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COMPANY CONFIDENTIAL 1

COMPANY CONFIDENTIAL

Low RDSon NextPowerS3 25V, 30V & 40V

April 19, 2023

3

30V LFPAK56 Types Max RDSon mΩ (10V) Typ. RDSon mΩ (10V) Status

PSMN0R9-30YLD 0.87 0.67 Production





PSMN2R4-30MLD 2.4 2 Production

超低導通阻抗MOSFETs

25/30 伏特超低導通阻抗結合了優異的安全工作區域 SOA ( 稍後詳述 ),

特別適合 OR-ing 及熱切換線路應用 , 同樣也適合同步整流應用 .





PSMN0R7-25YLD 0.74 0.57 Coming Soon


低導通阻抗 low RDSon = 降低傳導損失

4

S

G

D (n+ substrate)

SG

S

G

D

S

G

S

S S

channels

more heavilydoped n-type

drift region

p-typepillars

D (n+ substrate)

Typical Competitor NextPowerS3

RDSon = Rchannel + Rdrift + Rsubstrate + (Rpackage)

Source Metal

p-bodychannels

cellpitch

p-typedrift

region



5

S

G

D (n+ substrate)

SG

S

G

D

S

G

S

S S

channels


drift region

p-typepillars

D (n+ substrate)



Source Metal

p-bodychannels

其他競爭對手透過降低溝槽間距以增加通道並聯數量來達到降低導通阻抗的目的

cellpitch

p-typedrift

region



6

S

G

D (n+ substrate)

SG

S

G

D

S

G

S

S S

channels


drift region

p-typepillars

D (n+ substrate)



Source Metal

p-bodychannels

其他競爭對手透過降低溝槽間距以增加通道並聯數量來達到降低導通阻抗的目的

cellpitch

Superjunction’s 則是提高 drift 層離子濃度以降低阻抗而非依賴降低溝槽間距

p-typedrift

region


Power MOSFET Structures

April 19, 20237

典型的競爭對手 (split-gate trench)

NextPowerS3(super-junctiontrench)S

G

D

S SG

D

SG

G

D

S

S S

G

D

S

S

G

D

S

S

G

D

S

G

D

S

S

G

D

S

G

D

S

S S

G

D

S溝槽間距

競爭對手 I: 0.8µm

競爭對手O:

0.8µm

競爭對手 F:

1.0µm

Cell Pitch

NXP: 1.5µm


NextPowerS3 – 完美平衡適用切換式直流電源轉換應用

9

RDSon Qg

FOM

低導通阻抗 MOSFET降低傳導損失 (I2R) , 尤其是在高負載狀態更顯重要

低閘極電荷降低切換損失 , 對高頻應用尤其重要

MOFET 的質量指標 Figure of Merit (FOM) 是計算導通阻抗及閘極電荷的乘積 . 乘積的值越低代表MOSFET 在切換式應用的效能越好

MOSFET 設計上的挑戰低導通阻抗需要較大的芯片面積 .

低閘極電荷需要較小的芯片面積 .

要生產出同時擁有低導通阻抗又符合低閘極電荷是對於 MOSFET 製造商的挑戰

Welcome to NextPowerS3…


RDSon Matching

在比較 NextPowerS3 與競爭對手的效能時 , 相近RDSon 的組合通常在整段負載區段都表現出效能優勢 . 這是由於雙方案例在傳導損方面是一樣的 , 因此切換損較低的優勢就會被凸顯出來

Benchmarking Peak Efficiency

10

Load Current

Efficiency

Typical Competitor Typical Competitor

RDSon matchedNextPowerS3

Higher RDSon

NextPowerS3Peak

Peak

Load Current

Efficiency

Using a Higher RDSon

NextPowerS3 使用 RDSon 稍大的規格 , Qg 可以進一步降低 , 這可以幫助提升最高點的效率 . 在重載區段雖然傳導損失較大 , 但是和切換損的優勢抵銷後仍可得到相近的效能 .


Low Qg NextPowerS3 30V & 40V

April 19, 2023

11

30V LFPAK56 Types RDSon mΩ (Max. @ 10V) Qg nC Status

PSMN0R9-30YLD 0.87 51 Production







PSMN6R0-30YLD 6 6 Production

PSMN6R1-30YLD 6 6 Production






Balancing RDSon and Qg

超低 RDSon 是針對像是OR-ing 及熱切換等切換速度不快的應用設計 , 也適用於同步整流 .

