汽车应用中的MOSFET封装技术

本文中，安森美半导体将着眼于汽车电子的关键应用和驱动设计师的一些相关挑战 -包括指定元件用于汽车应用的要求。文章然后会介绍MOSFET技术的近期发展和使用示例来阐释这些进展如何在这具挑战的环境中满足要求。

可能大多数人拥有的技术最复杂的物品是车道上的汽车。据普华永道（PwC）最近的一份报告，2016年汽车领域的半导体营业额将约374亿美元，占所有半导体出货量的10%。

汽车领域将有最快的增长，约9.4% - 由新兴经济体对汽车的巨大需求及汽车内电子成分的增长所推动。PwC进一步的分析表明半导体目前约占汽车总成本的1/3，但预计到2030年将上升到总成本的一半。

汽车内的应用大致分为两大类，现有功能的自动化和新的应用程序，使技术的进步成为可能。如今，基本功能如锁、后视镜调整、车窗操作、座椅位置或操作天窗几乎都如空调控制系统的控制和通风一样被驱动 - 几年前，这些都依赖于基于电缆和杠杆的机械系统。

随着技术的进步，汽车能够越来越了解它们的环境，现代驾驶辅助系统通过系统如自动刹车、车道偏离警告和自适应巡航控制以减少事故的可能。汽车越来越能够阅读道路标志，并能够与世界各地通信 - 包括许多国家的关键路线正推出的“智能”基础设施。

汽车电子一直被认为是个具有挑战性的学科，目前还是这样。环境本身日益恶劣，半导体正被部署于承受振动、高温和污垢的引擎盖下或悬挂系统中。即使用于车舱中，温度可以是极端的，通过组合环境热量和可安装电子系统的密闭空间。

不仅是环境具有挑战性，而且汽车电子系统必须是最可靠的-尤其在安全相关方面。尽管如此，成本始终是个关键的要求-许多系统需要认证，这可能增加成本。

为了解决这许多挑战，领先的半导体器件制造商 - 包括MOSFET - 不断创新新技术，使现有的应用能够更好地满足和促进新的应用。MOSFET背后的基本半导体技术不断发展，最近的创新已经从根本上提高了封装技术 - 特别是汽车相关应用。

目前，对于MOSFET封装的事实上的标准是目前采用DPAK -表面贴装器件，有三只引脚和一个大型的贴装接头用于热传导和体力。小体积和方便的带盘式封装已使DPAK非常受欢迎，特别是在自动化制造环境。

尽管DPAK很普及，但也有一些缺点。当今许多超薄设计（特别见于汽车应用范围），使用的元件基本上都比DPAK封装的2.3mm高度低。另外，邦定线连接半导体芯片到一个DPAK的引线框架限制热和电性能。这些邦定线非常薄（约 70um），即使多邦定并联使用；它们限制DPAK的热性能和电流能力以及限制降低导通电阻到现代电源相关设计要求的低水平的能力。

为解决这些限制，安森美半导体最近推出了ATPAK（“Advanced Thin PAcKage”）作为现代电源设计的新一代封装。

ATPAK高度仅1.5mm，相比DPAK的2.3mm。加之ATPAK具有如DPAK相同的占位面积，从而尺寸减少35%，使ATPAK适用于现代设计。共同的占位面积确保ATPAK向后兼容采用DPAK的现有设计。

图1：ATPAK比DPAK低35%，比D2PAK少60%的占位面积

ATPAK中革命性的新铜夹代替DPAK的线邦定 - 这种新技术带来了一些实质性的好处。铜是很好的热导体，夹有利于半导体结和引脚之间更好的传热。通过减小封装的热阻（RTHJ+A），更大的密度在电源相关的设计中成为可能，尤其在汽车应用。

图2：新的铜夹提升电流处理能力、热动力学和RDSON

同时，铜夹横截面面积比70um线邦定更大。这最大限度地减少基于ATPAK 的MOSFET的RDSON，提高能效和减少功率损耗和发热。此外，铜夹更大的横截面面积增加电流承载能力到100A – 以前只有D2PAK才能达到，而D2PAK的体积是新的ATPAK 的7.5倍。

安森美半导体进行了基准测试，以比较DPAK和新的ATPAK封装的热性能和证实该新技术的优势。DPAK和ATPAK器件被置于单独的、但相同的PCB，各控制在耗散1.44 W功率。

温度计用来非插入式测量表面温度。这些测量值显示DPAK 80℃、ATPAK 74.8℃的管壳温度。采用每种封装的热电阻计算出各器件的结温，得出ATPAK和DPAK的结温分别为76℃和82.2℃。

图3：热基准测试明显证实ATPAK设计的优势

这些结果清楚地表明，用于ATPAK的新的夹焊技术提供改善的热性能。此外，ATPAK的散热性优于DPAK - 尽管少35%的体积 – 降低6.2℃的结温和提高可靠性。

采用安森美半导体的低RDSON的ATPAK MOSFET可与水平低的导通电阻可革新许多汽车应用。例如，通常以一个二极管驱动的一个简单的反向保护电路。

图4：对比一个反向保护电路采用二极管或MOSFET

采用二极管的结构，即使相对较低的电流，二极管功率消耗可能显著 –3A负载电流约2.4W。这不仅在功率损耗方面代价高昂，还需要一个散热器，占用宝贵的空间，增加物料单(BOM)成本。

使用一个采用SOT23封装的P沟道MOSFET的确表现出一定的改善，特别是在低负载电流值时，但3A时的功率损耗与二极管方案大致相当。

ATPAK MOSFET具有较低的导通电阻，3 A负载电流时的功率损耗小于二极管(或SOT23 MOSFET)的十分之一，有实质性的改善。ATPAK MOSFET不仅更小，其超高能效的性能将节省添加一个散热器所需的成本和空间。

在安森美半导体宽广系列的MOSFET中，汽车ATPAK MOSFET方案提供全系列产品用于各种不同的汽车应用。未来将看到推出新的N沟道和P沟道器件，能处理达120 A（ID Max）的电流，低于5毫欧姆值的RDSON支持在要求严苛的应用中的高能效运行。目前和未来针对汽车应用的所有器件是无铅/符合限制使用有害物质指令(RoHS)、无卤和能支持生产器件批准程序(PPAP)和通过AEC认证的。