作者：安森美半導(dǎo)體營(yíng)銷經(jīng)理Sam Abdeh

 

面臨為需求若渴的移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)提供新功能壓力的設(shè)計(jì)人員正在充分利用全新亞芯片級(jí)封裝(sub-CSP)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使用標(biāo)準(zhǔn)IC來(lái)構(gòu)建領(lǐng)先于芯片組路線圖的新設(shè)計(jì)。

 

簡(jiǎn)介：移動(dòng)功能市場(chǎng)需求

移動(dòng)電話滲透率在已開(kāi)發(fā)市場(chǎng)達(dá)到了很高比例，而在世界上其他地區(qū)也不斷提高。根據(jù)GSMA的信息，先進(jìn)的歐洲國(guó)家的移動(dòng)用戶滲透率已經(jīng)超過(guò)90%。開(kāi)發(fā)中市場(chǎng)的平均滲透比例將由2012年的39%增加至2017年的47%，而且是未來(lái)5年內(nèi)刺激全球移動(dòng)市場(chǎng)增長(zhǎng)的較大因素。隨著世界各地市場(chǎng)增長(zhǎng)，數(shù)以十億計(jì)的新用戶迎來(lái)移動(dòng)連接帶來(lái)的個(gè)人及經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)，他們對(duì)額外功能及更物有所值的需求將會(huì)只升不降。

 

移動(dòng)趨勢(shì)及設(shè)計(jì)

當(dāng)今的移動(dòng)設(shè)備購(gòu)買者渴求大熒幕體驗(yàn)，同時(shí)還要求移動(dòng)設(shè)備重量輕、超便攜及時(shí)尚。為了符合此需求，大尺寸的高分辨率觸控?zé)赡粠缀跽紦?jù)了智能手機(jī)、平板電腦及混合型“平板手機(jī)”設(shè)備的整個(gè)前面板區(qū)域。設(shè)計(jì)人員要提供購(gòu)買者渴求的纖薄外形，必須密切注意外殼內(nèi)電子元件的高度。此外，移動(dòng)設(shè)備除了用于通話及發(fā)短信，還被大量地用于瀏覽網(wǎng)頁(yè)、照相、分享照片、游戲及聽(tīng)音樂(lè)，故要求更大電池電量。使用當(dāng)前電池技術(shù)的話，只能裝配較大的電池來(lái)滿足此需求，但這會(huì)給設(shè)備內(nèi)的空間造成額外負(fù)擔(dān)。

 

與此同時(shí)，移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員必須提供越來(lái)越多的功能來(lái)與市場(chǎng)上的其它產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。吸引購(gòu)買者的新功能有如更佳照相、要求更大內(nèi)容容量的更好游戲、高速連接外部屏幕或驅(qū)動(dòng)等外設(shè)以及內(nèi)容相關(guān)性(context-sensitive)功能。理想情況下，這些需求應(yīng)當(dāng)透過(guò)轉(zhuǎn)向下一代芯片組來(lái)滿足。但是，消費(fèi)市場(chǎng)需求往往超越IC發(fā)展步伐，在集成所要求之功能的新基帶芯片組上市之前，就必須提供新產(chǎn)品。

 

理想與可交付結(jié)果之比較

雖然集成型方案更受青睞，而且很明顯是空間利用率較高的途徑，但是，設(shè)計(jì)人員必須探尋出方法，使用當(dāng)前市場(chǎng)上有的元件來(lái)配合可接受的PCB面積，應(yīng)用所要求的功能。毫無(wú)疑問(wèn)，這要求使用多種標(biāo)準(zhǔn)IC。安森美半導(dǎo)體生產(chǎn)用于移動(dòng)應(yīng)用的多種標(biāo)準(zhǔn)IC，如單芯片D類放大器、LED背光控制器、專用音頻管理IC、濾波元件、端口共享、I/O保護(hù)及有源電磁干擾(EMI)管理。

 

設(shè)計(jì)人員要使用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)IC來(lái)完成設(shè)計(jì)，需要極微型的小信號(hào)MOSFET和芯片電阻等元件，用于負(fù)載開(kāi)關(guān)、芯片外接口(見(jiàn)圖1)、電平轉(zhuǎn)換(見(jiàn)圖2)及帶電平轉(zhuǎn)換的高邊負(fù)載開(kāi)關(guān)(見(jiàn)圖3)等應(yīng)用。為了獲得良好結(jié)果，這些元件應(yīng)當(dāng)占用極小的PCB面積和盡可能較低的安裝高度。

 

圖1. 接口開(kāi)關(guān)電路中的小信號(hào)MOSFET

 

 

圖2. MOSFET用于電平轉(zhuǎn)換。

 

 

圖3. MOSFET用作帶電平轉(zhuǎn)換功能的高邊負(fù)載開(kāi)關(guān)

 

