Rad-hard超级结技术为太空旅行的未来提供动力和保护
作者：英飞凌IR HiRel产品应用工程师Jackson Heun
在为卫星等空间系统设计坚固、高密度的电源架构时，工程师必须应对各种设计复杂性，包括有限的电路板空间、功耗要求和破坏性的辐射效应。为了应对这些挑战并达到峰值运行性能和可靠性，有必要探索新的抗辐射（RH）MOSFET设计，而不是传统选项。了解超结技术，了解其对RH功率MOSFET性能的影响，并确定它们如何帮助在太空中创建高效的电源系统。
为了超越传统平面栅极垂直双扩散功率MOSFET（VDMOSFET）建立的硅限制，设计人员在MOSFET的外延层（也称为器件的“有源”区，器件工作时功率级电流将在该层流动）中注入掺杂半导体柱。
图1说明了使用N沟道选项的两种功率MOSFET风格之间的关键区别。这些柱具有与外延区相反的电荷浓度，以实现“电荷平衡”，从而减少功率MOSFET在施加漏极到源极电压（VDS）偏压时所经历的电应力。因此，制造商可以更大量地掺杂超结功率MOSFET（SJMOSFET）的有源区，以降低器件的漏极到源极电阻R
DS(on)，而不会损害器件的电压阻断能力。
随着导电能力的增强，可以为SJMOSFET开发更小的管芯尺寸，从而减少其他元件特性，如寄生电容、栅极电荷要求和主要取决于器件尺寸的开关时间。第一个SJMOSFET于20世纪90年代末发布，用于商业地面应用。这些超级结柱最近被混合到一种设备中，该设备旨在承受来自各种来源的有害辐射，以产生RH变体。现在将检查几个指标，以了解RH SJMOSFET如何提供优于传统RH VDMOSFET的性能。
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图1: N沟道SJMOSFET（a）和N沟道VDMOSFET（b）的半单元（Half-cell）图
由于掺杂丰富的外延层，RH SJMOSFET系列在安全工作面积（SOA）方面比传统RH VDMOSFET系列有了显著提高。例如，图2显示了几个RH P沟道SJMOSFET（表示为R9）与几个RH P通道VDMOSFET（表示为主R5）之间的SOA差异。
如SOA图所示，超结技术使RH SJMOSFET能够在相同的有效面积和额定电压下提供优于RH VDMOSFET的R
DS(on)。考虑这些RH SJMOSFET与航天器上关键直流母线的负载切换或有源定向应用中的传统等效物相比如何。凭借RH SJMOSFET增强的载流能力，这些器件可以放置在大电流配电系统中，或者实现传统RH VDMOSFET选项无法支持的更有效的解决方案（人们可以选择使用更大的选项，但对于空间电力系统来说，有价值的尺寸和重量权衡可能是站不住脚的）。接下来，让我们来看看RH SJMOSFET在开关时与传统几代相比如何。
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图2：尽管采用了相同的封装（SMD-0.5外壳），但这三个RH SJMOSFET的SOA与RH VDMOSFET相比显著增加
在开关模式电源（SMPS）中，高频开关损耗往往主导着许多类型的功率MOSFET的导通。这些开关损耗与功率MOSFET相关的三个寄生电容的大小有关：输出电容（C
oss）、输入电容C
iss和反向传输电容（C
rss）。较大的MOSFET通常具有较大的寄生电容。对于SJMOSFET，它们以具有非线性（C
oss）而闻名。超结柱驱动（C
oss）的这种非线性行为，因为增加的V
DS偏压会在柱上感应出更强的电场；随着嵌入电荷的分散，支柱的有效贡献（C
oss）降低。图3显示了100V N沟道RH SJMOSFET（R9）和更大管芯尺寸的100V N通道RH VDMOSFET（R6）的（C
oss）、C
iss和C
rss如何随V
DS变化。尽管R9的有效面积比R6小75%，但R
DS(on)的差异并不相同（分别为34 mΩ和10 mΩ）。
请注意，在图3中，R9的（C
oss）和C
iss相较于R6大幅减少，而导电性没有显著降低，从而为许多拓扑的SMPS提供了更高的效率。传统的RH VDMOSFET没有提供类似的机会。为了提供RH SJMOSFET一代的完整描述，接下来将讨论它们的辐射性能。
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图3: RH SJMOSFET（R9）和等效额定RH VDMOSFET（R6）的寄生电容的典型比较
