新应用推动分立功率半导体继续“割据”电源器件市场
[发布时间]：2008年11月28日
[来源]：张国斌
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【导读】： 分立功率半导体是电源产品市场上一支重要的有生力量。随着汽车电子、平板显示等新兴应用的走热，分立功率半导体市场继续保持了稳定发展势态。在新工艺、新技术的推动下。...
分立功率半导体是电源产品市场上一支重要的有生力量。随着汽车电子、平板显示等新兴应用的走热，分立功率半导体市场继续保持了稳定发展势态。在新工艺、新技术的推动下。分立功率半导体器件在性能、封装和“集成化”方面又有了新的发展。
在电源半导体市场上，电源IC的发展日新月异，分立功率半导体器件也随着半导体技术的演进获得了巨大发展，性能迅速提升。几年前，IR公司第3代MOSFET中的MOSFET原胞还是每平方厘米18万个；而现在，其第8代MOSFET的原胞密度已经提升到每平方厘米1740万个！值得注意的是，消费电子、汽车电子、通信计算机领域中不断涌现的新应用在推动电源IC发展的同时，也推动了功率分立半导体市场的稳定拓展。
飞兆半导体功率分立部市务总监郭耀明指出：“虽然在未来4年中，可能出现IC与功率技术的集成，但功率分立半导体市场实际上有增无减。这主要源于市场对于功率的控制、节能及高效转换不断增长的需求。许多产品仍然需要功率管理，但却不能单靠IC技术取得。这些应用实例包括：汽车转向器、点火装置以及动力传动系统。另外，混合汽车和电动汽车的出现，也需要更多能够转换功率和控制复杂电子系统的功率组件。”
他继续说：“DVD录像机、PDP和LCD显示器等消费电子产品的急剧成长，将推动分立功率电子市场的同步增长。另外，空调、洗衣机、电冰箱和干衣机等白家电正面对提高效率的压力，这将促使白家电和工业电机应用从交流电机和机械系统，转向高效、全电子化的闭环式系统。”
意法半导体亚太区产品营销经理梁德隆也指出：“分立的功率器件由于产品的成熟度、应用的灵活性以及价格优势，在开关电源的应用中占很大比例，尤其是在通讯电源、计算机电源、电视机电源等中大功率电源的应用中有绝对的优势，由此也获得稳定的发展空间。”
世界半导体贸易统计协会(WSTS)曾对分立功率器件市场做出这样一个预测：2004年全球分立功率半导体市场的规模为99亿美元，而到2005年将达到106亿美元。该协会还指出，功率MOSFET是分立功率半导体市场增长的主力军。
功率MOSFET导通电阻更低、耐压更高、外形更小
近年来，节能成为电源技术的主旋律，如何降低功耗也是功率分立半导体发展的主要驱动力。就功率MOSFET而言，供应商主要通过降低导通电阻和开发新的封装形式来满足新的需求。1990年，功率MOSFET的导通电阻是1.2mΩ/cm2，到2004年已经降到0.2mΩ/cm2以下。飞兆的郭耀明表示：“改进MOSFET性能的关键因素是改善栅极电荷、降低导通阻值RDS(on)，并通过创新封装技术增加单位电流密度。飞兆在开发诸如功率BGA和FLMP(倒装引脚铸模封装)等创新封装技术上已取得实质成果。这些封装能同时提供最低的热阻和最高的单位面积电流，具备较低的RDS(on)以及低开关损耗所需的低电感。
飞兆推出的功率BGA的尺寸可小至1.5x1.5mm，FLMP产品的尺寸则可小至1.6x2.0mm。两种封装的厚度都小于1mm，适合便携式应用。
“功率MOSFET目前有三个主要的发展趋势，即相同占位面积下的性能提升、微型化和集成化。为了满足性能提升的需要，飞利浦开发了LFPak(无损封装)封装，它可以给诸如笔记本电脑、DC/DC转换器应用提供优异的散热特性和功率处理能力，而且管脚兼容SO8封装。”飞利浦半导体功率管理业务市场经理Lan Moulding表示：“微型化的驱动力来自便携式应用的火爆，飞利浦在开发小型封装方面不遗余力，我们最近的封装创新是Micro Carrier Discrete(MCD)封装，这是一种无引脚封装形式，与SOT23封装相比可将占位面积缩小90%。”
无独有偶，瑞萨科技也成功开发了采用上部散热结构的新封装“LFPAK-i”(无损封装-倒装型)。瑞萨称，采用这种封装的功率MOSFET，其热饱和状态下的封装热阻值从原来的25℃/W降至15℃/W，降幅达40%。因此，与该公司原来的同尺寸产品相比，可成功地将电流增大约30%。它可兼容业界标准的“SOP-8”封装。
各公司还采用沟槽工艺来获得更低的导通电阻。例如，英飞凌将沟槽技术与全绿色封装工艺相结合，为通用汽车的电子系统推出了OptiMOS-T系列功率MOSFET。
