e della capacità di uscita

Nei grafici di Fig. 3, da sinistra verso destra, si può vedere come una gate charge più bassa, una tensione di soglia superiore e una capacità di uscita lineare in funzione della tensione possano dar luogo a frequenze di commutazioni più elevate, ridotte perdite in commutazione e più alte efficienze a carichi bassi.

Infatti, le tecnologie MDmesh, accoppiate a step di processo avanzati, hanno permesso di produrre MOSFET con miglioramenti significativi in parametri chiave quali dI/dt e dV/dt, come appare evidente nel diagramma relativo all’area di sicurezza (safe operating area, SOA) riportato in Fig.4. In virtù di tali miglioramenti, la serie di prodotto MDmesh DM6 risulta perfetta negli inverter fotovoltaici, colonnine di ricarica per veicoli elettrici (EV) e caricatori a bordo degli stessi EV (on board charger, OBC), per citare alcune applicazioni.

Fig.4 Aree di sicurezza (SOA): dI/dt vs. dV/dt

Campi di applicazione

Passiamo adesso al vaglio alcune delle applicazioni degli MDmesh di STMicroelectronics che ci permettano di apprezzarne i meriti sebbene ciò ci obbliga a presentarne solo una parte rappresentativa.

Tra le applicazioni di più alto volume troviamo i carica-batterie per smartphone di cui la Fig. 5 mostra una versione da 120W.

Fig. 5 MDmesh all’interno di carica-batteria per smartphone

La Fig. 6 mostra come la versione “ottimizzata” M5 riesca a migliorare l’efficienza in un PFC da 1,5 kW ad alta potenza rispetto alla serie MDmesh M2. I due MOSFET hanno la stessa resistenza Ron (37 mOhm e 39 mOhm, rispettivamente, per M5 e M2) con medesima tenuta in tensione (650V).

Fig. 6 La serie M5 (in blue) migliora l’efficienza in un PFC ad alta potenza

Un altro interessante esempio è mostrato in Fig. 7 ed è relativo a un ponte completo LLC da 3kW per un OBC per auto elettrica. In questo caso è stato fatto un raffronto tra un dispositivo della serie MDmesh DM6 (STWA75N65DM6) con il corrispettivo della concorrenza alle seguenti condizioni: Vin=380V-420V, Vout=48V, frequenza di lavoro f=250Hz-140kHz.

Fig. 7 Circuito LLC a ponte completo da 3kW: EOFF and variazione di efficienza vs. Pout

La Fig. 8 riporta invece la ripartizione delle perdite da cui si evince che il fattore chiave per raggiungere il più basso livello di perdite consiste nell’avere il giusto rapporto tra quelle in fase di conduzione e di quelle in commutazione.

Fig.8 Analisi delle diverse perdite di potenza in un convertitore LLC a ponte completo da 3kW

Anche le tecnologie 5G trarranno beneficio dall’innovazione dell’MDmesh. Per via dell’elevato livello di densità di celle di cui tale sistema di trasmissione wireless è composto e delle potenze decrescenti delle stazioni-base (da microcelle a picocelle) i MOSFET MDmesh rappresentano la giusta risposta alle specifiche degli alimentatori che equipaggiano i ripetitori della rete 5G grazie all’aumento di efficienza, alla capacità di produzione dei dispositivi MDmesh e, non ultimo, alle loro prestazioni e al grado di competitività che assicurano.

Affinché i sistemi 5G possano funzionare al di sopra del 98% di efficienza, è necessario che gli stadi PFC e di conversione DC-DC esibiscano efficienze attorno al 99%, singolarmente. Una possibile soluzione per il PFC è quella di un totem-pole a 3 canali interallacciato (“interleaved”) e “bridgeless” funzionante in modalità TCM (triangular current mode) con controllo digitale a micro. Il Sistema TCM fa sì che il convertitore commuti a tensione zero (zero-voltage switching) per ridurre le perdite in commutazione significativamente. Come risultato, si ottiene una curva di efficienza piatta e dei buoni valori della stessa efficienza a basso carico oltre alla riduzione delle dimensioni e ingombri degli induttori, dei filtri EMI e del condensatore di uscita.

E’ il caso di dire che i transistori della famiglia MDmesh renderanno più agevole l’installazione delle stazioni-base della rete 5G.

“Diffusion soldering” e package

Un altro esempio di innovazione che verrà aggiunta agli MDmesh di prossima generazione è il cosiddetto diffusion soldering. In un processo di saldatura tra chip e basetta, in gergo “lead frame”) standard (soft soldering), la creazione di una fase intermetallica (IMP) è lo step di base per la formazione di legami. Esso consiste in strati intermetallici all’interfaccia e in materiale saldante tra gli strati. Analisi dei meccanismi di fallimento in giunti soft-solder dopo ciclatura termica evidenziano la presenza di “crepe” all’interno del volume di saldante prima della reazione chimica.

