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主攻高效、環(huán)保與封裝技術(shù),功率器件持續(xù)走俏

隨著大家對環(huán)保的意識增強,市場對產(chǎn)品的效率要求越來越高,而MOSFET、IGBT作為電源系統(tǒng)的關(guān)鍵器件,對于效率的提高起著至關(guān)重要的作用。 在未來一段時間內(nèi),家電、通信、綠色照明、汽車等都會促進功率器件的增長。

金融危機影響了大部分產(chǎn)品的銷路,但在萎靡不振的市場氣氛中功率器件的表現(xiàn)卻相當搶眼。iSuppli調(diào)查研究顯示,2009年4月功率MOSFET的需求出現(xiàn)上漲,功率MOSFET的平均銷售價格小幅上揚。預計到2009年中期,MOSFET的平均銷售價格將會趨于穩(wěn)定。但iSuppli認為,第三季度由于需求再度上漲,功率MOSFET的供貨期將小幅延長。 環(huán)保節(jié)能風勁吹,功率市場飚漲 “隨著大家對環(huán)保的意識增強,市場對產(chǎn)品的效率要求越來越高,而MOSFET、IGBT作為電源系統(tǒng)的關(guān)鍵器件,對于效率的提高起著至關(guān)重要的作用。”英飛凌科技(中國)有限公司工業(yè)及多元化電子市場業(yè)務部電源管理市場高級工程師胡鳳平預計,在未來一段時間內(nèi),家電、通信、綠色照明、汽車等都會促進功率器件的需求增長。另外,隨著大家對生活質(zhì)量的要求越來越高,對便攜式產(chǎn)品如筆記本電腦、上網(wǎng)本以及家庭娛樂需求也越來越旺盛,也會對功率器件的增長帶來幫助。

Eric Persson:硅功率MOSFET技術(shù)即使有輕微改善涉及成本也會很高,硅襯底GaN技術(shù)則前途看好。9S1esmc

盡管經(jīng)濟尚未全面復蘇,但新經(jīng)濟形勢下商機已悄然萌芽。恩智浦大中華區(qū)域產(chǎn)品營銷經(jīng)理陳建宏指出,即便當前經(jīng)濟仍低迷,受計算及游戲平臺、上網(wǎng)本銷售的推動,功率市場仍保持相對強勢,而其中MOSFET用量相當可觀。 與消費市場相比,工業(yè)控制、電信行業(yè)受金融危機沖擊相對小,加上政府大筆資金投入基礎建設,因而需求不減反增。國際整流器公司(IR)環(huán)球應用工程執(zhí)行總監(jiān)Eric Persson認為,對要求更高能效的應用來說,例如網(wǎng)絡服務器和電信應用,改善能源效率已經(jīng)成為許多客戶的重要目標。目前,IR在MOSFET方面最強勁的增長來自采用25V或30V FET的低壓負載點(POL)穩(wěn)壓器,幾乎所有應用數(shù)字處理器的領域都需要負載點穩(wěn)壓器。 另外,近年來追求節(jié)能和環(huán)保的趨勢也對功率器件市場的蓬勃發(fā)展推波助瀾。各種應用設計都朝向高效能和低耗電的要求靠近。節(jié)能意識的加強,再配合政府的財政補貼政策,空調(diào)、冰箱以及洗衣機等變頻家用電器的市場占有率越來越高。三菱電機機電(上海)有限公司董事總經(jīng)理森敏將功率器件增長的原因歸結(jié)為市場對節(jié)能環(huán)保的強烈需求,促進了電器的變頻化。 選擇功率器件須兼顧高效、損耗及成本 新興應用不斷出現(xiàn),新生市場涌現(xiàn)出新的功率挑戰(zhàn),導致功率器件的導通電阻、耐壓、散熱等指標步步抬升?!安徽撌呛畏N拓樸,能源效率都是這個市場客戶的最大考慮?!盤ersson強調(diào)眼下市場關(guān)注的焦點是效率,他所接觸到客戶的目標一般是在廣闊的功率范圍上達到超過95%的效率。 上網(wǎng)本、智能手機及無線手持設備和便攜產(chǎn)品的尺寸不斷縮小,與此同時又需要更長的電池使用時間及更優(yōu)的特性(如高數(shù)據(jù)率傳輸、流視頻等)。“這表示功率半導體器件必須更小,同時還須提高能效。”安森美半導體MOSFET市場營銷總監(jiān)John Trice分析,電子產(chǎn)品將越來越需要智能功率控制,控制電子產(chǎn)品在非高峰(off-peak)使用時節(jié)省電能?!斑B續(xù)的負載監(jiān)測和控制非常重要,而MOSFET將需具備新的特性,為系統(tǒng)級功率控制器提供溫度、電流和電壓信息?!?盡管新應用不斷涌現(xiàn),但高頻高效的要求始終是發(fā)展趨勢。萬代半導體公司市場部副總裁Tony Grizelj告訴本刊,通過使用高開關(guān)頻率的功率器件,可以有效降低系統(tǒng)中的磁性元件(如電感和變壓器)的體積,也可以降低電容的容值,從而降低系統(tǒng)的尺寸,提高緊湊性,并降低整體成本。

