Полупроводниковые технологии: силовые IGBT и MOSFET компании Alpha & Omega

Компания разработала и запатентовала ряд инновационных технологий производства силовых полупроводниковых приборов и микросхем:

• IGBT средней и большой мощности AlphaIGBT.
• Сборки (n-канал и р-канал) PairFET со сверхнизким R_{ds on}, например, прибор AON6970 содержит n-канальные полевые транзисторы верхнего плеча с R_{ds on} 5,4 мОм (Id = 58 A, Vds = 10 B) и нижнего плеча с R_{ds on} 1,5 мОм (Id = 85 А, Vds = 10 B), 30-вольтные приборы выполнены в компактных корпусах для монтажа на поверхность DFN5X6D (габариты 5,2×5,55×0,9 мм).
• Высоковольтные MOSFET AlphaMOS, AlphaMOS-II.
• Карбид-кремниевые полевые транзисторы на напряжение 1200 В UniSiC Stack-Cascode MOSFET, разработанные совместно с лабораторией SemiSouth Laboratories, приборы характеризуются R_{ds on} порядка 80 мОм (V_gs = 20 B).

В продуктовый портфель 2014 года входят следующие категории изделий [4].

Аналоговые переключатели и высокоскоростные USB-коммутаторы. К данной категории относятся микросхемы одиночных и сдвоенных КМОП-коммутаторов структур SPST, SPDT с сопротивлением открытого канала R_{ds on} 0,25–2 Ом с низкими значениями нелинейных искажений (THD — 0,002–0,1%), выполненные в различных миниатюрных корпусах. Коммутаторы USB 2.0 структуры DPDT с полосой пропускания до 1,1 ГГц.

Мощные микросхемы управления питанием, в их числе:

• Понижающие DC/DC-преобразователи, выполненные по технологии EZBuck, — 15 типов микросхем с выходными токами 1,2–8 А и выходными напряжениями 0,16–30 В.
• Повышающие DC/DC-преобразователи EZBoost — 7 типов микросхем с выходными напряжениями до 44 В (U_вх 2,7–25 В), частоты коммутации до 1,2 МГц.
• DC/DC-преобразователи с двумя выходами (U_вых 0,8–22 В).
• DC/DC-преобразователи EZPower с «интеллектуальным» управлением нагрузкой (Smart Load Switch) с выходным током до 10 А и малыми значениями R_{ds on} (5 мОм…0,15 Ом).
• Мощные высокопроизводительные модули DrMOS с выходными токами до 60 А.
• Линейные стабилизаторы LDO с падением напряжения 180–270 мВ (2/3 А).
• Корректоры коэффициента мощности.
• IGBT с антипараллельными диодами — более 20 типов приборов на напряжение 600/1350 В и выходными токами до 150 А.
• MOSFET с обратными диодами, в их числе:
• комплементарные сборки из n-канальных и р-канальных полевых транзисторов с R_{ds on} 27–180 мОм и выходными токами до 8,5 А;
• 2-транзисторные n-канальные и р-ка­наль­ные сборки с обратными диодами (R_{ds on} 19–52 мОм, Iс до 9 А);
• n-канальные транзисторы — более 500 типов приборов на напряжение до 1000 В и ток до 180 А;
• р-канальные транзисторы — более 70 типов приборов на напряжение до –60 В и ток до –80 А.

Приборы защиты от перенапряжений TVS (Transient Voltage Supressors) — десятки типов устройств с малыми емкостями, диодные сборки, с фильтрами помех и рассчитанные на большие перепады тока.

AOS выпускает продукты, предназначенные как для массовой потребительской электроники, бытовой и компьютерной техники, так и для ответственных промышленных приложений. К целевым сферам применения продуктов компания относит следующие направления: плоскоэкранные телевизоры и дисплеи, светодиодное освещение, промышленные системы привода двигателей и источники питания, серверы и телекоммуникационное оборудование. Компания выпускает дискретные силовые MOSFET и IGBT всех классов — малой, средней и большой мощности.

