低功耗是當今芯片設計的核心,電動汽車(EV)、可再生能源、云計算和移動領域的應用尤其重視這一點。降低能耗可以帶來巨大的優勢,這一點不難理解。例如,可以縮短電動汽車的充電時間、提高加速以及延長續航里程等,而這一切都需要由高效的功率器件作為支撐。
功率半導體器件是電源管理系統的主要組成部分,通常用作開關器件和整流器,幫助調整電壓或電流的頻率。功率器件是設計在啟用狀態下運行的,所以我們的目標是優化在此狀態下的性能表現。
除了效率外,功率器件還為系統或集成電路(IC)提供穩壓電源,從而確保更可靠地運行。為追求更高的效率和可靠性,設備需使用更大的器件,但這不僅會導致成本增加,產品上市時間也有所延長。因此,許多功率器件開發者紛紛轉向電阻率更低的碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN),希望能通過這些材料的特性在更小的封裝中實現更高的效率。
在本文中,我們將進一步探討功率半導體器件設計面臨的挑戰,并介紹新思科技的“Power Device WorkBench”如何幫助解決這些問題,及其有助于提高效率的關鍵功能。
功率半導體器件設計面臨的嚴峻挑戰
效率既是功率器件的關鍵指標,也是一項巨大考驗,這一點不足為奇。器件的導通電阻是影響效率表現的主要因素。除了效率以外,其他問題也不容忽視,包括:
電流密度:確保設計符合電遷移(EM)規則
器件開啟/關閉延遲:確保整個器件在定義的時間范圍內開啟
開關損耗
雖然設計尺寸不斷增大,但還是要盡量使用較小的面積驅動較大的電流。這可能會導致EM故障,從而降低設計的可靠性。識別并解決這些問題,同時盡可能降低對其他方面影響,是功率器件設計面臨的關鍵挑戰之一。
因此,如何應對大型設計(尤其是SiC設計)的復雜性和尺寸難題對于企業至關重要。開發者必須考慮這些設計的高開關頻率及大尺寸特性。設計尺寸過大就意味著柵極信號(器件激活的觸發器)需要更長的時間才能傳播到整個結構。這種延遲會導致器件的某些部分比其他部分先激活,從而造成電流分布不均勻、電流密度升高以及潛在的可靠性問題。
隨著我們深入研發更大、更高效的設計,開關損耗已成為造成效率損失的主要原因。無晶圓廠半導體公司通常只能使用代工廠提供的晶體管,而集成器件制造商可以調整并強化晶體管,因而更具靈活性。開關損耗屬于瞬態問題,所以需要進行詳細分析來了解開關的影響。開發者必須要詳細了解所作調整的整體影響,尤其對大型器件的固有復雜布線所作出的修改會帶來什么后果。要想克服這些挑戰,就需要直觀呈現多個相似布局,并進行細致比較。
應對這些挑戰需要采用全面的方法。于是,新思科技的“Power Device WorkBench”(以下簡稱PDW)應運而生,這是一款功能強大的解決方案,能夠在不斷發展的功率半導體領域中確保實現更高效率和可靠性。
為何選擇Power Device WorkBench?
PDW是功率器件市場的領先工具,目前已廣泛用于優化所有技術節點,甚至還能優化小至4nm技術節點,對于大型設計尤其有幫助。設計的初始布局可用后,開發者便可應用PDW,無縫覆蓋整個開發過程,直到設計簽核完成。
開發者在尋找優化功率晶體管和電子器件的工具時,比較關鍵的考慮因素包括:是否能夠提高效率、快速比較不同設計和增強功能、審查不同布線方案、優化重布線層(RDL)以及快速糾正電遷移(EM)違例。
PDW的核心能力在于能夠細致、快速地分析和仿真功率器件的復雜細節。該工具專注于仿真復雜金屬互連中的電阻和電流,通過采用高吞吐量仿真引擎,PDW可幫助開發者優化金屬布局和鍵合線配置等關鍵設計參數,并分析完整的柵極網絡,這對于復雜的大型設計來說極為困難。這就能夠幫助開發者設計出更優異的產品,并更快投放到市場中。
PDW的關鍵功能
PDW提供了一系列關鍵功能,提升了其作為專業工具的能力,從而能夠在功率器件設計工具領域中脫穎而出。
分析各種尺寸的設計:PDW擅長處理各種尺寸的設計,突破了許多其他工具的限制,可以應對各種復雜的布線,幫助開發者全面了解導通電阻的影響,從而在此基礎上做出針對性改進,最終提高功率器件的整體效率。
完整柵極網絡處理:PDW能夠無縫處理大型電路的完整柵極網絡,也因此備受矚目。這對于確保整個器件在極短的時間內開啟至關重要,也是滿足可靠性目標的關鍵因素。通過識別柵極網絡中需要增強的特定區域,PDW可幫助開發者改善大型電路的可靠性。
封裝處理:PDW不光適用于芯片本身,還可以用于優化設計的封裝。在高效率設計中,封裝起著關鍵作用。PDW能夠處理封裝內的重布線層,將該層連接到具有更寬金屬的芯片位置,并幫助提高效率。此外,PDW有助于優化設計中的傳感器布局,通過合理放置熱傳感器和電流傳感器,確保功率器件能夠正確運行。
自動糾正電遷移違例:當設計中的電流密度超過可接受的限值時,PDW能夠準確查明所發生的情況,并明確金屬層和電流密度的實際值,然后還會自動重新設計布線,解決EM問題并確保符合設計標準。
全面設計優化:PDW提供多個層面的方法來優化功率器件,包括改善導通電阻、優化柵極網絡以確保及時激活、增強封裝中的RDL,以及從設計面積入手來實現特定的電阻目標。
自動比較設計差異:PDW的一個突出特點在于,能夠自動比較設計差異。當開發者做出調整時,PDW會迅速評估相關操作對每一層整體性能的影響。該功能可以讓開發者了解局部調整對全局系統的影響,助其做出更明智的決策,從而為整體設計帶來積極影響。
與PrimeSIM集成:開關損耗屬于瞬態效應,所以PDW創建了可在PrimeSIM中使用的分布式器件模型。在瞬態仿真過程中,PDW可以隨時顯示設計的電流和電壓圖。
由此一來,PDW便能加快優化過程,幫助開發者在很短的時間內交付高質量結果。PDW不僅是工具,更是推動創新的催化劑,為開發者提供了突破功率器件效率和可靠性界限的方法。隨著技術不斷發展,PDW始終站在行業前沿,不僅有助于設計功率器件,還能夠對其進行優化,實現更強的效率和可靠性。
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原文標題:擺脫續航焦慮,用TA實現低功耗芯片設計的next level
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