多种技术并存,无源器件向集成功能模块发展

上网时间: 2001年09月01日? 作者:鲁思奇? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:IPD? 集成无源器件?

无源器件制造商从半导体业获得了灵感。它们正在改变其传统的分立器件供应商形象,转向生产高集成度模块,以满足便携式电脑和移动通信设备对于减小体积、提高性能、降低成本的要求。

集成无源器件走过了从简单到复杂的发展过程:从最初集成了几个元件的无源网络和阵列器件,发展到集成无源器件(IPD)和集成无源/有源器件(IPAD),一直到最后的集成功能模块。集成功能模块已经不再是单纯的电阻、电容、电感和二极管的集成,而是在功能上可替代多个无源和有源器件的集成产品。多种技术并存,无源器件向集成功能模块发展_ESMCOL_1

业界主要供应商正在这一前沿领域开展研究,但各厂家针对提高集成度所制定的策略有所不同。有些公司继续保留传统的无源器件技术,如低温烧结陶瓷工艺(LTCC),而有些公司则扩展了基于硅片的薄膜技术,采用半导体工艺进行包含有源器件在内的集成器件生产。

目前大多数的IPD产品还集中在基带应用中,但未来集成无源器件的增长将主要来自射频领域。Paumanok集团总裁Dennis Zogbi认为,陶瓷技术似乎是蓝牙应用的最佳选择,但这并不等于基于半导体技术的IPD就不适合该应用,一些无源器件制造商已推出了BGA和CSP封装的器件。他指出,一旦产量上去,无线通信设备公司将转向使用IPD器件。

集成无源器件市场现在已浮现出商机。但今年的经济衰退使该器件的销售增长放缓,特别是在无线通信设备领域。根据iSuppli公司的统计,集成无源器件(包括厚、薄膜阵列和R/C网络)的销售额,将从去年的5.06亿美元下降至今年的4.65亿美元。但iSuppli预测明年将出现反弹,销售额达到5.16亿美元。

成本与性能

许多因素阻碍了集成无源器件的应用,价格便是其中之一。供应商承认集成无源器件的单位价格可能要高些,但用户应考虑到总体成本降低的情况。这里有两个问题需要解决:首先,产品的产量不够大,不足以推动价格大幅下降;其次,采购人员还是根据单个器件的价格来选择购买器件,而不是考虑总体成本的降低。

Vishay公司高级副总裁助理Glyndwr Smith指出,采购人员通常拿六个贴片电阻的价格同电阻/电容阵列的价格来进行比较。这样,阵列器件的价格可能显得贵一些,但如果计算总成本,降幅还是很明显的。他认为,在进行成本比较时,设计工程师应该参与,这样才能得到较为合理的结果。比如,手机制造商希望手机中只包含两、三个或最多四个模块,这样他们在生产装配时只需将模块插进去就行了。

村田电子北美公司市场区域经理Scott Klettke认为,同分立器件相比,集成器件在体积上具有绝对优势,同时可省去某些匹配电路,减少元件数量。他认为集成方案与分立方案在价格方面基本持平,有时甚至还要低一些。而在采购时因为只需购买一种元器件而不是四种或五种,因此可以节省人工成本。

为了确保价格合适,村田公司会同OEM公司合作,研究集成度与成本之间的关系。Klettke称:“当发现集成器件成本高于分立方案时,我们通常会停止该器件的开发。”通过采用集成器件,用户一般可以在成本方面节省5%到10%,板上空间节省30%到40%。

Bourns公司集成无源器件产品开发经理Ian Doyle认为,装配成本也应该予以考虑。他说:“在装配过程中,假使取放20个分立器件,每次取放的成本为1美分,那么装配成本总共需要20美分。但如果采用集成器件,只需取放一次,成本只需1美分。因此总体装配成本也是应该予以考虑的。”

撇开成本因素,集成无源器件可以降低杂散电感和杂散电容的影响,提高高频应用性能。BI技术公司的工程经理Bob Mosso说:“虽然采用分立器件也能做到这一点,但这对PCB的设计水平要求很高。”AVX公司的应用工程经理Ron Demcko称,在有些应用中,IPD可将杂散电感降低多达90%,因而对于RF应用具有很大吸引力。采用IPD可在RF或光频带内保持较好的信号完整性。

硅基薄膜扮演重要角色

尽管存在这些挑战,许多无源器件制造商还是积极向前推进,提供具有更高集成度的产品,满足市场上的批量需求。为了提高集成度,Bourns、BI、IRC等制造商纷纷采用基于硅片的薄膜技术,扩展其产品系列。

