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    工藝不斷改良,混合信號IC向高集成度和小尺寸方向發展

    2015-07-15

    個人通信和多媒體消費類產品為混合信號IC的長期發展提供了動力,芯片供應商正投入巨資改進混合信號IC的制造工藝、提高集成度并縮小芯片尺寸。與許多專用集成電路相比,混合信號IC的面市時間也在不斷縮短。由于個人通信和多媒體消費產品對器件價格都十分敏感,許多混合信號IC供應商從降低成本的角度出發,逐漸將生產業務外包給晶圓代工廠.

    美國模擬器件公司高速轉換器集團產品線總監Dave Robertson認為:“今天,混合信號芯片的市場推動力來自調制解調器、蜂窩電話和機頂盒,以及涵蓋CD-ROM驅動器、便攜式攝像機、DVD和數字相機的多媒體消費類產品?!蹦ν辛_拉半導體產品部門應用工程設計部經理Mark Williams稱:“在我公司銷售的混合信號IC中,75%都被用于蜂窩電話以及Palm Pilots等高檔掌上電腦產品中?!?/p>

     

    混合信號IC的定義各不相同

     

    傳統上,混合信號IC一般被歸類為模擬半導體,但也可以定義為任何組合模擬和數字電路的器件,許多ASIC和DSP也屬于此列。半導體產業協會并沒有單獨列出混合信號IC的市場份額,而將其歸在數據轉換器和數字專用集成電路之中。據該協會統計,這兩類電路2000年的銷售額分別達到191億和99億美元。

     

    該協會信息系統和財務總監Doug Andrey認為:“混合信號IC遠不只是模擬IC的一個分支,特別是當你認同DSP也是混合信號器件的話?!被旌闲盘栆彩荕OS邏輯器件的一個分支,正式的認證工作仍在進行之中。Dataquest公司分析師Ada Cheng認為:“與純模擬或純數字產品相比,混合信號IC器件代表了一個巨大的市場。

     

    該行業正在不斷成長,其規模將足以使它在統計報告中被單獨列為一個門類?!?/p>

     

    混合信號IC的定義曾經涵蓋了同時具有模擬和數字信號處理的所有產品。但現在,美國模擬器件公司Robertson認為:“我們逐漸采用這個術語指代那些進行大量模擬和數字信號處理的產品?!盕orward Concepts公司分析師Will Strauss認為,A/D和D/A轉換器是最常見的混合信號IC器件,DSP器件也被普遍視作混合信號器件。

     

    有些供應商認為在對IC器件進行歸類之前,應具體衡量其數字和模擬功能的百分比。Semico調研公司將那些具有大量模擬功能并結合了數字電路的器件歸為混合信號IC。但也有些公司則認為只有具有較高模擬含量的器件才能稱為混合信號器件。國家半導體公司數據轉換系統集團產品營銷總監Robert Eddy稱,該公司將混合信號IC的模數比例確定為65%:35%。

     

    Eddy解釋道:“我們如此劃分的原因是想將我們的高速A/D轉換器、模擬前端和先進的數/?;旌袭a品區分開來。盡管模擬前端產品包含10~15%數字電路,它們仍被歸于模擬產品之列。因為國家半導體公司在模擬器件方面擁有悠久歷史,模/數轉換器的集成度向來較高,因此我們的定義較為偏向模擬器件。如果某家公司主要生產數字器件,現在試圖加入模擬功能為數字器件增值,那它就可能采取不同的定義方式?!?/p>

     

    據Marvell半導體公司總裁兼首席執行官Sehat Sutardia稱,許多混合信號器件將來可能被定義為系統級芯片。他認為,該公司88i5220系統級芯片是一種典型的混合信號器件。該芯片是一款0.18微米基于CMOS的DSP控制器,它將以往需要由四塊芯片分別實現的磁盤驅動功能集成在一塊芯片上。此類解決方案的出現推動著市場對混合信號IC的需求,隨著產量的大幅增加,混合信號IC的制造成本也會隨之降低。

     

    所有磁盤驅動器都要在讀出通道、馬達控制和位置檢測器中使用混合信號器件。據Sutardia稱,磁盤驅動器事實上每年都會消耗大約2.5億枚讀出通道芯片,有些預測則認為在2010年這個數字將達到10億枚。集成電路工程設計公司咨詢顧問Howard Dicken稱,蜂窩電話仍然是混合信號IC的主要市場。

