功率器件前程似錦 主流廠商各具千秋

    功率半導體器件的應用迄今已有50年歷史，自上世紀80年代以來，隨著新型功率半導體器件尤其是電源管理芯片的蓬勃發(fā)展，功率器件極大地拓展了應用領域。全球各大廠商也不失時機地加大研發(fā)力度，占領市場高地。功率半導體器件究竟有哪些熱門的應用領域？主流廠商各自專注于哪些領域？功率半導體器件的技術發(fā)展趨勢如何？各大廠商有何發(fā)展策略？業(yè)內知名企業(yè)人士就相關問題進行了探討。

    飛兆半導體公司技術及應用支持中心亞太區(qū)副總裁 王瑞興

    安森美半導體汽車及電源管理產品部全球銷售及市場總監(jiān) 鄭兆雄

    美國國家半導體亞太區(qū)電源管理產品市場營銷經理 吳志民

    松下半導體銷售(中國)公司中國系營業(yè)部北方區(qū)代表 張 丹

    功率器件的發(fā)展及應用

　　●主流廠商引領行業(yè)發(fā)展方向

　　●4C及工業(yè)控制是主要應用領域

    鄭兆雄 　功率半導體器件就是在功率電子電路中用作開關或整流的半導體器件，它主要包括三個方面，分別是：以雙極性器件為主的傳統(tǒng)功率半導體器件(如功率二極管)，以MOSFET和IC為主的現代功率半導體器件以及在前兩者基礎上發(fā)展起來的特大功率器件。

    功率器件的發(fā)展大致分為三個階段。第一個階段是隨著晶閘管在1957年的出現，各種類型的晶閘管和大功率達林頓二極管都有很大的發(fā)展。隨后在上世紀70年代末，隨著金屬氧化物半導體(MOS)技術的進步，功率MOSFET開始面市，并在80年代和90年代開始廣泛地應用于通信、計算機和消費電子等各類應用。第三個階段是從上世紀90年代末開始，功率器件和集成電路的結合越來越緊密，這既體現在制造工藝技術和封裝技術方面，也體現在器件結構方面，也就是功率器件開始越來越多地與集成電路做在同一個芯片上或是同一個封裝中。

    安森美半導體提供一系列的功率器件，如二極管、功率整流器、晶閘管、雙極晶體管和各種場效應管(FET)等。對于安森美半導體而言，我們已經從提供單個的器件轉向提供完整的解決方案，全方位地服務于客戶的應用需求。

    功率器件熱門的應用領域包括臺式計算機ATX電源和液晶電視電源等，這兩大領域在今后將繼續(xù)擁有廣闊的發(fā)展前景。其中，對于ATX電源而言，越來越多的能效規(guī)范對它提出了越來越高的工作效率、待機能耗和功率因數要求。如能源之星要求計算機電源功率因數高于90%，并且在20%、50%和100%負載條件下的電源能效都高于80%；此外，計算產業(yè)氣候拯救行動(CSCI)提出了新的節(jié)能要求，到2011年上述三種負載條件下的電源能效分別要達到87%、90%和87%。要滿足這些越來越高的要求就需要采用性能更高的功率器件。此外，液晶電視市場近年來發(fā)展迅速，且未來前景持續(xù)看好，業(yè)界對它的工作能效特別是待機功耗方面的關注有增無減，這也要求采用更多更好的功率器件。

    王瑞興　　2007年是飛兆半導體值得紀念的一年。2007年是公司創(chuàng)建50周年的里程碑，飛兆半導體于1957年首次創(chuàng)立，一年之后，公司開發(fā)出世界上首個集成電路(IC)。2007年也是飛兆半導體重新成為獨立公司并進入中國市場的10周年，在過去10年中，飛兆半導體已經成為一家面向應用的、基于解決方案的半導體產品供應商，提供強大的設計支持，并在全球建立了廣泛的客戶合作關系。隨著燃料供應日益緊張，以及對越來越多應用領域的能效做出強制性要求的新法規(guī)和標準相繼出臺，大大推動了對于新興技術的需求。飛兆半導體認識到這種需求，并集中力量開發(fā)先進的產品，以滿足市場對高能效解決方案和不斷縮短產品上市時間的要求。這一戰(zhàn)略使得飛兆半導體在功率半導體領域執(zhí)全球市場份額牛耳。

