Широкий транзистор

Когда говорят ?широкий транзистор?, многие сразу представляют что-то физически большое, мощное, может, для силовых ключей. Но на практике, особенно в нашей линейке, это часто приводит к путанице. Не раз сталкивался, когда заказчик просит ?самый широкий транзистор?, имея в виду высокий ток стока или большое рабочее напряжение, а не геометрию кристалла. Термин этот плавающий, неформальный, и в документации OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий его обычно нет — у нас идут конкретные серии MOSFET, полевых транзисторов, но в цеху, в обсуждениях технологов, это словечко проскальзывает. Обычно подразумевается структура с увеличенной площадью канала для снижения сопротивления открытого состояния — Rds(on). Вот с этим и связана основная головная боль.

От чертежа до кристалла: где ширина имеет значение

В разработке технологических процессов, на чем специализируется наша компания, параметры ?ширины? закладываются на этапе фотошаблонов. Увеличивая эффективную ширину канала, мы теоретически получаем более высокий ток стока. Но это не линейная зависимость. Помню проект по широкому транзистору для импульсного блока питания, где нужно было добиться Iс до 100А при 600В. Увеличили топологию, но столкнулись с ростом паразитных ёмкостей — Ciss и Coss взлетели. Это убило скорость переключения, КПД упал на высоких частотах. Пришлось пересматривать всю ячейку, балансировать между Rds(on) и динамическими потерями.

Здесь и проявляется наша ключевая компетенция — не просто нарисовать большой транзистор, а оптимизировать процесс. Используем собственные наработки по планарной технологии. Например, для серии высоковольтных MOSFET, которые идут на диодные мосты и импульсные преобразователи, важно контролировать глубину p-области тела. Если просто сделать ?шире?, может нарушиться баланс пробоя. Были случаи на испытаниях, когда партия показывала прекрасное Rds(on), но напряжение пробоя Vdss ?плыло? вниз на 10-15%. Разобрались — виновата была неоднородность легирования на краях увеличенной активной зоны.

Поэтому в нашей компании термин ?широкий? часто заменяется на ?оптимизированный по удельной мощности?. Мы смотрим на удельное сопротивление кремния, толщину эпитаксиального слоя (особенно для высоковольтных серий, тех же кремниевых столбов), и только потом — на топологию. Иногда выгоднее сделать не один очень широкий транзистор, а несколько параллельных ячеек меньшего размера на одном кристалле. Это улучшает отвод тепла и повышает надёжность. Такое решение, кстати, активно используется в наших силовых сборках для сварочных инверторов.

Проблемы пайки и монтажа: что не скажут в даташите

Когда кристалл с увеличенной площадью попадает в корпус, начинаются нюансы. Большая площадь — это большие термические напряжения. В корпусах типа TO-247 или D2Pak, которые мы часто используем для силовых ключей, припаять такой кристалл равномерно — целое искусство. Недостаточная смачивание припоя по краям приводит к локальным перегревам. Был печальный опыт с ранней партией транзисторов для частотных приводов. Вроде все параметры на уровне, но в поле отказы по тепловому пробою. Вскрытие показало: отрыв кристалла от медной подложки по углам из-за пустот в паяном слое. Ширина сыграла злую шутку.

Пришлось дорабатывать процесс сборки. Сейчас используем преформы с определённым составом припоя и строгий профиль оплавления в печах с контролем атмосферы. Важно, чтобы нагрев был максимально равномерным. Это увеличило стоимость, но резко снизило процент отказов на термоциклирование. Для клиента, конечно, это прозрачно — он видит только итоговый MTBF в спецификации. Но для нас это был важный этап, который показал, что разработка прибора не заканчивается на выходе с диффузионной линии.

Ещё один момент — bonding, соединение алюминиевыми или медными проволоками. На широком кристалле нужно больше контактных площадок и больше проволок, чтобы распределить ток. Иначе плотность тока в одной проволоке будет слишком высокой, она перегреется и оторвётся при импульсных нагрузках. Мы перешли на технику двойного bonding для ключевых выводов стока и истока в мощных моделях. Это, опять же, не прописано в даташите как особенность ?широкого? дизайна, но является прямым следствием его применения.