     

    受通信行業驅動

     

    快捷半導體國際公司混合信號業務部門營銷總監Al Jonas認為,混合信號業務的發展源泉來自通信行業,特別是蜂窩電話。

     

    Agere系統公司將混合信號產品市場重點放在通信行業。該公司特別關注無線應用市場,比如移動電話、藍牙和802.11無線聯網市場。Agere公司技術戰略高級經理Tony Parker稱,這些標準和應用需要射頻濾波器、感應器和DSP等無線電混合信號器件,此類混合信號器件要求高速數據傳輸率、高電壓和能量轉換。Parker說:“這些應用同樣需要1Gbps甚至更高數據率,我們目前掌握的工藝技術完全可以解決這些高端技術問題,如利用SiGe和InP(InP)?!钡玃arker也表示封裝仍然是一個潛在的難題,特別是在高端混合信號設計中,封裝是重量級的成本因子。它完全可以決定高性能器件的成本。

     

    德州儀器混合信號產品營銷總監Mike Fletcher介紹說,該公司看好混合信號器件市場,其混合信號器件的目標應用領域遍及筆記本電腦、打印機和其它PC外設,并逐步進軍汽車領域。該公司汽車應用器件將實現制動系統和引擎控制。Fletcher稱:“混合信號IC器件是這些系統的主要組成部件,也是我們的重點開發方向?!?/p>

     

    與此同時,摩托羅拉公司則集中力量開發無線手機和其它通信設備。摩托羅拉公司的Williams說:“900MHz手機領域是一個活力四射的市場,而一些產量不大的市場顯然無法對技術開發形成刺激,因此無法確?;旌闲盘朓C器件的持續開發?!?/p>

     

    CMOS仍將一統天下

     

    OEM公司一般不需要針對某一特定應用開發某個混合信號器件,他們往往從所需模擬功能出發,再根據需要引入數字和外設功能。IC Insight公司分析師Brian Matas認為,這往往決定了混合信號IC的制造工藝通常是CMOS、鍺化硅(SiGe)或磷化銦(InP)。

     

    雖然長期以來混合信號行業一直就CMOS和BiCMOS的使用壽命存在爭論,但芯片制造商正投入巨資改進CMOS工藝,以求縮小器件幾何尺寸、加快數據傳輸速度、實現更高集成度和更低功耗

    .

    由于速度優勢,SiGe或InP工藝是高速無線通信應用的理想制造工藝方案,但與CMOS相比,其制造成本更高,技術要求更加復雜。IBM公司正與Sierra Monolithics公司針對新興光通信應用(如10~40Gbps聯網系統)合作開發高性能混合信號IC。Sierra公司目前正在使用IBM公司提供的SiGe電路設計。近年來SiGe和InP的成本也在不斷下降,據IC Insights公司Matas介紹,有些業界人士認為只要SiGe工藝的成本能夠控制在同類CMOS工藝的140%范圍之內,它仍是實現混合信號集成的首選高性能技術。

     

    由于CMOS工藝的發展速度比SiGe或InP等工藝快,大多數混合信號IC制造商都采用標準CMOS工藝。Marvell半導體公司在其通信應用寬帶DSP混合信號IC器件制造上采用硅CMOS工藝。Sutardia介紹說,盡管Marvell公司也在考察SiGe或InP等其它工藝,但就目前而言CMOS工藝顯然更加合適。

     

    專業晶圓代工廠也在采用先進的CMOS工藝。例如,臺集電公司(TSMC)最近宣布它可以提供先進的、部分由科勝訊系統公司授權的0.18微米模擬/混合信號生產技術。由于這些晶圓代工廠的出現,混合信號IC供應商可以進一步降低成本與價格。臺集電承接了快捷半導體的外包業務,臺聯電公司(TUMC)也承擔了快捷公司的部分晶圓生產任務。

     

    但美國模擬器件公司Robertson持不同意見,他認為CMOS在某些應用中的優勢較為有限,如果必須向某基站天線傳送幾個瓦特,那么砷化鎵(GaAs)的卓越物理屬性無疑將為RF功率放大器等器件提供明顯的性能優勢。

     

    作為GaAs器件的開路先鋒,Vitesse半導體公司也已加入CMOS陣營,生產那些無需超高速度的調幀器、處理器和交換結構器件。該公司早在1999年底即已采用CMOS工藝制造出其首個交換結構芯片組。

