功率元器件的發(fā)展與電源IC技術(shù)的變革

　　前言

　　為了防止地球溫室化，減少CO2排放量已成為人類(lèi)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(guò)用于LED照明的技術(shù)貢獻(xiàn)于節(jié)電，通過(guò)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(wàn)伏的電壓，通過(guò)電線(xiàn)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(kāi)發(fā)。羅姆認(rèn)為通過(guò)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(chēng)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(chē)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(shuō)“有多少電源種類(lèi)就有多少功率元器件種類(lèi)”毫不夸張，為滿(mǎn)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(kāi)發(fā)趨勢(shì)

　　尤其是SiC從處于世界頂級(jí)的研究開(kāi)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(wú)法100%發(fā)揮SiC本身所具有的性能，為滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，羅姆于2011年陸續(xù)開(kāi)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(guò)SiC產(chǎn)品覆蓋高電壓范圍，通過(guò)SJ-MOS和MOSFET覆蓋幾百伏左右電壓范圍。近年來(lái)，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(kāi)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(kāi)發(fā)出一直以來(lái)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(lái)越高的汽車(chē)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)串聯(lián)低耐壓電阻實(shí)現(xiàn)耐壓，而KTR系列產(chǎn)品通過(guò)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(kāi)發(fā)。而電源IC大體上可分為系列電源和開(kāi)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(chē)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(chē)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※。

　　[圖2] 線(xiàn)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(kāi)關(guān)電源水平。最近，各種電源對(duì)這種減少開(kāi)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)

　　[圖3] “BD35xx系列”未來(lái)設(shè)計(jì)方案

　　另外，在開(kāi)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(kāi)關(guān)電源BU900xx系列。這種IC是擁有高頻率開(kāi)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(xiàn)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(kāi)關(guān)電源“無(wú)線(xiàn)圈”降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器(注11)

　　[圖5] 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(xiàn)圈相當(dāng)引人注目。

　　這些線(xiàn)圈通常是開(kāi)關(guān)電源部的線(xiàn)圈，可見(jiàn)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(lái)越向超小型化發(fā)展，看不清印刷字跡，對(duì)于沒(méi)有受過(guò)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的人來(lái)說(shuō)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(kāi)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(kāi)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)

　　[圖7] 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(guò)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(pán)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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)中)系列?？勺鳛樯龎弘娫春蜕祲弘娫词褂?，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(xiàn)圈確實(shí)無(wú)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(kāi)發(fā)，敬請(qǐng)期待未來(lái)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(guò)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(lái)更多精彩的呈現(xiàn)。

　　即將于2012年11月16~21日在深圳舉辦的第十四屆高交會(huì)電子展上，您將在羅姆展臺(tái)上看到在這里介紹的功率元器件和電源IC等眾多產(chǎn)品，歡迎蒞臨現(xiàn)場(chǎng)，親身體驗(yàn)!

　　<術(shù)語(yǔ)解說(shuō)>

　　注1：SJ-MOSFET

　　超級(jí)結(jié)MOSFET的縮寫(xiě)。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(xiě)。即金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)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(xiě)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(xiě)成FRD)是一種具有開(kāi)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(chēng)晶體二極管,簡(jiǎn)稱(chēng)二極管(Diode,縮寫(xiě)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(chēng)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(xiě)。即碳化硅，是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑為原料通過(guò)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(xiě)。即低壓差線(xiàn)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(xiě)。場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱(chēng)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(lái)50年提出發(fā)展戰(zhàn)略。其中包括：

　　(1)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(kāi)拓汽車(chē)、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L(fǎng)ED照明為核心，從LED貼片、驅(qū)動(dòng)IC到電源模塊提供綜合性L(fǎng)ED綜合解決方案。

　　(4)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(mǎn)足傳感器市場(chǎng)的各種需求。