GaNonCMOS – ヨーロッパでの研究におけるRECOMの取り組み POL統合の次のステップ

GaN材料の650V領域での "主流 "の用途とは異なり、このプロジェクトの関心領域は、サーバーアプリケーションや自動車・航空宇宙産業向けの100V以下のDC/DC変換-低電力PoLコンバータでした。このプロジェクトには、オーストリア、ベルギー、ドイツ、オランダ、アイルランドから11の産業界のリーダーや研究機関が参加しました。RECOMグループは、電力変換の分野で革新的かつ統合された（3DPP）、より信頼性の高いソリューションを提供するという同社の目標に沿って、これら新技術の開発に参加しました。

埋め込み

このプロジェクトのフォーカスの一つは、PCBへの部品の埋め込みでした。この技術では、1つまたは複数のコンポーネントをPCBコア内に隠すことができます。主な制限は、部品の厚さと、さまざまな環境条件下での動作です。埋め込み可能な部品は、設計の目的に応じて、IC、スイッチ、受動部品などになります。埋め込み部品のリードに接続された厚い銅プレーンを使用することで、有効な熱伝導パスを作ることができます。ICとMOSFETの本体を非常に近づけて配置することで、寄生インダクタンスを減らし、より高いスイッチング速度を実現することができます。

抵抗器やコンデンサなどの小型の受動部品を同じキャビティ内に組み込み、磁気部品や入力・出力コンデンサなどの大型部品だけを外部に出すことができます。また、FR4素材を使用することで、スイッチやICの熱によるコンデンサへの負担を軽減することができます。3D構造のため、レイアウト全体は複雑になりますが、スイッチングや制御ループが小さくなるというメリットもあります。その他の重要な利点としては、ソリューションエリアが小さくなることと、リバースエンジニアリングから設計を保護できることが挙げられます。

もう一つの方法は、PCBの高さを低くすることです。例えば、降圧コンバータの設計では、一般的にインダクタが最も背の高い部品となりますが、非常にフラットなソリューションが必要な場合、適切な低背のインダクタを見つけることができないかもしれません。このプロジェクトでは、磁気材を埋め込むというアイデアを実現しました。しかし、特定のパラメータを持つインダクタを埋め込むには、チップサイズの同等品では大きすぎます。このハードルをクリアしたのが、磁気シート素材です。特定の磁気特性を持つ非常に薄い素材（100〜200μm）をさまざまな形にカットして、プリント基板上に配置します。プリント基板の配線は、巻線構造になっています。このようなインダクタは、コンパクトだが高さのあるチップインダクタに比べて、比較的大きな面積を占めます。この技術を使ったデモ機がいくつか作られています。

スペース削減のための理想的なソリューションは、インダクタの面積が、プリント基板上に配置された他の小型部品と同じくらいの大きさになることです（図1参照）。この図では、リング状のコアの内層に巻線を配置し、トロイダル型のインダクタを実現しています（図2参照）。利用できるスペースや必要なカップリング、電流容量などに応じて、その他の形状や巻線構造も可能です。図3は、同じリングコア形状の磁性体をベースにしたシンプルな1：1トランスの設計例です。トランスを埋め込むことの利点は、汚染度が高まり、沿面・クリアランス要件が減少することです。より高いインダクタンス値とより高い電流を満たすために必要な面積が増加することは明らかです。磁性シートの埋め込みプロセスは、より大きな面積（10x10cm）でも検証されていますが、その主な対象は主に2Aまでの低電流範囲のアプリケーションです。最終的なインダクタのDCRを増加させ、全体的な効率を低下させる巻線の数などのパラメータがあります。

素材と信頼性

このプロジェクトでは、10種類以上のシート素材をテストし、埋め込みに適しているかどうかを検証しました。チップインダクタの材料と同様に、シートの材料も異なります。そのシートを高圧で埋め込んで、プリント基板に封入します。電気的パラメータの安定性と機械的な整合性を評価するために、多数のサンプルを用いて自動車規格（AEC Q200）に基づく長期信頼性試験を行いました。試験の例としては，温度サイクル（2000サイクル），温度湿度バイアス（85℃，85％RHで1000時間），高温保存（125℃で1000時間），低温保存（-55℃で1000時間），高加速ストレス試験（130℃，85％RHで96時間）などがあります。これらの試験の結果、パラメータの変化やプリントPCB内での層間剥離が発生せず合格した材料はわずかです。この結果は、本技術を使って設計する際、埋め込みプロセス中にクラックが発生する材料があるという大きなリスクを回避するのに役立ちます。

これらのシート材料の多くは、1MHzから5MHzのスイッチング周波数に適しています。このプロジェクトでは、磁性シート材のテスト以外に、20MHz前後のスイッチング周波数に適した新しい磁性材料の開発にも力を入れており、いくつかの試行錯誤を経て新しい化合物を埋め込むことにも成功しました。

チップレベルの統合

その名が示すように、プロジェクトの目標の一つは、GaNデバイス（スイッチ）をCMOSドライバーに統合することでした。このプロジェクトでは、統合プロセスにおける電気的・物理的要件を満たすために、GaNデバイスとSiデバイスの両方を独自に開発し、何度か繰り返して製造してきました。新たに開発されたプロセスは、ダイシングの前に2枚のウェハを接合するダイレクトウェハボンディング（IBM）と呼ばれるものです。この複雑なプロセスはまだ試行錯誤の段階ですが、予想される障害が克服されれば、2つの異なる半導体材料を1つのデバイスに使用することで、両者の長所を組み合わせたチップ統合の新たなマイルストーンとなるでしょう。現実的には、ドライバーとスイッチの間に寄生インダクタンスがなければ、数百MHzの範囲で極めて高いスイッチング周波数が可能になります。その結果、受動部品（磁性体やコンデンサ）のサイズが最小限に抑えられ、電力変換のための体積を大幅に削減することができます。

GaNonCMOS メンバー

Katholieke Univeriteit Leuven, University College Cork – National University of Ireland (Tyndall – UCC), Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der Angewandten Forschung E.V, IHP GmbH – Innovations for High Performance Microelectronics/Leibniz-Institut für Innovative Mikroelektronik GmbH, 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