功率元器件的發(fā)展與電源IC技術(shù)的變革 - 全文

　　前言

　　為了防止地球溫室化，減少CO2排放量已成為人類的課題。為了減少CO2排放量，節(jié)電與提高電壓的轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)務(wù)之急。在這種背景下，羅姆通過用于LED照明的技術(shù)貢獻(xiàn)于節(jié)電，通過功率元器件提升轉(zhuǎn)換效率。

　　而提高轉(zhuǎn)換效率就需要減少損耗。發(fā)電站產(chǎn)生幾十萬伏的電壓，通過電線和變壓器將這些電壓降低為如我們所熟悉的手機(jī)充電器所提供的約5V的電壓進(jìn)行使用。從發(fā)電站到充電器之間電壓被多次轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換都會(huì)發(fā)生損耗。這些損耗的原因之一是功率元器件的損耗。只要這些損耗變成零，就可以大幅消減CO2排放量。雖然不能完全達(dá)到零，但為了接近零，羅姆日以繼夜在進(jìn)行反復(fù)的研究和開發(fā)。羅姆認(rèn)為通過這些研發(fā)結(jié)果降低損耗、減少CO2排放，可以提高羅姆的企業(yè)存在價(jià)值。

　　羅姆在功率元器件領(lǐng)域的發(fā)展

　　提起半導(dǎo)體，一般人會(huì)想到施以微細(xì)加工的大規(guī)模集成電路（LSI），為了使LSI按要求工作，按所需電壓、電流供應(yīng)電力的電源是不可或缺的。在這種“按所需形式供應(yīng)電力”的領(lǐng)域中，半導(dǎo)體也發(fā)揮著重要的作用，從“處理電力（功率）”的含義出發(fā)，其核心半導(dǎo)體部件被稱為功率元器件或功率半導(dǎo)體。

　　在功率元器件的應(yīng)用領(lǐng)域方面，又大致劃分為電腦（PC）及PC外圍設(shè)備領(lǐng)域約為30%，數(shù)碼家電、車載領(lǐng)域約為15%，白色家電和工業(yè)、通信領(lǐng)域約為30%。在功率元器件的世界中，說“有多少電源種類就有多少功率元器件種類”毫不夸張，為滿足市場(chǎng)需求，需要不斷完善各種應(yīng)用電路、易用封裝、復(fù)合品、額定電流、額定電壓的產(chǎn)品陣容，要求具備多元化的技術(shù)積累。

　　在功率元器件領(lǐng)域，羅姆擁有業(yè)界頂級(jí)水平的產(chǎn)品陣容，在Si基超級(jí)結(jié)（SJ）-MOSFET注1、MOSFET注2、雙極晶體管注3、肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）注4、快速恢復(fù)二極管（FRD）注5、二極管（Di）注6、齊納二極管注7之外，又新增了碳化硅（SiC注8）、氮化鎵（GaN注9）等新一代元件，在各電壓范圍都配備了有特色的功率元器件產(chǎn)品。

　　［圖1］晶體管開發(fā)趨勢(shì)

　　尤其是SiC從處于世界頂級(jí)的研究開發(fā)平穩(wěn)順利地進(jìn)入到制造階段，繼2010年4月實(shí)現(xiàn)了SiC SBD量產(chǎn)之后，羅姆于同年12月在世界范圍內(nèi)首家※成功實(shí)現(xiàn)了SiC MOSFET的真正量產(chǎn)。另外，僅憑元件本身無法100%發(fā)揮SiC本身所具有的性能，為滿足市場(chǎng)需求，羅姆于2011年陸續(xù)開始了模塊產(chǎn)品的量產(chǎn)。

　　※：根據(jù)羅姆調(diào)查（截至2012年11月13日）

　　羅姆通過SiC產(chǎn)品覆蓋高電壓范圍，通過SJ-MOS和MOSFET覆蓋幾百伏左右電壓范圍。近年來，羅姆正在發(fā)力擴(kuò)充幾百伏左右的商品的產(chǎn)品陣容。當(dāng)然，傳統(tǒng)的低耐壓范圍的商品擴(kuò)充也在同時(shí)開發(fā)。2012年8月發(fā)布的新結(jié)構(gòu)MOSFET就是耐壓40V、電流可達(dá)100A的產(chǎn)品。該產(chǎn)品損耗的主要因素——Ron僅為1mΩ。

