帶狀鍵合5x6mm PQFN為車(chē)用MOSFET提高了密度

　　1 汽車(chē)電氣化要求系統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(chē)制造商更加積極地尋找電氣解決方案(所謂的“汽車(chē)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、繼電器等)如今已成了主流趨勢。然而，汽車(chē)電氣化的趨勢會(huì )繼續加重12V電池系統的負擔?，F在，總負載能夠輕松達到3 kW或更高，還有很多汽車(chē)應用將汽車(chē)的電力負載提高到更高的水平。

　　節油功能(例如電動(dòng)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(dòng)駐車(chē)制動(dòng)器(EPB)和防抱死制動(dòng)(ABS)系統)和更具創(chuàng )新性的信息娛樂(lè )系統(例如數字視頻和觸摸屏)都能將功率要求提到更高的水平。另一方面，對于汽車(chē)應用而言，空間總是很有限。因此，汽車(chē)系統開(kāi)發(fā)人員需要解決同一個(gè)問(wèn)題：如何在這么有限的空間內利用電子系統的每一點(diǎn)功率?

　　解決這個(gè)問(wèn)題的唯一辦法就是提高系統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(lái)的行業(yè)需求 – 當然也要在有限的系統成本約束之下 – 設計者賴(lài)以滿(mǎn)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(chē)電氣系統的性能和成本都有重要影響。在開(kāi)發(fā)汽車(chē)級功率MOSFET時(shí)，半導體供應商一直在改進(jìn)硅片和封裝，從而幫助用戶(hù)以最低的成本實(shí)現設計目標——最高的效率/密度。

　　本文介紹了汽車(chē)設計者在選擇功率MOSFET封裝時(shí)面臨的主要挑戰，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(chē)級封裝 5x 6mm PQFN，并且詳細探討了其獨一無(wú)二的特性如何順應汽車(chē)電子系統設計的潮流。

　　2 主流功率MOSFET封裝并未有效利用管腳

　　如上所述，鑒于汽車(chē)系統內的空間有限，所以在試圖滿(mǎn)足更高的功率要求時(shí)進(jìn)入了兩難境地。對于能夠從給定數量的能源資源中獲取多少能量(所謂的“電源密度”)，存在著(zhù)基本的物理極限，而這正是很多汽車(chē)制造商現在正積極努力以提高系統性能的重要領(lǐng)域。

　　當今的汽車(chē)中存在著(zhù)數以百計的功率MOSFET。因此，功率MOSFET封裝的尺寸自然會(huì )影響可實(shí)現的電源密度。汽車(chē)系統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(chē)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(xiàn)框設計規則的約束，DPAK最多只能容納約10 mm²的晶片(die)。因此，硅片-管腳利用率相當低(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(pán)，所以只能通過(guò)引線(xiàn)散熱。這明顯需要一些新封裝。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(huà)，哪些項目會(huì )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(chē)制造工藝;
　　● 能夠節約系統成本。

　　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(kāi)始從DPAK轉變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/PQFN">PQFN類(lèi)封裝，以便在保持類(lèi)似性能的同時(shí)縮小系統尺寸(包括高度)。與快速采用新封裝、高速變化的消費類(lèi)和計算機行業(yè)相比，汽車(chē)行業(yè)通常更喜歡成熟的技術(shù)。這種現象主要反映了其對可靠性的要求。然而，汽車(chē)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(shù)。PQFN封裝就是這種情況。如今，越來(lái)越多的MOSFET供應商采取了進(jìn)一步措施，讓PQFN封裝達到嚴格的AEC-Q101質(zhì)量標準并將其引入汽車(chē)領(lǐng)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(shí)現高于DPAK的性能。

　　由于MOSFET硅片技術(shù)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(xiàn)鍵合決定。傳統的鋁線(xiàn)鍵合是一項簡(jiǎn)單、經(jīng)濟且成熟的技術(shù)。然而，引線(xiàn)鍵合有其固有的缺點(diǎn)。首先，DPAK用大口徑(15密耳)鋁線(xiàn)來(lái)實(shí)現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(lái)容納線(xiàn)環(huán)。SO8使用超小口徑(2密耳)金線(xiàn)，但最大電流仍受制于引線(xiàn)鍵合，并且互連電阻比鋁線(xiàn)高得多。在這兩種情況下，都需要并聯(lián)多個(gè)鍵合線(xiàn)方可實(shí)現大電流能力，從而增加了可靠性問(wèn)題。其次，引線(xiàn)鍵合的橫斷面積小，增加了寄生電阻和電感，進(jìn)而引入了額外的電壓振鈴和損耗，特別是在高開(kāi)關(guān)頻率應用(例如dc-dc轉換器設計)中。