就芯片電阻等無(wú)源元件而言，微型化已經(jīng)造就了在單個(gè)元件中結(jié)合多個(gè)電阻的電阻陣列元件，以及采用極小的0402、0201或01005 SMD封裝的分立元件。然而，MOSFET的微型化通常更具挑戰(zhàn)；MOSFET的設(shè)計(jì)參照了幾項(xiàng)相互沖突的參數(shù)；在物理尺寸小、能進(jìn)行快速高能效開(kāi)關(guān)的元件中，難于實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻及將開(kāi)關(guān)應(yīng)用的能耗降至較低。為了實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)的高質(zhì)量組合，元件必須擁有小裸片尺寸，并帶有高單元密度及低電容和低閘極電荷。

 

移動(dòng)設(shè)備用MOSFET的微型化

通常情況下，有多種設(shè)計(jì)手段可行。功率MOSFET設(shè)計(jì)人員傾向于使用超結(jié)(super junction)、深溝槽(deep trench)或其它先進(jìn)的溝槽技術(shù)來(lái)提供低導(dǎo)通電阻及高壓能力和小裸片尺寸。在小信號(hào)MOSFET中，如那些用于在移動(dòng)設(shè)備中采用2.5 V或1.8 V低電壓工作的負(fù)載開(kāi)關(guān)及接口的小信號(hào)MOSFET，必須追尋其它技術(shù)來(lái)減小封裝尺寸和每個(gè)裸片尺寸的導(dǎo)通電阻。事實(shí)上，每個(gè)裸片尺寸的導(dǎo)通電阻是主導(dǎo)用于負(fù)載開(kāi)關(guān)型應(yīng)用的MOSFET的真正關(guān)鍵的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

 

較新世代小信號(hào)MOSFET被設(shè)計(jì)為提供低閾值電壓，規(guī)定的閘極驅(qū)動(dòng)電壓低至1.5 V，使元件能夠提供極低導(dǎo)通電阻，用于采用鋰離子電池提供的低電壓工作的便攜應(yīng)用。

 

為了將這些元件能夠提供的小裸片尺寸的優(yōu)勢(shì)提升至較多，它們提供寬廣超小型封裝選擇來(lái)供貨，涵蓋從尺寸為1.6 x 1.6 x 0.5 mm的SOT-563封裝到尺寸為1.0 x 0.6 x 0.4mm SOT-883的封裝等。較新的器件，如安森美半導(dǎo)體的N溝道NTNS3193NZ 及P溝道NTNS3A91PZ充分利用極纖薄導(dǎo)線架平面網(wǎng)格陣列(XLLGA)亞芯片級(jí)封裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步推進(jìn)了小信號(hào)MOSFET的微型化。

 

亞芯片級(jí)封裝

XLLGA封裝在封裝底部提供可焊接的金屬觸點(diǎn)(類似于DFN型封裝)，采用創(chuàng)新的內(nèi)部設(shè)計(jì)，使整體封裝尺寸小于任何類似芯片級(jí)封裝。

 

圖3. LLGA 3 0.62 x 0.62 x 0.4mm亞芯片級(jí)無(wú)引線封裝。

 

安森美半導(dǎo)體的NTNS3193NZ及NTNS3A91PZ使用較新XLLGA3 3導(dǎo)線亞芯片級(jí)封裝(見(jiàn)圖3)，尺寸僅為0.62 x 0.62 x 0.4 mm，是業(yè)界極其微型化的分立小信號(hào)MOSFET，總占位面積僅為0.38mm2。N溝道NTNS3193NZ的典型導(dǎo)通電阻為0.65 Ω @ ±4.5 V閘極至源極電壓，而NTNS3A91PZ P溝道元件的典型導(dǎo)通電阻為典型值1.1Ω@±4.5 V。它們是安森美半導(dǎo)體20 V小信號(hào)MOSFET系列中較小的元件；此系列元件還包括采用SOT563 (1.6x1.6x0.5 mm)、SOT723 (1.2 x 1.2 x 0.5 mm)、SOT963 (1.0 x 1.0 x 0.5 mm)及SOT883 (1.0 x 0.6 x 0.4 mm)封裝的元件。

 

結(jié)論

隨著全球人口中使用移動(dòng)技術(shù)的比例不斷提升，不斷發(fā)展的市場(chǎng)對(duì)更高性能及功能的需求預(yù)計(jì)也將上升。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員要想在短時(shí)間內(nèi)領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手來(lái)滿足這些要求，必須依靠結(jié)合硅技術(shù)進(jìn)步及封裝技術(shù)改進(jìn)。雖然大規(guī)模集成電路(LSI)持續(xù)遵循摩爾定律，在連續(xù)多世代的移動(dòng)芯片組中集成更多功能，毫無(wú)疑問(wèn)，新元件只會(huì)在市場(chǎng)需求被確認(rèn)一段時(shí)間后才上市。

 

為了確保透過(guò)使用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)IC開(kāi)發(fā)成功的設(shè)計(jì)來(lái)盡早上市，設(shè)計(jì)人員必須充分利用充當(dāng)關(guān)鍵功能區(qū)域“膠合劑”(glue)之小信號(hào)分立元件創(chuàng)新的優(yōu)勢(shì)。隨著每個(gè)新芯片組的上市，領(lǐng)先的設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用多芯片，并推動(dòng)亞芯片級(jí)分立MOSFET的進(jìn)一步需求。