　　另外，在二極管方面，羅姆成功開發(fā)出一直以來認(rèn)為要求極為苛刻的高耐熱SBD。此產(chǎn)品即使在電氣化程度越來越高的汽車這樣的苛刻溫度條件下亦可使用，可改善燃效。

　　不僅如此，羅姆正在不斷提高驅(qū)動(dòng)這些功率元器件的IC的耐壓性能。以往耐壓數(shù)十伏的羅姆IC，如今耐壓性能已經(jīng)提高到600V，可驅(qū)動(dòng)各種耐壓水平的功率元器件。

　　對(duì)于需要絕緣的整機(jī)產(chǎn)品，可使用2012年5月推出的帶絕緣功能的柵極驅(qū)動(dòng)器。此產(chǎn)品將3枚芯片一體封裝，通過絕緣化，使電源部與控制部的分離成為可能，絕緣耐壓已實(shí)現(xiàn)2500Vrms。這是通過羅姆融合了旗下IC電路設(shè)計(jì)技術(shù)、半導(dǎo)體（Wa）制造技術(shù)與封裝技術(shù)而成功研發(fā)，并實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)化。

　　另外，伴隨著功率元器件的高耐壓化，還開發(fā)了外圍使用的新系列電阻產(chǎn)品，即高耐壓電阻KTR系列。以往在高電壓發(fā)生部位（例：相機(jī)的閃光燈用電壓部，使氙氣型閃光燈瞬時(shí)產(chǎn)生幾百伏電壓）通過串聯(lián)低耐壓電阻實(shí)現(xiàn)耐壓，而KTR系列產(chǎn)品通過結(jié)構(gòu)改善實(shí)現(xiàn)了更高的耐壓性能，1個(gè)電阻耐壓可達(dá)300V以上。采用本品可以減少數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品的零部件數(shù)量。

　　羅姆針對(duì)各種耐壓水平，不僅提供功率元器件，而且提供包括外圍部件在內(nèi)的綜合改善方案。

　　羅姆在電源IC技術(shù)上的突破

　　羅姆正在面向所有領(lǐng)域推進(jìn)電源IC的開發(fā)。而電源IC大體上可分為系列電源和開關(guān)電源。

　　在系列電源方面，羅姆一直在致力于提升頻率特性與輸出段特性、降低電路電流（圖2）。其中，備受矚目的是2012年7月推出的電路電流實(shí)現(xiàn)6μA的車載用LDO注10。該產(chǎn)品使用耐壓50V的BiCDMOS工藝，僅1枚芯片即實(shí)現(xiàn)了電源電路。市場(chǎng)上存在電路電流小的產(chǎn)品，但這種耐壓水平高并且可在苛刻的車載市場(chǎng)使用的、確保電氣特性與可靠性的產(chǎn)品在全球尚屬首例※。

　?。蹐D2］ 線性穩(wěn)壓器—豐富的產(chǎn)品陣容

　　另外，作為可最大程度控制LDO損耗的系列電源，備有Ultra LDO BD35xx系列產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品是采用Nch FET與雙電源結(jié)構(gòu)兩種手法、可大幅降低輸入輸出電壓差的系列電源。系列電源的效率由（輸出電壓÷輸入電壓）決定，因此，降低輸入輸出電壓可提高效率，從而，可將效率提高到開關(guān)電源水平。最近，各種電源對(duì)這種減少開關(guān)電源數(shù)量的解決方案的需求日益高漲，尤其在PC和數(shù)碼家電中廣為采用。

　　※：根據(jù)羅姆調(diào)查（截至2012年11月13日）

　?。蹐D3］ “BD35xx系列”未來設(shè)計(jì)方案

　　另外，在開關(guān)電源方面，羅姆不僅擁有傳統(tǒng)的電壓模式、峰值電流模式產(chǎn)品，還陸續(xù)推出了平均電流模式、ON time控制、H3REGTM等新產(chǎn)品。

　　這些產(chǎn)品中尤其值得一提的是6MHz的開關(guān)電源BU900xx系列。這種IC是擁有高頻率開關(guān)電源技術(shù)的。（圖4）。外圍部件僅3個(gè)：輸入輸出電容和1個(gè)線圈，而其最大的特點(diǎn)是頻率更高因此可使用小型產(chǎn)品，整體上可減少電源部份面積。此外，實(shí)現(xiàn)了1.3mm×0.9mm的小型封裝、電路電流僅40μA的低耗電量，從而在以智能手機(jī)為首的便攜設(shè)備中廣為采用（圖5）。

