尽管纯数字应用领域的微型化路径已相当成熟，但在模拟和电源应用领域，微型化虽然仍然可行，却远不如纯数字应用那样显而易见。
本文中，东芝将探讨混合信号器件微型化的挑战，并介绍一些已采用的方法。
长期以来，人们一直期望每一代技术都能比上一代更小巧、更强大，或者两者兼具。这背后的原因有很多：例如，减轻电动汽车的重量以增加其续航里程，实现机器人等工业设备的微型化，以及使我们的个人设备更具吸引力和便利性。

模拟和功率器件的挑战：
自 20 世纪 60 年代摩尔定律提出以来，支撑电子设计的基础集成电路技术一直被预期每两年在复杂性方面显著增长，同时尺寸和成本也会相应降低。这一预期在很大程度上得到了证实，尤其是在纯数字器件领域，例如逻辑集成电路和微控制器 (MCU)。在这种情况下，尺寸缩小主要指的是通过工艺演进来减小器件特征的尺寸，并且主要由电子设计自动化 (EDA) 驱动。
然而，在模拟和功率器件领域，情况则有所不同。在这里，尺寸缩小的重点更多地在于如何组合设计模块以及如何改进设计以实现这一目标。某些元件，例如功率 MOSFET，需要一定的物理尺寸才能提供低欧姆（静态）损耗并处理现代应用通常所需的高电流。除非能够改进设计以降低能耗，否则物理定律决定了这类元件的尺寸。
将模拟和电源设计与数字逻辑集成起来的关键在于能够融合不同的制造工艺：需要一个共同的基础才能实现最高水平的集成。

换个角度思考：
对于普通观察者而言，小型化仅仅意味着将半导体封装尺寸缩小，虽然这确实能带来一些优势，但通常还有更好的方法。最终，系统设计人员的目标是减小最终设计的尺寸和重量，而这需要半导体器件来实现，具体选择取决于项目的所有情况。
通常所说的“显著缩小”反映了这样一个事实：改变一种半导体器件可以带动其他器件尺寸的大幅缩小，其幅度远大于半导体器件本身的尺寸。例如，从硅 (Si) MOSFET 转向宽禁带 (WBG) 材料，例如碳化硅 (SiC) 或氮化镓 (GaN)。由于栅极电荷 (Qg) 的降低，这些器件能够在高频下更高效地工作。由于频率的提高，磁性元件的尺寸得以减小，热管理元件（例如散热器）的尺寸也因效率的提高而减小。其他改进的半导体设计示例，例如无需外部元件（如分流电阻器）即可运行的先进电机控制器，可以提供设计优势。

需要考虑的方面：
除了混合信号半导体各组件之间的连接性之外，还必须考虑许多其他因素。这不可避免地需要进行大量的权衡，因此需要经验丰富的设计人员。
设计过程首先要透彻理解器件的应用场景。然后，研究各个模块之间的接口，以确保驱动力（模块间的能量传递）充足且不会过载。在某些情况下，将某些功能从模拟域转移到数字域可能有利，但在其他情况下，由于精度、可靠性和性能等方面的考虑，这种做法可能并不适用于特定应用。

其中一个主要考虑因素是导电损耗路径，包括电损耗和热损耗。发热是决定半导体尺寸的因素之一，因此最大限度地减少损耗至关重要。例如，设计人员必须权衡使用铜线或夹子将芯片连接到封装的利弊，不仅要从电气和热学的角度考虑，还要从制造、性能和可靠性的角度考虑。为了最大限度地减少热传导损耗，可能需要采用双面散热的先进封装，但这可能会带来经济影响。
在严苛的应用和环境中，例如汽车引擎盖下的应用，必须仔细考虑材料的选择。由于极端（且快速）的温度波动，基板和其他组件可能会以不同的速率膨胀和收缩（热膨胀系数差异 - CTH），这将对结造成应力，从而导致可靠性问题。基板和粘合剂等材料必须根据应用环境仔细选择。
在几乎所有情况下，“易于管理”都比“更小”更可取。例如，汽车行业对自动光学检测 (AOI) 有着特殊的需求，它需要可见的轨迹，这最终决定了封装可以有多小。

设计示例：电机控制器。
电机控制器是相对复杂的器件，因此是集成化和小型化过程的一个很好的例子。通常，这些器件由控制逻辑、栅极驱动器和 MOSFET 组成，它们可以以各种组合方式集成。除了物理上的可行性之外，设计人员的首要任务是确定哪些元件的集成是合理的。

图 1：MCD 有多种可能的集成方法

显然，完全集成的解决方案可以包含所有主要组件。然而，虽然从清洁度的角度来看这很有吸引力，但却限制了灵活性。另一种方法是仅集成控制逻辑和栅极驱动器，而将 MOSFET 作为分立的外部器件。这样，MOSFET 的尺寸可以根据不同的应用进行调整，从而更具吸引力（并能实现更高的产量，进而影响成本）。
将新的设计技术融入控制逻辑可以优化设计，并促进集成和小型化过程。例如，智能相位控制使电流和电压处于同一相位，从而降低功率因数和能耗，进而提高效率并降低电机运行成本。

图 2：创新设计技术有利于集成和小型化过程

在传统的电机驱动系统中，需要一对（体积较大的）外部电流检测电阻。然而，东芝创新的先进电流检测系统 (ACDS) 以智能、高精度的集成测量电路取代了这些外部电阻，从而简化了印刷电路板布局，并节省了最终设计的空间。此外，
还可以集成其他技术，例如东芝独有的先进动态混合衰减 (ADMD) 技术。ADMD 能够高精度地跟踪输入电流，从而在高转速下实现高效的电机控制。此外，无传感器电机控制技术无需外部霍尔效应传感器，进一步降低了尺寸、物料成本和复杂性。

商业考量：
尽管许多方法在技术上可行，但在集成和小型化集成电路时，必须考虑商业因素。供应链专业人士越来越受到多源策略的制约，这些策略要求多家制造商提供封装兼容的器件。这本身就是一个重要问题，但也导致许多半导体公司坚持使用行业标准的封装和引脚分配。即便如此，仍然可以通过优秀的设计和创新技术（例如上文所述的技术）实现差异化。

摘要：
包含模拟和/或功率元件的混合信号集成电路的小型化与数字集成电路的小型化截然不同。由于涉及多种工艺，必须采用不同的方法，而且通常集成电路本身的尺寸可能无法缩小，但最终产品的其他部分可以显著缩小尺寸。
关于集成哪些元件（以及如何集成）以及商业考量的复杂权衡和决策，需要经验丰富的工程师。东芝在这方面拥有独特的优势，这得益于其在控制逻辑、微控制器 (MCU)、简单逻辑、互连、桥接电路、多栅驱动器设计（基于其光耦合器）和功率 MOSFET 方面的专业知识。

作者：Armin Derpmanns，东芝电子欧洲有限公司半导体市场营销总经理