Lo strato di materiale saldante contiene vuoti o micro-cavità di diverse dimensioni che non solo concorrono a deteriorare il contatto termico tra il chip e la lead frame ma possono anche generare punti caldi (hot spots) con elevatissime temperature locali. Un altro effetto da tener presente è la dipendenza di alcuni parametri del MOSFET dalla temperatura T, in particolare della Ron che cresce al crescere di T e della tensione di soglia che aumenta all’aumentare di T. Mentre il primo meccanismo ha un effetto stabilizzante, il secondo può essere dannoso, specialmente durante la transizione ON-OFF del transistore.

Per ovviare a tali inconvenienti, si è messo a punto un nuovo processo definito “Isothermal Diffusion Soldering” che associa i pregi della saldatura standard a quella del diffusion bonding.

Ciò è ottenuto essenzialmente facendo reagire un materiale a basso punto di fusione (esempio, pasta saldante in Sn-Cu) ed un altro con elevato punto di fusione (esempio, Cu del substrato) attraverso la crescita di IMP alle interfacce.

A differenza della saldatura standard, il giunto viene formato per mezzo di solidificazione isoterma durante il processo di saldatura stessa e non dopo raffreddamento. Il vantaggio della formazione di fasi con alto punto di fusione implica migliore robustezza meccanica. E con le temperature di giunzione che adesso raggiungono i 200°C nei package di potenza, la tecnologia diffusion soldering migliora l’adesione tra chip e substrato facendo in modo che le temperature di lavoro non superino quelle relative al processo di giunzione che porterebbero a fallimenti prematuri.

È importante sottolineare che con le migliori prestazioni termiche raggiungibili, il diffusion soldering rimuove alcuni svantaggi del soft solder, ma allo stesso tempo migliora le prestazioni elettriche dei dispositivi. In definitiva, il diffusion soldering si sposa perfettamente con i nuovi package come il TO-LL (TO lead-less) che tra quelli a montaggio superficiale (SMD) presenta il miglio rapporto tra la superficie occupata su scheda e resistenza termica. Presentando anche un terminale Kelvin, rende lo spegnimento del transistore più efficiente e quindi permette l’utilizzo di topologie hard-switch con le serie M6 o DM6 discusse sopra.

Fig.9 TO-LL e package SMD

Per completare la panoramica sui package, è d’obbligo menzionare il modulo “discreto” ACEPACK SMIT (Surface Mounted Isolated Top-side cooling), si veda la Fig.9. Tale package plastico e con lead frame viene realizzato con uno substrato DBC (Direct Bonded Copper) che gli permette di alloggiare chip separati per realizzare differenti topologie. L’ACEPACK SMIT presenta una bassissima resistenza termica, 0.2 °C/W, ed il retro in materiale ceramico garantisce una tensione di isolamento minima di 3400VRMS rispettando le norme UL.

Fig. 10 ACEPACK SMIT

Fig.11 L’ACEPACK SMIT permette la realizzazione di diverse configurazioni circuitali

Future generazioni

Anche dopo 20 anni, la tecnologia STPOWER MDmesh continua il suo percorso evolutivo e, insieme con le recenti ed innovative tecnologie WBG, permette di offrire una gamma di soluzioni tra le più ampie del mercato. La Fig. 12 illustra la Ron specifica in funzione della tensione di breakdown relativa alle successive versioni di MDmesh rapportate alla tecnologia standard e al suo valore fisico limite con M9 e K6 in piena produzione. Per chiarezza, K5 and K6 sono le versioni a tensioni più elevate (da 800V a 1700).

Fig. 12 Evoluzione della Ron specifica dell’MDmesh

Allo scopo di quantificare gli sforzi che si sono resi necessari neIl’introdurre le varie generazioni di MDmesh per incontrare i requisiti applicativi, basti dare uno sguardo alla Fig. 13 le cui immagini rappresentano la sequenza di strutture che si sono succedute negli anni fino alla prossima realizzazione del Trench.

E poi cosa accadrà? Dopo l’MD6, ci si concentrerà nell’associare i benefici della struttura Trench alla super-giunzione. Ciò rappresenterà un altro passo in avanti importante per la tecnologia MDmesh e permetterà altresì di applicare le migliorie alle future iterazioni di SiC. Ciò significa, con i dovuti adattamenti, la possibilità di apportare importanti miglioramenti alle nuove tecnologie di potenza dopo averle “debuggate” su tecnologie di silicio esistenti. I semiconduttori non smetteranno mai di sorprenderci!

Fig. 13 Tabella di marcia dell’MDmesh: verso il Trench

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