小尺寸功率MOSFET及Schottky二極管封裝在汽車電子的應(yīng)用 - 全文

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)：本文主要講述了小尺寸功率MOSFET及Schottky二極管封裝在汽車電子中的應(yīng)用。在這里，小編給大家稍微介紹一下，該文中主要涉及的幾個(gè)概念：

　　1.MOSFET：金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管(field-effect transistor)。

　　2.肖特基(Schottky)二極管也稱肖特基勢(shì)壘二極管(簡(jiǎn)稱SBD)，它是一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、變頻器、驅(qū)動(dòng)器等電路，作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護(hù)二極管使用，或在微波通信等電路中作整流二極管、小信號(hào)檢波二極管使用。肖特基二極管分為有引線和表面安裝(貼片式)兩種封裝形式。

?????? 據(jù)研究公司Strategy Analytics的研究，全球汽車電子市場(chǎng)總值到2017年預(yù)計(jì)將達(dá)2,400億美元。用于動(dòng)力系統(tǒng)、照明及車身電子的創(chuàng)新集成電路(IC)正在幫助汽車制造商降低他們所產(chǎn)汽車的排放等級(jí)、提升燃油經(jīng)濟(jì)性及增加安全性。

　　圖1 1950年至2020年歐洲汽車電子成分增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)

　　近年來(lái)，平均每輛汽車中所使用的電子元器件的數(shù)量已經(jīng)大幅上升，并將以接近指數(shù)速率繼續(xù)增長(zhǎng)(如圖1所示)。而隨著電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車的增多，使用的電流變得更大，這就要求更高的汽車電子成分。此外，線控(x-by-wire)技術(shù)(替代眾多機(jī)械式控制聯(lián)動(dòng)裝置)的出現(xiàn)也有明顯效果。因此，越來(lái)越需要更緊湊及高性能的半導(dǎo)體器件為這些復(fù)雜電子硬件供電，提供更高能效等級(jí)并延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，同時(shí)占用更少空間。雖然半導(dǎo)體工藝技術(shù)持續(xù)緊密遵從摩爾定律，支持越來(lái)越小的IC裸片幾何尺寸，但要使包裹裸片的封裝與此進(jìn)展保持同步，就必須克服大得多的技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　除了功率IC要能夠處理大電流及具備強(qiáng)開關(guān)能力，還需要其他重要進(jìn)展使它們使用的封裝技術(shù)能夠應(yīng)對(duì)確保足夠散熱及強(qiáng)固性，同時(shí)維持總體性價(jià)比等顧慮。為了減少這些器件占用的電路板面積，必須將大量的工程設(shè)計(jì)投注在一些問(wèn)題上，如減小互連阻抗，限制引線電感，同時(shí)還提供充足的散熱管理，從而確保這些器件的長(zhǎng)期可靠性。

　　汽車設(shè)計(jì)中使用的所有元器件都必須提供長(zhǎng)使用壽命和極高可靠性，因?yàn)檫@些元器件的任何故障都可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果。召回成千上萬(wàn)輛車某特定車型的代價(jià)對(duì)于制造商而言極為高昂，而且在更壞情況下可能嚴(yán)重影響品牌形象。因某種由于封裝設(shè)計(jì)太差而不能處理指定任務(wù)的相對(duì)較便宜的功率IC而必須召回汽車的風(fēng)險(xiǎn)實(shí)在太高。

　　汽車應(yīng)用IC封裝技術(shù)的進(jìn)展

　　汽車電子應(yīng)用中使用的封裝類型擁有比其它應(yīng)用領(lǐng)域(如便攜消費(fèi)、白家電、家庭娛樂(lè)等)長(zhǎng)遠(yuǎn)得多的壽命周期。在某些汽車設(shè)計(jì)中，金屬外殼元件直到近期才被淘汰。在過(guò)去十年來(lái)，SMB、SMC及DPAK封裝已經(jīng)變得更受青睞，但是，汽車制造商在其最新車型中增添更多功能所面臨的極大壓力正加速向更先進(jìn)封裝技術(shù)的過(guò)渡。

　　作為回應(yīng)，半導(dǎo)體研究及開發(fā)開始極為著重于實(shí)現(xiàn)省電及節(jié)省能源支出，將更好的功率MOSFET及肖特基二極管方案用于汽車。一種新的表面貼裝封裝正在興起，這種封裝具有應(yīng)對(duì)此需求的必要特性。