     

    據Semico公司Feldhan介紹,對于高頻通信產品,采用較高成本GaAs工藝生產混合信號IC較為合適,在交換式應用中更是如此。他說:“那些開發和集成SiGe工藝的公司現在也聲稱能夠提供GaAs工藝。SiGe工藝比GaAs方案更便宜,是GaAs強有力的競爭對手,但目前還處于初級生產階段?!?/p>

     

    Williams介紹說,摩托羅拉公司正在認真考慮SiGe工藝。該公司應用工程設計集團生產的所有無線手機接收器芯片將很快采用在BiCMOS中使用SiGe的工藝進行制造。Williams說:“我們已經投入實際生產,它將成為我們的一項重要技術,因為它可以用于生產較高頻率的器件,也能較好配合BiCMOS工藝,且不會大幅增加手機的工藝成本?!?/p>

     

    Agere公司DeBlauwe說,對于要求極高數據傳輸率的產品,某些公司采用InP工藝。他稱:“全部采用InP工藝并不是一個最為理想的方法,因該工藝集成度可能相當有限,產量也出奇地低,器件的造價特別高昂?!?/p>

     

    混合信號IC供應商排名

     

    混合信號IC市場的排名較難確定,據分析,模擬器件行業老大德州儀器公司應能拔得頭籌。德州儀器公司在2000年中獲得了整個模擬市場的11.4%份額,銷售額達到41億美元。同樣,該公司也是DSP器件的頭號供應商。Dataquest公司的Cheng認為:“它可能也是最大的模/數轉換器供應商?!?/p>

     

    Cheng認為意法半導體是第二大模擬器件供應商,銷售額為37億美元。她指出,意法半導體公司的大多數混合信號銷售面向汽車和消費產品市場。

     

    美國模擬器件、億恒科技和飛利浦公司也躋身前五大模擬/混合信號供應商行列。據Dataquest公司分析,美國模擬器件超過億恒科技和飛利浦公司的原因是它著重為特定客戶提供定制服務,該公司的2000年模擬芯片銷售額增至22億美元,實現76%的增長速度。

     

    與此同時,數以十計的公司為電信行業等特定市場提供混合信號IC器件。

     

    年內不會出現缺貨現象

     

    與其定義一樣,混合信號IC器件的美國現貨市場價格也同樣差異頗大。德州儀器公司Fletcher指出,根據具體涉及的市場和最終設備,通常器件價格介于不到1美元至高于10美元之間。今天,既有成本不足50美分的電話用商用混合信號IC,同樣也有針對特殊應用的價值幾百美元的高性能轉換器。Power X Networks公司營銷副總裁Bill Weir認為,混合信號IC器件的價格顯然還會繼續下降,因為越來越多的1~2.5Gbps傳輸率的通信功能正通過CMOS器件實現。

     

    美國模擬器件公司Robertson回憶道:“5年前無論出多少錢都買不到的功能,現在按照每年采購100萬片計只要不到5個美元就可以買到?!?年之前,用戶可能根本買不到一款適用于高速成像應用、14位、1,200萬sps的單芯片模/數轉換器。但是,美國模擬器件公司現在可以不到5美元的價格提供16位成像信號處理器,其內置模/數轉換器采樣頻率達1,500萬sps,并具備可編程增益放大器、三線串行接口和電壓基準,設計應用對象為文件掃描儀、數字復印機、多功能外設、紅外應用和機器視覺計算。

     

    在供應問題上業界抱一致觀點:在目前的經濟環境中,不會出現短缺。德州儀器公司Flectcher認為:“由于庫存過多且需求疲軟,現在不會出現嚴重的供應短缺現象?!盇gere系統公司技術戰略高級經理Tony Parker贊同道,就CMOS、BiCMOS和雙極等絕大多數工藝標準而言,不會出現供應緊缺。

     

    快捷半導體國際公司一直將業務外包給晶圓代工廠,該公司現在也同樣遇到了供應充裕的情況。該公司混合信號業務部營銷主管Al Jonas說:“去年一年著實令人興奮,我們常常擔心是否能夠得到足夠多的晶圓,但今年我們則經常被問及是否需要更多晶圓?!?/p>

     

    Semico研究公司分析師Jim Feldhan則對混合信號IC的前景表示審慎樂觀。他認為:“盡管沒有出現短缺局面,但我們預計2002年市場將會出現強勁上升?!?/p>

     

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