效率是當(dāng)今芯片設(shè)計(jì)的核心，尤其是電動(dòng)汽車 (EV)、可再生能源、云計(jì)算和移動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用。 不難看出為什么減少能量損失可以帶來(lái)巨大的好處。 例如，在電動(dòng)汽車中，我們可以體驗(yàn)到更短的充電時(shí)間、更快的加速、更長(zhǎng)的續(xù)航里程等等，這些優(yōu)勢(shì)的根源在于高效的功率器件。
功率半導(dǎo)體器件是電源管理系統(tǒng)的主力。 它們通常用作開(kāi)關(guān)和整流器，能夠改變電壓或頻率。 由于它們?cè)O(shè)計(jì)為在開(kāi)啟狀態(tài)下運(yùn)行，因此目標(biāo)是優(yōu)化該模式下的使用。
除了效率之外，功率器件還為系統(tǒng)或集成電路 (IC) 提供穩(wěn)壓電源，確保更可靠的運(yùn)行。 對(duì)更高效率和可靠性的追求催生了對(duì)更大設(shè)備的需求，從而增加了成本和上市時(shí)間。 這是功率器件設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 的原因之一； 這些材料的電阻率較低，可以在較小的封裝中實(shí)現(xiàn)更高的效率。
設(shè)計(jì)功率半導(dǎo)體器件的最大挑戰(zhàn)
毫不奇怪，效率既是功率器件最重要的指標(biāo)，也是最大的挑戰(zhàn)。 效率的驅(qū)動(dòng)力主要通過(guò)器件的導(dǎo)通電阻來(lái)衡量。 除了效率之外，其他幾個(gè)挑戰(zhàn)也需要關(guān)注，包括：
? 電流密度：確保設(shè)計(jì)符合電遷移 (EM) 規(guī)則
? 器件打開(kāi)/關(guān)閉延遲：確保整個(gè)設(shè)備在定義的時(shí)間窗口內(nèi)打開(kāi)
? 開(kāi)關(guān)損耗
盡管設(shè)計(jì)尺寸不斷增加，但主要目標(biāo)是通過(guò)盡可能小的面積驅(qū)動(dòng)最大電流。 這有可能導(dǎo)致電磁問(wèn)題，使設(shè)計(jì)不可靠。 識(shí)別這些問(wèn)題并在沒(méi)有其他影響的情況下解決它們是功率器件設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)之一。
因此，應(yīng)對(duì)大型設(shè)計(jì)（尤其是 SiC 設(shè)計(jì)）的復(fù)雜性和尺寸已成為一個(gè)重要因素。 設(shè)計(jì)人員必須考慮這些設(shè)計(jì)的高開(kāi)關(guān)頻率特性及其尺寸。 這些設(shè)計(jì)的巨大尺寸意味著柵極信號(hào)（器件激活的觸發(fā)器）可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能傳播到整個(gè)結(jié)構(gòu)。 這種延遲會(huì)導(dǎo)致器件的某部分先于其他部分激活，從而導(dǎo)致電流分布不均勻、電流密度更高以及潛在的可靠性問(wèn)題。
隨著我們深入研究更大、更高效的設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)損耗已成為效率損失的一個(gè)重要因素。 集成器件制造商可以改變和增強(qiáng)晶體管，從而比無(wú)晶圓廠公司更具靈活性，后者通常只能使用代工廠提供的晶體管。 由于這是一個(gè)瞬態(tài)問(wèn)題，因此需要進(jìn)行詳細(xì)分析以了解開(kāi)關(guān)切換的影響。了解變更的整體影響，尤其是大型器件固有的復(fù)雜路由至關(guān)重要，可視化和比較多個(gè)相似布局的影響的能力成為克服這些挑戰(zhàn)的重要依靠。
新思的Power Device Workbench解決方案，可確保在不斷發(fā)展的功率半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)最高效率和可靠性。
為什么選擇Power Device Workbench？
Power Device Workbench (PDW) 是功率器件市場(chǎng)的領(lǐng)先工具。 PDW 已用于優(yōu)化低至 4nm 的所有技術(shù)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，對(duì)于大型設(shè)計(jì)尤其有幫助。 一旦設(shè)計(jì)的初始布局可用，設(shè)計(jì)師就應(yīng)用 PDW，無(wú)縫地伴隨開(kāi)發(fā)過(guò)程，直到設(shè)計(jì)完成核簽。
當(dāng)設(shè)計(jì)人員在尋找優(yōu)化功率晶體管和電子器件的工具時(shí)，最重要的因素包括提高效率、快速比較不同設(shè)計(jì)和增強(qiáng)功能、審查不同布線方案、優(yōu)化重新分布層 (RDL) 以及快速糾正電遷移 (EM) 違規(guī)的能力。
