MOSFET封裝進步幫助提供超前于芯片組路線圖的移動功能

面臨為需求若渴的移動設(shè)備市場提供新功能壓力的設(shè)計人員正在充分利用全新亞芯片級封裝(sub-CSP)技術(shù)的優(yōu)勢，使用標準IC來構(gòu)建領(lǐng)先于芯片組路線圖的新設(shè)計。

簡介：移動功能市場需求

移動電話滲透率在已開發(fā)市場達到了很高比例，而在世界上其他地區(qū)也不斷提高。根據(jù)GSMA的信息，先進的歐洲國家的移動用戶滲透率已經(jīng)超過90%。開發(fā)中市場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5年內(nèi)刺激全球移動市場增長的較大因素。隨著世界各地市場增長，數(shù)以十億計的新用戶迎來移動連接帶來的個人及經(jīng)濟機會，他們對額外功能及更物有所值的需求將會只升不降。

移動趨勢及設(shè)計

當今的移動設(shè)備購買者渴求大熒幕體驗，同時還要求移動設(shè)備重量輕、超便攜及時尚。為了符合此需求，大尺寸的高分辨率觸控熒幕幾乎占據(jù)了智能手機、平板電腦及混合型“平板手機”設(shè)備的整個前面板區(qū)域。設(shè)計人員要提供購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、照相、分享照片、游戲及聽音樂，故要求更大電池電量。使用當前電池技術(shù)的話，只能裝配較大的電池來滿足此需求，但這會給設(shè)備內(nèi)的空間造成額外負擔。

與此同時，移動設(shè)備設(shè)計人員必須提供越來越多的功能來與市場上的其它產(chǎn)品競爭。吸引購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)當透過轉(zhuǎn)向下一代芯片組來滿足。但是，消費市場需求往往超越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)計人員必須探尋出方法，使用當前市場上有的元件來配合可接受的PCB面積，應(yīng)用所要求的功能。毫無疑問，這要求使用多種標準IC。安森美半導(dǎo)體生產(chǎn)用于移動應(yīng)用的多種標準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保護及有源電磁干擾(EMI)管理。

設(shè)計人員要使用多個標準IC來完成設(shè)計，需要極微型的小信號MOSFET和芯片電阻等元件，用于負載開關(guān)、芯片外接口(見圖1)、電平轉(zhuǎn)換(見圖2)及帶電平轉(zhuǎn)換的高邊負載開關(guān)(見圖3)等應(yīng)用。為了獲得良好結(jié)果，這些元件應(yīng)當占用極小的PCB面積和盡可能較低的安裝高度。

圖1. 接口開關(guān)電路中的小信號MOSFET

圖2. MOSFET用于電平轉(zhuǎn)換。

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

就芯片電阻等無源元件而言，微型化已經(jīng)造就了在單個元件中結(jié)合多個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)計參照了幾項相互沖突的參數(shù)；在物理尺寸小、能進行快速高能效開關(guān)的元件中，難于實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻及將開關(guān)應(yīng)用的能耗降至較低。為了實現(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。

移動設(shè)備用MOSFET的微型化

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

較新世代小信號MOSFET被設(shè)計為提供低閾值電壓，規(guī)定的閘極驅(qū)動電壓低至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)勢提升至較多，它們提供寬廣超小型封裝選擇來供貨，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)亞芯片級封裝技術(shù)的優(yōu)勢，進一步推進了小信號MOSFET的微型化。

亞芯片級封裝

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

圖3. LLGA 3 0.62 x 0.62 x 0.4mm亞芯片級無引線封裝。

安森美半導(dǎo)體的NTNS3193NZ及NTNS3A91PZ使用較新XLLGA3 3導(dǎo)線亞芯片級封裝(見圖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技術(shù)的比例不斷提升，不斷發(fā)展的市場對更高性能及功能的需求預(yù)計也將上升。產(chǎn)品設(shè)計人員要想在短時間內(nèi)領(lǐng)先于競爭對手來滿足這些要求，必須依靠結(jié)合硅技術(shù)進步及封裝技術(shù)改進。雖然大規(guī)模集成電路(LSI)持續(xù)遵循摩爾定律，在連續(xù)多世代的移動芯片組中集成更多功能，毫無疑問，新元件只會在市場需求被確認一段時間后才上市。

為了確保透過使用多個標準IC開發(fā)成功的設(shè)計來盡早上市，設(shè)計人員必須充分利用充當關(guān)鍵功能區(qū)域“膠合劑”(glue)之小信號分立元件創(chuàng)新的優(yōu)勢。隨著每個新芯片組的上市，領(lǐng)先的設(shè)計已經(jīng)應(yīng)用多芯片，并推動亞芯片級分立MOSFET的進一步需求。

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