Anche nei Mosfet l’evoluzione continua

MOSFET & IGBT –

Nonostante i continui progressi tecnologici, i Mosfet di potenza stanno raggiungendo i limiti costruttivi. Cresce per questo l’interesse verso l’utilizzo di nuovi materiali a più ampia larghezza di banda, come il carburo di silicio o il nitruro di gallio.

La costante diffusione di applicazioni emergenti nei settori, ad esempio, dei veicoli ad alimentazione elettrica, dei sistemi Hvac (Heating, Ventilation and Air Conditioning) o, più in generale, di automazione domestica, di Led lighting ha determinato, negli ultimi anni, una significativa crescita dei dispositivi discreti di potenza. Dopo il crollo del 2009 dovuto alla crisi mondiale, il mercato, secondo una recente ricerca di Information Network, dovrebbe crescere percentualmente di 3,7 punti per anno nel prossimo triennio, raggiungendo un fatturato di 16 miliardi di dollari entro il 2013. Tra le principali aziende sul mercato vi sono oggi Infineon, Mitsubishi, Toshiba, STMicroelectronics, Vishay, International Rectifier, Fairchild, Fuji Electric e Renesas. Per quanto riguarda i dispositivi, invece, nonostante la crescente penetrazione sul mercato degli Igbt, i Mosfet di potenza, continuano a mantenere una posizione dominante. Come noto, tra i vantaggi principali di tali dispositivi vi sono, infatti, elevata impedenza d’ingresso, elevato guadagno di potenza, controllo in tensione e stabilità termica. Nelle più diffuse applicazioni, elevata capacità di corrente di uscita, bassa resistenza RDS(on) ed elevata frequenza di commutazione sono diventati poi nel tempo requisiti essenziali.

Mosfet e diodi Schottky integrati
Accanto a questi, con l’aumentare del numero di nuove applicazioni, negli ultimi anni hanno finito per diventare piuttosto importanti anche alcuni parametri dei Mosfet, come ad esempio le caratteristiche di recovery del body diode del dispositivo, la resistenza interna del gate del transistor o la carica di gate. Si sono quindi cercate soluzioni nuove per ridurre tali perdite. Nel primo caso, in particolare, questo può essere fatto integrando monoliticamente un diodo Schottky in parallelo con il Mosfet. Nelle architetture di conversione di potenza di tipo buck, ad esempio, in questo modo, quando il transistor è spento durante il tempo morto, la caduta di tensione longitudinale finisce per essere data dal diodo Schottky e non dal body diode del Mosfet; risulta così inferiore, riducendo in questo modo la dissipazione di potenza. Il diodo Schottky è, allo stesso modo, caratterizzato da una QRR (reverse-recovery charge) inferiore a quella del body diode. I più recenti dispositivi della serie FDMS36xxS di Fairchild, ad esempio, sono moduli di potenza duali (con Mosfet di controllo e Mosfet SyncFet sincrono) asimmetrici che adottano tale soluzione, così da garantire efficienza ottimale fino a corrente di uscita di 30 A, resistenza RDS(on) di soli 2 mΩ, frequenza di switching da 300 KHz a 600 KHz: risultano ideali per applicazioni come convertitori PoL o Dc/Dc converter buck sincroni multi-fase. Soluzione simile è adottata pure nella famiglia Generation II XS DrMos di Driver-Mosfet della stessa casa produttrice; i dispositivi possono operare a una frequenza di switching di fino a 2 MHz con capacità di corrente fino a 50 A ed efficienza di picco del 94%. Sono compatibili con le specifiche DrMos 4.0 di Intel per applicazioni in ambito Pc. L’integrazione del diodo Schottky con il Fet sincrono evita la necessità di circuiti di snubber esterni, il che, unitamente alla disponibilità in package Pqfn di soli 6 x 6 mm2 , fa della serie Generation II XS DrMos una soluzione ideale per applicazioni di ridotte dimensioni.