    目前，功率半導體器件最熱門的應用領域是電源、照明和消費電子產品；而前景最佳的應用是計算機、工業(yè)電機和汽車應用。

    吳志民　　美國國家半導體創(chuàng)下功率器件發(fā)展史上的多個第一。我們率先開發(fā)業(yè)界首款可調整電壓的單芯片穩(wěn)壓器LM117、業(yè)界首款低壓降穩(wěn)壓器LM2930以及業(yè)界首款穩(wěn)壓開關電容轉換器LM3353。我們的SIMPLE SWITCHERTM系列開關穩(wěn)壓器很易融入系統(tǒng)設計，因此大受市場歡迎。目前的SIMPLE SWITCHER芯片已屬于第四代的產品。回顧過去30年來，美國國家半導體一直在電源管理芯片市場上居于領導地位。

    目前功率器件熱門的應用領域當屬電源管理芯片。電源管理芯片市場的年復合增長率達9%，其中有部分板塊的增長率遠遠高于這個平均增長數字。LED燈光系統(tǒng)及以太網供電系統(tǒng)(PoE)便是最具代表性的例子。

    張 丹　　功率器件在消費電子、工業(yè)控制、汽車電子、照明、網絡通信等領域被大量采用。而節(jié)約能源，是功率半導體器件技術前進的重要方向。在降低能耗、提高效率方面，功率器件扮演著越來越重要的角色。在產業(yè)化推進過程中，簡化設計、改進封裝、重視環(huán)保、減低成本等呼聲已愈來愈高。這不僅僅體現在消費電子類，在耐壓性、工作電流以及可靠穩(wěn)定性等方面要求更高的工業(yè)控制，汽車電子、網絡通信等領域更加凸顯了功率器件的重要性。

    技術趨勢及相應策略

　　●高功效、小體積是普遍要求

　　●緊貼應用需求是必然選擇

    王瑞興　　功率半導體器件競爭和技術開發(fā)的焦點是提高效率、增加功能性和減小體積。飛兆半導體能夠利用先進的工藝和封裝技術，將功率模擬和功率分立功能集成于創(chuàng)新的封裝中，從而顯著改善客戶應用的能效和成本/性能比。我們利用在功率領域的領導地位，加上對客戶需求和市場趨勢的豐富知識以及強大的半導體技術力量，積極開發(fā)能不斷實現電子產品創(chuàng)新的高能效產品。飛兆半導體的高能效解決方案在改善環(huán)境狀況方面發(fā)揮著必不可少的重要作用。

     飛兆半導體與客戶，即當今領先的電子產品制造商密切合作，了解未來產品的功率設計挑戰(zhàn)，再綜合不同的解決方案以應對這些挑戰(zhàn)，從而最大限度地減少電力需求，最終為客戶帶來能滿足功效、噪聲或其他政府法規(guī)要求的好處。飛兆半導體的關鍵優(yōu)勢，在于結合了強大的產品和技術知識，以及與全球客戶的長期合作伙伴關系。

    鄭兆雄　　功率器件面臨的挑戰(zhàn)主要在于提升電源在滿載工作條件下的能效，以及降低待機狀態(tài)下的能耗。在這方面，安森美半導體采取整體性的途徑來解決待機功耗、工作能效和功率因數方面的問題，我們已經從提供領先的產品過渡到提供領先的整體解決方案，覆蓋“從插口到插袋”的應用。