如 PSMN1R2-30YLD 這類RDSon & Qg 平衡的品項在直流交換式電源轉換應用能展現出傑出的效能





超快速切換 = 降低切換損耗

12

S

G

D (n+ substrate)

SG

S

G

D

S

G

S

S S

channels

more heavilydoped n typedrift region

p typepillars

D (n+ substrate)


Source Metal

p bodychannels

切換損發生在寄生電容充放電期間 (Qgs, Qgd, Cgs, Cgd, Coss parameters). 嚴謹的控制結構加上單位面積較少的溝槽數給予最小的切換損失

cellpitch

n typedrift

region


降壓式電源轉換應用的高效能上橋

NextPowerS3 系列中特定種類有為快速切換應用的上橋做優化 (Control FET)

低閘極組抗 Low Rg

多層佈局

Multi-busbar layout

April 19, 2023

13

VIN

ControlFET

Sync.FET

FETDriver

PWM VOUT

Type RDSon

(max @ 10V)Rg Busbar

sRecommended

Usage

PSMN6R0-30YLD 6mΩ 2.7Ω 0 General purpose

PSMN6R1-30YLD 6mΩ 0.4Ω 3 Fast-switching Control FET


降壓式電源轉換應用的高效能上橋大瓦數伺服器應用

NextPowerS3 針對高效率大瓦數應用的建議組合

最佳電源密度及熱對策

上橋 HS : LFPAK33

下橋 LS : LFPAK56

Conversion– 12V – 5, 3.3, 2.5V– 12V – 1.8, 1.2, 1V

April 19, 2023

14

VIN

ControlFET

Sync.FET

FETDriver

PWM VOUT

Type RDSon

(max @ 10V)Rg Busbars Recommended

Usage

PSMN1R0-30YLD 1mΩ 1.1Ω 1 SyncFET

PSMN4R2-30MLD 4mΩ 0.4Ω 3 Fast-switching Control FET


NextPowerS3 BenchmarkingOperation @ 300KHz

15

Load (A)

Eff

icie

ncy

Single Phase Synchronous Buck Regulator3x3mm Control FET ~7mΩ5x6mm Sync FET ~4mΩ (2 off)1H/2LNominal 19V input1.8V output



16

隨著切換頻率上升 , 效率曲線開始分散展開 , NextPowerS3 在頂尖的群組


Load (A)

Eff

icie

ncy



17

… 同樣的

更高頻率 = 更多切換次數 = NextPowerS3 切換效能的優勢更顯現


Load (A)

Eff

icie

ncy


Higher Switching Frequency = Smaller Inductors

Switching Frequency

Inductor Specification

Footprint Volume Weight

300kHz PA0515.321NLT11.2 x 11.2

= 125.44mm²

11.2 x 11.2 x 9 =

1129mm³4.5g

700kHz PA0511.201HL

10 x 7 =

70mm²

44% saving

10.2 x 7 x 5 =

350mm³

69% saving

1.35g

70% saving

1100kHz PA0512.101NLT

7 x 7 =

49mm²

61% saving

7 x 7 x 5 =

245mm³

78% saving

0.94g

79% saving

18


Leakage problem?

高效率

低突波尖峰

Schottky Plus- 擁有集成蕭特基二極體的優點但是沒有高洩漏電流的問題


4mΩ NextPowerS3

4mΩ MOSFET with integrated Schottky diode

Drain-Source Voltage (VDS)

Typ

ical

Dra

in L

eaka

ge

Cu

rren

t (I

DS

S)

VGS = 0VTj = 125oC

NextPowerS3 Low Leakage current

100nA

1µA

10µA

100µA

1mA

10mA

(PSMN4R0-30YLD)


為什麼洩漏電流的高低如此重要 ?