IGBT средней и большой мощности AOS ориентированы на применение в промышленных приводах, сварочных аппаратах, в системах индукционного нагрева, возобновляемых источниках энергии, системах бесперебойного питания и других силовых приложениях. Классификационные параметры перспективных (категория NEW) силовых IGBT со встроенными антипараллельными диодами компании приведены в таблице 1. Большинство IGBT компании выполнено по запатентованной технологии AlphaIGBT. Первые серийные приборы, изготовленные по данной технологии, были представлены в 2012 году, эти 600-В IGBT ориентированы на обеспечение растущего спроса на рынке высокоэффективных промышленных и потребительских приложений. Запатентованная технология AlphaIGBT сочетает уникальные свойства ячеек приборов c вертикальной структурой кристалла, что обеспечивает одно из лучших в своем классе напряжение насыщения (_{Vce sat}) и потери выключения (E_off). Новые IGBT могут работать в широком диапазоне частот переключения и обеспечивают хорошую устойчивость к продолжительным коротким замыканиям.

Рис. 1. Корпус ТО-263

Большое внимание компания уделяет обеспечению высокой надежности выпускаемых приборов, все типы которых проходят испытания на воздействие различных факторов внешней среды, результаты испытаний на надежность для ряда серий IGBT доступны на сайте компании. Рассмотрим особенности некоторых серий приборов, приведенных в таблице 1.

AOB10B60D, AOB15B60D, AOB5B60D (специ­фикации 2013 г.) — эти приборы выполнены в корпусах ТО-263 (D²PAK, внешний вид показан на рис. 1) по технологии AlphaIGBT, обеспечивают высокую производительность и малые потери, а также устойчивость к коротким замыканиям. Устройства сконструированы так, чтобы поддерживать минимальный пиковый ток затвора (Gate Spike), осцилляции при высоких значениях dV/dt и легкую реализацию параллельного включения приборов. Параметры встроенных диодов подобраны для обеспечения минимальных потерь переключения в схемах управления двигателями. Приведем основные параметры приборов AOB15B60D (кроме отмеченных в таблице 1), через дроби указаны отличающиеся параметры приборов AOB10B60D и AOB5B60D:

• импульсный ток коллектора I_cm и область безопасной работы при выключении (Turn off SOA) при V_ce ≤ 600 В — 60/40/20 А (снижается при увеличении T_j свыше 25 °С), диаграммы SOA (одноимпульсная и с обратным смещением) приведены на рис. 2;

Рис. 2. Области безопасной работы

• мощность рассеяния P_d: 167/163/82,4 Вт (при Т_корп = 25 °С), 83,3/82/41,2 Вт (100 °С), зависимости мощности рассеяния и допустимого тока коллектора от температуры приведены на рис. 3;

Рис. 3. Зависимости мощности и тока от температуры

• диапазон температур перехода (работа и хранение): –55…+150 °С;
• тепловое сопротивление переход-корпус R_jc: 0,9/0,92/1,82 °С/Вт (IGBT), 1,5/1,7/3 °С/Вт (диод);
• входная и выходная емкости C_ies, C_oes: 1290/824/367 пФ; 97/68/34 пФ;
• максимальный ток коллектора при КЗ I_c: 74/43/21 А (1000 КЗ с длительностью 10 мкс при периоде следования более 1 с);
• время включения и выключения t_r, t_f при T_j = 150 °C: 19/15/15 нс; 8/8,8/12 нс;
• энергия включения E_on, выключения E_off, переключения E_total при T_j = 150 °C: 0,54/0,26/0,14 мДж; 0,19/0,07/0,04 мДж; 0,73/0,33/0,18 мДж;
• время восстановления обратного сопротивления диода t_rr: 235/105/98 нс.

Приборы серии проходят испытания на надежность в соответствии со стандартами комитета инженерной стандартизации полупроводниковой продукции (JECED), приведем результаты испытаний приборов AOB10B60D.

MSL Precondition — предварительные испытания на влажность согласно стандарту JESD22-A113; условия: 168 часов при 85 °С/85% RH плюс 3 цикла пайки при Т = 260 °С.

HTGB (High Temperature Gate Bias) — испытания на ток утечки затвора I_ges при высокой температуре в соответствии со стандартом JESD22-A108; условия: Т = 150 °С, V_ge = 100% от максимального напряжения на затворе (±20 В), 168/500/1000 часов (для разных партий испытуемых приборов).