胡鳳平:MOSFET、IGBT作為電源系統(tǒng)的關(guān)鍵器件,對于效率的提高起著至關(guān)重要的作用。9S1esmc

但提高開關(guān)頻率是把雙刃劍,對系統(tǒng)有利有弊。開關(guān)頻率提高的同時會引入高的開關(guān)損耗,進而降低系統(tǒng)的效率。“這與目前中國乃至全球節(jié)能減排的要求相對立?!盙rizelj指出,“高頻對功率元件的性能提出了更高的要求,必須通過技術(shù)和工藝的進步,降低開關(guān)損耗和導通損耗,以進一步提高系統(tǒng)的效率?!?除了需要解決高頻引入損耗問題之外,選擇器件時還需要綜合考慮器件各項指標進行取舍。功率器件的發(fā)展對半導體器件的生產(chǎn)工藝提出新的挑戰(zhàn),到目前為止將各種性能指標同時優(yōu)化的生產(chǎn)工藝尚未出現(xiàn),一些重要的性能指標相互矛盾,往往難以兩全。胡鳳平以MOSFET為例解釋道,MOSFET為多子導電的電壓控制型器件,耐壓值、導通電阻(Rdson)及柵電荷(Qg)是其重要的性能指標,然而魚和熊掌不可兼得,仍需按照應用的不同而有所側(cè)重?!安煌瑧眯枰x用耐壓不同的器件;為降低功耗,器件需具有更小的Rdson和Qg;而為得到更快的開關(guān)速度,則需盡可能地降低器件的Qg?!焙P平表示。 功率器件圍繞封裝做文章 功率器件是一門綜合了芯片設計、生產(chǎn)以及封裝的學問,在功率管理領域,要提供領先的技術(shù),必須在器件、工藝和應用三方面擁有專業(yè)能力,才能夠把符合客戶功率要求的產(chǎn)品推向市場。飛兆半導體公司產(chǎn)品市場經(jīng)理Tomas Moreno認為,功率管理產(chǎn)品的新功能包括多芯片模塊、提供更佳熱性能的先進封裝,以及將這些因素與先進硅技術(shù)的結(jié)合。例如飛兆的低壓PowerTrench MOSFET就是采用先進的每平方英寸10億個單元的工藝技術(shù)開發(fā)的。只要對這種技術(shù)進行微調(diào),獲得適當?shù)腝g、Rdson和品質(zhì)因數(shù)(FOM),就可為臺式和筆記本電腦中的DC-DC轉(zhuǎn)換器提供出色的性能。而把該技術(shù)擴展到中端電壓范圍,可為100V功率MOSFET提供出眾性能。 功率器件的創(chuàng)新幾乎全部圍繞著封裝大做文章。從分立式封裝到功率模塊產(chǎn)品,從單芯片到多芯片系統(tǒng)級封裝(SIP), 多種封裝形式涵蓋了從低功率到大功率各種應用??梢哉f,封裝工藝對于功率器件而言,在一定程度上決定了功率器件的性能表現(xiàn)。胡鳳平指出,封裝工藝不僅對于功率器件至關(guān)重要,而且對于產(chǎn)品的性能、價格也有很大的影響。例如TO220封裝的MOSFET在開關(guān)頻率非常高(例如300KHz)的情況下,就明顯不如SSO8封裝的MOSFET有優(yōu)勢,因為前者由于封裝因素而產(chǎn)生不少的寄生參數(shù)。 針對不同應用,功率模塊的封裝形式不一。飛兆擁有多種功率封裝技術(shù),即使最常見的分立式單芯片功率封裝也能通過采用兩個散熱器實現(xiàn)多向散熱改善性能,以更低的導通電阻實現(xiàn)更出色的電氣性能。 該公司另一項重要開發(fā)成果為功率晶圓級芯片尺寸封裝(wafer level chip scale package, WL-CSP),它允許所有漏、源和柵極都分布在MOSFET芯片的前端。這類封裝的間距可能非常小(目前是0.4mm)。 Moreno特別強調(diào)說:“把多芯片功率器件集成在單個封裝中,除創(chuàng)新的MOSFET/IGBT和封裝技術(shù)外,還需要適當?shù)哪M技術(shù)?!