分立功率半导体器件正在经历迅猛的市场扩张。iSupply报告认为2004～2009年功率半导体的市场年均符合增长率将会超过整体半导体市场。而目前在前三大功率半导体供应商的业务当中,分立器件占据了绝对优势。
2004年可谓是全球各大功率半导体供应商的丰收年,相比前一年,该市场劲增20%,达到创记录的112亿美元。市场调研公司IMS Research的报告认为,未来六年内功率半导体市场还将继续增长,年均复合增长率8.3%。IMS表示,2004年功率半导体市场销售额的增幅主要来自分立功率晶体管。这令业界对分立功率半导体的未来充满信心。
麦满权:2005年全球分立功率半导体市场将会有一位数的增长。
“由于终端应用的产品和功能如手机、数字消费电子愈趋复杂,它们要求的电源能效也由一般的65%提升至85%至90%,这对全球的分立功率半导体带来增长的潜质,特别是中国的市场。”安森美半导体亚太区市场营销副总裁麦满权表示,“我们预期整体的分立功率半导体将会有一位数的增长。”飞兆半导体公司亚太区总裁郭裕亮也对分立功率器件的未来看好,他指出:“分立功率器件在中国及全球的前景继续向好。随着中国市场OEM厂商的角色向着ODM转移,市场的需求确实存在。”
与功率模块以及集成的功率管理器件相比,分立器件比较适合小功率产品的应用。这是因为在纹波和EMC等问题上风险较小,而总占用面积也处在用户可以接受的范围内。泰科电子电源系统产品经理王大庆表示,一般说来,3~5W、1A左右是分立与集成方案的临界点,低于这个范围的通常都选择了分立器件方案。他指出,在数十到数百毫安电流的场合,分立器件的市场正在稳步上升。
IR公司中国区总经理邢安飞也表示,虽然集成化是功率器件发展的重要趋势之一,但是另一方面,市场对分立器件仍然有着旺盛的需求。他说:“在数字技术中,集成电路发展已非常成熟。但功率器件有比较大的电流发热、EMI等问题,要实现功率器件的集成,涉及的问题更加复杂。”
王大庆认为:“消费类电子是今后分立功率半导体器件市场需求不断增长的一个主要动力。”他表示,“由于在消费类电子领域手机应用(1W以下)对分立器件的需求已经相当大,因此今后1W～5W左右的工控产品以及较大的家电设备主芯片(其电流已经由之前的数百毫安上升到1 A)将成为分立器件市场增长的主要驱动力。”
刑安飞:FlipFET和FlipKy针对的重点市场是手持电子产品。
便携式应用:封装革命缩小尺寸
刑安飞指出,对于便携产品来说,缩小器件尺寸是当下的一个重要目标。这得到了郭裕亮的进一步证实。“分立功率元件的发展趋势是尺寸更小但功率更高。”郭裕亮表示,“这在手机等便携式应用中已经得到证实。虽然手机应用已经出现对双芯片的需求,但该技术仍然在发展之中。而即便已经取得某些进展,也会面对功能不断增加的需求。而由于进行完全的重新设计并不时时可行,因此需要增加分立元件来满足要求。”
IR的无引线的DirectFET、FlipFET和FlipKY技术和产品号称是目前业界针对该类问题的最佳电源管理方案。其中FlipFET在全球首次把BGA结构引入功率器件,它巧妙地把源极和漏极都做在同一个表面上,器件的引线焊点就不再像SOIC或PLCC那样分布在外壳的两侧或四边,而是在器件的下侧排列成一片阵列式的焊球结构。这样不仅解决了电热性能问题,同时器件所占面积也大大降低。
IR不久前还推出了四款采用FlipKY技术的新型肖特基二极管,将其应用定位在移动电话、智能电话、MP3播放器、PDA和微型硬盘驱动器。由于采用了芯片尺寸封装,30V的IR0530CSP和40V的IR05H40CPS同业界标准的SOD-123封装肖特基二极管相比,所占空间减少了80%,而工作温度却低了40%。