Vishay Siliconix公司则推出了新型P信道功率MOSFET器件，其占位面积不足3平方毫米。该公司称这种新型器件在栅极驱动电压为4.5V时，可提供最大仅48mΩ的导通电阻，比市场上的同类MOSFET低31%。
Vishay Siliconix还采用了WFET技术降低栅极电荷。该技术通过在产品的硅槽底部使用一层加厚的栅极氧化层以降低反向导通电容Crss和栅极电荷，从而尽可能减少对导通电阻的影响，并提高DC/DC转换器的功效。
在高耐压方面，Advanced Power Technology Europe(APT)公司宣布推出了1,000V和1,200V MOSFET。而飞兆也采用新型SuperFET技术，推出了耐压达650V的高压MOSFET产品，该产品据称可以大幅降低开关电源(SMPS)和功率因子校正(PFC)应用的系统功率损耗，提高功效和可靠性。
新材料新工艺在MOSFET的性能提升中起了很大作用，APT中国区经理赵善麒表示：“与标准MOSFET相比，CoolMOS有更低的导通电阻。对功率半导体而言，SiC是非常有前景的材料，SiC MOSFET可以应对更高的电流密度、更高电压的冲击。”
汽车电子推动IGBT向节能智能化发展
IGBT是MOSFET和双极技术的混合物，它既有MOSFET的优势，也有双极功率晶体管在高电压应用中优良的驱动能力。IGBT最初用在特种电源、变频调速、相机闪光和照明方面，目前正逐步拓展到汽车电子领域。随着汽车供电系统向42V电力系统转移，IGBT还会蚕食MOSFET的市场。APT的赵善麒表示：“最新的IGBT在功率密度方面有数量级的提高，所以在很多应用场合可以考虑用IGBT取代MOSFET。”
飞兆的郭耀明指出：“由于汽车制造厂正面对不断提升汽车用油效率和可靠性的压力，汽车点火器系统必须继续发展，变得更加精密。汽车系统正从无分布器点火系统(Distributorless)转向火花塞上线圈(Coil-on-Plug)，再到火花塞上的开关(Switch-on-Plug)发展。混合燃料和电动汽车也代表着一个庞大的机会，IGBT会在这些汽车的功率转换部分中使用。”为适应这些新的应用需求，IGBT的一个发展趋势是集成众多的功能。如有源钳位、ESD保护、逻辑电平栅极阈值和栅极电阻网络等。
安森美也表示，未来在政策法令与市场环境的驱动下，汽车电子化会带来许多商机，如环保问题就使汽车的点火装置和ECU采用更多的半导体器件，促进点火IGBT向智能IGBT转换。
功率分立半导体的“集成化”
随着半导体工艺技术的发展，半导体厂商也考虑功率分立器件的“集成”。大多集成都是将不同的分立器件封装在一起，有的供应商尝试把IGBT与MCU结合。对此，飞兆的郭耀明表示：“目前汽车点火IGBT的发展趋势是从点火模块(无分布器)中移除出来，然后加入线圈组件中，以改善控制和提高系统可靠性，点火IGBT的能量密度也得到改进。例如，过去需要采用较大TO-263(D2PAK)封装以满足系统需求的部件，现在都可引入于较小的TO-252(DPAK)封装中，使到IGBT更容易与线圈组件集成。这种IGBT技术目前就已存在。如果火花塞上的开关系统能如预期般流行，MCU就不大可能与IGBT集成。”
APT的赵善麒表示：“APT目前没有类似IGBT+MCU的产品面市，但APT提供一种专用电源模块(ASPM)。该模块集成的解决方案包含有很多单个元器件，它可以提供一种电源功能或作为一个电源子系统使用，集成的规模可以从集成10个元件到500个元件不等。它相比分立的功率半导体有很多优点，如改善性能、减小尺寸、降低成本、缩短面市时间等等。”
“飞利浦认为集成功率器件市场会逐步成长，飞利浦已推出了集成有降压转换器的产品。”飞利浦的Lan Moulding说，“MCU的工艺水平与功率器件的工艺水平差别较大，飞利浦采用多芯片模块(MCM)工艺将这两种器件集成在一起，以帮助客户减小板空间并改善信号完整性。”
也有的公司是把PWM与功率MOSFET集成。Intersil公司推出的两相同步补偿PWM控制器IC就集成了MOSFET驱动器，它采用4x4mm QFN封装。英飞凌也将MOSFET和PWM 栅极驱动器整合在同一个封装内。
在与其它器件的集成方面，瑞萨科技公司推出集成了MOSFET及驱动器的系统级封装器件——Driver-MOSFET Integrated SiP，适合用在CPU的稳压器中。
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