作为欧盟 GaNonCMOS 项目的一部分，一些公司和机构致力于将 GaN 集成到低功率 DC/DC 转换器中。
图1：可能的 GaN DC/DC 转换器的结构示意图，带有 MOSFET、无源元件和电路板上的集成。（图片：Recom）更小、更高效的电流互感器已成为过去几十年的趋势，预计未来仍将如此。这是通过新拓扑、新材料和新集成工艺实现的。新材料的整合是该项目的重点：欧盟资助GaNonCMOS 项目时的 Horizon 2020。该项目旨在在不同层次（PCB、堆栈和芯片）上实现 GaN 和 Si 的密集集成，开发适用于高开关频率和 PCB 嵌入的新型软磁材料。与在 650 V 范围内使用 GaN 材料的“主流”相比，该项目的兴趣在于用于服务器应用以及汽车和航空航天工业的 100 V 以下范围内的低功率 DC/DC 转换器。来自奥地利、比利时、德国、荷兰和爱尔兰的 11 家工业公司和研究机构参与了该项目。GaNonCMOS 项目
GaNonCMOS 项目的一部分是将 GaN 组件集成到 CMOS 驱动器中。为此，参与公司开发并制造了多种组件。这导致直接晶圆键合，在切割之前连接两个晶圆。这将导致驱动器和开关之间几乎不存在寄生电感，并实现高开关频率。该项目的成员包括：Katholieke Univeriteit Leuven、科克大学学院 - 爱尔兰国立大学（廷德尔 - UCC）、弗劳恩霍夫应用研究 EV 促进协会、IHP 有限公司 - 高性能微电子创新 / 莱布尼茨创新微电子研究所有限公司, EpiGan NV, IBM Research GmbH, AT&S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft AG, RECOM Engineering GmbH & CO KG, NXP Semiconductors Netherlands BV, X-FAB Semiconductor Foundries AG, PNO Innovation NV。嵌入电路板
该项目的主要重点之一是在电路板中嵌入组件。借助这项技术，可以在 PCB 核心中隐藏一个或多个组件。嵌入时最重要的限制是组件的厚度及其在各种环境条件下的行为。根据设计目标，可嵌入组件可以是 IC、开关或无源组件。通过使用连接到嵌入式组件端子的厚铜平面，可以创建明确定义的热路径。IC 和 MOSFET 封装可以非常靠近地放置在一起，从而降低寄生电感并实现更高的开关速度。小型无源元件，例如电阻器和电容器可以嵌入在同一个腔体中，只留下较大的组件，如磁铁、输入或输出电容器。由于采用 FR4 材料，因此开关或 IC 的热量对电容器的应力特别小。由于 3D 结构，整个布局变得更加复杂，但它可以具有更小的开关和控制回路的优势。其他重要的优势是较小的解决方案面积和防止逆向工程设计的保护。
图2：带有嵌入式环形铁芯线圈的降压转换器的构造，显示了绕组层。（图片：AT&S 和 RECOM）
另一种方法是降低电路板的高度。例如，在降压转换器中，电感器通常是最大的组件。如果需要非常扁平的解决方案，则可能无法找到合适的扁平电感。但是，如何嵌入具有特定参数的电感器，而芯片尺寸等价物太大而无法嵌入？在磁性板材料的帮助下，相关公司能够克服这一障碍。为此，开发团队将具有特定磁性的非常薄（100-200 μm）的材料切割成各种形状，并将它们放置在电路板上。所以PCB走线形成了绕线结构。这种电感器可以与片式电感器相比，它小巧但高大，需要比较大的面积。该团队还能够使用该技术设置多个演示器。减少空间需求的最佳解决方案是电感器表面与电路板上的其他小组件一样大（见图2）。所示插图显示了环形磁芯形状绕组位于内层，形成一个环形磁芯电感器（见图 2）。其他形状和其他绕组结构也是可能的，但这取决于可用空间、所需耦合、电流承载能力等因素。图 3 显示了一个简单的 1:1 变压器，它基于磁性材料的相同环形磁芯形状。嵌入式变压器的优点是污染程度更高，对爬电距离和电气间隙的要求更低。很明显，所需的面积随着电感值和电流的增加而增加。虽然嵌入磁片的过程也在更大的区域 (10 × 10 cm) 上得到验证，但其主要关注点主要是在较低电流范围内的应用 - 高达 2A。
图3：带有嵌入式环形磁芯线圈的降压转换器结构的侧视图，显示了电路板内部的磁片。
材料和可靠性
作为该项目的一部分，测试了 10 多种不同的板材材料，以确定它们是否适合嵌入。与片式电感的材质类似，板材的材质也不同。叶片在高压下嵌入，然后封装在电路板中。对大量样品进行了基于汽车标准（AEC-Q200）的长期可靠性测试，以评估电气参数的稳定性和机械耐久性。测试的例子是：温度变化（2000 次循环）；温湿度偏差（85℃、85%RH下1000小时）；高温储存（125℃下1000小时）；低温储存（-55°C下1000小时）；高度加速应力测试（130°C、85% RH 下 96 小时）。很少有材料通过这些测试而不会发生参数变化或电路板内的分层。这些知识有助于避免使用该技术进行设计时的主要风险，因为某些材料会在嵌入过程中破裂。
大多数这些板材适用于 1 MHz 和 5 MHz 之间的切换频率。除了测试磁盘材料外，该项目还专注于开发适用于 20 MHz 左右开关频率的新型磁性材料。几次尝试导致了一种新的组合，该组合也成功嵌入。
图 4：有分层（左）和无分层的嵌入式磁片的横截面。（图片：AT&S）
芯片级集成
顾名思义，项目目标之一是将 GaN 器件（开关）集成到 CMOS 驱动器中。作为项目的一部分，GaN 和 Si 组件均在内部经过多次迭代开发和制造，以满足集成过程的电气和物理要求。新开发的工艺称为直接晶圆键合 (IBM)，可在切割前将两个晶圆键合。这个复杂的过程仍处于测试阶段，但一旦克服了预期的障碍，这将是芯片集成的重要一步，因为两种不同的半导体材料在一个组件中结合了两全其美。实现数百 MHz 范围内的高开关频率。这导致对无源元件（磁铁和电容器）的尺寸要求最小，从而导致功率转换体积的极大减少。新闻来源：宽禁带半导体技术创新联盟，文中所述为作者独立观点，不代表icspec立场。更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议，请联系微信客服specltkj。