La tecnologia trench
I dispositivi sopra citati sono realizzati in tecnologia trench. In generale, tale architettura ha guadagnato grosso interesse negli ultimi anni per la realizzazione di Mosfet di potenza, grazie alla possibilità di ridurre con essa la resistenza di canale, consentendo di realizzare dispositivi con bassa resistenza RDS(on) per applicazioni a bassa tensione (10-40 V) ed elevata frequenza di commutazione. I dispositivi Fairchild citati in precedenza, in particolare, adottano la soluzione shielded gate trench che, incorporando un elettrodo di schermo, permette di ridurre la resistenza e la lunghezza della corrispondente regione cui è applicata la tensione; ne consegue una significativa riduzione della resistenza RDS(on) del dispositivo senza per questo dover aumentare la carica di gate. Recentemente anche International Rectifier ha annunciato la disponibilità di nuovi Mosfet realizzati in tecnologia trench all’interno della propria famiglia di dispositivi HexFet. I dispositivi, qualificati per applicazioni automotive (AEC-Q101) e Rohs compatibili, sono disponibili in range di tensione tra 40 V (AUIRFS3004-7P) e 200 V (AUIRFR4620), con corrente di carico fino a 240 A e carica di uscita di 200 nC, in package di tipo D2Pak-7P e con resistenza di on compresa tra 1,25 mΩ (a 40 V) e 4,0 mΩ (a 100 V), con una variazione garantita del solo 20% dopo 1000 cicli di temperatura; sottoposti ad ispezione visuale automatizzata e test dinamici e statici, sono garantiti per zero difetti. Ancora più di recente, Toshiba ha lanciato la sua propria prossima generazione di Mosfet trench di media potenza per applicazioni in dispositivi mobile, camere digitali o ogni altro sistema con alimentazione a batteria. Realizzati nella tecnologia U-MosVI proprietaria, i Mosfet SSM3J133TU, SSM3J134TU ed SSM3J135TU si caratterizzano per VDSS massima di 20 V, Vth di soli 1.0V così da garantire funzionamento switching stabile a partire da 1,5 V, corrente di drain massima di, rispettivamente, 5.5 A, 3.2 A e 3 A. I dispositivi sono disponibili in package Ufm a montaggio superficiale, che ha un’occupazione di soli 2 x 2.1 mm2 e un’altezza di 0,7 mm e che garantisce, nel contempo, dissipazione di potenza di fino a 500 mW su foot-print equivalente a quello di componenti SOT-323. In tecnologia trench sono pure realizzati i nuovi dispositivi OptiMos-T2 di Infineon. Il modello IPB160N04S4-02D, recentemente annunciato sul sito della casa produttrice, fornisce capacità di corrente di fino a 160A e presenta RDS(on) di soli 2.0mΩ ed RthJC di 0.9K/W, grazie anche all’adozione di una nuova soluzione di packaging (che prevede, si veda di seguito, la saldatura diffusa del die all’interno del contenitore) e alla capacità di produzione di wafer sottili (60 µm rispetto ai 175 µm standard). La stessa azienda ha, d’altra parte, recentemente annunciato di aver messo a punto la linea di produzione di wafer sottili da 300 millimetri per semiconduttori di potenza, confermando la posizioni di leader-ship tecnologica nel settore.

Transistor a super-giunzione
Come noto, la resistenza RDS(on) di un Mosfet aumenta drasticamente in funzione della tensione di break down, come conseguenza della necessità di avere in tal caso una regione di drift a basso drogaggio e piuttosto sottile. Per questo motivo, tipicamente i dispositivi trench sono specificati per operare fino a 300 V. Per applicazioni a più elevate tensioni, nell’ultimo decennio ha preso piede la tecnologia dei dispositivi a super-giunzione, cui appartiene anche la serie di Mosfet di potenza CoolMos di Infineon. Il 2011 ha visto la produzione del dispositivo numero 3,5 miliardi, rendendo l’azienda tedesca il primo produttore al mondo di transistor nel segmento tra 500 e 900 V. La nuova famiglia CFD2, in particolare, si caratterizza per essere il primo modello al mondo di transistor con tensione VDS di 650 V e body diode veloce integrato, in grado di garantire, così, basse perdite di commutazione e conduzione ed elevata affidabilità in tutte le applicazioni switching. Caratteristiche specifiche sono, ad esempio, una resistenza RDS(on) di 660 mΩ ed una carica di gate tipica Qg di 22 nC. Nello stesso segmento di mercato, si segnala poi il recente annuncio di Rohm Semiconductor della realizzazione di un Mosfet di potenza specificato per 500 V e 50 A e caratterizzato da una resistenza RDS(on) di soli 34 mΩ. Realizzato con un nuovo processo di etching, grazie al quale i layers verticali di tipo p sono formati tutti contemporaneamente, permettendo cosi di ridurre, ad esempio, la concentrazione di impurità, e disponibile in package TO247PLUS, il dispositivo risulta ideali per applicazioni in ambito fotovoltaico.

