迎接汽車(chē)電動(dòng)化時(shí)代的來(lái)臨，安世半導體引領(lǐng)MOSFET技術(shù)革命

近年來(lái)，汽車(chē)行業(yè)正迅速邁入智能化和電動(dòng)化的新紀元。新能源汽車(chē)的銷(xiāo)量與市場(chǎng)滲透率持續攀升。據彭博社預測，2023年，全球新能源汽車(chē)的銷(xiāo)量將達到1,410萬(wàn)輛，其中中國市場(chǎng)將占據大約60%的份額。在汽車(chē)向電動(dòng)化的轉型過(guò)程中，盡管 SiC 和 GaN 等第三代半導體材料備受關(guān)注，但電動(dòng)汽車(chē)制造商仍對成本持保守態(tài)度。目前，成本效益高且性能穩定的硅基 MOSFET（金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管）繼續在車(chē)載電子、電驅動(dòng)以及電池管理系統中發(fā)揮核心作用。去年 MOSFET 的大量缺貨進(jìn)一步突顯了這一點(diǎn)。

然而，要滿(mǎn)足日益增長(cháng)的汽車(chē)市場(chǎng)，功率 MOSFET 需要不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng )新，以迎接更高的開(kāi)關(guān)頻率、更大的功率密度和更低的功耗等眾多挑戰。面對這些變化和挑戰，作為基礎半導體器件開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)跑者，以效率致勝的 Nexperia，是如何穩固根基，迎接汽車(chē)新時(shí)代的發(fā)展？又采取了哪些變革性的措施來(lái)推動(dòng)汽車(chē) MOSFET 技術(shù)的進(jìn)步？

封裝技術(shù)發(fā)展的齒輪加速轉動(dòng)

當前，新能源汽車(chē)中半導體器件的使用數量創(chuàng )下新高，而且對小型、高性能和可靠器件的迫切需求幾乎貫穿所有電子產(chǎn)品市場(chǎng)。在這個(gè)趨勢下，封裝技術(shù)正扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色。

在半導體的早期，封裝主要依賴(lài)于打孔技術(shù)（Through-Hole Technology, THT），TO-3是其中的代表封裝技術(shù)。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，電子設備的尺寸逐漸縮小，對組件的集成度要求越來(lái)越高。這促使了表面貼裝技術(shù)（Surface Mount Technology, SMT）的出現和廣泛應用。與 THT 相比，SMT 組件更小、更輕，可以直接焊接到電路板的表面，而無(wú)需打孔。這大大提高了生產(chǎn)效率并減小了組件的尺寸。

表面貼裝技術(shù)（SMT）的發(fā)展對 MOSFET 的進(jìn)步起到了很大的助推作用。

首先是 SO-8 封裝技術(shù)，于20世紀80年代開(kāi)始流行。它通常是長(cháng)方形的，如同其名字，SO-8在兩側各有四個(gè)引腳，總計8個(gè)引腳。SO-8封裝通常由塑料制成，內部有一個(gè)金屬引腳框架來(lái)連接芯片和外部電路。SO-8封裝為 MOSFET 提供了一個(gè)緊湊的解決方案，同時(shí)保持了適中的功率處理能力。

在1990年代初，為滿(mǎn)足車(chē)用電子和工業(yè)應用中對更好散熱的需求，DPAK（TO-252）和D2PAK（TO-263）這兩種表面貼裝封裝技術(shù)開(kāi)始流行。它們都是3引腳設計，都具有金屬外殼，與 DPAK 相比，它的尺寸更大，通常用于更高的功率應用。長(cháng)久以來(lái)，汽車(chē)功率 MOSFET 主要依賴(lài)于這兩種較舊和較大的引線(xiàn)鍵合封裝。但是隨著(zhù)行業(yè)對小尺寸、高功率密度和高電流處理能力的需求，這兩種封裝技術(shù)逐漸不能滿(mǎn)足需求。

