MOSFET封装进步帮助提供超前于芯片组路线图的移动功能

MOSFET封装进步帮助提供超前于芯片组路线图的移动功能

        面临为需求若渴的移动设备市场提供新功能压力的设计人员正在充分利用全新亚芯片级封装(sub-CSP)技术的优势，使用标准IC来构建领先于芯片组路线图的新设计。

       简介：移动功能市场需求

      移动电话渗透率在已开发市场达到了很高比例，而在世界上其他地区也不断提高。根据GSMA的信息，先进的欧洲国家的移动用户渗透率已经超过90%。开发中市场的平均渗透比例将由2012年的39%增加至2017年的47%，而且是未来5年内刺激全球移动市场增长的最大因素。随着世界各地市场增长，数以十亿计的新用户迎来移动连接带来的个人及经济机会，他们对额外功能及更物有所值的需求将会只升不降。

       移动趋势及设计

      当今的移动设备购买者渴求大荧幕体验，同时还要求移动设备重量轻、超便携及时尚。为了符合此需求，大尺寸的高分辨率触控荧幕几乎占据了智能手机、平板电脑及混合型“平板手机”设备的整个前面板区域。设计人员要提供购买者渴求的纤薄外形，必须密切注意外壳内电子元件的高度。此外，移动设备除了用于通话及发短信，还被大量地用于浏览网页、照相、分享照片、游戏及听音乐，故要求更大电池电量。使用当前电池技术的话，只能装配较大的电池来满足此需求，但这会给设备内的空间造成额外负担。

      与此同时，移动设备设计人员必须提供越来越多的功能来与市场上的其它产品竞争。吸引购买者的新功能有如更佳照相、要求更大内容容量的更好游戏、高速连接外部屏幕或驱动等外设以及内容相关性(context-sensitive)功能。理想情况下，这些需求应当透过转向下一代芯片组来满足。但是，消费市场需求往往超越IC发展步伐，在集成所要求之功能的新基带芯片组上市之前，就必须提供新产品。

       理想与可交付结果之比较

       虽然集成型方案更受青睐，而且很明显是空间利用率最高的途径，但是，设计人员必须探寻出方法，使用当前市场上有的元件来配合可接受的PCB面积，应用所要求的功能。毫无疑问，这要求使用多种标准IC。安森美半导体生产用于移动应用的多种标准IC，如单芯片D类放大器、LED背光控制器、专用音频管理IC、滤波元件、端口共享、I/O保护及有源电磁干扰(EMI)管理。

       设计人员要使用多个标准IC来完成设计，需要极微型的小信号MOSFET和芯片电阻等元件，用于负载开关、芯片外接口(见图1)、电平转换(见图2)及带电平转换的高边负载开关(见图3)等应用。为了获得良好结果，这些元件应当占用极小的PCB面积和尽可能最低的安装高度。

图1. 接口开关电路中的小信号MOSFET

图2. MOSFET用于电平转换。

图3. MOSFET用作带电平转换功能的高边负载开关

       就芯片电阻等无源元件而言，微型化已经造就了在单个元件中结合多个电阻的电阻阵列元件，以及采用极小的0402、0201或01005 SMD封装的分立元件。然而，MOSFET的微型化通常更具挑战；MOSFET的设计参照了几项相互冲突的参数；在物理尺寸小、能进行快速高能效开关的元件中，难于实现低导通电阻及将开关应用的能耗降至最低。为了实现这些参数的高质量组合，元件必须拥有小裸片尺寸，并带有高单元密度及低电容和低闸极电荷。

       移动设备用MOSFET的微型化

      通常情况下，有多种设计手段可行。功率MOSFET设计人员倾向于使用超结(super junction)、深沟槽(deep trench)或其它先进的沟槽技术来提供低导通电阻及高压能力和小裸片尺寸。在小信号MOSFET中，如那些用于在移动设备中采用2.5 V或1.8 V低电压工作的负载开关及接口的小信号MOSFET，必须追寻其它技术来减小封装尺寸和每个裸片尺寸的导通电阻。事实上，每个裸片尺寸的导通电阻是主导用于负载开关型应用的MOSFET的真正关键的评判标准。

      最新世代小信号MOSFET被设计为提供低阈值电压，规定的闸极驱动电压低至1.5 V，使元件能够提供极低导通电阻，用于采用锂离子电池提供的低电压工作的便携应用。

       为了将这些元件能够提供的小裸片尺寸的优势提升至最多，它们提供宽广超小型封装选择来供货，涵盖从尺寸为1.6 x 1.6 x 0.5 mm的SOT-563封装到尺寸为1.0 x 0.6 x 0.4mm SOT-883的封装等。最新的器件，如安森美半导体的N沟道NTNS3193NZ 及P沟道NTNS3A91PZ充分利用极纤薄导线架平面网格阵列(XLLGA)亚芯片级封装技术的优势，进一步推进了小信号MOSFET的微型化。

       亚芯片级封装

        XLLGA封装在封装底部提供可焊接的金属触点(类似于DFN型封装)，采用创新的内部设计，使整体封装尺寸小于任何类似芯片级封装。

图3. LLGA 3 0.62 x 0.62 x 0.4mm亚芯片级无引线封装。

         安森美半导体的NTNS3193NZ及NTNS3A91PZ使用最新XLLGA3 3导线亚芯片级封装(见图3)，尺寸仅为0.62 x 0.62 x 0.4 mm，是业界极其微型化的分立小信号MOSFET，总占位面积仅为0.38mm2。N沟道NTNS3193NZ的典型导通电阻为0.65 Ω @ ±4.5 V闸极至源极电压，而NTNS3A91PZ P沟道元件的典型导通电阻为典型值1.1Ω@±4.5 V。它们是安森美半导体20 V小信号MOSFET系列中最小的元件；此系列元件还包括采用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)封装的元件。

        结论

      随着全球人口中使用移动技术的比例不断提升，不断发展的市场对更高性能及功能的需求预计也将上升。产品设计人员要想在短时间内领先于竞争对手来满足这些要求，必须依靠结合硅技术进步及封装技术改进。虽然大规模集成电路(LSI)持续遵循摩尔定律，在连续多世代的移动芯片组中集成更多功能，毫无疑问，新元件只会在市场需求被确认一段时间后才上市。

为了确保透过使用多个标准IC开发成功的设计来尽早上市，设计人员必须充分利用充当关键功能区域“胶合剂”(glue)之小信号分立元件创新的优势。随着每个新芯片组的上市，领先的设计已经应用多芯片，并推动亚芯片级分立MOSFET的进一步需求。