例如,Bourns在近几年对它们的标准厚膜电阻网络系列进行了扩展,推出了基于硅片的薄膜产品,在单个封装中集成肖特基二极管和齐纳二极管。该公司还推出了采用CSP封装的器件。Doyle透露,Bourns的低通滤波器(采用CSP封装的IPD)集成了电阻、电容、电感和齐纳二极管,适用于便携式电子设备数据端口的ESD保护。手机产品一般要求进行ESD保护并同时滤掉EMI。

他表示,自从CSP封装推出后,焊点间隙已经减小到300微米左右,封装体积也减小了,这取决于电阻器的大小和I/O的数目等多个因素。例如,带ESD保护的六路低通滤波器封装尺寸为2x2.6mm。CSP封装还可降低寄生参数,在高频条件下具有更好的射频性能。

BI技术公司以前生产厚膜和陶瓷薄膜产品,他们打算今年年底推出基于硅片的薄膜器件。首批产品包括采用QSOP封装的电阻网络,将来计划进一步集成电容和二极管。Brian Kane是BI公司微电路和厚膜产品的开发总监,他说:“我们决定采用硅技术来扩展薄膜产品的类别。”

Kane表示:“随着集成无源器件的应用越来越普遍,我们的电阻部门和厚膜微电路部门之间更加接近,他们开始合作开发某些产品,包括用户定制终端器件、ISDN接口以及包括了电阻、浪涌保护、过压保护以及隔离变压器的集成模块。”多种技术并存,无源器件向集成功能模块发展_ESMCOL_2

IRC的高级薄膜产品分部是TT Electronics的下属公司,它们也计划推出基于硅片的薄膜产品,以打入IPAD市场。IRC的发展规划是,通过独立开发或者技术收购来集成有源器件,产品重点面向高频率、高密度应用。

IRC起初的集成无源器件策略是开发基于硅片的电阻网络,但不久后转向了专用产品,如线路端接器、滤波器、声卡器件以及打印机端口,这些产品中集成了电阻、电容、电感和二极管。该公司市场营销总监Steve Wade说:“我们打算不断开发新的封装,来满足基于硅片的集成无源器件的封装需要。”他还透露说:“在过去18个月当中,我们的集成无源器件的产量提高到了三倍。TT公司发现该市场潜力巨大,因此愿意在人员和设备上进行投资。”

IRC的产品已经扩展到BGA封装,有外接引脚固定导线和无固定导线两种方式。最具特色的是无固定导线的产品在高频条件下性能优良。Wade指出,BGA封装的成本已经降低了,但与塑封QSOP和SOIC比起来还是太高。除了成本因素外,当用户碰到尺寸限制或者高频问题时,BGA可能是理想的选择。该公司薄膜应用工程师Jerry Seams认为,由于SOIC或QSOP封装带有导线引脚,当工作频率达到400~500MHz时,这些导线引脚带有寄生电感,因此对电路有影响。而BGA封装没有导线引脚,电阻或电容在工作时接近于理想电阻和电容,没有因导线而带来的寄生电感。

其它公司也修正了他们的早期计划。California Micro器件公司(CMD)目前推出的器件集成度高,在单芯片上集成了许多无源和有源器件。例如,该公司最近推出的无源/有源器件具有端接、滤波和ESD保护功能,适用于USB上行端口。针对PDA、双向传呼机和互联网设备应用,这种单片端接和滤波器件在硅基片上集成了电阻、电容和二极管,可节省板上空间、降低成本和提高系统性能。

该公司战略营销副总裁Peter McIntyre表示:“通常,我们的大多数产品是同用户合作开发的标准产品,用户需要集成板上的部分功能,特别是端接和滤波。”他表示公司会继续将重点放在声频或EMI滤波应用上,他们认为这些领域具有市场潜力。该公司产品在电脑、外部设备和网络通信市场颇有名气,正打算进军无线通信市场。McIntyre指出:“ESD滤波和端接电路对无线通信功能非常重要。”

LTCC技术不断演进

村田制造公司认为,集成模块是无源器件未来的趋势,这主要得益于陶瓷技术所取得的进展。村田电子的Klettke称,他们最初的战略是将无源器件集成进单个芯片中,如集成带通滤波器、平衡器、耦合器和低通滤波器等。

大约六年前,村田公司就开始采用LTCC技术将有源器件集成进产品中。通过在多层陶瓷基片的铜箔上印制电容器和电感器,该公司推出了多种不同的集成器件,包括耦合器、LC滤波器、低通、高通和带通滤波器,以及同向双工器等。

