主攻高效环保与封装技术功率器件持续走俏

2018-08-12 16:42

  金融危机影响了大部分产品的销路,但在萎靡不振的市场气氛中功率器件的表现却相当抢眼。iSuppli调查研究显示,2009年4月功率MOSFET的需求出现上涨,功率MOSFET的平均销售价格小幅上扬。预计到2009年中期,MOSFET的平均销售价格将会趋于稳定。但iSuppli认为,第三季度由于需求再度上涨,功率MOSFET的供货期将小幅延长。

  环保节能风劲吹,功率市场飚涨

  “随着大家对环保的意识增强,市场对产品的效率要求越来越高,而MOSFET、IGBT作为电源系统的关键器件,对于效率的提高起着至关重要的作用。”英飞凌科技(中国)有限公司工业及多元化电子市场业务部电源管理市场高级工程师胡凤平预计,在未来一段时间内,家电、通信、绿色照明、汽车等都会促进功率器件的需求增长。另外,随着大家对生活质量的要求越来越高,对便携式产品如笔记本电脑、上网本以及家庭娱乐需求也越来越旺盛,也会对功率器件的增长带来帮助。

  Eric Persson:硅功率MOSFET技术即使有轻微改善涉及成本也会很高,硅衬底GaN技术则前途看好。

  尽管经济尚未全面复苏,但新经济形势下商机已悄然萌芽。恩智浦大中华区域产品营销经理陈建宏指出,即便当前经济仍低迷,受计算及游戏平台、上网本销售的推动,功率市场仍保持相对强势,而其中MOSFET用量相当可观。

  与消费市场相比,工业控制、电信行业受金融危机冲击相对小,加上政府大笔资金投入基础建设,因而需求不减反增。国际整流器公司(IR)环球应用工程执行总监EricPersson认为,对要求更高能效的应用来说,例如网络服务器和电信应用,改善能源效率已经成为许多客户的重要目标。目前,IR在MOSFET方面最强劲的增长来自采用25V或30VFET的低压负载点(POL)稳压器,几乎所有应用数字处理器的领域都需要负载点稳压器。

  另外,近年来追求节能和环保的趋势也对功率器件市场的蓬勃发展推波助澜。各种应用设计都朝向高效能和低耗电的要求靠近。节能意识的加强,再配合政府的财政补贴政策,空调、冰箱以及洗衣机等变频家用电器的市场占有率越来越高。三菱电机机电(上海)有限公司董事总经理森敏将功率器件增长的原因归结为市场对节能环保的强烈需求,促进了电器的变频化。

  选择功率器件须兼顾高效、损耗及成本

  新兴应用不断出现,新生市场涌现出新的功率挑战,导致功率器件的导通电阻、耐压、散热等指标步步抬升。“不论是何种拓朴,能源效率都是这个市场客户的最大考虑。”Persson强调眼下市场关注的焦点是效率,他所接触到客户的目标一般是在广阔的功率范围上达到超过95%的效率。

  上网本、智能手机及无线手持设备和便携产品的尺寸不断缩小,与此同时又需要更长的电池使用时间及更优的特性(如高数据率传输、流视频等)。“这表示功率半导体器件必须更小,同时还须提高能效。”安森美半导体MOSFET市场营销总监JohnTrice分析,电子产品将越来越需要智能功率控制,控制电子产品在非高峰(off-peak)使用时节省电能。“连续的负载监测和控制非常重要,而MOSFET将需具备新的特性,为系统级功率控制器提供温度、电流和电压信息。”

  尽管新应用不断涌现,但高频高效的要求始终是发展趋势。万代半导体公司市场部副总裁TonyGrizelj告诉本刊,通过使用高开关频率的功率器件,可以有效降低系统中的磁性元件(如电感和变压器)的体积,也可以降低电容的容值,从而降低系统的尺寸,提高紧凑性,并降低整体成本。

  胡凤平:MOSFET、IGBT作为电源系统的关键器件,对于效率的提高起着至关重要的作用。

  但提高开关频率是把双刃剑,对系统有利有弊。开关频率提高的同时会引入高的开关损耗,进而降低系统的效率。“这与目前中国乃至全球节能减排的要求相对立。”Grizelj指出,“高频对功率元件的性能提出了更高的要求,必须通过技术和工艺的进步,降低开关损耗和导通损耗,以进一步提高系统的效率。”

  除了需要解决高频引入损耗问题之外,选择器件时还需要综合考虑器件各项指标进行取舍。功率器件的发展对半导体器件的生产工艺提出新的挑战,到目前为止将各种性能指标同时优化的生产工艺尚未出现,一些重要的性能指标相互矛盾,往往难以两全。胡凤平以MOSFET为例解释道,MOSFET为多子导电的电压控制型器件,耐压值、导通电阻(Rdson)及栅电荷(Qg)是其重要的性能指标,然而鱼和熊掌不可兼得,仍需按照应用的不同而有所侧重。“不同应用需要选用耐压不同的器件;为降低功耗,器件需具有更小的Rdson和Qg;而为得到更快的开关速度,则需尽可能地降低器件的Qg。”胡凤平表示。

