微观拆解篇：慢充vs快充，材料及制程差异显著

     功率数字的背后，是材料与制程的革新。我们借助聚焦离子束、透射电镜等微纳分析技术，带您穿透表象，从芯片内部结构揭示20W与66W快充的材料差异。

 

FIB切片揭示

图1：20W（左）与66W（右）充电器主控芯片FIB切割后的SEM图像

　　

20W充电器主控芯片截面分析结果

　　FIB截面显微图像显示，其具备两层金属互连层，表面覆有钝化层以实现器件保护，衬底采用浅沟槽隔离（STI）技术实现元件间的电气隔离，这些特点符合常见硅基芯片的特点。

 

66W充电器主控芯片截面分析结果

　　FIB截面图像显示，与20W截面进行衬度信号（二次电子、背散射电子）比对，发现芯片的栅极结构和衬底材质发生改变。

　　为了进一步应征上述的观点，接下来采用TEM-EDS技术对具体膜层结构及元素分布进行采集。

　　

TEM成像+EDS能谱分析

　　通过FIB从样品中提取一个包含目标特征点的薄片，将薄片放置到TEM中进行更微观尺度观察。

　　结果如下：

　　

图2：20W（左）与66W（右）充电器主控芯片的TEM图像

　

  　TEM的采集到的结构信息和衬度信息基本可以应征上述观点：栅极及衬底层存在工艺上的差异。

　　为了更清晰观察到工艺差异，对该位置进行能谱采集，观察元素的分布及差异。

　　结果如下：

20W（左）与66W（右）充电器TEM-EDS分析图像

 

　　从元素分布结果可以看出两颗芯片Contact层及Contact层以上除了物理结构的差异外，膜层几乎无差异，主要以铝作为金属层，氮化钛作为阻挡层，氧化硅作为绝缘层，钨作为连接孔。

　　但Contact层以下（主要包含栅层和衬底层），出现了明显的元素分布差异：

•20W采用硅基底和硅栅极，栅极上被包含钴、氧、氮、硅等元素膜层物质覆盖；

• 66W采用氮化镓基底和铝栅极，铝栅极上被包含氮、钛、氧、硅等膜层元素的物质覆盖。

　　看来芯片上的改变影响了插头质的飞跃，接下来根据现象结合不同材质的特性对设计思路进行梳理，推测这样改变原因。

　　

材料的变化实现了插头从20w升级到66w的飞跃

 

　　关于衬底材质改变的原因推测

　　从硅（Si）转向氮化镓（GaN）的核心优势之一，是允许在更宽松的制程条件下，实现超越硅基器件的性能。

　　传统硅基高功率器件需要依赖极其精密的先进制程来提升耐压和效率，成本高昂且逼近物理极限。

　　而GaN凭借其超宽的禁带（3.4eV，是硅的3倍），拥有高达硅15倍的击穿电场强度。

　　

      这意味着：

- 无需过度追求制程微缩，GaN器件本身就能实现高耐压与高功率密度。

- 其优异的高温稳定性和高频特性，能大幅降低系统能耗。

　　因此，GaN技术将性能提升的路径，从单纯依赖“制程微缩”，部分转向了“材料突破”。

　　这为设计高功率、高效率的电力电子系统，提供了更优且更具成本效益的全新解决方案。

 

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