于是，2004年，Nexperia 推出了一項新的封裝技術(shù)——LFPAK銅夾封裝，這一封裝技術(shù)擁有與SO-8相似的尺寸，但卻可以帶來(lái)比 DPAK 和 D2PAK 更顯著(zhù)的效率和性能優(yōu)勢。

那么，這是如何實(shí)現的呢？在 D2PAK 及其各種版本中，芯片與封裝引出端之間通常是采用線(xiàn)纜連接，這種連接方式就限制了其能處理的電流量。而 Nexperia 的 LFPAK 所使用的銅夾片技術(shù)，在芯片和引出端之間提供更大面積的接觸，從而能夠處理更大的電流，提高輸出功率。而且銅夾還增強了芯片頂部和底部的散熱能力。

特別是隨著(zhù) LFPAK88 的推出，LFPAK 銅夾封裝技術(shù)的卓越性能得到了充分的驗證。LFPAK88 采用8mm x 8mm的緊湊封裝尺寸，相比 D2PAK，空間節省效率高達60%（如圖1所示）。更值得注意的是，盡管尺寸更小，LFPAK88 的性能卻能夠實(shí)現高出2倍的連續額定電流，終極熱性能和可靠性。LFPAK88堪稱(chēng)D2PAK的理想替代品。目前，Nexperia 提供適用于汽車(chē)的 AEC-Q101和工業(yè)級的兩個(gè)版本。LFPAK88 不僅廣泛應用于汽車(chē)動(dòng)力轉向、ABS制動(dòng)、DC/DC 轉換等領(lǐng)域，同時(shí)也適用于電池隔離、電池供電工具和電熔絲電機控制等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

Nexperia 的 BUK7S0R5-40H 是 LFPAK8 銅夾封裝的一個(gè)代表。這是一款符合汽車(chē)認證標準的 N 溝道 MOSFET，甚至超越 AEC-Q101 標準，其 -55°C至 +175°C 寬溫度范圍內的額定性能，特別適合高溫環(huán)境。該產(chǎn)品采用了最新的 40V Trench 9低阻超結技術(shù)，通過(guò)減少單元間距和利用超級結構造，在同等尺寸的情況下實(shí)現了低至0.55mΩ 的 RDSon。相較于標準的 Trench MOS，它在 SOA（安全操作區）和雪崩能力上都有所增強，而且對 V GS(th)（門(mén)源閾值電壓）的嚴格限制使得 MOSFETs的并聯(lián)應用更為簡(jiǎn)便。它的應用場(chǎng)景廣泛，包括12V汽車(chē)系統、48V DC/DC 轉換系統（12V次級側）、高功率電機、照明與電磁閥控制、反向極性保護，以及其他需要超高性能電源開(kāi)關(guān)的場(chǎng)合。

圖1：LFPAK88與D2PAK的尺寸比較

近十年來(lái)，隨著(zhù)移動(dòng)設備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，對小型和高性能 MOSFET 封裝的需求日益增長(cháng)，QFN（四面平直無(wú)引腳封裝） 和 DFN（雙平直無(wú)引腳封裝）這樣的小型封裝技術(shù)應運而生。在需要高電流、良好散熱和高可靠性的應用中，LFPAK 封裝可能是更好的選擇。但是在低功率應用中，比如小信號類(lèi)產(chǎn)品（ssMOS），由于功率變化沒(méi)有那么大，熱應力相對較小，小封裝的DFN可以充分體現其尺寸優(yōu)勢。

Nexperia的DFN0606 MOSFET 封裝提供了最微小的 DFN 解決方案，它采用常用的0.35毫米間距尺寸。這個(gè)超小型封裝非常適合需要盡量減小空間占用的場(chǎng)合，它既能節省空間，又幾乎不需要額外的組裝工作。這種 MOSFET 封裝非常適合可穿戴設備等小型移動(dòng)產(chǎn)品的應用。

圖2：DFN0606 MOSFET超小型封裝：提高電源效率、0.35 毫米間距

MOSFET走向“專(zhuān)心”