    就功率器件而言，如前所述，它的一個重要發(fā)展趨勢便是與集成電路的結合越來越緊密。舉例來說，功率MOS型器件為了達到更好的性能，如要求更低的導通電阻，其工藝已從二十年前的幾微米的技術迅速向亞微米甚至深亞微米發(fā)展。這與集成電路工藝技術的發(fā)展方向是一致的。其次，MOSFET器件的封裝技術也在向大規(guī)模集成電路的封裝靠近，如近年來，功率MOS器件也采用了諸如倒裝(Flip)、球柵陣列(BGA)和多芯片組件(MCM)等較新的集成電路封裝形式。

    此外，對于功率器件而言，由于會有大量熱量產生，因此散熱就非常重要。例如，安森美半導體最近推出了高能效、低Vce(sat)雙極結(BJT)晶體管產品系列，為市場提供了最豐富的高性能BJT選擇。NSSxxx系列低Vce(sat)表面貼裝器件是低功率耗損和高散熱性能領域的領先產品，專為對能效控制要求極為嚴格的低壓轉換應用而設計。

    對于安森美半導體而言，我們的技術發(fā)展策略就是深入理解終端產品的應用需求以及客戶的應用要求，以及針對集成度越來越高的趨勢提供更多的增值型新產品。

    吳志民　　關于當前面臨的挑戰(zhàn)，主要在于我們的客戶希望新一代的電源管理解決方案具備高能源效率、高集成度及封裝小巧等優(yōu)點。因此，美國國家半導體一直致力于開發(fā)創(chuàng)新的電源管理技術，其中包括可支持嶄新電路布局的集成電路、功率密度更高的全新工藝以及超小型的封裝。此外，我們也為微處理器及射頻功率放大器提供能源效率極高的電源管理系統(tǒng)解決方案。新方案的特點是采用閉環(huán)或開環(huán)的反饋控制方法，因此可以確保電源管理芯片能按照系統(tǒng)的實際供電需要提供剛好滿足其要求的電壓及功率輸出。最后要提的一點也很重要，那就是我們不斷改善WEBENCH網上仿真測試工具，以便為客戶提供完善的設計技術支持，在這方面來說，我們是市場的領導者。最近，我們?yōu)閃EBENCH設計工具添加多個新亮點。例如，新添加的“性能按鈕”可讓用戶輕易優(yōu)化其電源供應系統(tǒng)設計，而且用戶選用設計方案時，可特別指定以效率還是以方案體積為決定性的考慮因素。此外，WEBENCH還添加了可支持LED設計的新工具。客戶只要選定LED的配置，WEBENCH便可為客戶挑選最適用的LED驅動器，讓客戶可以馬上進行模擬測試。

    張 丹 半導體功率器件種類繁多，有絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，場效應晶體管(MOSFET)，PFC控制器，智能電源芯片(IPD)，電源管理芯片(PM IC)等諸多產品。其中，絕緣柵雙極型晶體管兼?zhèn)鋱鲂�應晶體管的高速性能和雙極型功率晶體管的低電阻性能，使其成為大功率應用領域的理想功率開關器件。根據具體應用，其特點及具體參數的要求也多有差別，不宜一概而論，以下僅以消費電子領域里的等離子電視(PDP)的應用為例敘述功率器件面臨的挑戰(zhàn)及技術發(fā)展趨勢。

    等離子電視(PDP)的Y-SUS基板(Scan)和X-SUS基板(Sustain)上的能量恢復電路及維持電路需要大電流控制及高速開關特性。與場效應管比較，飽和電壓在170V以上時，IGBT的輸出電流將大大超過MOSFET，即Vce(sat)特性會更好。而另一重要指標Tf(Turn off)雖不如MOSFET，但通過電子照射確實可以實現開關高速化。因此，IGBT已替代MOSFET成為在PDP-SUS基板的最重要分立器件。現在，為了使等離子電視(PDP)的顯示更具效果，IGBT還需一定程度地提高工作電壓來增大電流。同時，考慮到散熱及成本等因素，在封裝和制造工藝上也在尋求更進一步的改進。

