罗姆在"功率元器件"的发展与"电源IC技术"的变革

2012-11-13

前言
为了防止地球温室化,减少CO2排放量已成为人类的课题。为了减少CO2排放量,节电与提高电压的转换效率是当务之急。在这种背景下,罗姆通过用于LED照明的技术贡献于节电,通过功率元器件提升转换效率。
而提高转换效率就需要减少损耗。发电站产生几十万伏的电压,通过电线和变压器将这些电压降低为如我们所熟悉的手机充电器所提供的约5V的电压进行使用。从发电站到充电器之间电压被多次转换,每次转换都会发生损耗。这些损耗的原因之一是功率元器件的损耗。只要这些损耗变成零,就可以大幅消减CO2排放量。虽然不能完全达到零,但为了接近零,罗姆日以继夜在进行反复的研究和开发。罗姆认为通过这些研发结果降低损耗、减少CO2排放,可以提高罗姆的企业存在价值。

罗姆在功率元器件领域的发展
提起半导体,一般人会想到施以微细加工的大规模集成电路(LSI),为了使LSI按要求工作,按所需电压、电流供应电力的电源是不可或缺的。在这种"按所需形式供应电力"的领域中,半导体也发挥着重要的作用,从"处理电力(功率)"的含义出发,其核心半导体部件被称为功率元器件或功率半导体。
在功率元器件的应用领域方面,又大致划分为电脑(PC)及PC外围设备领域约为30%,数码家电、车载领域约为15%,白色家电和工业、通信领域约为30%。在功率元器件的世界中,说"有多少电源种类就有多少功率元器件种类"毫不夸张,为满足市场需求,需要不断完善各种应用电路、易用封装、复合品、额定电流、额定电压的产品阵容,要求具备多元化的技术积累。
在功率元器件领域,罗姆拥有业界顶级水平的产品阵容,在Si基超级结(SJ)-MOSFET注1、MOSFET注2、双极晶体管注3、肖特基势垒二极管(SBD)注4、快速恢复二极管(FRD)注5、二极管(Di)注6、齐纳二极管注7之外,又新增了碳化硅(SiC注8)、氮化镓(GaN注9)等新一代元件,在各电压范围都配备了有特色的功率元器件产品。

[图1]晶体管开发趋势
晶体管开发趋势

尤其是SiC从处于世界顶级的研究开发平稳顺利地进入到制造阶段,继2010年4月实现了SiC SBD量产之后,罗姆于同年12月在世界范围内首家成功实现了SiC MOSFET的真正量产。另外,仅凭元件本身无法100%发挥SiC本身所具有的性能,为满足市场需求,罗姆于2011年陆续开始了模块产品的量产。

※:根据罗姆调查(截至2012年11月13日)

 

罗姆通过SiC产品覆盖高电压范围,通过SJ-MOS和MOSFET覆盖几百伏左右电压范围。近年来,罗姆正在发力扩充几百伏左右的商品的产品阵容。当然,传统的低耐压范围的商品扩充也在同时开发。2012年8月发布的新结构MOSFET就是耐压40V、电流可达100A的产品。该产品损耗的主要因素——Ron仅为1mΩ。
另外,在二极管方面,罗姆成功开发出一直以来认为要求极为苛刻的高耐热SBD。此产品即使在电气化程度越来越高的汽车这样的苛刻温度条件下亦可使用,可改善燃效。
不仅如此,罗姆正在不断提高驱动这些功率元器件的IC的耐压性能。以往耐压数十伏的罗姆IC,如今耐压性能已经提高到600V,可驱动各种耐压水平的功率元器件。
对于需要绝缘的整机产品,可使用2012年5月推出的带绝缘功能的栅极驱动器。此产品将3枚芯片一体封装,通过绝缘化,使电源部与控制部的分离成为可能,绝缘耐压已实现2500Vrms。这是通过罗姆融合了旗下IC电路设计技术、半导体(Wa)制造技术与封装技术而成功研发,并实现了量产化。
另外,伴随着功率元器件的高耐压化,还开发了外围使用的新系列电阻产品,即高耐压电阻KTR系列。以往在高电压发生部位(例:相机的闪光灯用电压部,使氙气型闪光灯瞬时产生几百伏电压)通过串联低耐压电阻实现耐压,而KTR系列产品通过结构改善实现了更高的耐压性能,1个电阻耐压可达300V以上。采用本品可以减少数码相机等产品的零部件数量。
罗姆针对各种耐压水平,不仅提供功率元器件,而且提供包括外围部件在内的综合改善方案。

