Зеленые транзисторы

Когда слышишь ?зеленые транзисторы?, первое, что приходит в голову — это что-то про экологию, ?чистую? энергию, может, даже про корпуса из переработанного пластика. У нас в цеху часто улыбаются этой формулировке. Потому что по сути, если отбросить маркетинг, речь почти всегда идет о снижении потерь в ключевом режиме, об эффективности преобразования. Но загвоздка в том, что ?зеленым? могут назвать что угодно — от MOSFET с улучшенным Rds(on) до какого-нибудь гибридного модуля. И вот здесь начинается практическая каша, в которой мы, технологи, и варимся.

Что скрывается за ?зеленым? параметром?

Возьмем, к примеру, силовые MOSFET. Основной вектор — снижение сопротивления в открытом состоянии. Казалось бы, все просто: меньше Rds(on) — меньше потери на проводимость — выше КПД системы. Но на практике при переходе на более ?зеленые? поколения кристаллов мы сталкиваемся с ростом заряда затвора Qg. А это уже динамические потери, сложности с драйвером, риск перегрева в ключевом режиме на высоких частотах. Получается, улучшили один параметр — ухудшили другой. В OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий при отработке техпроцессов для новых линеек постоянно идет этот trade-off. Нельзя просто взять и сделать всё идеальным — физику не обманешь.

Один из наших проектов — разработка серии для компактных блоков питания с PFC. Там критична и эффективность, и стоимость. Мы взяли за основу структуру с глубокой trench-ячейкой, чтобы выиграть в удельном сопротивлении. Но сразу же уперлись в проблему с обратным восстановлением встроенного диода. В некоторых топологиях, особенно в мостовых схемах, это вызывало выбросы напряжения и дополнительные потери на переключение. Пришлось параллельно вести работу по оптимизации тела диода, фактически создавая гибридную структуру внутри одного кристалла. Это не было запланировано изначально — просто по ходу испытаний прототипов стало ясно, что без этого ?зеленый? параметр Rds(on) сам по себе не продаст.

Или другой нюанс — температурная зависимость. Красивые цифры Rds(on) в даташите обычно даются при 25°C. А в реальном радиаторе кристалл работает на 110-125°C. И там этот параметр может ухудшиться в полтора-два раза. Поэтому наше внутреннее правило при проектировании: смотреть не на типовое значение, а на полный график в диапазоне Tj от -55 до +175. И вот здесь некоторые ?зеленые? новинки с рынка показывают себя не с лучшей стороны — их эффективность резко падает при высокой температуре. Мы же в Ванфэн для ключевых серий, например, для тех же зеленых транзисторов в корпусах TO-220F и DPAK, специально закладываем техпроцесс, который дает более пологую температурную характеристику. Это дороже в производстве, но зато конечный инженер не получает сюрприз при тепловом расчете.

Упаковка и реальное применение

Следующий пласт — это корпус. Можно иметь отличный кристалл, но испортить всё плохой конструкцией. ?Зеленость? — это еще и способность отводить тепло. Мы много экспериментировали с разными типами leadframe и способами крепления кристалла (solder vs. epoxy). Для продуктов, позиционируемых как энергоэффективные, почти всегда выбираем пайку. Да, это дороже, но тепловое сопротивление Rth(j-c) получается на 15-20% ниже, чем у эпоксидных аналогов. Это прямая экономия на размере радиатора в итоговом устройстве — что тоже часть ?зеленой? концепции, если мыслить жизненным циклом изделия.

Был у нас интересный, но в итоге тупиковый, проект по созданию ?супер-зеленого? транзистора в корпусе с медным клипсом вместо bonding wires. Идея была в том, чтобы снизить сопротивление и индуктивность силовых выводов. Сделали пробную партию, электрические параметры были фантастические. Но при термоциклировании (-55°C / +150°C) после 300-го цикла начались отказы по механической усталости в месте контакта клипса и кристалла. Технология оказалась слишком чувствительной к качеству подложки и температурным градиентам. Отложили в долгий ящик — для массового производства надежность оказалась важнее сиюминутного выигрыша в Rds(on). Такие неудачи — часть рутины. На сайте wfdz.ru мы, конечно, пишем про успехи, но в лабораторных журналах этих тупиковых веток разработки — десятки.

Сейчас основной фокус для силовых ключей — это переход на кремний на изоляторе (SOI) и аналогичные структуры для снижения паразитных эффектов. Но опять же, для зеленых транзисторов в сегменте cost-sensitive потребительской электроники цена SOI-пластин часто неприемлема. Поэтому работа идет по двум направлениям: премиальные серии на передовых техпроцессах и оптимизация классических кремниевых планарных технологий для масс-маркета. Вторая задача, на мой взгляд, даже сложнее — нужно выжать доли миллиома и наносекунды из процессов, которые существуют уже 20 лет.