    功率器件產業(yè)在今后需要多個技術方面的突破，其中材料、工藝、封裝、設計與控制技術尤其重要。新材料的出現和應用會帶來產業(yè)質的飛躍，如SiC用于功率器件、GaN用于LED等等。而工藝和封裝的不斷改進會促進產業(yè)化的進程，如具有高低壓模塊的數模混合單片IC將會出現，數字模擬混合的功率器件將會誕生。在性能改進上，新拓撲結構等的利用頗受矚目；而如何使器件性能被發(fā)揮至極致，軟件控制技術同樣將被視為又一重要環(huán)節(jié)。總而言之，高可靠性、高穩(wěn)定性、高性能、低功耗、小尺寸、低成本、重視環(huán)保(符合RoHS指令)是功率器件的未來發(fā)展趨勢，也是業(yè)界共同努力的目標。

    業(yè)內廠家專注領域

　　●賣產品更需賣服務

　　●節(jié)能降耗是永恒主題

    王瑞興　　飛兆半導體是全球首屈一指的用于系統(tǒng)功率優(yōu)化的功率模擬和功率分立組件供應商。我們的主要市場領域是面向應用的、以解決方案為基礎的產品，包括超便攜產品(手機和手持式電器)、消費產品(電磁加熱器、電飯煲和白色家電)、通信(聯網設備)、計算機(筆記本電腦、臺式電腦、服務器具、外設和硬盤)、工業(yè)應用(測試設備和工廠自動化應用)以及汽車應用(動力傳動、點火和HID照明)等。

    飛兆半導體是第一家也是唯一一家面向AC/DC SMPS設計(1W-1500W)提供完整功率產品組合的半導體供應商。飛兆半導體的解決方案有助于滿足低待機功耗規(guī)范、簡化設計、減少EMI輻射和降低系統(tǒng)成本。飛兆半導體的模擬產品包括：功率MOSFET、IGBT、整流器、脈沖寬度調制(PWM)IC、功率因數校正(PFC)IC、PWM/PFC二合一、飛兆功率開關(FPS)、光耦合器、電壓參考、LDO。

    在超便攜式應用領域，飛兆半導體在功率、背光和信號調節(jié)方面的專業(yè)能力，使設計人員能夠解決便攜式設備所面臨的小型化、功能聚合及高功效等難題。面向這個市場領域的產品包括：IntelliMAX、μSerDes、LED驅動器、功率調節(jié)器、MOSFET、電荷泵、電機驅動產品、模擬開關、邏輯產品。

    在計算應用領域，飛兆半導體的解決方案能夠提高功率性能、系統(tǒng)效率、信號質量，并縮小電路板空間。面向這一市場領域的產品包括：飛兆功率開關(FPS)、MOSFET(高低功率)、MOSFET驅動器、DC/DC控制器、音頻放大器、二極管、晶體管、運算放大器、背光照明逆變器、功率因數校正IC、電機控制器。

    在消費應用領域，飛兆半導體的產品能夠提高功率性能、系統(tǒng)效率和信號質量。主要產品包括：功率調節(jié)器、MOSFET驅動器、飛兆功率開關(FPS)、光耦合器、整流器、晶體管、二極管、HVIC。

    在工業(yè)應用領域，飛兆半導體針對能效比要求苛刻的白色家電和其他變頻電機應用的解決方案能夠滿足客戶對更高效率、更強可靠性和更小系統(tǒng)尺寸的要求。產品包括：功率MOSFET、集成了模擬及分立技術的智能功率模塊(SPM)、可控硅、二極管、齊納二極管、光耦合器、飛兆功率開關(FPS)、HVIC。

    在汽車市場上，機械控制方式正逐漸轉向電子控制方式，飛兆半導體的解決方案可提供高效率和高功率密度，同時降低這些應用的功耗，以滿足系統(tǒng)的要求。我們的產品包括：功率MOSFET、智能MOSFET、IGBT、點火IGBT、整流器、LED驅動器、紅外傳感器。