降低效率– PWM 電路依賴上下橋 MOSFET 不斷的開啟關閉 . 高洩漏電流意味MOSFET 一直沒

有完全的關斷 ,所以溫度上升 (影響導通阻抗增加 ) 因而系統效率受影響降低

縮短電池待命時間– 筆記型電腦及其他手持式電子儀器 ,即使設備已經關機 , 電池因為持續的洩漏電流導致

充電後的使用時間縮短

更高的缺陷風險– 生產過程中製造商透過測量監控 , 發現洩漏電流較高的數值即可篩檢出有缺陷的

MOSFET. 但是集成蕭特基二極體的 MOSFET 種類由於與生俱來的高洩漏電流特性而無法使用這種測量監控手法 , 因此增加把缺陷產品交付到客戶手上的風險

22

NXP獨特的 “ SchottkyPlus” 技術 ,意味著 NextPowerS3 不會遭逢這些洩漏電流過高的相關問題 , 並且能加強管控維持高可靠度


高突波問題

快速切換的 MOSFETs 對效率提升是有益的 , 但…

高突波尖峰

過多震鈴

寄生電容所偶合到閘極的電壓彈跳

上下橋”直通”的風險

VIN

ControlFET

Sync.FET

FETDriver

PWM VOUT

EMI 問題可靠性擔憂

耐壓餘裕度需求


NextPowerS3 突波解決方案

優化輸出電容– 優化處理以吸收寄生電感的能量– 抑制開關節點突波尖峰– 減少震鈴

優化本體二極體及溝槽結構– 降低 Qrr

– 軟恢復特性 (tb/ta >1)

“SchottkyPlus” 技術– 一樣有集成蕭特基二極體的優點但是沒有洩

漏電流的問題– 更佳的可靠度


NextPowerS3 Spike Improvement

26

VDS VDS

VGSVGS

較低的初始尖峰及振鈴的快速抑制

Competitor NextPowerS3

閘極彈跳的抑制


NextPowerS3 安全工作區域 (SOA) 優勢

28

S

G

D (n+ substrate)

SG

S

G

D

S

G

S

S S

channels

more heavilydoped n typedrift region

p typepillars

D (n+ substrate)


Source Metal

p bodychannels

每個通道操作在線性模式電流流通各自發熱 , 因此間距越小熱的交互影響更容易導致失效 .

較大的間距及顯著較大的源極金屬幫助熱散逸讓熱影響在可控範圍 , 因此有極佳的安全工作區域 .

cellpitch

n typedrift

region


兩個世代間的線性模式效能差異Condition: SOA Drain current (Amp) @ Vds=10V, 10ms pulse for a 5mOhm(@10V) in Power SO8

NXP’s 新世代 RDS(on) 的懮化是透過溝槽結構精心設計的改善來達成 , 因此安全工作區能力沒有改變太多

競爭對手 RDS(on) 的改善是透過縮小溝槽間距提高密度因此犧牲掉安全工作區 (SOA)

Decreasing cell pitch (Increasing cell density)


Highest Safe Operating AreaNXP platform is intrinsically stronger

April 19, 2023

BSC011N03LS

FDMS7650

PSMN1R0-30YLD (NextPowerS3)

RDS(on) typVGS=4.5V

SOA Limit VDS=10V, tp=10ms

PSMN1R0-30YLD (NXP) 1.1mΩ ≈20A

FDMS7650 (Fairchild) 1.1mΩ ≈9A

BSC011N03LS (Infineon) 1.1mΩ ≈1.3A

Highest Safe Operating Area – Power-S08, 25-30VBetter Performance

low RDS(on) & strong SOA

Poorer Performancehigh RDS(on) & weak SOA

PSMN0R9-25YLC

IRFH5250AON6522

PSMN1R1-25YLC

FDMS7556S

BSC009NE2LS

SIR438DP

PSMN0R9-30YLDPSMN0R7-25YLD

PSMN1R4-30YLDPSMN1R0-30YLC

BSC014N03MSG

PSMN1R3-30YL

PSMN1R7-30YL

BSC011N03LS

IRFH5300

AON6400

AON6780

FDMS7650

FDMS7558S

BSC016N03LS

PSMN1R2-25YL


LFPAK 包裝介紹The Toughest Power Package

33

Power-S08Compatible(5mm x 6mm)

QFN/DFN3333 Compatible

(3.3mm x 3.3mm)

“No glue, no wires, 175o C” “Tougher just got smaller”


The Copper Clip Advantage

34

Al wire bonding Cu Clip + wire gate

Cu wire bonding Cu Clip + wire gate

Cu Clip + Au bump Ribbon Bond

Integrated Cu clipNXP (LFPAK)

銅夾片能提供的優點 :• 節溫耐溫 Tj max = 175oC• 低包裝阻抗 Rpackage

• 低導通阻抗 Rds(on)• 低熱阻 Rth(j-pcb)• 低寄生電感• 有效的散熱 -減少熱點• 簡潔的接面製程工序• 高可靠性• 通過汽車 AEC-Q101 認證標準

34

Not all power packages are EQUALNot all power packages are EQUALNot all power packages are EQUALNot all power packages are EQUAL


