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。