Dispositivi integrati con Mosfet planari
I Mosfet in tecnologia trench soffrono, come noto, della difficoltà costruttiva di integrare nello stesso dispositivo il transistor con eventuali circuiti di controllo, a causa della natura ‘verticale’ del primo. In questo segmento di mercato, la soluzione planare ha, per questo motivo, continuato a rappresentare negli ultimi anni una soluzione preferibile, per la realizzazione, ad esempio, di circuiti load switch. Mosfet planari e circuito di controllo possono, infatti, essere realizzati sullo stesso substrato senza necessità di isolamento, così da rendere il processo di fabbricazione più semplice. International Rectifier ha recentemente annunciato una nuova linea di dispositivi con architettura Strip Planar appartenenti alla famiglia HexFet. Disponibili nel range di tensioni compreso tra 40 V (AUIRF1404) e 75 V (AUIRF2807), in package Smd o through-hole, qualificati per applicazioni automotive, i dispositivi si caratterizzano per resistenza RDS(on) tipica di 3,5 m , corrente di drain ID di 160 A, temperatura operativa (di giunzione) di fino a 175° C, peak diode recovery rate dV/dt di 1,5V/ns, turn-on e turn-off delay di, rispettivamente, 17 ns e 46 ns. Il modello AUIRL1404S (specificato per tensione di 40V) supporta inoltre il pilotaggio del gate con livello logico. Planare è anche la tecnologia STripFet VI DeepGate di ST, la quale ha recentemente introdotto, in questa linea, una nuova serie di Mosfet di potenza con tensione di break-down di 30V e 40 V. Qualificati rispetto alle normative Aec-Q101 per applicazioni automotive, i dispositivi si caratterizzano per corrente da 44A a 80A, resistenza RDS(on) compresa tra 3 mΩ e 12,5 mΩ, temperatura di funzionamento compresa tra -55°C e +175°C, disponibilità nelle versioni con controllo logico del gate e in package a montaggio superficiale Dpak e D2Pak.

Nuove soluzioni di packaging per migliori prestazioni
In tutte le applicazioni ad elevata prestazioni, interesse particolare rivestono evidentemente gli aspetti di packaging dei Mosfet, al fine di limitare, ad esempio, l’occupazione di spazio nei sistemi miniaturizzati o ridurre il rumore indotto, ad esempio, nei circuiti switching. Toshiba ha recentemente annunciato, da questo punto di vista, la disponibilità di 11 nuovi Mosfet a canale n (con tensione massima di fino a 100V) e 10 modelli a canale p (con tensione fino a 60 V) nel nuovo package Dpak+. Foot-print compatibile con la precedente versione Dpak, tale package adotta la tecnologia Warp di Toshiba, sostituendo le connessioni interne tra die e leads, tradizionalmente in alluminio, con serrafili più doppi in rame, garantendo così migliore stabilità meccanica rispetto a shock, vibrazioni e cicli termici. La presenza di un’area maggiore, unitamente alla più elevata connettività elettrica, consente di minimizzare la perdita e l’induttanza parassita del package, contribuendo nel contempo a ridurre dissipazione di potenza e rumore indotto. Valori tipici di resistenza termica per package Dpak+ sono dell’ordine di 1.5°C/W mentre la dissipazione di potenza a 25°C è di soli 100 W. Già in precedenza si è accennato alla nuova soluzione di saldatura diffusa del die all’interno del package messa a punto da Infineon, che garantisce una riduzione della resistenza termica di fino anche al 50% rispetto ai metodi tradizionali, una migliore realizzazione e più elevata affidabilità. Rappresenta inoltre la prima soluzione per la realizzazione di dispositivi in package TO per applicazioni automotive che risultino completamente lead-free, come imposto dalle nuove raccomandazioni Elv Rohs che dovrebbero andare in vigore a partire dal 2014.  Nell’ambito delle soluzioni miniaturizzate si segnala invece il recente annuncio di Vishay della disponibilità dei due nuovi modelli Si8802DB (canale n) e Si8805EDB (canale p) di Mosfet in tecnologia TrenchFet, con tensione di break-down di 8 V, integrati nel package Micro Foot che, pur assicurando la stessa resistenza RDS(on) dei dispositivi chip-scale tradizionali, consente una riduzione di occupazione di fino anche al 36%. I dispositivi Micro Foot hanno, infatti, dimensioni di 0,8 x 0,8 mm e profilo di soli 0,357 mm, risultando ideali per applicazioni come smart-phone e tablet.

