如何为电源用高压超结MOSFET增加晶圆级可配置性？

本文重点介绍为电源用高压超结MOSFET增加晶圆级可配置性的新方法。
现在有一种为高压超结MOSFET增加晶圆级可配置性的新方法，以帮助解决电源电路问题。MOSFET 在压摆率、阈值电压、导通电阻和载流量方面提供了更高水平的可配置性，从而更好地控制了系统动态。它还使设计人员能够自由地根据系统调整 MOSFET，并减少修改印刷电路板布局或原型磁性选项的时间。
典型方法
噪声和效率问题
鉴于设计人员面临的众多问题，传统方法是将MOSFET视为具有给定行为、性能和后果的简单开关。然后，电路的其余部分设计为保持开关在其安全工作区域内舒适地运行。此外，外部电路经过调谐，以降低 MOSFET 在正常工作期间产生的噪声。从外部来看，这似乎是合理的方法，但额外的电路增加了系统的复杂性、成本和重量。
MOSFET通常可以成为电路中的敌人。其正常工作在从关-开和关转换期间会产生高频噪声。在开关转换期间，电路元件和电路板布局中的寄生物理特性会放大这种噪声。如果放大后的噪声耦合回栅极/栅极驱动电路，则放大后的噪声会将栅极电压提高到足以接通器件并导致损耗的水平。
为降低噪音的挑战增加了一个额外的维度，即确保保持高效率。产品要求要求EMC符合最高效率。这使得设计人员追求电路中最后0.1%的效率。
时序约束
阈值电压和栅极电阻的变化决定了系统时序约束，这些时序约束会影响到使用该器件的电路的整体电源效率额定值。更严格、更精确地控制阈值电压和栅极电阻分布提供了许多优势。有几个这种性质的设备参数，其中参数的绝对值不如观察到的参数变化宽度重要。对这些分布进行更严格的控制将使设计人员能够灵活地在系统设计中做出权衡，根据特定应用的需要改进特定的性能特性，同时降低电噪声。
多年来，人们采用了各种技术来在具有成本效益的制造过程中收紧参数分布，但没有一种技术完全令人满意。
以前的一个解决方案是专注于低成本加工，测试最终组件，并将制造的设备分类为各种参数分布类别，并仅选择那些在可接受范围内的设备。这通常称为“分箱”。
另一种方法是稍微修改组件的设计，以允许使用激光或其他后制造技术进行修整，以将大量零件转移到所需的参数范围内。这已成功应用于批量生产中的混合信号电路。该方法尚未成功应用于垂直半导体器件。
微调技术难以应用于垂直半导体器件的原因是，构成垂直器件的内部单元在晶圆的底部都有一个共同的连接。为了在具有公共端子的设备上实现修整，正在采用新技术，例如D3半导体正在实施的技术。
新方法
在开发新的+FET产品线时，D3半导体选择了一种非传统的技术方法，将集成应用于高压超结功率MOSFET™。
在传统的晶体管配置中，没有元件来提供微调功能，如图1所示。

图1：没有微调功能的传统晶体管
通过选择在电路中添加控制机制，选择具有激光微调功能的晶体管提供了可由设计人员定义的全新变量。特别是，开关时间、导通电阻、阈值电压和载流量等行为可以根据设计人员的规格在一系列选择中定义或配置。
这种可配置性通过使用多个并行器件段对晶体管器件进行激光调整来实现，如图2所示。相同的方法可用于匹配器件与器件之间和晶圆与晶圆之间的所需参数。这转化为在大规模生产运行中始终如一地提供相同匹配设备的能力。

图 2：带有可配置栅极电阻器的晶体管
对设计人员的好处是，可以在H桥配置（图3）或并联操作（图4）中使用相同匹配的FET。知道MOSFET是相同的匹配可以减少系统开销，因为给定电路中的电流是可预测的。

图 3：H 桥电路配置。
除了针对动态行为进行修整之外，还可以以类似的方式配置静态参数。通过针对特定的栅极电阻和易熔链路来配置阈值电压、导通电阻和载流量，使设计人员能够为目标电路选择最佳电压，如图5所示。通过在标准制造流程期间利用激光在晶体管的栅极区域创建开路，可以将静态参数配置为所需的水平。

图 4：并联电路配置

图 5：用于设置静态参数的多器件修整。
设计人员的好处是，可以将阈值电压配置为足够高以忽略电路噪声的水平，或足够低的水平以捕获栅极驱动电路中效率损失的水平。当执行快速原型制作并且需要特定的导通电阻或载流量时，实施微调以去除晶体管有效区域。其结果是能够在短时间内快速交付晶圆的零件数量，同时满足设计人员的要求。当原型设计完成并且项目进入批量生产时，将生成一个掩模集以针对特定的阈值电压、导通电阻和载流量，从而优化单位成本。
在开发D3 Semi + FET的架构时，考虑了激光调整，以防止激光热量的注入影响整个晶体管的工作。应用混合信号制造技术而不影响可制造性成本。
总结
在批量生产中使用激光修整已经进行了多年。在高压超结功率MOSFET的情况下，采用这种制造技术是独特且开创性的。它不仅为设计人员追求电路优化开辟了许多新方法，而且这种微调选项可用于大批量生产。