Взаимодействие со схемой: о чем молчат даташиты

Самая большая головная боль — это когда разработчик берет наш ?зеленый? MOSFET с прекрасными статическими характеристиками и впаивает его в схему, не адаптировав обвязку. Высокая скорость переключения — это не только про низкие потери, но и про риски возникновения паразитных колебаний, EMI-проблемы и перегрузку по dv/dt для соседних компонентов. В рекомендациях по применению мы всегда стараемся подробно расписывать нюансы выбора снабберов, пути силовых трасс на плате, параметры драйвера.

Помню случай с одним нашим клиентом, который делал инвертор для солнечных панелей. Жаловался на случайные пробои в мостовой схеме, хотя транзисторы были с большим запасом по напряжению. Оказалось, проблема в индуктивности петли сток-исток на самой плате и в слишком ?резком? драйвере. Фактически, возникали выбросы напряжения, превышающие Vdss. Решение было не в замене транзистора на более мощный, а в добавлении RC-цепи на затвор и переразводке силовых дорожек. После этого КПД системы даже немного вырос. Этот пример хорошо показывает, что зеленый транзистор — это не волшебная таблетка, а системный элемент. Его потенциал раскрывается только в грамотно спроектированном окружении.

Поэтому наша техническая поддержка и отдел разработки приложений (application engineering) в OOO Нантун Ванфэн — это не просто консультанты. Фактически, мы часто проводим совместные с заказчиком тесты на макетах, снимаем осциллограммы, подбираем компоненты обвязки. Особенно это важно для новых продуктов, где нет еще накопленного опыта применения. Информация с этих натурных испытаний потом обратным ходом идет в отдел технологий — для корректировки следующих ревизий кристаллов или для создания специализированных серий.

Экологичность за пределами КПД

Когда мы говорим о производстве в Жугао, ?крае долголетия?, вопросы экологии — это не только про параметры компонентов. Это и о самом процессе. Мы постепенно уходим от использования свинца в покрытиях выводов, переходим на бессвинцовую пайку корпусов. Утилизация химических реактивов с гальванических линий, сокращение расхода воды — все это часть большой работы. И это тоже в каком-то смысле делает транзисторы ?зеленее?, хотя конечный пользователь этого не видит.

Но здесь есть и противоречие. Например, некоторые ?зеленые? требования к материалам корпусов (огнестойкие составы без галогенов) иногда ухудшают теплопроводность. Приходится снова искать баланс, теперь уже между экологическими нормами и тепловыми характеристиками. Инженерная жизнь — это сплошной поиск компромиссов.

Что касается сырья, то здесь мы плотно работаем с поставщиками кремниевых подложек. Чистота и однородность кристалла — основа низкого сопротивления. Малейшие дефекты в структуре слитков убивают всю ?зеленость? на корню. Поэтому входной контроль подложек — один из самых строгих участков на нашем производстве. Без качественного сырья все наши технологические ухищрения с trench-ячейками и тонкими слоями оксида ничего не стоят.

Взгляд в будущее: куда двигаться?

Сейчас много шума вокруг широкозонных материалов — SiC и GaN. Это, безусловно, следующий уровень эффективности. Но их стоимость и сложность производства пока что оставляют огромную нишу для оптимизированного кремния. Наша стратегия — не бросаться сразу в эту гонку, а параллельно развивать две линии: совершенствовать классические кремниевые MOSFET и IGBT (где еще есть резерв) и вести НИОКР по SiC-диодам и транзисторам. Первые коммерческие образцы SiC-диодов Шоттки у нас уже в портфолио, идут испытания прототипов MOSFET.

Однако для массового рынка, например, для зарядных устройств, БП ПК, бытовых инверторов, кремний будет царствовать еще лет 10-15. И здесь поле для работы над ?зелеными? параметрами огромное. Основные направления — дальнейшее снижение заряда затвора (чтобы можно было использовать простые и дешевые драйверы), улучшение надежности при высоких температурах перехода и, как ни странно, снижение цены. Потому что самая ?зеленая? технология — это та, которая будет стоять в миллионах устройств, а не только в лабораторных макетах.

В итоге, термин ?зеленые транзисторы? для меня — это не конкретный класс изделий, а скорее философия проектирования. Это постоянный учет всех факторов: от чистоты кремния в печи до теплового режима на плате конечного устройства. Это история не о революции, а об эволюции — шаг за шагом, параметр за параметром. И в этой ежедневной работе в OOO Нантун Ванфэн, с ее успехами и тупиковыми прототипами, и рождается та самая эффективность, которую потом кто-то назовет модным словом ?зеленый?.