Nuove tecnologie
Nonostante i progressi continuino, come testimoniato dalle novità presentate in precedenza, è incontestabile che i Mosfet di potenza realizzati nella tradizionale tecnologia al silicio stiano raggiungendo i limiti costruttivi per quanto riguarda i parametri principali, quali ad esempio, come si è già detto, la resistenza RDS(on) o la carica di gate Qg. Questo ha determinato un crescente interesse, anche nell’industria, verso l’utilizzo di nuovi materiali a più ampia larghezza di banda, come il carburo di silicio (SiC) o il nitruro di gallio (GaN). I primi, in particolare, secondo una ricerca di Information Network, dovrebbero mantenere un Cagr annuo fino al 2015 di oltre il 70%, raggiungendo una quota di mercato di 500 milioni di dollari entro quella data. Il vantaggio principale di tali materiali è una resistenza RDS(on) inferiore anche di un ordine di grandezza rispetto ai dispositivi in silicio e, per di più, indipendente dalla carica di gate, che può quindi essere modificata separatamente; inoltre il SiC, in particolare, ha elevata conduttività termica, il che evita dipendenza dei parametri caratteristici dalla temperatura di giunzione. Sebbene diffusi in applicazioni RF o nella realizzazione di diodi rettificatori, i nuovi dispositivi in SiC trovano ancora difficoltà ad affermarsi nel settore dell’elettronica di potenza a causa dei costi elevati, intorno a 100 euro (anche se, è stato fatto notare, questo era più o meno il costo anche dei Mosfet tradizionali quando sono stati immessi sul mercato negli anni ‘70). Il segmento di mercato di interesse è principalmente quello delle applicazioni ad elevate tensioni (intorno a 1 kV e oltre ) dove trovano oggi impiego prevalentemente i transistor Igbt. Tra le più recenti novità nel settore si segnala la serie CMF20120D di Mosfet in tecnologia SiC Z-Fet di Cree, caratterizzata da tensioni di break down di 1,2 kV, resistenza RDS(on) di 110 mΩ, corrente di drain di 20 A con caduta longitudinale di soli 2V, tensione Vgs di 20 V, carica di gate di soli 100 nC. Nel 2012 dispositivi analoghi dovrebbero essere resi disponibili anche da Rohm Semiconductor, che ha già a catalogo diodi Schottky realizzati in tale tecnologia. Recentemente la stessa Cree ha poi annunciato la disponibilità di Mosfet in SiC in versione ‘bare die’, per supportare i progettisti nella realizzazione di moduli di potenza custom, evitando le limitazioni imposte dalle tradizionali soluzioni di packaging plastiche dei componenti discreti presenti sul mercato.
Per quanto riguarda, invece, i dispositivi al GaN, International Rectifier ha recentemente introdotto la serie di moduli di potenza IP201x, realizzati nella tecnologia proprietaria GaNpowIR. Il modello IP2010TRPBH, disponibile in package Lga di dimensioni 7,7 x 6,5 mm2 è specificato per tensione d’ingresso compresa tra 7 e 13,2 V, tensione di uscita tra 0,6V e 5,5V, corrente di uscita di 30 A, frequenza di switching fino a 3 MHz, tensioni di barriera di fino a 40 V, risultando così ideale per applicazioni quali convertitori Dc/Dc PoL. EPC (Efficient Power Conversion) ha invece disponibile il modello EPC2010, caratterizzato da VDS di 200 V, RDS(on) di 25 mΩ, corrente di drain di fino a 60 A in regime pulsato e 12 A in continua; il dispositivo, realizzato nella tecnologia proprietaria eGaN, è disponibile per il momento in die con rivestimento passivato e barre di saldatura e può trovare impiego in applicazioni audio in classe D, circuiti ad alta frequenza, convertitori Dc/Dc high-speed.

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