罗姆在电源IC技术上的突破
罗姆正在面向所有领域推进电源IC的开发。而电源IC大体上可分为系列电源和开关电源。
在系列电源方面,罗姆一直在致力于提升频率特性与输出段特性、降低电路电流(图2)。其中,备受瞩目的是2012年7月推出的电路电流实现6µA的车载用LDO注10。该产品使用耐压50V的BiCDMOS工艺,仅1枚芯片即实现了电源电路。市场上存在电路电流小的产品,但这种耐压水平高并且可在苛刻的车载市场使用的、确保电气特性与可靠性的产品在全球尚属首例

[图2] 线性稳压器—丰富的产品阵容
线性稳压器—丰富的产品阵容

另外,作为可最大程度控制LDO损耗的系列电源,备有Ultra LDO BD35xx系列产品。该系列产品是采用Nch FET与双电源结构两种手法、可大幅降低输入输出电压差的系列电源。系列电源的效率由(输出电压÷输入电压)决定,因此,降低输入输出电压可提高效率,从而,可将效率提高到开关电源水平。最近,各种电源对这种减少开关电源数量的解决方案的需求日益高涨,尤其在PC和数码家电中广为采用。

※:根据罗姆调查(截至2012年11月13日)

 

[图3] "BD35xx系列"未来设计方案
晶体管开发趋势

另外,在开关电源方面,罗姆不仅拥有传统的电压模式、峰值电流模式产品,还陆续推出了平均电流模式、ON time控制、H3REGTM等新产品。
这些产品中尤其值得一提的是6MHz的开关电源BU900xx系列。这种IC是拥有高频率开关电源技术的(图4)。外围部件仅3个:输入输出电容和1个线圈,而其最大的特点是频率更高因此可使用小型产品,整体上可减少电源部份面积。此外,实现了1.3mm×0.9mm的小型封装、电路电流仅40µA的低耗电量,从而在以智能手机为首的便携设备中广为采用(图5)。
另外,H3REGTM 是实现快速瞬态响应的罗姆独创的控制方式。与电压模式、电流模式及ON Time控制相比,有望大幅改善输出电流变动时的电压漏失(图6)。

[图4] 20MHz开关电源"无线圈"降压DC/DC转换器注11 [图5] 6MHz 1.0A步降DC/DC转换器
20MHz开关电源无线圈降压DC/DC转换器 6MHz 1.0A步降DC/DC转换器
 
[图6] 瞬态响应比较
瞬态响应比较

罗姆在功率元器件及电源IC小型化上的推进
很多整机产品的设计人员感叹配套基板一般都是电源。另外,时常耳闻印制电路板的单位面积成本逐日攀升。的确,从有些智能手机和平板电脑等的拆解图片上看,基板被电池挤到非常小的角落里。而且,除去CPU和存储器等一目了然的IC,多个内置线圈相当引人注目。
这些线圈通常是开关电源部的线圈,可见间接的使用了相当数量的电源。至于系列电源,最近封装越来越向超小型化发展,看不清印刷字迹,对于没有受过专业训练的人来说不知道是什么IC。
罗姆的系列电源采用WLCSP(Wafer Level Chip Size Package)技术,从0.96mm×0.96mm向0.8mm×0.8mm不断推进小型化,这与端子间距正在从0.5mm变为0.4mm同步向小型化进展。 在小型化方面,罗姆进一步加快研发的步伐,开发出端子间距仅为0.3mm的世界最小的0.65mm×0.65mm尺寸封装(该产品目前尚在开发中)。成功实现了整机产品的进一步小型化。

