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安森美半導(dǎo)體創(chuàng)新的ATPAK 封裝用于汽車應(yīng)用

增加功率密度,提高電流處理能力,提升散熱性

隨著汽車功能電子化趨勢(shì)的不斷增強(qiáng),汽車內(nèi)的電子元件越來(lái)越多,應(yīng)用環(huán)境日益嚴(yán)苛,汽車設(shè)計(jì)工程師需要考慮空間和性能等多方面因素,功率MOSFET是提供低功耗和更小尺寸的理想器件,被廣泛用于許多汽車應(yīng)用,如防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)的油壓閥控制、電動(dòng)窗和LED照明的電機(jī)控制、氣囊、暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)、動(dòng)力總成應(yīng)用、電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向和信息娛樂(lè)系統(tǒng)等等。

  隨著汽車功能電子化趨勢(shì)的不斷增強(qiáng),汽車內(nèi)的電子元件越來(lái)越多,應(yīng)用環(huán)境日益嚴(yán)苛,汽車設(shè)計(jì)工程師需要考慮空間和性能等多方面因素,功率MOSFET是提供低功耗和更小尺寸的理想器件,被廣泛用于許多汽車應(yīng)用,如防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)的油壓閥控制、電動(dòng)窗和LED照明的電機(jī)控制、氣囊、暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)、動(dòng)力總成應(yīng)用、電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向和信息娛樂(lè)系統(tǒng)等等。

圖1. 汽車功率MOSFET應(yīng)用

  為推進(jìn)MOSFET實(shí)現(xiàn)更高能效,安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)出微間距溝槽(Fine pitch trench)技術(shù)、夾焊(Clip bonding)技術(shù)和領(lǐng)先行業(yè)的、創(chuàng)新的ATPAK封裝技術(shù)。微間距溝槽技術(shù)通過(guò)減小門(mén)極單元間距,提供更高單元密度及微結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)較低導(dǎo)通電阻,以提高能效,降低功耗。夾焊技術(shù)則大大提升電流處理能力,并提供直接從裸片頂部析出熱量的熱路徑。ATPAK封裝不但增加功率密度,還提高電流處理能力,提升散熱性。

  ATPAK封裝減小尺寸,提高功率密度

  燃油動(dòng)力車及電動(dòng)車需要更小尺寸和更高功率密度的功率器件。安森美半導(dǎo)體獨(dú)特的ATPAK封裝技術(shù)可滿足這要求。如下圖所示,與業(yè)界傳統(tǒng)的DPAK和D2PAK封裝相比, ATPAK的封裝尺寸大大減?。篋PAK比D2PAK占位面積小60%,厚度小49%,而ATPAK雖然與DPAK保持相同的占位面積,但厚度卻又減少了35%。
 

圖2. ATPAK vs. DPAK

  ATPAK封裝采用夾焊技術(shù)提升散熱性

  隨著封裝尺寸變得更小,器件內(nèi)的溫度往往增高,因?yàn)樗兊酶y于導(dǎo)出多余熱量。而散熱性對(duì)總能效、安全及系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要。ATPAK封裝采用夾焊技術(shù),可將熱阻抗及總導(dǎo)通電阻降至最低,比采用傳統(tǒng)的金屬線粘結(jié)的DPAK封裝大大提升電流處理能力。熱阻抗是指1 W熱量所引起的溫升大小,單位為℃/W。熱阻抗越低,散熱性越好。經(jīng)選用相同規(guī)格的ATPAK和 DPAK 器件進(jìn)行測(cè)試和對(duì)比,結(jié)果顯示即使無(wú)散熱片時(shí)的熱阻抗相同,在采用散熱片后 ATPAK 比 DPAK 的熱阻抗低 6℃/W。具體測(cè)試詳情可瀏覽http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AND9415-D.PDF了解。

  傳統(tǒng)的金屬線粘結(jié)使用金、銅或鋁來(lái)連接封裝中硅芯片的每個(gè)電極。然而,由于每種線都相對(duì)較薄,這從根本上限制了電流處理。通過(guò)增添更多并聯(lián)的導(dǎo)線可減少這限制,但這將影響整體成本,且可并聯(lián)邦定的導(dǎo)線數(shù)量有實(shí)際限制。由于汽車功率MOSFET在高溫環(huán)境下執(zhí)行大電流驅(qū)動(dòng)控制,低導(dǎo)通阻抗是汽車方案的一項(xiàng)關(guān)鍵性能因數(shù)。對(duì)于低導(dǎo)通電阻的MOSFET,導(dǎo)線電阻可代表封裝中相當(dāng)大的總阻抗。尤其在要求導(dǎo)通阻抗低于20 mΩ的應(yīng)用中,導(dǎo)線的阻抗不能忽略。

