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电动汽车驱动 GaN器件 机器学习 ★ 5.0

基于直接散热层键合的GaN功率器件在供电网络上的三维芯片集成

3-D On-Chip Integration of GaN Power Devices on Power Delivery Network (PDN) With Direct Heat Spreading Layer Bonding for Heterogeneous 3-D (H3D) Stacked Systems

作者 Jaeyong Jeong · Chan Jik Lee · Sung Joon Choi · Nahyun Rheem · Minseo Song · Yoon-Je Suh
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年4月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 GaN器件 机器学习
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 异构3D堆叠系统 电源分配网络 GaN功率器件 热管理 直接热扩散层键合
语言:

中文摘要

异构三维(H3D)堆叠系统在高性能计算(HPC)以及人工智能/机器学习(AI/ML)应用方面具有诸多优势。然而,要实现H3D系统,需要重新设计电源分配网络(PDN),以在三维堆叠系统中实现高效的电源传输,并需要热管理解决方案。为了为H3D系统开发高效的PDN,建议采用三维集成片上功率器件。在这项工作中,我们展示了一种通过直接热扩散层键合技术集成在CMOS芯片PDN上的H3D集成氮化镓(GaN)功率器件。该GaN功率器件设计为同时集成增强型(E - 模式)和耗尽型(D - 模式),栅长($L_{\text {G}}$)为1.5μm,栅漏间距($L_{\text {GD}}$)为15μm,导通电阻(${R}_{\scriptscriptstyle{\mathrm {on}}}$)达到22.3Ω·mm,击穿电压(${V}_{\text {BD}}$)为137V。这些结果突破了硅基功率器件的局限。此外,我们首次利用热反射显微镜(TRM)系统通过实验证明,直接热扩散层键合能有效缓解H3D集成GaN功率器件的热效应。通过引入热扩散层,与没有热扩散层的GaN功率器件相比,GaN功率器件的热阻(${R}_{\text {TH}}$)降低了48.8%。这些发现标志着PDN技术取得了重大进展,为支持H3D堆叠系统中高效电源传输和有效热管理的垂直集成有源PDN奠定了基础。

English Abstract

Heterogeneous 3-D (H3D) stacked systems offer numerous advantages for high-performance computing (HPC) and artificial intelligence/machine learning (AI/ML) applications. However, implementing H3D systems requires a re-designed power delivery network (PDN) for efficient power delivery in 3-D stacked systems and thermal management solutions. To develop an efficient PDN for the H3D system, a 3-D integrated on-chip power device is recommended. In this work, we demonstrate an H3D-integrated GaN power device on the PDN of a CMOS chip with direct heat-spreading layer bonding. The GaN power devices were designed to integrate both E-mode and D-mode with L_ G of 1.5~ m and L_ GD of 15~ m, and achieve a R_ {on} of 22.3~ mm and V_ BD of 137 V. These results surpass the limitation of silicon-based power devices. In addition, we experimentally demonstrated that direct heat spreading layer bonding effectively relaxed the thermal effect of H3D-integrated GaN power devices using a thermoreflectance microscopy (TRM) system for the first time. By introducing a heat spreading layer, the thermal resistance ( R_ TH ) of the GaN power device was reduced by 48.8% compared to GaN power devices without a heat spreading layer. These findings mark a substantial advancement in PDN technology, setting the stage for vertically integrated active PDNs that support efficient power delivery and effective thermal management in H3D stacked systems.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项GaN功率器件三维集成技术虽然目前主要面向高性能计算和AI/ML应用,但其核心创新对我们在光伏逆变器和储能系统领域具有重要的前瞻性价值。

该技术的关键突破在于两个方面:首先,GaN器件实现了22.3Ω·mm的导通电阻和137V的击穿电压,性能显著超越硅基器件,这与我们持续追求的高功率密度、高效率转换目标高度契合。其次,直接散热层键合技术使热阻降低48.8%,这为解决功率器件在高密度集成环境下的散热瓶颈提供了新思路。

对于阳光电源的产品线,这项技术的潜在应用场景包括:在组串式逆变器中,三维集成PDN架构可能实现更紧凑的功率级设计,提升单位体积的功率输出;在储能变流器PCS系统中,改进的散热管理方案有助于提高功率模块的可靠性和使用寿命;在电动汽车OBC/DCDC等车载电源产品中,小型化和轻量化优势尤为突出。

然而,该技术目前仍处于实验室验证阶段,距离工业化应用存在明显差距。主要挑战包括:GaN器件的成本控制、三维键合工艺的良率保证、以及从低压应用向中高压(如我们常用的1500V光伏系统)扩展的技术路径。建议我们的研发团队持续跟踪该技术方向,特别关注其在功率密度提升和热管理方面的创新方法论,适时开展与学术机构的合作研究,为下一代高密度功率电子产品储备技术能力。