庇捎诔叽绲南拗?,系統(tǒng)不得不使用更高的全功率開關(guān)頻率,這樣一來,就必須采用節(jié)能技術(shù),否則效率可能降低。 當然,封裝工藝并非唯一決勝功率器件的絕招,IR就獨辟蹊徑掀起了GaN功率器件的革命。Persson指出硅襯底GaN技術(shù)充滿前途,IR在該領域展開了龐大的研發(fā)計劃。 分立功率器件和集成模塊成對峙之勢 隨著設計復雜度的提升以及產(chǎn)品上市時間縮短的壓力加大,半導體器件集成化的風潮同樣蔓延到功率器件市場。集成功率模塊市場正不斷蠶食著分立功率器件市場。 今年IR推出了SupIRBuck負載點穩(wěn)壓器系列的第二代產(chǎn)品。在它推出之前,市場上多以分開封裝的分立控制器配合MOSFET,或采用包括電感器的全集成POL模塊。 “我們能夠把采用優(yōu)化半導體技術(shù)的IC,與高側(cè)及低側(cè)MSOFET集成到細小的低成本封裝里?!盤ersson強調(diào)IR在功率市場的優(yōu)勢源于在MOSFET和IC技術(shù)兩方面都有豐富的經(jīng)驗和專業(yè)知識。多功能第二代SupIRBuck系列配備先進的控制IC、MOSFET和封裝整合技術(shù),可提供4A、8A及12A輸出電流,并在整個負載范圍維持基準效率。雖然新器件是為12V輸入電壓優(yōu)化,但于9.6V、5V或3.3V輸入電壓的應用仍能達到卓越效率,實現(xiàn)了結(jié)合高能效和功率密度的靈活性。 萬代半導體公司亞洲區(qū)市場開發(fā)部副總裁王瑞興也肯定了集成功率模塊的優(yōu)勢,“集成功率模塊具有集成度高,功能齊全,設計簡單等特點,但由于成本高,靈活性差,因此其應用范圍仍然有較大的局限性,主要集中在電機拖動,以及并網(wǎng)發(fā)電、功率補償?shù)入娏ο到y(tǒng)的應用中,當然在一些消費類電子,如PDP電視高壓驅(qū)動以及LCD電視AC-DC電源中也有一定的應用?!辈贿^,凡事皆有兩面性。分立方案靈活性強、成本低,仍然獲得廣泛的應用?!霸谝恍┬袠I(yè),如電動自行車控制器,過去曾經(jīng)使用過的集成的驅(qū)動方案,現(xiàn)在應用越來越少,絕大部分公司都采用了分立的方案。”萬代半導體公司亞洲區(qū)市場開發(fā)部上海應用中心經(jīng)理劉松補充道,“長期來看,分立功率器件依然將占據(jù)主導地位,并和集成功率模塊并存于市場?!?集成和分立的對峙并不是時間的問題,而在于確定應用領域的疆界。陳建宏建議系統(tǒng)制造商根據(jù)產(chǎn)品的不同應用需求,考慮溫升問題、電路架構(gòu)以及價格等諸多因素。顯然,分立功率器件目前仍具有成本、散熱及彈性應用優(yōu)勢。他總結(jié)道:“集成模塊市場是否能快速成長,未來能否主導市場,不僅取決于成本、組件體積及散熱,占領更多應用更是其中的關(guān)鍵?!?正所謂物極必反,盡管功率模塊在系統(tǒng)應用一路高歌猛進,但隨著系統(tǒng)電源管理方面的演進,新設計相應會衍生出一些全新的功率器件形式。未來某些專用汽車應用中將出現(xiàn)直接在子系統(tǒng)中構(gòu)建功率段,使用芯片細線或夾焊技術(shù)來封裝。“如果大功率市場朝這個方向發(fā)展,半導體供應商將為客戶供應‘確保合格裸片’而非功率模塊。”Trice指出,“由于安森美與汽車及工業(yè)領域客戶有長期的合作關(guān)系,讓我們在有需要的情況下,能夠朝這個方向快速發(fā)展?!?
責編:Quentin
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