    張 丹　　松下電器半導體公司的產品種類繁多，包括有以SoC為主的大規(guī)模集成電路，雙極型集成電路，圖像傳感器，模擬器件，分立器件，光器件，化合物半導體等等諸多行業(yè)。多達約20個事業(yè)領域中，重點戰(zhàn)略事業(yè)集中在數字電視，光存儲，汽車電子，圖像傳感等領域，并處于業(yè)界領先地位。在這些行業(yè)領域，松下電器半導體公司不僅僅為廣大用戶提供器件，同時也能夠提供參考設計方案或完整的系統(tǒng)解決方案，以求更好地支持我們的商務及技術伙伴。

    鄭兆雄　　安森美半導體把重點放在三大類戰(zhàn)略性電源管理解決方案上。

    其一是GreenPointTM高能效電源解決方案系列。安森美半導體的GreenPointTM參考設計和電源解決方案，不但解決了電源的所有功能區(qū)塊應用需求，并且符合國際低待機能耗的規(guī)范，確保提供“綠色”、高效的節(jié)能解決方案，滿足現在和未來對高效電源的需要，如針對計算機ATX 80 PLUS電源、CRT電視機電源和LCD液晶電視機電源、90%電源能效的適配器等。其中，就ATX 80 PLUS電源而言，安森美半導體將把能效提升到85%乃至更高的水平。

    其二是計算機電源管理解決方案。為了更有效地推動產品投放市場，安森美半導體的一個重點是計算機電源領域，包括Vcore控制器、系統(tǒng)DDR、系統(tǒng)控制器等。如用于筆記本業(yè)內首個用于VR11的異步雙緣NCP5381 PWM降壓控制器等。

    其三是數字消費類產品電源解決方案。安森美半導體在數字消費類電子產品領域投入很大力量，重點開發(fā)溝道和低Vce(sat) MOSFET，持續(xù)加強音頻和數據線濾波器和產品的性能和封裝，把更多的功能集成起來，以提高性能，降低尺寸。

    對于功率器件的封裝而言，它的作用主要在于：將裸片連接至外部電路；提供散發(fā)器件所產生熱量的方式；保護裸片免受外部環(huán)境(濕氣、灰塵等)影響。功率器件的許多可靠性問題都與由熱循環(huán)導致的溫度過高有關。因此，業(yè)界的努力重點在于：提高冷卻性能；通過密切匹配封裝與硅片的熱膨脹系數來增強對熱循環(huán)的抵抗力；增加封裝材料的最大工作溫度。此外，業(yè)界也在不斷改進功率器件的結構。

    主流廠商優(yōu)勢明顯

　　●設計面向系統(tǒng)需求

　　●中國市場舉足輕重

    王瑞興 飛兆半導體的器件經專業(yè)設計，幾乎任何想象得到的電子系統(tǒng)，我們的產品都能夠提高其功效，并解決最困難的設計挑戰(zhàn)，無論是溫度感應和功率管理、以至電池充電和電機控制的挑戰(zhàn)都能應付裕如。我們?yōu)檫@個電能緊缺的世界提供所需的產品，用于各種應用的系統(tǒng)功率優(yōu)化產品。

    飛兆半導體在中國市場的發(fā)展強勁，推動了全球市場占有率的增加。另外，我們也繼續(xù)保持在功率半導體市場占有率的第一位。我們專注于提供面向應用的、以解決方案為基礎的產品，以及強大的設計支持和全面的客戶合作。

    隨著新能量法規(guī)和技術進步互相融合，為電子產品帶來了一種新的效率規(guī)范模式，半導體供應商需要開發(fā)具有更高功效的電源設計、功率管理和功率轉換解決方案。飛兆半導體一直專注于開發(fā)針對現今應用所需的高能效解決方案。

    吳志民　　美國國家半導體的優(yōu)勢在于：全面顧及系統(tǒng)的整體需要，并確保同一設計適用于多種不同產品，使每一產品都有獨特個性，對便攜式產品的設計尤其有深入的認識；30年開發(fā)功率器件的經驗使我們擁有功率器件及電路設計方面的專門知識及創(chuàng)新技術，擁有的專利多達2700項；先進的功率器件工藝及封裝技術；世界級的供應鏈管理技術、生產能力及物流管理技術。