  夾焊技術(shù)使用銅夾直接連接每個(gè)電極,可大幅降低漏-源極路徑電氣阻抗,從而降低導(dǎo)通阻抗,并實(shí)現(xiàn)更好的熱傳導(dǎo)。測(cè)試結(jié)果顯示,夾焊比鋁線粘結(jié)降低30%的導(dǎo)通阻抗,比金線粘結(jié)降低達(dá)90%的導(dǎo)通阻抗。而且?jiàn)A焊技術(shù)使用寬橫截面積的銅板,大大提高了電流處理能力,消除傳統(tǒng)工藝中高電流可熔斷導(dǎo)線的問(wèn)題。

圖3. 夾焊封裝橫截面

  ATPAK電流處理能力高達(dá)100 A,這也是D2PAK能達(dá)到的最大電流處理能力。而且,ATPAK的成本幾乎與DPAK一樣。因此,在設(shè)計(jì)中采用ATPAK替代D2PAK,既可減小50%的封裝尺寸,又可實(shí)現(xiàn)相同的性能,達(dá)到節(jié)省空間和提升功率處理能力的雙重目的,還不增加成本。

  ATPAK P溝道功率MOSFET的優(yōu)勢(shì)

  經(jīng)與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的P溝道MOSFET相比,安森美半導(dǎo)體的ATPAK P溝道MOSFET提供更小的尺寸、更低的導(dǎo)通阻抗、更高的電流處理能力和更出色的抗雪崩能力??寡┍滥芰χ傅氖请姼兄写鎯?chǔ)的能量放電到功率MOSFET中時(shí)的易受影響程度。此外,靜電放電(ESD)總是封裝及實(shí)際使用要克服的挑戰(zhàn),汽車應(yīng)用環(huán)境中可能會(huì)出現(xiàn)ESD,原因是機(jī)械摩擦,此外,干燥的空氣往往也會(huì)增加靜電放電。ESD可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械故障。所以安森美半導(dǎo)體的ATPAK P溝道功率MOSFET嵌入保護(hù)二極管以增強(qiáng)ESD強(qiáng)固性。

  相比N溝道MOSFET需要電荷泵以降低導(dǎo)通阻抗,P溝道方案無(wú)需電荷泵,以更少的元件提供更簡(jiǎn)單和更可靠的驅(qū)動(dòng)。

  安森美半導(dǎo)體的P溝道汽車MOSFET產(chǎn)品陣容

  安森美半導(dǎo)體提供寬廣的P溝道MOSFET產(chǎn)品系列以滿足各種不同的汽車應(yīng)用需求,采用ATPAK封裝的P溝道MOSFET由于低導(dǎo)通電阻和極佳的散熱性,可用于達(dá)65 W的應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)具體設(shè)計(jì)需求選擇適合的MOSFET。

表1. 安森美半導(dǎo)體ATPAK P溝道汽車MOSFET器件

  例如,選用P溝道MOSFET NVATS5A108PLZ 或NVATS5A304PLZ用于汽車LED前大燈的反向電池保護(hù),可降低導(dǎo)通損耗,簡(jiǎn)化電路,同時(shí)優(yōu)化性能和元件數(shù)。

  總結(jié)

  汽車功能電子化趨勢(shì)的持續(xù)增強(qiáng)使汽車應(yīng)用環(huán)境日趨嚴(yán)苛,提高系統(tǒng)可靠性的標(biāo)準(zhǔn)和為減輕汽車重量而減小元件尺寸的要求正成為功率器件市場(chǎng)更重要的因素。安森美半導(dǎo)體創(chuàng)新的ATPAK封裝不僅可使功率MOSFET外形更纖薄,其采用的夾焊技術(shù)更可實(shí)現(xiàn)達(dá)100 A的電流處理能力,極佳的散熱性確保安全性和更高可靠性,且成本與DPAK相當(dāng),公司提供寬廣系列的ATPAK P溝道功率MOSFET,可滿足各種不同的汽車應(yīng)用需求。此外,小信號(hào)P溝道MOSFET和互補(bǔ)的雙類(P溝道和N溝道)器件正在開(kāi)發(fā)中以進(jìn)一步推動(dòng)創(chuàng)新。安森美半導(dǎo)體正積極進(jìn)行ATPAK功率器件的AEC認(rèn)證和符合生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序(PPAP)。

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