　　HID汽車照明

　　因?yàn)楦邚?qiáng)度氣體放電(HID)燈大幅提升駕駛員的可視范圍并因此提升道路安全性，如今HID正在被集成于汽車照明系統(tǒng)中，替代傳統(tǒng)的鹵素?zé)簟W盟如今已經(jīng)通過(guò)法規(guī)，強(qiáng)制要求2011年起生產(chǎn)的每輛汽車均配備日間行車燈(即DRL，屬于LED前照燈，只要發(fā)動(dòng)機(jī)在工作，此燈就開啟)，試圖以此降低交通事故頻率。像這樣的固態(tài)照明系統(tǒng)需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器電子電路，而且同樣需要更小的元器件，原因就是這些模塊本來(lái)就受限于空間。雖然這些元器件(超快二極管及MOSFET)并不總是用于像燃油噴射所需要的高應(yīng)力環(huán)境，但仍然面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冞€會(huì)暴露在電磁干擾(EMI)及大的電壓尖峰環(huán)境下。

　　在汽車設(shè)計(jì)的其它應(yīng)用場(chǎng)合中，我們同樣還是會(huì)反復(fù)看到相同的實(shí)際基礎(chǔ)問(wèn)題。無(wú)論是用于防鎖死剎車系統(tǒng)(ABS)、儀表板或是變速箱系統(tǒng)，都持續(xù)需要處理極高熱量及占用盡可能少的電路板空間。

　　燃油噴射系統(tǒng)

　　過(guò)去幾十年來(lái)，為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)供油的方式已經(jīng)發(fā)生變化，如今的支撐性電子電路可以控制燃油注入的時(shí)序以及加注的燃油量，可靠性相比以前大增。對(duì)于汽車制造商指定用于此應(yīng)用的肖特基二極管和MOSFET器件而言，如今的工作溫度范圍需要達(dá)到最少175?C的上限，而且200?C也正變得更加常見。它們必須極為緊湊及纖薄，由于在此應(yīng)用中的空間極為有限，故提升了功率密度，反過(guò)來(lái)也放大了又快又好散熱的問(wèn)題。

　　扁平引腳(FL)封裝勢(shì)在必行

　　SO8FL小外形扁平引腳封裝面世的目的是使較大的半導(dǎo)體裸片可以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)SOI IC占位面積。這種封裝使用引線框設(shè)計(jì)，封裝中引線延伸至超出封模本體尺寸之外。這種特征表示可以完整看到填錫，因此使外觀檢查過(guò)程更為有效。此外，這種類型的封裝也提供更高的散熱等級(jí)及更低的電氣寄生效應(yīng)。它的厚度顯著低于DPAK、SMA、SMB、SMC、Powermite或SOD-123等封裝，如圖2所示。此外，這類封裝適合更寬范圍的裸片類型。

　　圖2 SO-8 FL封裝與其它封裝類型比較

　　SO-8FL與其它封裝技術(shù)的功率耗散等級(jí)比較如圖3所示。

　　圖3 SO-8FL與其它封裝技術(shù)的功率耗散等級(jí)比較

　　SO-8 FL封裝的熱阻抗明顯優(yōu)于SOD-123 FL、Powermite、SMA、SMB或SMC封裝類型(如圖4所示)，這是因?yàn)樗芴峁└痰纳崧窂?，而且裸片接觸銅焊墊。

　　圖4 SO-8 FL與其它封裝技術(shù)的散熱性能特性比較
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? 展望未來(lái)，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存

　　展望未來(lái)，在提供更緊湊及更高熱效率的IC方面于半導(dǎo)體供應(yīng)商而言，很可能會(huì)面臨更大的壓力。

　　汽車動(dòng)力系統(tǒng)或變速箱系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域的潛在趨勢(shì)指向的是銷售裸片(bare die)。因?yàn)檫@種封裝有利于汽車品牌的集成合作者將裸片嵌入到他們的模塊中。但是對(duì)于汽車服務(wù)行業(yè)的芯片公司而言，這就會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，如要確保產(chǎn)品可靠性、整個(gè)供貨流程會(huì)變得很復(fù)雜。上面所說(shuō)的這些風(fēng)險(xiǎn)將一直存在，且需要采取創(chuàng)新的方法來(lái)改進(jìn)，以便在市場(chǎng)上繼續(xù)生存。正所謂“適者生存，不進(jìn)則退”，這對(duì)所有企業(yè)來(lái)說(shuō)，是機(jī)遇亦是挑戰(zhàn)！

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