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帶狀鍵合5x6mm PQFN為車用MOSFET提高了密度

作者:JifengQin HughRichard MelvinLevardo 時間:2015-04-23 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  1 汽車電氣化要求系統(tǒng)設(shè)計者提高電源密度

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/273062.htm

  由于嚴(yán)格要求降低CO2污染和提高燃料經(jīng)濟性,汽車制造商更加積極地尋找電氣解決方案(所謂的“汽車電氣化”)。用創(chuàng)新型電子電路代替機械解決方案(例如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、繼電器等)如今已成了主流趨勢。然而,汽車電氣化的趨勢會繼續(xù)加重12V電池系統(tǒng)的負擔(dān)?,F(xiàn)在,總負載能夠輕松達到3 kW或更高,還有很多汽車應(yīng)用將汽車的電力負載提高到更高的水平。

  節(jié)油功能(例如電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)、啟停微混合和48V板網(wǎng)結(jié)構(gòu))、更復(fù)雜的安全特性(例如電動駐車制動器(EPB)和防抱死制動(ABS)系統(tǒng))和更具創(chuàng)新性的信息娛樂系統(tǒng)(例如數(shù)字視頻和觸摸屏)都能將功率要求提到更高的水平。另一方面,對于汽車應(yīng)用而言,空間總是很有限。因此,汽車系統(tǒng)開發(fā)人員需要解決同一個問題:如何在這么有限的空間內(nèi)利用電子系統(tǒng)的每一點功率?

  解決這個問題的唯一辦法就是提高系統(tǒng)設(shè)計的效率和電源密度,方可確保它們能夠跟上當(dāng)前和未來的行業(yè)需求 – 當(dāng)然也要在有限的系統(tǒng)成本約束之下 – 設(shè)計者賴以滿足這些日益嚴(yán)格的要求的手段之一就是功率半導(dǎo)體元件,特別是功率,它對汽車電氣系統(tǒng)的性能和成本都有重要影響。在開發(fā)汽車級功率時,半導(dǎo)體供應(yīng)商一直在改進硅片和封裝,從而幫助用戶以最低的成本實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)——最高的效率/密度。

  本文介紹了汽車設(shè)計者在選擇功率封裝時面臨的主要挑戰(zhàn),探討了下一代電源封裝要求。然后,本文介紹了一種新型汽車級封裝 5x 6mm ,并且詳細探討了其獨一無二的特性如何順應(yīng)汽車電子系統(tǒng)設(shè)計的潮流。

  2 主流功率MOSFET封裝并未有效利用管腳

  如上所述,鑒于汽車系統(tǒng)內(nèi)的空間有限,所以在試圖滿足更高的功率要求時進入了兩難境地。對于能夠從給定數(shù)量的能源資源中獲取多少能量(所謂的“電源密度”),存在著基本的物理極限,而這正是很多汽車制造商現(xiàn)在正積極努力以提高系統(tǒng)性能的重要領(lǐng)域。

  當(dāng)今的汽車中存在著數(shù)以百計的功率MOSFET。因此,功率MOSFET封裝的尺寸自然會影響可實現(xiàn)的電源密度。汽車系統(tǒng)目前使用的主流功率MOSFET封裝如圖1所示。最受歡迎的兩種高性能封裝是。這兩種封裝都具有公認(rèn)的可靠性記錄,非常適于汽車制造工藝。然而,在電源密度方面,這兩種封裝的性能均很有限。

  以為例,管腳為65 mm2(6.5 mm x 9.9 mm),考慮到引線框設(shè)計規(guī)則的約束,最多只能容納約10 mm2的晶片(die)。因此,硅片-管腳利用率相當(dāng)?shù)?15%),從而限制了功率密度。盡管封裝能夠在更小的管腳內(nèi)容納尺寸相近的晶片,但是熱性能對而言是一大難題,由于底部缺少大漏極焊盤,所以只能通過引線散熱。這明顯需要一些新封裝。如果我們要為將來希望看到的高性能MOSFET封裝列一個愿望清單的話,哪些項目會在列呢?理想情況下,高性能功率MOSFET封裝應(yīng)具有以下特性:

  ● 硅片尺寸與封裝尺寸之比高;
  ● 寄生電感與電阻低;
  ● 電流處理能力高;
  ● 適于汽車制造工藝;
  ● 能夠節(jié)約系統(tǒng)成本。

  3 帶狀鍵合提供了最佳性能/成本折中

  幾年前,計算機行業(yè)開始從DPAK轉(zhuǎn)變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://m.ptau.cn/news/listbylabel/label/PQFN">PQFN類封裝,以便在保持類似性能的同時縮小系統(tǒng)尺寸(包括高度)。與快速采用新封裝、高速變化的消費類和計算機行業(yè)相比,汽車行業(yè)通常更喜歡成熟的技術(shù)。這種現(xiàn)象主要反映了其對可靠性的要求。然而,汽車行業(yè)也可以利用已經(jīng)得到其他行業(yè)認(rèn)可的封裝技術(shù)。封裝就是這種情況。如今,越來越多的MOSFET供應(yīng)商采取了進一步措施,讓PQFN封裝達到嚴(yán)格的AEC-Q101質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并將其引入汽車領(lǐng)域。

  5x6mm PQFN的尺寸為5 mm x 6 mm x 1 mm,而DPAK的尺寸是6.5 mm x 9.9 mm x 2.3 mm。因此,PQFN的管腳小得多,高度也小得多。此外,PQFN能夠容納的最大晶片尺寸也稍稍高于DPAK。它將硅片-管腳比從DPAK的15%提高到PQFN的40%以上。這種基本特性讓PQFN能夠?qū)崿F(xiàn)高于DPAK的性能。

  由于MOSFET硅片技術(shù)如此成熟,所以MOSFET能夠處理的最大電流不再受制于硅片,而是受封裝限制。特別是,MOSFET能夠處理的最大電流由源極引線鍵合決定。傳統(tǒng)的鋁線鍵合是一項簡單、經(jīng)濟且成熟的技術(shù)。然而,引線鍵合有其固有的缺點。首先,DPAK用大口徑(15密耳)鋁線來實現(xiàn)所需的大額定電流和保持低的互連電阻。這需要較厚的封裝來容納線環(huán)。SO8使用超小口徑(2密耳)金線,但最大電流仍受制于引線鍵合,并且互連電阻比鋁線高得多。在這兩種情況下,都需要并聯(lián)多個鍵合線方可實現(xiàn)大電流能力,從而增加了可靠性問題。其次,引線鍵合的橫斷面積小,增加了寄生電阻和電感,進而引入了額外的電壓振鈴和損耗,特別是在高開關(guān)頻率應(yīng)用(例如dc-dc轉(zhuǎn)換器設(shè)計)中。


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