COOLiRFETTM 5x6mm PQFN平臺(tái)提供了高效率、高功率密度并降低了系統(tǒng)成本

　　目前世界每年所生產(chǎn)的800萬(wàn)輛汽車之中，傳統(tǒng)的12V電池系統(tǒng)仍然是主導(dǎo)技術(shù)，用來(lái)為電動(dòng)汽車提供電源，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)載已經(jīng)輕松達(dá)到3 kW或更高。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);更復(fù)雜的安全特性，如電子駐車制動(dòng)器(EPB)，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS);和節(jié)油功能，如電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向(EPS)，起停微混合，48V板網(wǎng)結(jié)構(gòu)……，都能將功率要求提到更高的水平。另一方面，嚴(yán)格的整體要求主要在于促進(jìn)降低油耗，混合和電動(dòng)汽車迅速增長(zhǎng)，相應(yīng)的，就要求大于12V的電池系統(tǒng)。最終，如何即提高系統(tǒng)效率/功率密度，又降低系統(tǒng)成本，成為保證汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否滿足未來(lái)行業(yè)需求的關(guān)鍵所在。

　　本文首先調(diào)查了在選擇功率MOSFET封裝時(shí)，汽車設(shè)計(jì)者可能面臨的主要挑戰(zhàn)，并依次討論了下一代功率封裝的要求。本文還將介紹符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的新型5x6mm PQFN封裝，并將詳細(xì)討論它們獨(dú)有的特性以及如何適合汽車電子系統(tǒng)的未來(lái)趨勢(shì)。

　　1 主流功率MOSFET封裝的限制

　　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“功率密度”)，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。對(duì)于汽車半導(dǎo)體，特別是功率MOSFET，在目前的汽車中都有數(shù)以百計(jì)的應(yīng)用，圖1總結(jié)了在汽車系統(tǒng)中所使用的主流的功率MOSFET封裝。DPAK和D2PAK是兩種最受高性能系統(tǒng)歡迎的封裝，它們都具有公認(rèn)的可靠性記錄，并且符合生產(chǎn)流程。然而，兩種封裝都受制于可以提供的有限的功率密度。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。因此，硅片-管腳利用率相當(dāng)?shù)?15%)，從而限制了功率密度。D2PAK的硅片-管腳的利用率約為20%，但是仍然需要有巨大的提升來(lái)榨取出更多的功率，滿足苛刻的汽車行業(yè)的要求。

　　所以，如果我們要為將來(lái)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。

　　2 采用鋁帶結(jié)合的5x6mm PQFN 提供了高功率密度

　　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)。幾年前，計(jì)算機(jī)行業(yè)就已經(jīng)顯示出這樣的趨勢(shì)，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，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)尺寸和高度的縮減，同時(shí)仍然保持相似的性能。如今，越來(lái)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。

　　與DPAK的6.5mm x 9.9mm x 2.3mm相比，5x6mm PQFN封裝的尺寸只有5mm x 6mm x 1mm，占位面積更小，但它卻可以適應(yīng)最大的晶片，甚至于略大于DPAK的尺寸，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。

　　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鍵合線決定。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), 一方面，需要并聯(lián)多個(gè)鍵合線，以實(shí)現(xiàn)大電流性能，相應(yīng)的會(huì)增加可靠性的考慮。另一方面，鋁線鍵合的橫截面積增加了寄生電阻和電感，進(jìn)而將引入額外的電壓振鈴和額外的損耗，特別是在高開關(guān)頻率應(yīng)用，如DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)等。