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)設計者提高電源密度

　　由于嚴格要求降低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?，F(xiàn)在，總負載能夠輕松達到3 kW或更高，還有很多汽車應用將汽車的電力負載提高到更高的水平。

　　節(jié)油功能(例如電動助力轉向(EPS)、啟停微混合和48V板網(wǎng)結構)、更復雜的安全特性(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)設計的效率和電源密度，方可確保它們能夠跟上當前和未來的行業(yè)需求 – 當然也要在有限的系統(tǒng)成本約束之下 – 設計者賴以滿足這些日益嚴格的要求的手段之一就是功率半導體元件，特別是功率MOSFET，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MOSFET時，半導體供應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)設計目標——最高的效率/密度。

　　本文介紹了汽車設計者在選擇功率MOSFET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 PQFN，并且詳細探討了其獨一無二的特性如何順應汽車電子系統(tǒng)設計的潮流。

　　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)性能的重要領域。

　　當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DPAK和SO-8。這兩種封裝都具有公認的可靠性記錄，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)，考慮到引線框設計規(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?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。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)認可的封裝技術。PQFN封裝就是這種情況。如今，越來越多的MOSFET供應商采取了進一步措施，讓PQFN封裝達到嚴格的AEC-Q101質量標準并將其引入汽車領域。

　　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能夠實現(xiàn)高于DPAK的性能。

　　由于MOSFET硅片技術如此成熟，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。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，特別是在高開關頻率應用(例如dc-dc轉換器設計)中。