帶狀鍵合5x6mm PQFN為車用MOSFET提高了密度

　　1 汽車電氣化要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提高電源密度

　　由于嚴(yán)格要求降低CO₂污染和提高燃料經(jīng)濟(jì)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(jī)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(shì)。然而，汽車電氣化的趨勢(shì)會(huì)繼續(xù)加重12V電池系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)在，總負(fù)載能夠輕松達(dá)到3 kW或更高，還有很多汽車應(yīng)用將汽車的電力負(fù)載提高到更高的水平。

　　節(jié)油功能(例如電動(dòng)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(dòng)駐車制動(dòng)器(EPB)和防抱死制動(dòng)(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(duì)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(gè)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(diǎn)功率?

　　解決這個(gè)問題的唯一辦法就是提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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MOSFET，它對(duì)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(jí)功率MOSFET時(shí)，半導(dǎo)體供應(yīng)商一直在改進(jìn)硅片和封裝，從而幫助用戶以最低的成本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)——最高的效率/密度。

　　本文介紹了汽車設(shè)計(jì)者在選擇功率MOSFET封裝時(shí)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(jí)封裝 5x 6mm PQFN，并且詳細(xì)探討了其獨(dú)一無二的特性如何順應(yīng)汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)進(jìn)入了兩難境地。對(duì)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(jì)的功率MOSFET。因此，功率MOSFET封裝的尺寸自然會(huì)影響可實(shí)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DPAK和SO-8。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DPAK為例，管腳為65 mm²(6.5 mm x 9.9 mm)，考慮到引線框設(shè)計(jì)規(guī)則的約束，DPAK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SO-8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(duì)SO-8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(gè)愿望清單的話，哪些項(xiàng)目會(huì)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(jì)算機(jī)行業(yè)開始從DPAK轉(zhuǎn)變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/PQFN">PQFN類封裝，以便在保持類似性能的同時(shí)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(fèi)類和計(jì)算機(jī)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(duì)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)。PQFN封裝就是這種情況。如今，越來越多的MOSFET供應(yīng)商采取了進(jìn)一步措施，讓PQFN封裝達(dá)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(xiàng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且成熟的技術(shù)。然而，引線鍵合有其固有的缺點(diǎn)。首先，DPAK用大口徑(15密耳)鋁線來實(shí)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(gè)鍵合線方可實(shí)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(jìn)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(jì))中。