　　另外，H3REGTM 是實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)的羅姆獨(dú)創(chuàng)的控制方式。與電壓模式、電流模式及ON Time控制相比，有望大幅改善輸出電流變動(dòng)時(shí)的電壓漏失（圖6）。

　　［圖4］ 20MHz開關(guān)電源“無線圈”降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器（注11）

　?。蹐D5］ 6MHz 1.0A步降DC/DC轉(zhuǎn)換器

　　羅姆在功率元器件及電源IC小型化上的推進(jìn)

　　很多整機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員感嘆配套基板一般都是電源。另外，時(shí)常耳聞?dòng)≈齐娐钒宓膯挝幻娣e成本逐日攀升。的確，從有些智能手機(jī)和平板電腦等的拆解圖片上看，基板被電池?cái)D到非常小的角落里。而且，除去CPU和存儲(chǔ)器等一目了然的IC，多個(gè)內(nèi)置線圈相當(dāng)引人注目。

　　這些線圈通常是開關(guān)電源部的線圈，可見間接的使用了相當(dāng)數(shù)量的電源。至于系列電源，最近封裝越來越向超小型化發(fā)展，看不清印刷字跡，對(duì)于沒有受過專業(yè)訓(xùn)練的人來說不知道是什么IC。

　　羅姆的系列電源采用WLCSP（Wafer Level Chip Size Package）技術(shù)，從0.96mm×0.96mm向0.8mm×0.8mm不斷推進(jìn)小型化，這與端子間距正在從0.5mm變?yōu)?.4mm同步向小型化進(jìn)展。

　　在小型化方面，羅姆進(jìn)一步加快研發(fā)的步伐，開發(fā)出端子間距僅為0.3mm的世界最小※的0.65mm×0.65mm尺寸封裝（該產(chǎn)品目前尚在開發(fā)中）。成功實(shí)現(xiàn)了整機(jī)產(chǎn)品的進(jìn)一步小型化。

　　※：根據(jù)羅姆調(diào)查（截至2012年11月13日）

　?。蹐D7］ CMOS LDO WLCSP演化圖

　　另外，羅姆同時(shí)在推進(jìn)FET注12和Di的小型化。這些是通過采用新封裝結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。例如，以往的FET封裝的最小尺寸為1.2mm×1.2mm，最新的小型封裝尺寸在以往基礎(chǔ)上降低了約70％，達(dá)到0.8mm×0.6mm，實(shí)現(xiàn)超小型化。

　　如上所述，羅姆不斷推進(jìn)元器件的小型化，在部件的小型化、整機(jī)產(chǎn)品的小型化、減少?gòu)U棄物、減少CO2排放量等各個(gè)環(huán)節(jié)做出了貢獻(xiàn)。

　　另外，作為最新的小型產(chǎn)品，還有融合了IC外圍部件的一體化封裝電源。這是一款內(nèi)置了IC外圍部件的產(chǎn)品，是超緊湊型的且支持盤帶安裝的、用于IC匯編器的超小型模塊。羅姆將其定位為新一代IC封裝之一，并為實(shí)現(xiàn)其量產(chǎn)化投入力量。該產(chǎn)品采用內(nèi)置基板技術(shù)，不僅可搭載外圍部件、可與IC連接，還可減少面積。使用一體化封裝電源的整機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員，可以享受減少安裝面積、優(yōu)化布局減小開關(guān)尺寸、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，從而可傾全力于設(shè)計(jì)。另外整機(jī)產(chǎn)品的采購(gòu)擔(dān)當(dāng)人員可以減少零部件數(shù)量，使日益增加的零部件變得更加干凈整齊。

　　在面向安裝面積要求苛刻的智能手機(jī)方面，羅姆開發(fā)出了兩種產(chǎn)品。

　　第一種是搭載了上述介紹的BU900xx系列的降壓式電源BZ6AxxGM系列。該系列產(chǎn)品在減少面積的同時(shí)將高度控制在1mm。這是實(shí)現(xiàn)世界最小※級(jí)別2.9×2.3mm的緊湊型支持650mA輸出電流的產(chǎn)品。

　　第二種是升壓電源BZ1AxxGM（該產(chǎn)品目前尚在開發(fā)中）系列。可作為升壓電源和升降壓電源使用，是實(shí)現(xiàn)了僅為2.3×2.4mm的世界最小※尺寸的產(chǎn)品。當(dāng)然，高度也是1mm。

　　該系列產(chǎn)品的使用方法多種多樣。例如，在用鋰離子電池（2.7-4.2V）制作5V電壓的電路中，使用這種一體化封裝電源，可輕松作為USB電源、HDMI電源、LED手電筒電源而使用。