刑安飞表示:“FlipFET和FlipKy针对的重点市场便是手持电子产品。”作为分立功率器件的头家供应商,飞兆半导体在便携式领域的业绩也有目共睹。据郭裕亮介绍,该公司在便携式产品领域的策略是通过使用BGA、FLMP 和MicroPak等先进封装,来提供业界最小的每单位面积RDS(ON),并将占用的电路板空间减至最少,同时实现最高的系统功效。
便携式设备对ESD保护也提出了越来越高的要求,针对该市场,安森美推出了其采用超微封装 SOD723的EDS保护二极管。据悉,这款ESD保护器件占位面积仅为1.0 x 1.0mm2,高度最大为 0.55mm,堪称业界之冠。它提供3.3 V、5.0 V 和12 V三种电压,电容60pF,适用于无线应用(如手机、PDA手机),消费电子(如数字相机、DV摄录影机、PDA、MP3)以及一般通用低压或低功率应用。ESD保护等级符合IEC61000-4-2。
安森美用于便携式设备的最新产品还包括全新系列的微型低饱和电压双极结晶体管(BJT),采用表面贴装形式。除了低饱和电压特性之外,它还具有高电流增益能力的特性。麦满权表示,此款小封装高性价比的BJT所提供的低饱和电压性能与较昂贵的分立解决方案的 RDS(on)性能相当,因此能够大大降低应用电路成本。
技术趋势:兼顾能效与功耗
安森美一直都以功率半导体供应商中的“节能王”自居,而该公司似乎也将进一步在此投入并发扬这一优势。麦满权表示,安森美目前面对的挑战主要是如何提升和加强已有的产品,使其更能发挥高电源能效。而这同时也是业界需要努力的方向。他指出,终端应用产品对更高电源能效的要求正在变得越来越苛刻, 而安森美将籍由这一领域上的优势,不断满足客户需求。而该公司的分立功率器件业务在今年也将会有两位数的增长率。
麦满权表示,今后表面贴装封装将会更加流行,以便实现尺寸更小的封装,而穿孔封装则将会越来越少。刑安飞认为,分立功率器件的技术发展应该有助于降低电源管理的总功耗、合理分配功率,延长电池寿命、提高可靠性。他表示:“IR的DirectFET、FlipFET与FlipKY技术和产品为实现更低的功耗、更长的电池使用时间、更小的产品体积奠定了基础。”他还指出,业界应该在缩小电源管理方案的尺寸和体积、减少电源管理器件对原材料的损耗、尽量避免使用可能对环境造成污染的材料、降低使用电源管理过程中所必需的后续开发工作的难度和开发成本等一系列问题上多加重视。
郭裕亮的观点与前两位专家不谋而合。“在电机驱动、照明和镇流器等工业领域,需要更小的芯片和更高的功效。”他指出,“分立元件必须能提供快速转换速度、更低的开关损耗和具有更高散热效率的封装。”一个很好的例子是飞兆半导体的面向工业应用领域的600V SuperFET MOSFET,通过SuperFET技术,MOS管的导通损耗得到了大幅下降,同时也开关性能也得到了提升。
左右走,分立还是集成封装？
郭裕亮:分立元件必须具有更快
的转换速度、更低的开关损耗
和更高散热效率的封装。
泰科电子电源系统的王大庆认为,分立式方案在低电流(低于0.5A)便携式应用方面今后将会有更多的优势。但对于更高电流(超过0.5A)的应用场合,集成产品却是一个趋势。“分立功率器件控制器的集成度将会日益提高,如将其同MOSFET集成在一起。”他说。在更大功率应用的通讯领域,他指出采用分立器件更是不现实的,这部分市场今后将继续是模块产品的天下。另外,近年来一些使用在1~2A电流场合的分立方案开始浮出水面。针对这一现象,王大庆认为,就目前来说,技术风险还比较大。他说:“除了产品占用面积上的考量之外,这些方案对工程师的技术能力要求较高,因此中小型公司不太适合开发这种方案。”