PDW 的核心能力在于其能夠細(xì)致、快速地分析和模擬功率器件的復(fù)雜細(xì)節(jié)。 該工具專注于復(fù)雜金屬互連內(nèi)的電阻和電流。 通過(guò)采用高吞吐量仿真引擎，PDW 使工程師能夠優(yōu)化金屬布局和鍵合線配置等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，并分析完整的柵極網(wǎng)絡(luò)（這在大型復(fù)雜設(shè)計(jì)中極其困難）。 從而使產(chǎn)品可以更快地投放市場(chǎng)。
PDW主要特性
Power Device Workbench 提供了一套關(guān)鍵功能，可提升其功能并與該領(lǐng)域的其他工具區(qū)分開(kāi)來(lái)。
分析各種尺寸的設(shè)計(jì)：PDW 擅長(zhǎng)處理各種尺寸的設(shè)計(jì)，超越了許多其他工具的限制。 其功能擴(kuò)展到解決所有類型的布線復(fù)雜性，使設(shè)計(jì)人員能夠全面了解導(dǎo)通電阻。 這種洞察成為有針對(duì)性的改進(jìn)的基礎(chǔ)，最終提高功率器件的整體效率。
全柵極網(wǎng)絡(luò)處理：對(duì)于大型電路，PDW 通過(guò)無(wú)縫處理全柵極網(wǎng)絡(luò)占據(jù)中心位置。 這對(duì)于確保整個(gè)設(shè)備在很短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟至關(guān)重要，這是滿足可靠性目標(biāo)的關(guān)鍵因素。 通過(guò)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中需要增強(qiáng)的特定區(qū)域，PDW 可以幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化大型電路的可靠性。
封裝處理：PDW 超越了芯片本身，包括了設(shè)計(jì)封裝。 在高效率設(shè)計(jì)中，封裝起著關(guān)鍵作用。 PDW 導(dǎo)航封裝內(nèi)的重新分布層，將其連接到具有更寬金屬的芯片位置，并有助于提高效率。 此外，PDW 有助于在設(shè)計(jì)中優(yōu)化傳感器布局，通過(guò)熱傳感器和電流傳感器定位確保功率器件的正確運(yùn)行。
自動(dòng)糾正電遷移違規(guī)：當(dāng)設(shè)計(jì)內(nèi)的電流密度超過(guò)可接受的限度時(shí)，PDW 會(huì)精確地查明發(fā)生情況并指定金屬層和電流密度的實(shí)際值。 然后，它會(huì)自動(dòng)重新布線設(shè)計(jì)，消除電磁問(wèn)題并確保符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
全面的設(shè)計(jì)優(yōu)化：無(wú)論是改善導(dǎo)通電阻、優(yōu)化柵極網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)及時(shí)激活、增強(qiáng)封裝中的 RDL，還是探索設(shè)計(jì)領(lǐng)域以實(shí)現(xiàn)特定的電阻目標(biāo)，PDW 都提供了優(yōu)化功率器件的多方面方法。
自動(dòng)比較設(shè)計(jì)差異：PDW 的一個(gè)突出特點(diǎn)是它能夠自動(dòng)比較設(shè)計(jì)差異。 當(dāng)設(shè)計(jì)人員做出更改時(shí)，PDW 會(huì)迅速評(píng)估對(duì)每一層整體性能的影響。 這種能力對(duì)于理解局部修改的全局影響非常寶貴，使設(shè)計(jì)人員能夠做出對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)生積極影響的明智決策。
與 PrimeSIM 集成：由于開(kāi)關(guān)損耗是瞬態(tài)效應(yīng)，PDW 創(chuàng)建了 PrimeSIM 使用的分布式器件模型。 PDW可以在瞬態(tài)仿真過(guò)程中隨時(shí)顯示設(shè)計(jì)的電流和電壓圖。
最終，PDW 加速了優(yōu)化過(guò)程，在很短的時(shí)間內(nèi)提供高質(zhì)量的結(jié)果。 PDW 不僅作為一種工具，而且作為創(chuàng)新的催化劑，為工程師提供了突破功率器件效率和可靠性界限的方法。 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，PDW 始終處于最前沿，確保功率器件不僅經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，而且經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)最高效率和可靠性。
