想像一下，讓您的手機同時處理地圖、音樂與訊息，卻依然能順暢地運行。再想像設計手機內部的微小電路通道，以處理各種工作，同時避免過熱或能源的浪費。這正是半導體工程師每天面臨的挑戰，特別是在功率元件的設計上。這些元件是從智慧型手機到電動車背後不為人知的英雄。簡化並加速這些元件的設計與測試是一項艱鉅的任務，但隨著模擬技術的進步，這項工作正在快速推進。
功率元件設計挑戰
功率半導體元件是電源管理系統的核心，用來控制供應至其他電子裝置、電路與系統的電壓 (V) 與電流 (I)。由於仰賴電源管理的應用快速成長，功率管理設計的數量急遽增加，例如行動裝置、資料中心、人工智慧 (AI) 系統與電動車等。舉例來說，您口袋裡的手機內含許多功率元件，分布在其電源管理積體電路 (PMIC)、電壓轉換器與音訊放大器中。
低側 powerFET 電路圖 (左) 與低側 powerFET 佈局圖 (右)。
最常見的功率元件類型是金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET)，但也會使用其他元件，例如雙極性電晶體、二極體與電阻。功率 MOSFET (也稱為 PowerFET) 可使用多種半導體技術製造，從成熟製程到最新的次奈米節點皆有。它們的設計電壓範圍從低至 1 伏特到高達數千伏特。
功率 MOSFET 分析圖，呈現電流分佈情況
功率元件有不同形式的設計與製造方式，包括作為分立元件、整合於專用 PMIC 電路中，或嵌入大型系統單晶片 (SoC) 設計的一部分。
功率元件看似僅僅是一顆 MOSFET，實則結構並簡單。然而，為了達到低電阻 —約 1-100 毫歐姆 (mΩ) 的範圍 —，必須具備非常寬的閘極與大面積的表面。僅一個功率 MOSFET 的閘極就可能佔用數平方毫米的矽面積，總閘極寬度可達 10 公尺，分佈在數百條指狀或狹長且平行的閘極區段上。
功率 MOSFET 在導通時的汲極到源極總電阻 (RDSon) 是大多數功率元件的關鍵參數，因為它決定了效率以及元件中損耗的能量。在先進製程中，RDSon 可能涉及超過 15 層的互連金屬，要正確設計需要耗費大量工程時間。
電流密度是另一個重要的設計參數。當過多電流流經導線時，會引發稱為電遷移的效應。電遷移會隨時間實際移動金屬原子，造成薄弱點，進而導致元件過早失效。高電流密度也會造成局部自我加熱，進一步惡化可靠度問題。
考量這些與其他參數，設計功率元件的佈局幾乎像是一門藝術，必須在細節上格外謹慎，才能打造高品質的成果。
一個分立式功率 MOSFET 的封裝，帶有閘極、汲極與源極三個接腳，以及其對應的電路圖符號。
許多 IC 設計團隊都設有專門的佈局工程師團隊，專注於功率元件的建構。大型功率元件的開發與模擬可能需要數天、數週甚至數月，因為它們在頂層互連中有著複雜的二維結構。
功率 MOSFET 的佈局圖疊加了顏色，顯示整個元件中的電流密度，以及在尖角處的電流聚集。左上角的顏色被去除了，可以看到這次分析中由 Ansys PowerX 工具建立的二維網格。
使用 Ansys PowerX 軟體進行模擬