RH功率MOSFET专门设计用于承受重离子辐射的破坏性影响，如总感应辐射（TID）退化或单事件效应（SEE），与为地面应用设计的功率MOSFET不同，如果在太空中使用，可能会受到不可逆转的损坏，导致卫星电源系统瘫痪。
让我们来看看太空中高功率电子设备的一个常见问题：当具有高线性能量转移（LET）值的重离子穿过偏置（但不活跃）功率MOSFET的外延层时，破坏性的单事件烧坏（SEB）可能会开始显现，从而在器件内引发高浓度的电荷。
这种电荷的移动可能会偶然激活功率MOSFET源极、基极和外延区交叉处的寄生双极晶体管结（BJT）（再次参考图1），从而使高功耗的失控电流在整个器件中生长。
高压功率MOSFET特别容易过热，因为它们通常掺杂较轻。凭借超结技术为RH SJMOSFET提供的所有组件优势，它们通常也比传统的RH VDMOSFET替代品具有更大的抗辐射完整性。
请记住，超结段允许R9器件比传统器件掺杂得更丰富。因此，RH SJMOSFET可以从离子撞击中经历更多的附带电流传播，随后恢复，并更有可能避免SEB。图4比较了类似尺寸的100V RH SJMOSFET和100V RH VDMOSFET的SEE-SOA和TID后电气特性，以举例说明RH SJMOSFET所具有的提高的辐射生存能力。
考虑一下，当受到89.8的高LET时，100V RH SJMOSFET不需要VDS降额，而100V RH VDMOSFET不能安全地超过50V。对于需要总线电压大于50V的系统，如果预计任务中存在高LET重离子，则必须选择更高电压的RH VDMOSFET（从而包括传导效率）。此外，图4显示了与RH VDMOSFET相比，RH SJMOSFET在各种TID水平下不会显著退化。通常，空间电源系统设计人员能够通过通用的封装选择找到传统RH VDMOSFET选项的RH SJMOSFET替代品。
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图4: 100V RH SJMOSFET和100V RH VDMOSFET的SEE-SOA和TID后电气参数
多年来，许多RH功率MOSFET已采用多种表面贴装技术（SMT）封装，包括SMD-2、SMD-0.5和SMD-0.2。当使用FR-4或聚酰亚胺等材料安装到PCB上，并经受-55℃至150℃的军事范围等极端热循环条件时，这些传统封装显示出明显的焊点疲劳和密封性损失。
因此，这些封装需要安全地安装载体，从而增加了额外的封装电阻和电感。人们一直在寻求新的封装技术来减轻环境影响，以适当地支持RH SJMOSFET提供的电源系统性能提升。例如，SMD-2的大尺寸使该封装特别容易受到破坏性热应力效应的影响。
一种新的替代选择，如尺寸小35%的SupIR SMD，其宽而弯曲的封装引线提供了热应力释放（现在不需要载体）和相同的高载流能力。较小的封装选项，如SMD-0.5和SMD-0.2，也可能出现明显的焊点开裂；SMD-0.5e和SMD-0.2e等改进型产品采用更多陶瓷制造，具有高导电性、混合材料垫，可更有效地传递热量。通过RH SJMOSFET实现更小的管芯尺寸，开发了密封陶瓷封装SMD-0.1（测量尺寸为5.72 x 3.94 x 1.96 mm
3），以确保占用最小的电路板空间。
图5显示了这四种最适合最大限度地提高RH SJMOSFET性能的先进封装概念。
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图5：这里显示了四种新的空间级密封封装：SupIR SMD（a）、SMD-0.5e（b）、SMD-0.2e（c）、SMD 0.1（d）
随着航天器的能力随着边缘计算等新系统的加入和耗电量大的人工智能的实施而扩展，电力系统密度和效率的快速提高至关重要。MIL-PRF-19500 JANS R9和ESCC-500 RH PowerMOS产品系列具有-200V至650V的VDS等级、多种芯片尺寸和封装选项，具有N通道和P通道选项，已被证明具有支持许多太空应用的飞行传统。
如需深入了解英飞凌科技IR HiRel（IFX IR HiRel）的R9和RH PowerMOS产品，请访问
https://www.infineon.com/cms/en/product/high-reliability/space/power/rad-hard-mosfets/
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