過(guò)去，具有給定的品質(zhì)因數（FOM）的標準功率開(kāi)關(guān)基本上可以應用于任何場(chǎng)合。但隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步和應用的多樣化，對MOSFET的需求比以往任何時(shí)候都要復雜和多樣。常規MOSFET數據表上有100多個(gè)參數，如Rds(on)、Vth、Ciss和Qg等等。但通常只有少數參數在每個(gè)項目中至關(guān)重要。而且隨著(zhù)應用的變化，關(guān)鍵參數也會(huì )發(fā)生變化。

因此，單一的 MOSFET 參數很難滿(mǎn)足所有應用的需求。Nexperia 深諳這一道理，“應用專(zhuān)用”是在 MOSFET 領(lǐng)域的又一大創(chuàng )新，這是基于多年對特定應用的理解和與客戶(hù)的攜手合作而推出的產(chǎn)品系列。通過(guò)重點(diǎn)優(yōu)化對某一應用場(chǎng)景最為關(guān)鍵的參數，即使可能會(huì )犧牲其他不太關(guān)聯(lián)的參數，但也確保我們的 MOSFET 產(chǎn)品能夠完美匹配特定領(lǐng)域的需求，發(fā)揮出最優(yōu)的性能和效益。

Nexperia打造了一系列更豐富的應用專(zhuān)用 MOSFET。如下圖3所示，大致可以分為車(chē)規級 MOS 的 ASFET 和非車(chē)規級 ASFET 兩大類(lèi)，它們的側重點(diǎn)有所不同。其中，熱插拔 ASFET LFPAK88 目前主要用于工業(yè)及消費類(lèi)電子電源，車(chē)規級 MOS 的 ASFET 主要在于半橋、重復雪崩和安全氣囊驅動(dòng)。

圖3：Nexperia應用專(zhuān)用MOSFET一覽

半橋（Half-bridge）是電力電子領(lǐng)域中的一個(gè)常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)，特指一種電路拓撲。半橋配置是許多汽車(chē)應用中的標準構建模塊，在這種配置中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件（通常是兩個(gè)MOSFET或IGBT）在電源和地之間串聯(lián)連接。當一個(gè)開(kāi)關(guān)處于導通狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)則處于截止狀態(tài)。通過(guò)交替切換這兩個(gè)開(kāi)關(guān)，可以控制負載的電壓和電流方向。

Nexperia的 LFPAK56D 半橋產(chǎn)品是應用專(zhuān)用MOSFET的一大代表，由于去除了 PCB 走線(xiàn)，其所占用的PCB面積比雙LFPAK56D減少了30%（圖4）。而且由于MOSFET內部之間采用了銅夾連接，其寄生電感降低 60%（圖5）。LFPAK56D 半橋已通過(guò) AEC-Q101 汽車(chē)認證，為汽車(chē)行業(yè)提供了一系列具有卓越電流處理能力的即插即用型解決方案?？梢詮V泛用于三相汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統應用（燃油泵、油泵和水泵）、電機控制、直流/直流等汽車(chē)應用。

圖4：LFPAK56D半橋比雙LFPAK56D所占用的PCB面積減少了30%

圖5：LFPAK56D半橋的寄生電感減少60%

BUK7V4R2-40H 產(chǎn)品就采用了 LFPAK56D 半橋封裝，它不僅降低了 PCB 布局復雜性，還通過(guò)減少三相電機驅動(dòng)的元件尺寸來(lái)縮小 PCB。優(yōu)化的封裝設計，提高了系統級 R th(j-amb)，能以更低的寄生電感支持更高的效率，與 LFPAK56D 雙封裝兼容。通過(guò)使用先進(jìn)的 AEC-Q101級Trench 9硅技術(shù)，實(shí)現低功率損耗和高功率密度，同時(shí)具備卓越的雪崩性能。此外，其獨特的鷗翼引線(xiàn)可以支持高可制造性和自動(dòng)光學(xué)檢測（AOI）。