GaNonCMOS：POL整合的下一步
作者 : Stanislav Suchovsky，RECOM研發工程師
GaNonCMOS計劃的目標在於高密度整合GaN和Si，開發適用於高開關頻率和PCB嵌入的新型軟磁材料…
更小、更高效的電源轉換器是過去幾十年來的發展方向，而這個趨勢也將持續下去。這是透過使用新的拓撲、新材料以及新式整合製程而實現的。歐盟「展望2020」(Horizon 2020)計畫的重點就在於整合新材料，因而資助了GaNonCMOS計劃。該計劃的目標是將氮化鎵(GaN)和矽(Si)在不同層級(PCB、堆疊和晶片)上進行高密度整合，開發適用於高開關頻率和PCB嵌入的新型軟磁材料。
相較於將GaN材料用於650V範圍的「主流」作法，該計劃更著重於針對伺服器應用以及汽車和航太產業的100V以下DC/DC轉換——即低功率PoL轉換器。來自奧地利、比利時、德國、荷蘭和愛爾蘭的11家業者和研究機構共同加入了這項計劃。RECOM集團也參與這些新技術的開發，為電源轉換領域帶來創新、整合(3DPP)和更可靠的解決方案。
嵌入式技術
該計劃的重點之一是將元件嵌入於PCB中。使用嵌入式技術，可在PCB核心中隱藏一個或多個元件。嵌入的主要限制是元件的厚度在其於各種環境條件下的行為和表現。嵌入式元件可以是IC、開關或被動元件，使用哪一種元件取決於設計目標。厚銅層與嵌入式元件的接腳連接可以形成明確的熱路徑。IC和MOSFET可以放得很近以降低寄生電感和實現更高的開關速度。電阻和電容等小型被動元件可以嵌入同一個空腔中，只有較大的元件留在外面，例如磁性元件、輸入或輸出電容。由於採用FR4耐燃材料，電容較不受到來自開關或IC熱壓力的影響。雖然3D結構讓整個佈局變得更加複雜，但它具有更小的開關和控制迴路的優勢。其他重要的優點包括較小的面積以及防止反向工程的保護。
另一種方法是降低PCB的厚度。例如，在降壓轉換器的設計中，電感通常是最高的元件。如果需要非常扁平的設計，可能無法找到合適的薄型電感，而這項計劃實現了嵌入磁性元件的想法。但是當特定參數的晶片尺寸太大無法嵌入時，要如何嵌入所需的電感？磁性片材為解決之道。具有某些磁性特性且非常薄的材料(100-200μm)可加以切割成不同的形狀後置於PCB上。PCB的佈線形成了繞線結構。相較於緊湊但較高的晶片電感，這種電感擁有較大的面積，而且已經有好幾種採用這種技術的應用案例了。減少空間的最佳方法是讓電感的面積與PCB上其他小元件的面積差不多一樣(圖1)。
圖1：降壓轉換器的嵌入式環形電感器設計及繞組層。(圖片來源：AT&S和RECOM)
圖2描繪了內層中使用繞組環形磁芯形狀來形成環形電感。其他形狀和繞組結構也可能可行，取決於可用空間、必要的耦合、電流容量等因素。
圖2：降壓轉換器的嵌入式環形電感器設計側視圖，顯示PCB內的磁性片材。(圖片來源：AT&S和RECOM)
圖3則是一個簡單的1:1變壓器設計，磁性材料採用相同的環形磁芯形狀。嵌入式變壓器的優點是增加污染等級並降低爬電距離和間隙等要求。為了滿足更高電感值和更高電流，所需的面積明顯增加了。雖然磁片的嵌入過程已在更大的範圍上(10x10cm)得到驗證，但最理想的是較低電流的應用，最高到2A。有些參數會造成影響，例如繞組數量會增加電感的直流電阻(DCR)但降低整體效率。
圖3：具有明顯分離繞組的環形變壓器設計示例。(圖片來源：AT&S)
材料及可靠性
在計劃中測試了超過10種不同的磁性片材，以確定是否適合嵌入。如同晶片電感一樣，片材也有不同的屬性。這些片材在高壓下嵌入然後封裝至PCB中。為了評估電氣參數的穩定性和機械一致性，根據汽車標準(AEC Q200)對大量樣本進行長期的可靠性測試，包括溫度循環(2000次)、溫濕度偏壓(85℃、85%RH下1000小時)、高溫儲存(125℃下1000小時)、低溫儲存(-55℃下1000小時)，以及高度加速壓力測試(130℃、85% RH下96小時)。只有少數材料不但通過了這些測試，而且也沒有改變參數或造成PCB分層。由於有些材料會在嵌入過程中破裂，這些知識有助於在設計階段中運用此技術來避開風險。
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圖4：具有分層(左)和無分層(右)的嵌入式磁性片材橫截面。(圖片來源：AT&S)
大多數片材適用於1MHz至5MHz之間的開關頻率。除了對磁性片材進行測試以外，該計劃還專注於開發適合20MHz左右開關頻率的新型磁性材料。在幾項試驗的過程中成功產出了可嵌入的新型化合物。
晶片級整合
正如該計劃名稱所示，其目標之一是將GaN元件(開關)與CMOS驅動器整合在一起。為了符合整合過程的電氣和物理要求，GaN和Si元件歷經多次迭代的自行開發和製造。新開發的製程稱為晶圓直接鍵合(IBM)，能在切割之前鍵合兩個晶圓。這個複雜的過程仍在測試階段，但當克服預期的障礙後，這將是晶片整合的另一個里程碑，因為一個元件結合了兩種半導體材料的優點而達到兩全其美。實際上，驅動器和開關之間沒有寄生電感的話可以在數百MHz範圍內實現極高的開關頻率，其結果是被動元件(磁性元件和電容器)的尺寸必須夠小，進而大幅降低功率轉換的體積。
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