  功率器件围绕封装做文章

  功率器件是一门综合了芯片设计、生产以及封装的学问,在功率管理领域,要提供领先的技术,必须在器件、工艺和应用三方面拥有专业能力,才能够把符合客户功率要求的产品推向市场。飞兆半导体公司产品市场经理TomasMoreno认为,功率管理产品的新功能包括多芯片模块、提供更佳热性能的先进封装,以及将这些因素与先进硅技术的结合。例如飞兆的低压PowerTrenchMOSFET就是采用先进的每平方英寸10亿个单元的工艺技术开发的。只要对这种技术进行微调,获得适当的Qg、Rdson和品质因数(FOM),就可为台式和笔记本电脑中的DC-DC转换器提供出色的性能。而把该技术扩展到中端电压范围,可为100V功率MOSFET提供出众性能。

  功率器件的创新几乎全部围绕着封装大做文章。从分立式封装到功率模块产品,从单芯片到多芯片系统级封装(SIP),

  多种封装形式涵盖了从低功率到大功率各种应用。可以说,封装工艺对于功率器件而言,在一定程度上决定了功率器件的性能表现。胡凤平指出,封装工艺不仅对于功率器件至关重要,而且对于产品的性能、价格也有很大的影响。例如TO220封装的MOSFET在开关频率非常高(例如300KHz)的情况下,就明显不如SSO8封装的MOSFET有优势,因为前者由于封装因素而产生不少的寄生参数。

  针对不同应用,功率模块的封装形式不一。飞兆拥有多种功率封装技术,即使最常见的分立式单芯片功率封装也能通过采用两个散热器实现多向散热改善性能,以更低的导通电阻实现更出色的电气性能。

  该公司另一项重要开发成果为功率晶圆级芯片尺寸封装(waferlevelchipscalepackage,WL-CSP),它允许所有漏、源和栅极都分布在MOSFET芯片的前端。这类封装的间距可能非常小(目前是0.4mm)。

  Moreno特别强调说:“把多芯片功率器件集成在单个封装中,除创新的MOSFET/IGBT和封装技术外,还需要适当的模拟技术。”由于尺寸的限制,系统不得不使用更高的全功率开关频率,这样一来,就必须采用节能技术,否则效率可能降低。

  当然,封装工艺并非唯一决胜功率器件的绝招,IR就独辟蹊径掀起了GaN功率器件的革命。Persson指出硅衬底GaN技术充满前途,IR在该领域展开了庞大的研发计划。

  分立功率器件和集成模块成对峙之势

  随着设计复杂度的提升以及产品上市时间缩短的压力加大,半导体器件集成化的风潮同样蔓延到功率器件市场。集成功率模块市场正不断蚕食着分立功率器件市场。

  今年IR推出了SupIRBuck负载点稳压器系列的第二代产品。在它推出之前,市场上多以分开封装的分立控制器配合MOSFET,或采用包括电感器的全集成POL模块。

  “我们能够把采用优化半导体技术的IC,与高侧及低侧MSOFET集成到细小的低成本封装里。”Persson强调IR在功率市场的优势源于在MOSFET和IC技术两方面都有丰富的经验和专业知识。多功能第二代SupIRBuck系列配备先进的控制IC、MOSFET和封装整合技术,可提供4A、8A及12A输出电流,并在整个负载范围维持基准效率。虽然新器件是为12V输入电压优化,但于9.6V、5V或3.3V输入电压的应用仍能达到卓越效率,实现了结合高能效和功率密度的灵活性。

  万代半导体公司亚洲区市场开发部副总裁王瑞兴也肯定了集成功率模块的优势,“集成功率模块具有集成度高,功能齐全,设计简单等特点,但由于成本高,灵活性差,因此其应用范围仍然有较大的局限性,主要集中在电机拖动,以及并网发电、功率补偿等电力系统的应用中,当然在一些消费类电子,如PDP电视高压驱动以及LCD电视AC-DC电源中也有一定的应用。”不过,凡事皆有两面性。分立方案灵活性强、成本低,仍然获得广泛的应用。“在一些行业,如电动自行车控制器,过去曾经使用过的集成的驱动方案,现在应用越来越少,绝大部分公司都采用了分立的方案。”万代半导体公司亚洲区市场开发部上海应用中心经理刘松补充道,“长期来看,分立功率器件依然将占据主导地位,并和集成功率模块并存于市场。”

  集成和分立的对峙并不是时间的问题,而在于确定应用领域的疆界。陈建宏建议系统制造商根据产品的不同应用需求,考虑温升问题、电路架构以及价格等诸多因素。显然,分立功率器件目前仍具有成本、散热及弹性应用优势。他总结道:“集成模块市场是否能快速成长,未来能否主导市场,不仅取决于成本、组件体积及散热,占领更多应用更是其中的关键。”

  正所谓物极必反,尽管功率模块在系统应用一路高歌猛进,但随着系统电源管理方面的演进,新设计相应会衍生出一些全新的功率器件形式。未来某些专用汽车应用中将出现直接在子系统中构建功率段,使用芯片细线或夹焊技术来封装。“如果大功率市场朝这个方向发展,半导体供应商将为客户供应‘确保合格裸片’而非功率模块。”Trice指出,“由于安森美与汽车及工业领域客户有长期的合作关系,让我们在有需要的情况下,能够朝这个方向快速发展。”


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