如何用新思科技的PDW解决功率半导体器件设计面临的挑战呢？

低功耗是当今芯片设计的核心，电动汽车（EV）、可再生能源、云计算和移动领域的应用尤其重视这一点。降低能耗可以带来巨大的优势，这一点不难理解。例如，可以缩短电动汽车的充电时间、提高加速以及延长续航里程等，而这一切都需要由高效的功率器件作为支撑。

功率半导体器件是电源管理系统的主要组成部分，通常用作开关器件和整流器，帮助调整电压或电流的频率。功率器件是设计在启用状态下运行的，所以我们的目标是优化在此状态下的性能表现。

除了效率外，功率器件还为系统或集成电路（IC）提供稳压电源，从而确保更可靠地运行。为追求更高的效率和可靠性，设备需使用更大的器件，但这不仅会导致成本增加，产品上市时间也有所延长。因此，许多功率器件开发者纷纷转向电阻率更低的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），希望能通过这些材料的特性在更小的封装中实现更高的效率。

在本文中，我们将进一步探讨功率半导体器件设计面临的挑战，并介绍新思科技的“Power Device WorkBench”如何帮助解决这些问题，及其有助于提高效率的关键功能。

功率半导体器件设计面临的严峻挑战

效率既是功率器件的关键指标，也是一项巨大考验，这一点不足为奇。器件的导通电阻是影响效率表现的主要因素。除了效率以外，其他问题也不容忽视，包括：

电流密度：确保设计符合电迁移（EM）规则

器件开启/关闭延迟：确保整个器件在定义的时间范围内开启

开关损耗

虽然设计尺寸不断增大，但还是要尽量使用较小的面积驱动较大的电流。这可能会导致EM故障，从而降低设计的可靠性。识别并解决这些问题，同时尽可能降低对其他方面影响，是功率器件设计面临的关键挑战之一。

因此，如何应对大型设计（尤其是SiC设计）的复杂性和尺寸难题对于企业至关重要。开发者必须考虑这些设计的高开关频率及大尺寸特性。设计尺寸过大就意味着栅极信号（器件激活的触发器）需要更长的时间才能传播到整个结构。这种延迟会导致器件的某些部分比其他部分先激活，从而造成电流分布不均匀、电流密度升高以及潜在的可靠性问题。

随着我们深入研发更大、更高效的设计，开关损耗已成为造成效率损失的主要原因。无晶圆厂半导体公司通常只能使用代工厂提供的晶体管，而集成器件制造商可以调整并强化晶体管，因而更具灵活性。开关损耗属于瞬态问题，所以需要进行详细分析来了解开关的影响。开发者必须要详细了解所作调整的整体影响，尤其对大型器件的固有复杂布线所作出的修改会带来什么后果。要想克服这些挑战，就需要直观呈现多个相似布局，并进行细致比较。

应对这些挑战需要采用全面的方法。于是，新思科技的“Power Device WorkBench”（以下简称PDW）应运而生，这是一款功能强大的解决方案，能够在不断发展的功率半导体领域中确保实现更高效率和可靠性。

为何选择Power Device WorkBench？

PDW是功率器件市场的领先工具，目前已广泛用于优化所有技术节点，甚至还能优化小至4nm技术节点，对于大型设计尤其有帮助。设计的初始布局可用后，开发者便可应用PDW，无缝覆盖整个开发过程，直到设计签核完成。

开发者在寻找优化功率晶体管和电子器件的工具时，比较关键的考虑因素包括：是否能够提高效率、快速比较不同设计和增强功能、审查不同布线方案、优化重布线层（RDL）以及快速纠正电迁移（EM）违例。

PDW的核心能力在于能够细致、快速地分析和仿真功率器件的复杂细节。该工具专注于仿真复杂金属互连中的电阻和电流，通过采用高吞吐量仿真引擎，PDW可帮助开发者优化金属布局和键合线配置等关键设计参数，并分析完整的栅极网络，这对于复杂的大型设计来说极为困难。这就能够帮助开发者设计出更优异的产品，并更快投放到市场中。

PDW的关键功能

PDW提供了一系列关键功能，提升了其作为专业工具的能力，从而能够在功率器件设计工具领域中脱颖而出。

分析各种尺寸的设计：PDW擅长处理各种尺寸的设计，突破了许多其他工具的限制，可以应对各种复杂的布线，帮助开发者全面了解导通电阻的影响，从而在此基础上做出针对性改进，最终提高功率器件的整体效率。

完整栅极网络处理：PDW能够无缝处理大型电路的完整栅极网络，也因此备受瞩目。这对于确保整个器件在极短的时间内开启至关重要，也是满足可靠性目标的关键因素。通过识别栅极网络中需要增强的特定区域，PDW可帮助开发者改善大型电路的可靠性。

封装处理：PDW不光适用于芯片本身，还可以用于优化设计的封装。在高效率设计中，封装起着关键作用。PDW能够处理封装内的重布线层，将该层连接到具有更宽金属的芯片位置，并帮助提高效率。此外，PDW有助于优化设计中的传感器布局，通过合理放置热传感器和电流传感器，确保功率器件能够正确运行。

自动纠正电迁移违例：当设计中的电流密度超过可接受的限值时，PDW能够准确查明所发生的情况，并明确金属层和电流密度的实际值，然后还会自动重新设计布线，解决EM问题并确保符合设计标准。

全面设计优化：PDW提供多个层面的方法来优化功率器件，包括改善导通电阻、优化栅极网络以确保及时激活、增强封装中的RDL，以及从设计面积入手来实现特定的电阻目标。

自动比较设计差异：PDW的一个突出特点在于，能够自动比较设计差异。当开发者做出调整时，PDW会迅速评估相关操作对每一层整体性能的影响。该功能可以让开发者了解局部调整对全局系统的影响，助其做出更明智的决策，从而为整体设计带来积极影响。

与PrimeSIM集成：开关损耗属于瞬态效应，所以PDW创建了可在PrimeSIM中使用的分布式器件模型。在瞬态仿真过程中，PDW可以随时显示设计的电流和电压图。

由此一来，PDW便能加快优化过程，帮助开发者在很短的时间内交付高质量结果。PDW不仅是工具，更是推动创新的催化剂，为开发者提供了突破功率器件效率和可靠性界限的方法。随着技术不断发展，PDW始终站在行业前沿，不仅有助于设计功率器件，还能够对其进行优化，实现更强的效率和可靠性。

审核编辑：刘清