Onsemi встраивает гетерогенную матрицу в кремниевые пластины с помощью перераспределительных слоев, заменяя проволочные соединения и медные изолирующие подложки с прямым соединением.
Компания Onsemi недавно выпустила свою встроенную платформу питания – технологию упаковки с использованием кремния, которая позволяет встраивать несколько разнородных матриц (например, SiC, vGaN, Si, Treo, 65-нм медные изолирующие подложки с прямым соединением, привод и т.д.) в 12-дюймовую кремниевую пластину и соединять их с помощью перераспределительных слоев на уровне пластины (RDL) (рис. 1).
«Будучи компанией, занимающейся изготовлением полупроводников, мы зарабатываем на жизнь производством кремниевых пластин и применяем это в области разработки мощных устройств», - сказала Эллисон Фэйрчайлд, руководитель стратегического проекта onsemi, в интервью для прессы, посвященном новому релизу.
Примечательно, что встроенная платформа питания не соединяет несколько пластин вместе:
«Это все обработка кремния», - отметила Фэйрчайлд. «Здесь нет соединения, подобного гибридному соединению или чему-то подобному. Мы не берем несколько пластин и не соединяем их вместе. Это одна пластина, внутри которой находится матрица, а вокруг нее продолжается обработка для создания гальванизации на уровне пластины, которая соединяется с внешним миром».
Рис. 1: 12-дюймовая кремниевая пластина, содержащая несколько модулей встраиваемых пластин питания от onsemi
Технология встраиваемых пластин питания рассчитана на полный спектр мощности
По словам представителей onsemi, технология ориентирована на весь диапазон мощностей – от низковольтных графических процессоров до мощных тяговых инверторов. Что касается высокомощных модулей, то встраиваемая пластина питания стремится заменить медные изолирующие подложки с прямым соединением (DBC), проволочные соединения и формовочный компаунд в силовых модулях. По данным Фэйрчайлд, теплопроводность кремния (от 130 до 150 Вт/м•К) обеспечивает меньшее тепловое сопротивление по сравнению с формовочным компаундом, в то время как точность RDL снижает паразитную индуктивность. «Это позволяет нам уменьшать размеры, делать их более точными и предсказуемыми», - сообщила она. Она подробно рассказала о методе: «Это обычные переходные отверстия, которые соединяются в верхней части матрицы».
Силовые модули
Для применения в системах повышенной мощности промышленным стандартом являются многокристальные силовые модули DBC или AMB с активной металлической пайкой на керамической подложке. В них силовая матрица SiC, Si или GaN размещается рядом с приводной матрицей на общей керамической подложке, соединенной проволочными соединениями или другими внешними соединительными элементами – смесительные типы матриц установлены на общем держателе. Конечно, это не интеграция на уровне SiP, поскольку каждый кристалл остается отдельно размещенным и подключенным, а не встроенным в пакет.
DBC – это основной метод создания межсоединений на изолирующей подложке, который обеспечивает электрическую изоляцию между проводящими компонентами с использованием изолирующего керамического сердечника, расположенного между проводящими слоями меди.
Стандартные сердечники DBC содержат либо оксид алюминия (Al2O3) с теплопроводностью от 25 до 35 Вт/м•К, либо нитрид алюминия (AlN) с теплопроводностью от 150 до 320 Вт/м•К. В AMB также используется нитрид кремния (Si3N4) с теплопроводностью от 80 до 90 Вт/м•К; эта подложка используется для модулей повышенной мощности, например, SiC напряжением 3,3 кВ, в основном из-за ее устойчивости к тепловым ударам и вязкости разрушения.
Фэйрчайлд обратилась к технологиям DBC и AMB, заявив, что они, как правило, оптимизируются за пределами производства пластин, и отметив общий тепловой компромисс: «Это громоздкий материал, который является отличным электрическим изолятором, но не так хорош с точки зрения теплоизоляции».
Фэйрчайлд также отметила, что изолятором служит не сам кремний, а отдельный диэлектрик, добавляемый в процессе обработки: «С помощью встраиваемых пластин питания мы интегрируем нашу собственную изоляцию в сам кремний, как часть обычного производственного процесса, и эта изоляция отличается высокой производительностью и качеством, она менее пористая, чем те, которые используются в производстве. На более поздних этапах процесса сборки вы могли бы использовать традиционные модули, что позволяет добиться лучшей теплопроводности при сохранении желаемой изоляции». Пористость и плотность изоляционного материала являются ключевыми факторами для максимальной теплопроводности, обеспечивая непрерывный путь теплопередачи (рис. 2).
Рис. 2: Отдельный модуль встраиваемой пластины питания от onsemi, показывающий слой перераспределения на уровне пластины, соединяющий встроенную матрицу внутри упаковки
Другие встраиваемые решения, представленные на рынке
Встраиваемые печатные платы
Решения для встраиваемых печатных плат от различных производителей (например, Fraunhofer IZM, Toshiba, Schweizer Electronic AG, GaNPX и др.) интегрируют силовые полупроводниковые устройства в печатную плату, используя технологии «чип на подложке», «чип в полости» или двухстороннюю микросхему microvia для уменьшения размеров преобразователя и сокращения токовых контуров. При таком подходе печатная плата изготавливается вокруг полупроводниковой матрицы, часто с использованием ламината/материала для встраивания типа FR4 (~0,4-3,2 Вт/м•К), где просверленные лазером микроповреждения заменяют проволочные соединения и наносятся непосредственно на металлизацию верхней стороны матрицы для формирования электрического соединения.