Взаимодействие с другими компонентами: системный взгляд

Часто заказчик приходит с запросом на ?транзистор помощнее? для апгрейда существующей платы. И если мы просто поставим ему наш широкий транзистор с лучшими статическими параметрами, система может не заработать. Почему? Потому что драйвер, рассчитанный на меньшую входную ёмкость, не сможет быстро перезаряжать затвор. Возникнут задержки, перегрев в момент переключения. Приходится объяснять, что менять нужно комплексно — возможно, и драйвер, и снабберные цепи.

У нас на сайте wfdz.ru в технических заметках (не рекламных, а именно инженерных) мы стараемся приводить такие примеры. Например, при замене стандартного MOSFET в выпрямительном модуле на нашу разработку с низким Rds(on), необходимо проверить петлю тока затвора. Иногда достаточно добавить резистор на несколько Ом последовательно с затвором, чтобы подавить паразитные колебания. Это мелочь, но она спасает проект от нестабильной работы на определённых частотах.

Особенно критично это для устройств с ESD-защитой и TVS-диодами, которые тоже производит наша компания. Быстрая переходная характеристика мощного транзистора может генерировать выбросы напряжения, которые ложного срабатывают защитные элементы. Поэтому при поставках комплексных решений, например, силового ключа с TVS-диодом в одном корпусе, мы заранее согласовываем динамические характеристики. Это тот самый системный подход, который отличает просто производителя компонентов от технологического партнёра.

Экономика ?ширины?: когда больше — не значит лучше

Стоимость кремниевой пластины растёт нелинейно с увеличением площади кристалла. Если для рядового полевого транзистора площадь — условно 4 мм2, то для нашего ?широкого? варианта под 100А она может быть 15-20 мм2. Количество кристаллов с пластины падает в разы. Поэтому цена устройства взлетает. Задача инженера — доказать заказчику, что ему действительно нужен такой запас по току. Часто в импульсных режимах, как в импульсных диодах или тех же сварочных аппаратах, средний ток намного ниже пикового. И можно обойтись меньшим, но более быстрым кристаллом.

У нас в OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий есть отдел прикладной поддержки, который как раз помогает считать эти режимы. Мы моделируем потери не только в ключе, но и во всей обвязке. Иногда оказывается, что выгоднее использовать два параллельных транзистора стандартного размера, чем один широкий транзистор. Это даёт лучший тепловой режим и резервирование. Для ответственных применений, например, в системах управления электроприводами, это часто предпочтительнее.

С другой стороны, для компактных решений, где на плате каждый квадратный миллиметр на счету, один большой кристалл может быть единственным вариантом. Тут мы работаем над увеличением эффективности упаковки — используем технологии типа Clip Bonding вместо проволоки, что позволяет лучше использовать площадь кристалла и улучшить теплоотвод. Это направление мы активно развиваем для новейших серий MOSFET и IGBT-модулей.

Взгляд в будущее: куда эволюционирует концепция

Сейчас тренд — не просто увеличение геометрической ширины, а переход на новые материалы и структуры. Кремний приближается к своим физическим пределам. Мы в исследовательском центре в Жугао экспериментируем с SiC (карбид кремния) структурами. У них удельное сопротивление на порядки ниже, что позволяет при меньшей площади кристалла получить те же параметры, что и у кремниевого ?монстра?. Это может перевернуть саму концепцию ?широкого? транзистора — он станет компактным и ещё более эффективным.

Но переход на SiC — это новая технологическая цепочка, другие температуры обработки, другие процессы литографии. Пока это дорого. Для массового рынка, например, для диодных мостов или стабилитронов, кремний ещё долго будет царём. Поэтому наше текущее развитие — это глубокая оптимизация планарных и trench-технологий. Мы учимся делать структуры не просто ?широкими?, а интеллектуально спроектированными: с градиентным легированием, с локальным утолщением металлизации.

В итоге, термин ?широкий транзистор? для меня, как для технолога, — это не название продукта, а обозначение целого класса задач. Задач по балансировке параметров, по адаптации процесса производства и по поиску компромисса между стоимостью и производительностью. И именно решение таких задач, а не просто продажа компонентов со склада, составляет суть работы нашего предприятия в Жугао. Клиент приходит за характеристиками, а получает, по сути, кусочек отработанной и выверенной технологии, где каждая ?лишняя? микрона ширины оправдана расчётом и проверена в термокамере.