　　［圖8］一體化封裝電源系列

　　另外，為了在鋰離子電池環(huán)境下使用僅可在5V電壓下使用的IC，采用BZ1AxxGM系列也是有效的手段。輸入電壓范圍較寬的IC為了適應(yīng)鋰離子電池較寬的電源電壓范圍，需要犧牲的特性也為數(shù)不少。而不失去這些特性的手段之一就是利用BZ1AxxGM系列制作的5V電壓。

　　一體化封裝電源是作為“所有的部件集成于1枚芯片”的IC連接目標(biāo)的中間產(chǎn)品。我們預(yù)想，電源部所使用的高耐壓和大電流的功率元器件、大容量電容及支持大電流的線圈確實(shí)無法在21世紀(jì)單芯片化。羅姆積極致力于走在22世紀(jì)前端的一體化封裝電源的開發(fā)，敬請(qǐng)期待未來羅姆具有前瞻性的的產(chǎn)品陣容。

　　今后

　　而在羅姆提出的四大發(fā)展戰(zhàn)略注13中，其中之一便是“強(qiáng)化以SiC為核心的功率元器件產(chǎn)品”。其實(shí)，羅姆在功率元器件領(lǐng)域的不斷發(fā)展中，為推進(jìn)節(jié)能減排，羅姆也一直致力于以新一代元件碳化硅（SiC），氮化鎵（GaN）為原材料的產(chǎn)品的研發(fā)，并已陸續(xù)推出了適用于不同業(yè)界的各種解決方案，利用高新技術(shù)將這兩種“理想器件”植入生活的各個(gè)層面。通過在高效化、大電流化、高耐壓化、小型化、模塊化等各個(gè)方面的研發(fā)，帶來更多精彩的呈現(xiàn)。

　　＜術(shù)語解說＞

　　注1：SJ-MOSFET

　　超級(jí)結(jié)MOSFET的縮寫。即超級(jí)結(jié)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)三極管。

　　注2：MOSFET

　　Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor的縮寫。即金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管。

　　注3：雙極晶體管

　　又稱雙極型晶體管（Bipolar Transistor），由兩個(gè)背靠背PN結(jié)構(gòu)成的具有電流放大作用的晶體三極管。

　　注4：肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）

　　肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier Diode，縮寫成SBD）是一種熱載流子二極管。

　　注5：快速恢復(fù)二極管（FRD）

　　快速恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode，縮寫成FRD）是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短特點(diǎn)的半導(dǎo)體二極管。

　　注6：二極管（Di）

　　又稱晶體二極管，簡(jiǎn)稱二極管（Diode，縮寫成Di），是一種具有單向傳導(dǎo)電流的電子器件。

　　注7：齊納二極管

　　又稱穩(wěn)壓二極管，是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。

　　注8：SiC

　　Silicon Carbide的縮寫。即碳化硅，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成。

　　注9：GaN

　　即氮化鎵，屬第三代半導(dǎo)體材料，六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)。

　　注10：LDO

　　Low Dropout Regulator的縮寫。即低壓差線性穩(wěn)壓器。

　　注11：DC/DC轉(zhuǎn)換器

　　是轉(zhuǎn)變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器。

　　注12：FET

　　Field Effect Transistor的縮寫。場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。

　　注13：四大發(fā)展戰(zhàn)略

　　2008年羅姆于創(chuàng)立50周年之際，面向未來50年提出發(fā)展戰(zhàn)略。其中包括：

　?。?）相乘戰(zhàn)略：羅姆將融合模擬IC及LAPIS Semiconductor的數(shù)字LSI技術(shù)，開拓汽車、工控市場(chǎng)。

　　（2）功率元器件戰(zhàn)略：以SiC為核心的元器件技術(shù)及依據(jù)功率IC的控制技術(shù)，以及將二者合二為一的模塊技術(shù)，融合這三項(xiàng)技術(shù)，不斷為節(jié)能環(huán)保做出貢獻(xiàn)。

　　（3）LED戰(zhàn)略：以LED照明為核心，從LED貼片、驅(qū)動(dòng)IC到電源模塊提供綜合性LED綜合解決方案。

　?。?）傳感器戰(zhàn)略：羅姆于2009年將MEMS加速度傳感器的供應(yīng)商Kionix公司納入集團(tuán)，以世界頂級(jí)的產(chǎn)品陣容，滿足傳感器市場(chǎng)的各種需求。