面向日益增多的电池供电产品应用,泰科电子电源系统刚刚发布了最新的ATL系列负载点(POL)DC/DC转换模块。这款非隔离电源模块的最高电流输出能力为10A,在3.3V输出时满载效率93%。工程师可通过使用外接电阻来实现可编程的直流电压输出。ATL系列支持EZ-SEQUENCE电源顺序功能,这是在Austin Lynx II系列中的一个标准配置。此外,ATL系列还保留了标准Austin Lynx产品如遥感、开关控制、预偏置、单调启动、过电流以及过热保护等其他功能。泰科电子电源系统市场与业务运营副总裁Sabi Varma 表示:“新的Austin ATL系列将POL转换器的应用范围拓展到移动电源市场。”此外,来自法国的APT Europe公司也提供面向电池供电的功率模块电源产品。
王大庆认为,集成对分立式器件的主要优势为:1、集成元件更容易在设计中使用(市场导向的标准产品),从而一定程度上帮助工程师缩短了设计周期；2、在电源方案中的灵活性；3、大大减少了对电路板空间的占用；4、改善的散热性能；5、供货充足；6、BOM中元件数量减少,而供货商数量也同时得到减少；7、产品可靠性得到提高。
王大庆:分立式方案在低电流便携式应用方面将会有更多优势。
没有谁比功率IC器件供应商更期待集成时代的来临。Intersil这样的模拟大鳄也不例外。该公司通用功率产品部的副总裁Davin Lee表示,对于电源管理的需求将日益增多,并且随着半导体行业的发展它还会变得越来越复杂。“集成的应用使得设计师能够在不牺牲空间和性能的前提下满足这些需要。随着这些功能日益被集成到更新的电源解决方案中,分立式电源产品的应用必然会不断减少。”他说。
“我们相信高性能硅含量会愈高,功能会愈多,封装趋向更小, 故此会把更多的非IC元件集成为一个分立元件。”麦满权表示,“利用安森美的MicroIntegration 技术,我们已经成功把2～3 颗裸片集成为一个ESD保护元件,同时也把2～3颗裸片集成为一个电磁干扰(EMI)滤波器。我们预期分立元件的发展路径图便是MicroIntegration,把无源元件集成起来, 如滤波器、阵列等。”
大电流应用,功率密度进一步提高
一般而言,受到引线截面和制造商的规范方法的决定,标准的三引脚D2Pak封装所能承受的额定电流最大约100A。IR公司近期推出了的七引脚IRF2907ZS-7PPbF MOSFET打破了这个极限。通过器件中经过强化的七引脚引线框,该款MOSFET实现了更大直径的引线接合,从而可承受比市场上其他D2Pak MOSFET高出45%的额定电流。刑安飞表示:“新型MOSFET具有大电流能力,较同类方案相比,功率密度提高了两成,所需元件数目也更少,还能实现更可靠的设计。”
飞兆半导体也在上半年推出了新型高压(600V)SuperFET MOSFET。由于击穿电压上升意味着RDS(ON)呈指数级上升,这导致芯片尺寸增加。飞兆半导体的SuperFET技术能将RDS(ON) 与击穿电压的关系从指数级改为线性,这种变化使得器件能够在600V击穿电压下达到令人惊叹的RDS(ON)和小芯片尺寸,从而提高了使用该产品的PFC电路、照明和AC/DC电源设计的效率。
泰科电子王大庆表示,今后模块电源的发展也将越来越向着更小体积和更大功率的方向发展。这从法国APT公司的APT Europe功率模块中可以得到印证。该公司改进型的薄型封装工艺采用了裸芯片连接的方式,将内部连线和外部端子的长度减到最小,从而实现了较高的功率密度。该技术带来的其他好处是,功率模块的杂散电感和寄生电阻等电气特性得到改善。据介绍,APT改进的薄型SP6 封装,其底座和引脚至引脚的距离与62mm宽的工业标准封装一致,但SP6封装的寄生电感和寄生电阻减小了50% 以上。
此外,APT还可以提供定制解决方案,这些方案可从诸如更换标准模块中的硅芯片类型这些较小的改动,直到对整个模块的封装和接线端子形状进行特殊的定制设计,从而为客户提供一个独特的解决方案。
作者:王彦
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