那时,村田公司面向手机和其它无线通信市场推出了一种带有低通滤波器的切换模块,这是该公司推出的首款集成无源器件。在此基础之上,村田公司现在已能提供用于下一代手机的全系列切换复用器。

最新推出的切换复用器包括一种用于双频系统(双频模式手机)的双工器,工作时可将高频和低频隔离开来。该器件包含两个开关、一个双工器和两个低通滤波器。此外,还推出了用于3G手机的前端切换复用器,结合了W-CDMA频率,能与GSM和数字蜂窝系统兼容。

Klettke透露,村田公司准备推出一款蓝牙模块,集成完整的无线收发功能。这款采用LTCC技术设计的蓝牙模块在陶瓷基片上集成了有源和无源器件,采用表面贴装形式,功能上支持USB、UART和PCM接口。该模块封装尺寸为14.5x11.9x2.3mm,集成了60多种元器件。如射频/基带芯片、功率放大器、低噪声放大器、带通滤波器、不平衡变压器、开关二极管、快闪存储器、晶体振荡器等。Klettke称,该模块可使用户的设计工程师将精力放在其它电路上,无需再在IC及配套无源器件、存储器、匹配零件等相关电路上花费时间。

太阳诱电(美国)公司也在积极开发蓝牙技术,最近展示了蓝牙1.1版本的模块产品。该公司计划在近期开始蓝牙模块的批量生产,到年底前月产量达到100万只。

ABI公司预测蓝牙模块的市场潜力非常巨大,到2005年,蓝牙器件的销售量将达到9.68亿只。产品应用多种多样,包括适配器、手机、笔记本电脑和台式电脑、网络终端设备、打印机、PDA、电脑外围设备、便携式数字音频播放器等。其中需求量最大的应用是手机。

村田公司在其它无线应用中也发现了机会。Klettke说:“我们计划在三到五年中,将所有的手机功能集成到一起,包括前端电路、发射和接收模块,并开发出一种完整的无线模块,类似于我们已推出的蓝牙产品。”

他透露,市场对LTCC模块的需求持续增长,分立器件和早期集成产品的市场需求急剧下降,因为所有人都希望集成度尽量高。但他也提到:“集成度越高,专用性就越强,灵活性就显得不够。因此,我们需要定一个合适的集成度水平,使之可满足多数用户的要求。”

增长将来自于射频应用

迄今为止,大多数产品仍然集中在基带应用上,而不是射频电路,因为将高Q值的电感集成到薄膜产品中还存在技术问题。McIntyre表示:“我们还没有做到这点,但如果取得成功,那绝对是突破。”制造商目前正在寻找办法,集成不同阻值的电阻、大容量电容以及高Q值电感。

但集成无源器件的增长将主要来自射频领域。Demcko认为,在手机产品中,无源器件占了射频器件数目的大约40%。除了可节省板上空间外,集成无源器件还具有电气性能优势。

AVX公司Demcko认为,对于模块而言,还没有找到最理想的集成技术。AVX的方案是提供不同技术的组合,包括薄膜技术、LTCC和集成模块技术。该公司也在不断推动电容阵列和集成器件的小型化趋势。

AVX正在针对RFIC应用开发一种被称为无源粘合逻辑器件的产品。Demcko表示,无源器件制造商迟早会开发用于无源器件的基本构建,作为标准的IC无源粘合逻辑。通过在单个封装中集成所有用于射频的无源器件,这种IC可提供更好的频率性能,而且具有更纯净的频谱特性和更好的信号密度。

该公司目前推出的RCR T型滤波器采用了LTCC技术和0405封装。同时推出的还有采用了0405封装的双电容阵列和两单元的EMI有源滤波器,后者符合IEC ESD和IEC 61000-4-2谐波标准。针对于GSM应用,它们还推出了带内置ESD保护功能的天线切换模块。

EPCOS公司的规划者也看到了集成无源器件在射频应用中的商机。Christian Block是该公司微波陶瓷和模块业务分部的执行副总裁兼总经理,他说:“在这种革命性的转变过程中,集成器件的复杂性和规模都在不断增加。抛弃分立的射频滤波器,朝组合前端模块发展并集成越来越多的功能是未来的发展趋势。与此同时,未来的产品趋势将从双波段模块,向三波段模块或多波段/多模式模块方向发展。”

Vishay公司则将重点放在专用功能模块上。最近该公司推出用于手机的集成DC/DC转换器模块,集成了功率MOSFET、整流器、电容、电阻以及磁性元件。

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