HTRB (High Temperature Reverse Bias) — испытания на начальный ток коллектора I_ces при высокой температуре в соответствии со стандартом JESD22-A108; условия испытаний: Т = 150 °С, V_ce = 80% от максимального напряжения на коллекторе (480 В), 168/500/1000 часов.

HAST (Highly Accelerated Stress Test) — испытания при повышенных влажности, давлении и температуре в соответствии со стандартом JEDS22-A110; условия испытаний: Т = 130 °С, влажность 85% RH, давление 33,3 psi (фунт-сила на квадратный дюйм), V_ce не более 80% от максимального напряжения на коллекторе (до образования дуги), 96 часов.

Pressure Pot — испытания в автоклаве в соответствии со стандартом JEDS22-A102; условия: Т = 121 °С, давление 29,7 psi, влажность 100 % RH, 96 часов.

Термоциклирование на воздухе: 250/500 циклов от –65…+150 °С.

Рассчитанная интенсивность отказов (Failure Rate) 3,52 FIT (FIT соответствует одному отказу на 109 часов наработки), средняя наработка до отказа (MTTF) — 32 413 лет.

Рис. 4. Корпус ТО-247

AOK10B60D, AOK15B60D, AOK30B60D, AOK40B60D (спецификации 2013 г.) — приборы выполнены в корпусах ТО-247 (внешний вид показан на рис. 4) по технологии AlphaIGBT со всеми описанными выше особенностями. Приведем основные параметры приборов AOK40B60D (кроме перечисленных в таблице 1):

• ток I_cm, I_c — 160 A; мощность P_d — 312,5 Вт (25 °С), 125 Вт (100 °С);
• диапазон температур перехода: –55…+150 °С;
• тепловое сопротивление R_jc: 0,4 (IGBT); 0,65 (диод) °С/Вт;
• емкости C_ies/C_oes: 2584/303 пФ;
• быстродействие: t_r = 52 нс, t_f = 12 нс, t_rr = 138 нс;
• энергия потерь: E_on = 1,72 мДж, E_off = 0,3 мДж, E_total = 2 мДж.

Испытания на надежность этой серии приборов проводятся в том же объеме, что и тестирования приборов описанной выше серии, с добавлением испытаний на циклирование мощности (Power Cycling), выполняющихся при изменении температуры перехода на 125 °С (3000 циклов). Параметры надежности прибора AOK15B60D: интенсивность отказов 9 FIT, MTTF = 12 392 года.

AOK20B60D1, AOK30B60D1, AOK40B60D1, AOK60B60D1, AOK75B60D1 (спецификации май 2014 г.) — линейка приборов данной серии, также выполненных по технологии AlphaIGBT, расширена двумя более мощными типами, предназначенными для применения в сварочных аппаратах, инверторах солнечных батарей и источниках бесперебойного питания, основные параметры приборов AOK75B60D1:

• ток I_cm, I_c — 290 A; мощность P_d — 500 Вт (25 °С), 200 Вт (100 °С);
• тепловое сопротивление R_jc: 0,25 (IGBT)/0,95 (диод) °С /Вт;
• емкости C_ies/C_oes: 4750/470 пФ;
• быстродействие: t_r = 69 нс, t_f = 18,4 нс, t_rr = 147 нс;
• энергия потерь: E_on = 3,7 мДж, E_off = 1,3 мДж, E_total = 5 мДж.

При проведении тестов приборов рассматриваемой серии добавлены испытания на воздействие высокой температуры HTSL (T=150 °С, 1000 часов) по стандарту JESD22-A103 и на циклирование мощности при изменении температуры на 100 °С (6000 циклов) по стандарту AEC Q101. Параметры надежности приборов AOK20B60D1: интенсивность отказов 3,43 FIT, MTTF = 33 270 лет.

AOTxxB60D (спецификации 2013 г.), AOTFxxB60D/D2 (2014 г.) — приборы этих серий выполнены в изолированных корпусах TO220F (AOTFxx) и неизолированных корпусах ТО220 (АОТхх) также по технологии AlphaIGBT и характеризуются теми же особенностями, что и приборы ранее описанных серий.