Хотя эти упаковочные решения, как правило, состоят из нескольких матриц, некоторые из них не являются гетерогенными, без различных переключателей питания, драйверов затворов и управляющих микросхем, встроенных друг в друга; кроме того, низкая теплопроводность ламинированного материала может ограничить рассеивание тепла.
Совместная упаковка/SiP
Как правило, силовые матрицы SiP включают в себя некоторую форму соединения проводов для совместной упаковки различных матриц, что может привести к возникновению паразитной индуктивности, термической/механической усталости и дополнительным ограничениям по высоте. Для многих применений это приемлемо, поскольку частота переключения может быть недостаточно высокой, чтобы паразитные устройства могли существенно повлиять на производительность. Собственные интеллектуальные силовые модули onsemi на основе БТИЗ/SiC содержат как управляющие микросхемы, так и силовую матрицу, которые заливаются в эпоксидную форму с помощью соединения проводов, часто с открытой термопрокладкой или опорной плитой в стиле DBC.
Некоторые подходы к упаковке на уровне разветвленных пластин (FO-WLP), такие как встраиваемая пластина на уровне шариковой решетки (eWLB), направлены на устранение проволочных соединений; однако они, как правило, не подходят для применения в системах с высокой мощностью, поскольку в них матрица изготавливается из эпоксидного компаунда, а не из кремния, что может стать узким местом из-за тепла.
Стандартный подход к упаковке на уровне разветвленных пластин размещает соединения ввода-вывода только на поверхности матрицы, что ограничивает ввод-вывод. Разветвление устраняет эту проблему, распространяя соединение на пространство вокруг матрицы; однако это окружающее пространство обычно заполняется формовочным составом для экономичности и гибкости производства (смола, которая течет и отверждается, принимая форму того, во что она помещена). Технология встравиваемых пластин питания потенциально может использовать ту же логику разветвления, но она заменяет формовочный компаунд кремниевыми пластинами, устраняя тепловой предел формовочного компаунда, который является препятствием для применения в более мощных установках.
Однако кремний является относительно жестким кристаллом, поэтому для встраивания в него матрицы, вероятно, требуется какая-то форма точно подобранной полости или процесса вставки, хотя это предположение. Фэйрчайлд отказалась подробно описать точный механизм, когда ее спросили напрямую, ответив только: «Что-то в этом роде», поэтому эти детали остаются конфиденциальными.
Преимущества применения и первоначальное взаимодействие
Фэйрчайлд рассказала о возможностях разработки: «В рамках одного модуля мы можем рассматривать такие вещи, как параллельное использование нескольких матриц, чтобы сократить время ожидания. Мы можем сконфигурировать архитектуру как полумост, добавить контроллер, драйвер вентиля... адаптировать к различным устройствам, изменять типы силовых элементов и адаптироваться к различным уровням мощности».
Она отметила, что встроенная изоляция снижает зависимость от других термически неэффективных материалов, таких как DBC или AMB. Фэйрчайлд отметила, что улучшенные электрические характеристики благодаря более контролируемым электрическим цепям позволяют улучшить управление устройством и повысить частоту переключения, что повышает эффективность и обеспечивает большую дальность действия.
По ее словам, для устройств для центров обработки данных эти преимущества проявляются в решениях меньшего форм-фактора: «Если вы рассматриваете матрицу на плате с охлаждающей пластиной сверху, как в устройствах для центров обработки данных для искусственного интеллекта, вы можете отводить тепло из всего пространства, занимаемого встраиваемой пластиной питания». Фэйрчайлд продолжила: «По сравнению с существующим продуктом – одним из примеров, над которым мы работаем в центре обработки данных для искусственного интеллекта, – конструкция встраиваемой платформы питания на 30% меньше, чем у моделей, представленных на рынке сегодня, с традиционными габаритами, но имеет большую площадь поверхности для теплопроводности, даже при меньших габаритах упаковки».
Фэйрчайлд не уточнила, с каким пакетом сравнивалась технология, хотя в другом месте разговора она назвала QDPAK в качестве примера традиционного пакета для центров обработки данных для искусственного интеллекта с такими же тепловыми ограничениями, указав на его состав и накладные расходы, которые уменьшают полезную площадь платы для теплопроводности.
Примечательно, что в пресс-релизе onsemi приводится аналогичный пример с другими цифрами: в ранней разработке твердотельного выключателя на основе встроенной платформы питания решение было на 50% меньше и на 20% холоднее существующих конструкций.
Одним из ключевых преимуществ onsemi в отношении этой технологии является ее быстрое развитие:
«Мы используем преимущества совершенных наборов инструментов компаний, специализирующихся на выпуске интегральных схем, и высокую точность. Мы создали целую мультифизическую цифровую среду-двойник, в которой мы можем совместно оптимизировать и быстро выполнять итерации проектирования в программном обеспечении, гораздо больше, чем мы можем благодаря традиционным способам сборки оборудования мы сокращаем время разработки и даем заказчикам гораздо больше уверенности в том, что мы делаем», - сказала Фэйрчайлд.
Первоначальные проекты нацелены на архитектуру батарей напряжением 400 В и 800 В в электромобилях, а также на узлы напряжением 800 В и низкого напряжения в центрах обработки данных для искусственного интеллекта (например, для питания графических процессоров). Onsemi уже начала техническое сотрудничество с Subaru по проекту встраиваемых платформ питания: «Мы предоставляем им ранний доступ к инженерным образцам, имитационным моделям и нашему техническому опыту, а также будем поддерживать их деятельность по оценке», - рассказала Фэйрчайлд.