LFPAK 機械應力與熱應力耐受性

在 PCB 上因熱衝擊和機械應力造成的位移

在 PCB 上因熱衝擊和機械應力造成的位移

Lead absorbs any mechanical movement

QFN 封裝器件採用全封閉設計，出現熱膨脹或機械應力時缺乏緩衝空間。因此，機械應力與熱應力會造成柵極和源極引腳焊點脫落。此外，應力作用還可能導致引腳周圍的模製材料開裂，使器件防潮功能失效，造成內部鏽蝕，MOSFET 器件提前老化或失效

Traditional QFN / DFN

LFPAK 引腳外露 , 因金屬延展性能吸收因為熱和機械應力造成的脹縮及位移

LFPAK56 & LKPAK33


Images taken from the tin/lead 63/37 wave soldered gull wing joints

Images taken from the tin/lead 63/37 wave soldered terminations

Optical Inspection of Wave Soldered Joints

37


Images taken from the tin/lead 63/37 wave soldered gull wing joints

Images taken from the tin/lead 63/37 wave soldered terminations

Optical Inspection of Wave Soldered Joints

38

因為鷗翼引腳外露 ,LFPAK是功率 SO8包裝中…

… 唯一能接受波峰焊製程的資個審查程序包括 :•焊接熱測試 – 包裝浸泡在 300oC 錫液中 10 秒•可焊性測試 – 包裝浸泡在 245oC 錫液中 (最低溫度 ) 5 秒 , 接著確認引腳吃錫狀況…

(更多詳細訊息請參考質量文件包 )


Examples of AOI Equipment

Optical Inspection machine,manufacturer model number

Orbotech Sybion P36 (solder paste)

SAKI BF-Frontier II (after reflow)

3D solder paste inspection TRI (solder Paste)

SAKI, (After reflow)

TRI, Cyberoptics (After reflow)

Omron/AOI


Examples of AOI Equipment

Optical Inspection machine,manufacturer model number

Orbotech Sybion P36 (solder paste)

SAKI BF-Frontier II (after reflow)

3D solder paste inspection TRI (solder Paste)

SAKI, (After reflow)

TRI, Cyberoptics (After reflow)

Omron/AOI


… 能使用自動光學檢測設備 (AOI)檢視的


Prototypes

April 19, 2023

41


Prototypes

April 19, 2023

42


… 工程師在實驗室比較容易使用及焊接的產品 !


NextPowerS3 25V, 30V & 40V

30V LFPAK56 Types RDSon mΩ (Max. @ 10V) Status

PSMN0R9-30YLD 0.87 Production







PSMN6R0-30YLD 6 Production

PSMN6R1-30YLD 6 Production



PSMN2R4-30MLD 2.48 Production



Nomenclature

NextPowerS3 types are

recognised by the “D”

suffix at the end of the

part number




25V LFPAK56 Types Max RDSon mΩ (10V) Status

PSMN0R7-25YLD 0.74 Coming Soon


NextPowerS3 Roadmap

Now Q4

2015

Q1 Q2 Q3 Q4

2016

Q1 Q2

Eng Samples

Qual Samples

Demo Samples

General Release

PSMN0R9-30YLD PSMN4R0-30YLDPSMN1R0-30YLD PSMN6R0-30YLDPSMN1R2-30YLD PSMN6R1-30YLDPSMN1R4-30YLD PSMN7R5-30YLDPSMN2R4-30YLD PSMN1R0-40YLDPSMN3R0-30YLD PSMN1R4-40YLD

PSMN0R9-30YLD PSMN4R0-30YLDPSMN1R0-30YLD PSMN6R0-30YLDPSMN1R2-30YLD PSMN6R1-30YLDPSMN1R4-30YLD PSMN7R5-30YLDPSMN2R4-30YLD PSMN1R0-40YLDPSMN3R0-30YLD PSMN1R4-40YLD

30V / 40VLFPAK56

New portfolio now released

30VLFPAK33

PSMN2R4-30MLD PSMN4R2-30MLD PSMN7R5-30MLD

PSMN2R4-30MLD PSMN4R2-30MLD PSMN7R5-30MLD

New portfolio now released

25V / 30VFlipChip

Asym Dual 560.8mΩ + 3.5mΩ (25V)1mΩ + 4mΩ (30V)

0.8mΩ + 3.5mΩ (25V)1mΩ + 4mΩ (30V) New package

25VLFPAK56

PSMN0R7-25YLD+ full portfolio to follow

PSMN0R7-25YLD+ full portfolio to follow

Very low RDSon type for OR-ing & hot-swap applications

2014


Subject / Department / Author -

45

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reflow3d solder

company confidentialimages

productionp lfpak56

power packages

number30v lfpak56 typesrdson

toughest power package

productionp lfpak33

gull wing jointsimages