AOK20B135D1 (2014 г.) — высоковольтные приборы, выполненные в корпусах ТО-247, предназначены для применения в системах индукционного нагрева, микроволновых печах, бытовых нагревательных приборах, приводах двигателей и других промышленных и потребительских приложениях. Транзисторы отличаются расширенным диапазоном температур перехода и хранения –55…+175 °С, другие параметры прибора:

• ток I_cm, I_c (sc) — 80 А; мощность P_d — 340 Вт (25 °С), 170 Вт (100 °С);
• тепловое сопротивление R_jc: 0,44 (IGBT), 1,2 (диод) °С/Вт;
• емкости C_ies/C_oes: 1900/107 пФ;
• быстродействие и энергия потерь при температуре T_j = 175 °С: t_f = 150 нс, E_off = 1,76 мДж.

Компания выпускает широчайшую номенклатуру полевых транзисторов с изолированными затворами и сборок из пар полевых транзисторов с различной проводимостью каналов. В каталоге компании 2014 года представлено более семи сотен типов MOSFET малой, средней и большой мощности. Классификационные параметры перспективных силовых n-канальных полевых транзисторов с P_d более 250 Вт и р-канальных с P_d более 50 Вт приведены в таблице 2.

Ряд типов полевых транзисторов с изолированным затвором компании выполнен по запатентованной технологии AlphaMOS. Высоковольтные приборы, изготовленные по этой технологии, обеспечивают снижение сопротивления R_{ds on} в режиме переключения до 3,5 раз в сравнении с планарными МОП-транзисторами, а также существенное уменьшение заряда затвора. Впечатляющие преимущества новых приборов открывают дополнительные сферы их применения в приложениях, требующих высокой энергоэффективности [5]. Рассмотрим особенности и приведем параметры некоторых перспективных MOSFET компании.

AOK42S60 (спецификация 2012 г.) — полевые транзисторы со встроенными обратными диодами выполнены по технологии AlphaMOS (αMOS) в корпусе ТО-247 (соответствует рис. 4), основные параметры (кроме приведенных в таблице 2):

• импульсный ток стока I_dm: 166 A;
• одноимпульсная энергия лавинного пробоя (Single pulsed avalanche energy) E_as: 1345 мДж;
• диапазон температур кристалла (рабочих и хранения): –55…+150 °С;
• тепловое сопротивление переход-корпус R_jc: 0,3 °С/Вт;
• сопротивление открытого канала R_{ds on}: не более 0,099 Ом (25 °С), 0,28 Ом (150 °С);
• прямое напряжение обратного диода Vsd: 0,84 В;
• входная/выходная емкости C_iss/C_oss: 2154/135 пФ;
• время нарастания/спада t_r/ t_f: 53/46 нс, время восстановления обратного сопротивления диода t_rr — 473 нс.

Рис. 5. Корпус ТО-262

AOW2500 (2013 г.) — полевой транзистор с траншейным затвором (Trench MOSFET) со встроенным обратным диодом, выполненный в корпусе ТО-262 (внешний вид на рис. 5). Прибор характеризуется малыми потерями проводимости и переключения и предназначен для применения в синхронных выпрямителях, телекоммуникационном и промышленном оборудовании, в системах светодиодного освещения, промышленных и потребительских источниках питания, основные параметры прибора:

• ток I_dm — 440 A, энергия E_as — 634 мДж;
• диапазон температур кристаллов: –55…+175 °С;
• тепловое сопротивление R_jc: 0,26 °С/Вт;
• R_{ds on} не более: 6,2 мОм (25 °С), 12 мОм (125 °С);
• прямое напряжение диода Vsd: 0,66 В;
• параметры переключения: t_r = 18,5 нс, t_f = 14 нс, t_rr = 90 нс;
• емкости: С_iss = 6460 пФ, C_oss = 586 пФ.

Диаграммы областей безопасной работы прибора при различных длительностях импульсов и постоянном токе приведены на рис. 6. Как видно из рисунка, наиболее эффективная работа транзистора обеспечивается при частотах коммутации порядка 50–100 кГц (Т_вкл порядка 10 мкс). Испытания приборов на надежность проводятся практически в таком же объеме, что и испытания IGBT, описанные выше. Параметры надежности транзисторов: интенсивность отказов 3,27 FIT, MTTF = 34 906 лет.

