新型面向汽車通孔應(yīng)用的高性能功率半導(dǎo)體封裝

　能效十分重要。事實(shí)上，能效是很多新型汽車功率電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要考核指標(biāo)之一。浪費(fèi)的每瓦電力都可以換算為本應(yīng)留在油箱中的一滴汽油，或者是從排氣管中額外排放的一克二氧化碳。如今，油耗和碳排放都面臨著日益提高的稅收。汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商如何幫助客戶實(shí)現(xiàn)更高的能效？在大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我選擇了8mΩ 30V Dpak來驅(qū)動(dòng)一個(gè)H橋——這在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是一種“尖端”器件，但如今這樣一種器件卻十分平常。這種進(jìn)步在很大程度上應(yīng)歸功于半導(dǎo)體技術(shù)的巨大進(jìn)步，但封裝技術(shù)發(fā)展如何呢？

　　應(yīng)當(dāng)牢記的是，半導(dǎo)體封裝是將一系列元件組合在電路中，電流必須不受限制地流過封裝，熱量必須導(dǎo)入冷卻系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)的魯棒性取決于整個(gè)鏈條中最薄弱的環(huán)節(jié)。如果一只典型MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS（ON）約為8毫歐，那么比這個(gè)數(shù)值高出大約1毫歐的封裝電阻是可以接受的。但是，當(dāng)芯片的電阻低于封裝電阻時(shí)，顯然須要改善封裝。表面貼裝器件封裝已經(jīng)較好地解決了這個(gè)問題：典型 D2Pak封裝的導(dǎo)通電阻僅比芯片高出0.5毫歐左右，而諸如DirectFET等封裝技術(shù)對(duì)導(dǎo)通電阻的貢獻(xiàn)值僅為150微歐。但通孔封裝的導(dǎo)通電阻是多少？這是一個(gè)迄今為止人們較少關(guān)注的問題，也是一個(gè)創(chuàng)新不足的領(lǐng)域。

　　汽車應(yīng)用普遍采用的封裝技術(shù)之一是TO-262，即D2Pak的長引線變體。大功率器件經(jīng)常選擇這一封裝技術(shù)。在這些應(yīng)用中，為了取得良好的冷卻效果，功率組件被放置在一個(gè)單獨(dú)的基片上，從該基片可以更輕松地導(dǎo)出熱量。具有諷刺意味的是，雖然被廣泛用于大功率系統(tǒng)，但就封裝電阻而言，TO-262的性能不盡如人意。主要的局限并非在于引線鍵合，而在于引線本身。通常，僅源極引線和漏極引線的總電阻就高達(dá)1微歐左右！

　　現(xiàn)在，我們考慮數(shù)據(jù)表上描述的導(dǎo)通電阻為2毫歐的40V TO-262 MOSFET。數(shù)據(jù)表上的導(dǎo)通電阻值是MOSFET芯片和封裝的電阻之和，但不包含引線本身的電阻。所以，在系統(tǒng)中使用全長引線這一最差情況下，引線從頭至尾的總電阻事實(shí)上可達(dá)3毫歐。在實(shí)際應(yīng)用中，這會(huì)產(chǎn)生幾種結(jié)果，其中之一是，較高的引線電阻導(dǎo)致引線自熱，進(jìn)而“加熱”MOSFET的其他組件，結(jié)果增加了冷卻成本。較高的封裝電阻還會(huì)導(dǎo)致較高的傳導(dǎo)損耗和較低的能效。

　　為此，業(yè)界對(duì)標(biāo)準(zhǔn)TO-262進(jìn)行了一個(gè)簡單的改善，從而產(chǎn)生了WideLead TO-262（見圖2）。

　　比較圖1和圖2就會(huì)發(fā)現(xiàn)，WideLead TO-262的引線寬度被顯著加大。結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)TO-262封裝相比，引線的電阻被降低了大約50%。業(yè)界還借此機(jī)會(huì)改善了這一封裝的內(nèi)部技術(shù)，結(jié)果，即使在不考慮引線電阻降低的情況下，WideLead TO-262的導(dǎo)通電阻也比TO-262低20%之多。更低的引線電阻，加上該封裝內(nèi)部技術(shù)的改善，將采用WideLead TO-262封裝的器件的最大額定電流提高至240A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于市場上現(xiàn)有的領(lǐng)先TO-262封裝的195A。WideLead TO-262的外形與“身材”和傳統(tǒng)TO-262一樣，因此，從TO-262轉(zhuǎn)換至WideLead封裝時(shí)，不用大幅改變機(jī)械設(shè)計(jì)。

　　圖1：傳統(tǒng)TO-262封裝

　　圖2：新型WideLead TO-262封裝。

　　從圖3中可以看到WideLead TO-262封裝的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)。該圖比較了標(biāo)準(zhǔn)TO-262和WideLead TO-262封裝引線的溫度隨直流電流變化而轉(zhuǎn)變的情況（兩種封裝內(nèi)部的芯片相同）。在電流為60A時(shí)，WideLead封裝的溫度要比標(biāo)準(zhǔn)TO-262封裝低39%。這可帶來多重系統(tǒng)級(jí)利益，包括降低熱量，進(jìn)而提高器件可靠性等不一而足。由于產(chǎn)生的熱量相對(duì)較少，需要散去的熱量相應(yīng)減少，結(jié)果就可能減小冷卻裝置的尺寸，也許還有可能使用級(jí)別更低的印刷電路板（PCB材料）——也就是額定工作溫度更低的材料。

　　圖3：標(biāo)準(zhǔn)TO-262封裝和新型WideLead TO-262封裝在不同電流下的引線溫度差異。

　　在給定工作溫度下，最多可以將器件的電流提高30%——也就是說，讓相同的芯片實(shí)現(xiàn)更高的電流。由于封裝性能對(duì)內(nèi)部芯片的制約作用減弱，不管是哪種方式，都可在降低成本的同事提高器件的性能。

　　數(shù)十年來，能源一直是一種豐富的資源，但如今其供應(yīng)日益緊張?，F(xiàn)在不缺的是二氧化碳，事實(shí)上，其數(shù)量過多，以至各國政府紛紛出臺(tái)相應(yīng)法規(guī)，為實(shí)現(xiàn)減排對(duì)二氧化碳排放課以重稅。這一挑戰(zhàn)推動(dòng)了汽車工程的發(fā)展，而電力半導(dǎo)體也必須在芯片和封裝兩個(gè)方面應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。目前，通孔封裝正在迎頭趕上這一發(fā)展浪潮，但隨著諸如WideLead這樣的創(chuàng)新成果問世，封裝和芯片的性能差異日益縮小。