小尺寸功率MOSFET及Schottky二极管封装在汽车电子的应用 - 全文

　　电子发烧友网：本文主要讲述了小尺寸功率MOSFET及Schottky二极管封装在汽车电子中的应用。在这里，小编给大家稍微介绍一下，该文中主要涉及的几个概念：

　　1.MOSFET：金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。

　　2.肖特基(Schottky)二极管也称肖特基势垒二极管(简称SBD)，它是一种低功耗、超高速半导体器件，广泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路，作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管使用，或在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。肖特基二极管分为有引线和表面安装(贴片式)两种封装形式。

       据研究公司Strategy Analytics的研究，全球汽车电子市场总值到2017年预计将达2,400亿美元。用于动力系统、照明及车身电子的创新集成电路(IC)正在帮助汽车制造商降低他们所产汽车的排放等级、提升燃油经济性及增加安全性。

　　图1 1950年至2020年欧洲汽车电子成分增长态势

　　近年来，平均每辆汽车中所使用的电子元器件的数量已经大幅上升，并将以接近指数速率继续增长(如图1所示)。而随着电动/混合动力汽车的增多，使用的电流变得更大，这就要求更高的汽车电子成分。此外，线控(x-by-wire)技术(替代众多机械式控制联动装置)的出现也有明显效果。因此，越来越需要更紧凑及高性能的半导体器件为这些复杂电子硬件供电，提供更高能效等级并延长电池使用时间，同时占用更少空间。虽然半导体工艺技术持续紧密遵从摩尔定律，支持越来越小的IC裸片几何尺寸，但要使包裹裸片的封装与此进展保持同步，就必须克服大得多的技术挑战。

　　除了功率IC要能够处理大电流及具备强开关能力，还需要其他重要进展使它们使用的封装技术能够应对确保足够散热及强固性，同时维持总体性价比等顾虑。为了减少这些器件占用的电路板面积，必须将大量的工程设计投注在一些问题上，如减小互连阻抗，限制引线电感，同时还提供充足的散热管理，从而确保这些器件的长期可靠性。

　　汽车设计中使用的所有元器件都必须提供长使用寿命和极高可靠性，因为这些元器件的任何故障都可能产生严重后果。召回成千上万辆车某特定车型的代价对于制造商而言极为高昂，而且在更坏情况下可能严重影响品牌形象。因某种由于封装设计太差而不能处理指定任务的相对较便宜的功率IC而必须召回汽车的风险实在太高。

　　汽车应用IC封装技术的进展

　　汽车电子应用中使用的封装类型拥有比其它应用领域(如便携消费、白家电、家庭娱乐等)长远得多的寿命周期。在某些汽车设计中，金属外壳元件直到近期才被淘汰。在过去十年来，SMB、SMC及DPAK封装已经变得更受青睐，但是，汽车制造商在其最新车型中增添更多功能所面临的极大压力正加速向更先进封装技术的过渡。

　　作为回应，半导体研究及开发开始极为着重于实现省电及节省能源支出，将更好的功率MOSFET及肖特基二极管方案用于汽车。一种新的表面贴装封装正在兴起，这种封装具有应对此需求的必要特性。

　　HID汽车照明

　　因为高强度气体放电(HID)灯大幅提升驾驶员的可视范围并因此提升道路安全性，如今HID正在被集成于汽车照明系统中，替代传统的卤素灯。欧盟如今已经通过法规，强制要求2011年起生产的每辆汽车均配备日间行车灯(即DRL，属于LED前照灯，只要发动机在工作，此灯就开启)，试图以此降低交通事故频率。像这样的固态照明系统需要更复杂的驱动器电子电路，而且同样需要更小的元器件，原因就是这些模块本来就受限于空间。虽然这些元器件(超快二极管及MOSFET)并不总是用于像燃油喷射所需要的高应力环境，但仍然面临挑战，因为它们还会暴露在电磁干扰(EMI)及大的电压尖峰环境下。

　　在汽车设计的其它应用场合中，我们同样还是会反复看到相同的实际基础问题。无论是用于防锁死刹车系统(ABS)、仪表板或是变速箱系统，都持续需要处理极高热量及占用尽可能少的电路板空间。

　　燃油喷射系统

　　过去几十年来，为汽车发动机供油的方式已经发生变化，如今的支撑性电子电路可以控制燃油注入的时序以及加注的燃油量，可靠性相比以前大增。对于汽车制造商指定用于此应用的肖特基二极管和MOSFET器件而言，如今的工作温度范围需要达到最少175?C的上限，而且200?C也正变得更加常见。它们必须极为紧凑及纤薄，由于在此应用中的空间极为有限，故提升了功率密度，反过来也放大了又快又好散热的问题。

　　扁平引脚(FL)封装势在必行

　　SO8FL小外形扁平引脚封装面世的目的是使较大的半导体裸片可以适应标准SOI IC占位面积。这种封装使用引线框设计，封装中引线延伸至超出封模本体尺寸之外。这种特征表示可以完整看到填锡，因此使外观检查过程更为有效。此外，这种类型的封装也提供更高的散热等级及更低的电气寄生效应。它的厚度显著低于DPAK、SMA、SMB、SMC、Powermite或SOD-123等封装，如图2所示。此外，这类封装适合更宽范围的裸片类型。

　　图2 SO-8 FL封装与其它封装类型比较

　　SO-8FL与其它封装技术的功率耗散等级比较如图3所示。

　　图3 SO-8FL与其它封装技术的功率耗散等级比较

　　SO-8 FL封装的热阻抗明显优于SOD-123 FL、Powermite、SMA、SMB或SMC封装类型(如图4所示)，这是因为它能提供更短的散热路径，而且裸片接触铜焊垫。

　　图4 SO-8 FL与其它封装技术的散热性能特性比较
 

  展望未来，机遇与挑战并存

　　展望未来，在提供更紧凑及更高热效率的IC方面于半导体供应商而言，很可能会面临更大的压力。

　　汽车动力系统或变速箱系统等应用领域的潜在趋势指向的是销售裸片(bare die)。因为这种封装有利于汽车品牌的集成合作者将裸片嵌入到他们的模块中。但是对于汽车服务行业的芯片公司而言，这就会带来很多问题，如要确保产品可靠性、整个供货流程会变得很复杂。上面所说的这些风险将一直存在，且需要采取创新的方法来改进，以便在市场上继续生存。正所谓“适者生存，不进则退”，这对所有企业来说，是机遇亦是挑战！

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