Рис. 6. Область безопасной работы

AOW284 (2014 г.) — полевой транзистор с изолированным затвором и обратным диодом, выполненный в корпусе ТО-262 по технологии AlphaMOS. Целевыми назначениями прибора являются быстродействующие DC/DC- и AC/DC-преобразователи напряжения, промышленные системы управления двигателями, основные параметры транзистора:

• ток I_dm — 400 А, энергия E_as — 211 мДж;
• диапазон температур кристаллов: –55…+175 °С;
• тепловое сопротивление R_jc: 0,52 °С/Вт;
• R_{ds on} не более: 4,3 мОм (25 °С), 7 мОм (125 °С);
• параметры переключения: t_r = 11 нс, t_f = 9 нс, t_rr = 38 нс;
• емкости: C_iss = 5154 пФ, C_oss = 673 пФ (на частоте 1 МГц).

AOV20S60 (2013 г.) — полевой транзистор с изолированным затвором и обратным диодом, выполненный по технологии AlphaMOS в корпусе DFN8×8 (внешний вид на рис. 7). Оптимальное сочетание таких параметров прибора, как R_{ds on}, Q_g и Eoss, обеспечивает их высокую производительность в схемах преобразователей напряжения и привода двигателей. Основные параметры транзистора:

Рис. 7. Корпус DFN8×8

• ток I_dm — 80 А, энергия E_as — 188 мДж;
• диапазон температур кристаллов: –55…+150 °С;
• тепловое сопротивление R_jc: 0,35 °С/Вт;
• R_{ds on} не более: 0,25 Ом (25 °С), 0,66 (150 °С);
• параметры переключения: t_r = 32 нс, t_f = 30 нс, t_rr = 350 нс;
• емкости: C_iss = 1038 пФ, C_oss = 68 пФ (на частоте 1 МГц).

AOT42S60, AOB42S60 (2014 г.) — AlphaMOS полевые транзисторы в корпусах ТО-220 и ТО-263 с отличным соотношением параметров R_{ds on}, Q_g и E_oss. Предназначены для широкого спектра промышленных и потребительских приложений.

AOD423 (DPAK), AOI423 (TO-251A), AOY423 (TO-251B, август 2014 г.) — р-канальные полевые транзисторы с траншейными затворами, встроенными обратными диодами и экстремально низким сопротивлением открытого канала, выполненные в корпусах DPAK, IPAK (внешний вид на рис. 8). Приборы отлично подходят для коммутации силовых нагрузок, являясь фактически эквивалентом реле. Основные параметры транзисторов:

Рис. 8. Корпуса ТО-252, ТО-251А

• ток I_dm — –200 А, энергия E_as — 125 мДж (при индуктивности нагрузки до 0,1 мГн);
• диапазон температур кристаллов: –55…+175 °С;
• R_{ds on} не более: 6,2 мОм (при токе –20 А, Т = 25 °С), зависимость относительного значения R_{ds on} (относительно R_ds on при 25 °С) от температуры кристаллов приведена на рис. 9, из которого видно, что даже при максимально допустимых температурах сопротивление открытого канала не увеличивается более чем на 40–60%;

Рис. 9. Зависимость R_ds on от температуры

• параметры переключения: t_r = 23 нс, t_f = 26 нс, t_rr = 15 нс (использован быстродействующий диод);
• емкости: C_iss = 2760 пФ, C_oss = 550 пФ.

Диаграммы областей безопасной работы приборов приведены на рис. 10, из них следует, что эффективно использовать приборы в качестве коммутатора (реле) питания можно в диапазонах токов от 3 А (Vds от 40 мВ до 30 В) до 10 А (Vds от 100 мВ до 10 В).

Рис. 10. Область безопасной работы

Компания выпускает большой ассортимент сборок полевых транзисторов с n- и p-каналами, а также сборки комплементарных транзисторов с n-p-каналами.

Заключение

Учитывая текущую «санкционную обстановку», силовые полупроводниковые приборы и микросхемы AOS могут заинтересовать потенциальных отечественных разработчиков и заказчиков многих предприятий. Созданы они под руководством китайских специалистов (из Тайваня) и в соответствии с жесткими требованиями, принятыми в США, а изготавливаются на китайских (КНР) предприятиях и ориентированы для продаж преимущественно в странах ЮВА.