為了滿足功率元件分析的特殊需求，Ansys 開發了 PowerX 工具，專門用於功率場效電晶體 (FET) 與 PMIC 的分析、模擬與最佳化，是一款專為功率電晶體打造的模擬器。PowerX 工具是廣受歡迎的 Ansys ParagonX 積體電路設計分析與寄生效應除錯工具的延伸。它與 ParagonX 軟體一樣易於使用，並具備快速且簡便的設定流程。許多功率 MOSFET 設計人員並沒有龐大的支援團隊來開發與維護半導體工具流程。PowerX 應用程式解決了這個問題，讓設計團隊中的任何成員都能輕鬆利用手邊現成的資訊，自行設定並執行模擬，且幾乎不需額外訓練。使用者可以直接在圖形化介面 (GUI) 中輕鬆定義必要資訊，例如層電阻率、RDSon 與接腳位置，而新手使用者也能透過合理的預設值快速開始模擬。如果有可用的晶圓廠實體設計套件 (PDK)，PowerX 工具也能讀取。
功率元件本身只是複雜系統中的一部分。設計工程師希望模擬功率元件在更大系統中的運作情境，包含封裝與印刷電路板 (PCB)。若模擬時未納入這些元素，可能會忽略它們對電流分佈的重大影響。PowerX 工具讓工程師能輕鬆地一鍵加入這些層級。
未加入印刷電路板 (PCB) 的電流密度分析。
加入印刷電路板 (PCB) 的電流密度分析。加入印刷電路板 (PCB) 會大幅改變分析結果，因此在完整模擬元件時至關重要，以確保結果的可靠性與準確性。
實現完整且可靠的電源設計
完整的模擬結果圖形化視覺化，能幫助設計人員輕鬆除錯，並找出元件中的瓶頸與弱點。辨識出對總電阻貢獻最大的金屬層，能節省大量時間。PowerX 工具能輕鬆視覺化電遷移與電流在凸點、焊球與導線鍵合中的均勻性。例如，有些工具會提供所有超過電遷移限制的電阻清單，而這數量可能高達數千個。這樣龐大的數量往往令人難以消化，且實用性不高。PowerX 軟體會整理這些些超出限制的項目，讓設計人員只需檢視幾十個案例，而不是數千個。它能協助設計人員針對「凸點數量是否足夠？」、「我的所有接腳是否有效利用？」等問題，做出正確的設計判斷。
PowerX 工具的另一項優勢是能處理複雜的曲線形狀與多角形結構。其他工具往往難以正確描述這些形狀，可能導致錯誤或漏判高電流密度區域。PowerX 工具有獨特的有限元素網格，能提供更真實且準確的電流密度分佈，讓使用者有信心將最高品質的設計送交晶圓廠製造。
PowerX 工具提供獨特功能，能在佈局完成前，就於設計流程早期執行電氣分析。這種快速分析能讓佈局工程師迅速嘗試不同幾何選項。若沒有早期分析，工程師可能花上數天甚至數週完成佈局，卻在模擬時發現頂層設計不佳、電阻過高，或存在電流密度熱點—最終可能需要全部重新設計。能快速建立粗略多邊形並模擬電流密度與電阻，為設計團隊提供高度自由度，並在佈局最佳化上邁出重要一步。這也為功率 MOSFET 設計帶來真正創新的可能性。
進階的 PowerX 分析透過色彩編碼，顯示 MOSFET 不同區域對整體電阻的敏感程度。這能幫助設計人員快速辨識需要最佳化的部分，避免將心力與時間花在錯誤方向上。
PowerX 工具沿用了成功的 ParagonX 方法，讓功率元件模擬更為簡單：清楚的輸入、詳細的結果表格，以及強大直覺的視覺化呈現。它提供設計團隊所需的一切核心功能，確保功率元件與 PMIC 的品質、穩健性與可靠性。此外，該軟體支援多種資料格式進行最終驗證，包括 GDS、CCI 與 PVS 檔案。
隨著裝置變得更小、更快、耗能更高，設計高效且可靠的電源系統變得更加關鍵。Ansys 模擬讓工程師能在早期測試設計想法，更快發現問題，並有信心探索大膽的新設計。隨著科技不斷突破邊界，模擬也以精準、快速與易用的方式應對挑戰，讓我們能持續點亮燈光、保持電池充飽電，並推動創新前進。
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