※:根据罗姆调查(截至2012年11月13日)
[图7] CMOS LDO WLCSP演化图
CMOS LDO WLCSP演化图

另外,罗姆同时在推进FET注12和Di的小型化。这些是通过采用新封装结构实现的。例如,以往的FET封装的最小尺寸为1.2mm×1.2mm,最新的小型封装尺寸在以往基础上降低了约70%,达到0.8mm×0.6mm,实现超小型化。
如上所述,罗姆不断推进元器件的小型化,在部件的小型化、整机产品的小型化、减少废弃物、减少CO2排放量等各个环节做出了
贡献。 另外,作为最新的小型产品,还有融合了IC外围部件的一体化封装电源。这是一款内置了IC外围部件的产品,是超紧凑型的且支持盘带安装的、用于IC汇编器的超小型模块。罗姆将其定位为新一代IC封装之一,并为实现其量产化投入力量。该产品采用内置基板技术,不仅可搭载外围部件、可与IC连接,还可减少面积。使用一体化封装电源的整机产品设计人员,可以享受减少安装面积、优化布局减小开关尺寸、使用简单等优点,从而可倾全力于设计。另外整机产品的采购担当人员可以减少零部件数量,使日益增加的零部件变得更加干净整齐。
在面向安装面积要求苛刻的智能手机方面,罗姆开发出了两种产品。
第一种是搭载了上述介绍的BU900xx系列的降压式电源BZ6AxxGM系列。该系列产品在减少面积的同时将高度控制在1mm。这是实现世界最小级别2.9×2.3mm的紧凑型支持650mA输出电流的产品。
第二种是升压电源BZ1AxxGM(该产品目前尚在开发中)系列。可作为升压电源和升降压电源使用,是实现了仅为2.3×2.4mm的世界最小尺寸的产品。当然,高度也是1mm。
该系列产品的使用方法多种多样。例如,在用锂离子电池(2.7-4.2V)制作5V电压的电路中,使用这种一体化封装电源,可轻松作为USB电源、HDMI电源、LED手电筒电源而使用。

[图8]一体化封装电源系列
一体化封装电源系列
※:根据罗姆调查(截至2012年11月13日)

另外,为了在锂离子电池环境下使用仅可在5V电压下使用的IC,采用BZ1AxxGM系列也是有效的手段。输入电压范围较宽的IC为了适应锂离子电池较宽的电源电压范围,需要牺牲的特性也为数不少。而不失去这些特性的手段之一就是利用BZ1AxxGM系列制作的5V电压。
一体化封装电源是作为"所有的部件集成于1枚芯片"的IC连接目标的中间产品。我们预想,电源部所使用的高耐压和大电流的功率元器件、大容量电容及支持大电流的线圈确实无法在21世纪单芯片化。罗姆积极致力于走在22世纪前端的一体化封装电源的开发,敬请期待未来罗姆具有前瞻性的的产品阵容。

今后
而在罗姆提出的四大发展战略注13中,其中之一便是"强化以SiC为核心的功率元器件产品"。其实,罗姆在功率元器件领域的不断发展中,为推进节能减排,罗姆也一直致力于以新一代元件碳化硅(SiC),氮化镓(GaN)为原材料的产品的研发,并已陆续推出了适用于不同业界的各种解决方案,利用高新技术将这两种"理想器件"植入生活的各个层面。通过在高效化、大电流化、高耐压化、小型化、模块化等各个方面的研发,带来更多精彩的呈现。

即将于2012年11月16~21日在深圳举办的第十四届高交会电子展上,您将在罗姆展台上看到在这里介绍的功率元器件和电源IC等众多产品,欢迎莅临现场,亲身体验!

<术语解说>
注1: SJ-MOSFET
超级结MOSFET的缩写。即超级结金属氧化物场效应三极管。
注2: MOSFET
Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor的缩写。
即金属-氧化层-半导体-场效晶体管,简称金氧半场效晶体管,是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。
注3: 双极晶体管
又称双极型晶体管(Bipolar Transistor),由两个背靠背PN结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。
注4: 肖特基势垒二极管(SBD)
肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode,缩写成SBD)是一种热载流子二极管。
注5: 快速恢复二极管(FRD)
快速恢复二极管(Fast Recovery Diode,缩写成FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管。
注6: 二极管(Di)
又称晶体二极管,简称二极管(Diode,缩写成Di),是一种具有单向传导电流的电子器件。
注7: 齐纳二极管
又称稳压二极管,是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。
注8: SiC
Silicon Carbide的缩写。即碳化硅,是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。
注9: GaN
即氮化镓,属第三代半导体材料,六角纤锌矿结构。
注10: LDO
Low Dropout Regulator的缩写。即低压差线性稳压器。
注11: DC/DC转换器
是转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。
注12: FET
Field Effect Transistor的缩写。场效应晶体管,简称场效应管。由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管。属于电压控制型半导体器件。
注13: 四大发展战略
2008年罗姆于创立50周年之际,面向未来50年提出发展战略。其中包括:
(1) 相乘战略:罗姆将融合模拟IC及LAPIS Semiconductor的数字LSI技术,开拓汽车、工控市场。
(2) 功率元器件战略以SiC为核心的元器件技术及依据功率IC的控制技术,以及将二者合二为一的 模块技术,融合这三项技术,不断为节能环保做出贡献。
(3) LED战略:以LED照明为核心,从LED贴片、驱动IC到电源模块提供综合性的LED综合解决 方案。
(4) 传感器战略:罗姆于2009年将MEMS加速度传感器的供应商Kionix公司纳入集团,以世界顶级 的产品阵容,满足传感器市场的各种需求。
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