汽車應用MOSFET的技術趨勢

汽車應用MOSFET

半導體制造商在金屬氧化物半導體（MOS）技術領域取得了重大進步，并繼續(xù)積極發(fā)展。先進的功率MOS技術通常是新型和改良型汽車系統(tǒng)的促成因素，然而，在開發(fā)新的硅和封裝技術過程中，必須謹記汽車系統(tǒng)的特別要求。

如今，汽車設備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導通電阻范圍。電機控制設備橋接配置會使用30V和40V擊穿電壓型號；而在必須控制負載突卸和突升啟動情況的場合，會使用60V裝置驅(qū)動負載；當行業(yè)標準轉(zhuǎn)移至42V電池系統(tǒng)時，則需采用75V技術。高輔助電壓的設備需要使用100V至150V型款；至于400V以上的MOSFET器件則應用于發(fā)動機驅(qū)動器機組和高亮度放電(HID)前燈的控制電路。

驅(qū)動電流的范圍由2A至100A以上，導通電阻的范圍為2m? 至100m?。MOSFET的負載包括電機、閥門、燈、加熱部件、電容性壓電組件和DC/DC電源。開關頻率的范圍通常為10kHz至100kHz，必須注意的是，電機控制不適用開關頻率在20kHz以上。其它的主要需求是UIS性能，結(jié)點溫度極限下(-40oC至175oC，有時高達200oC) 的工作狀況，以及超越汽車使用壽命的高可靠性。

MOSFET技術的發(fā)展歷程

過去，新MOSFET技術的驅(qū)動力量是計算機DC/DC同步轉(zhuǎn)換器等應用，為了優(yōu)化其中的電源系統(tǒng)性能和成本，必需進行高頻率運作。隨著新的硅技術的開發(fā)，更小尺寸和更低特定導通電阻器件的設計得以實現(xiàn)，全面滿足這些要求。技術的改進使得器件的跨導更高，具有更低的門電荷和更快的開關速度?，F(xiàn)今行業(yè)的狀況是特為DC/DC轉(zhuǎn)換而優(yōu)化的開關速度和減少安全工作區(qū)域 (SOA) 技術，將不適合汽車電機應用。

平面技術具有固有的寬SOA和堅固的雪崩能量額定特性，它是串聯(lián)通道功率控制器件的適合技術。然而，降低成本的壓力引發(fā)人們開展新的半導體設計活動，目標是開發(fā)可降低特定導通電阻以溝道技術為基礎的MOSFET器件。

為了控制系統(tǒng)EMI (電磁干擾) 和電機繞組損耗，電機驅(qū)動器設計人員嘗試減慢MOSFET的開關速度，這與通常在高頻DC/DC轉(zhuǎn)換器中的做法完全相反。采用溝道技術的高跨導器件因其固有特性的緣故，開關速度難以減慢，因而不適合在需要并聯(lián)器件的場合使用。與裸片尺寸相同的平面技術器件相比，溝道器件的SOA也較小，故并不適用于線性穩(wěn)壓器設備。未來的溝道技術將向兩個不同方向發(fā)展，分別滿足低頻/線性模式電機驅(qū)動器和高頻DC/DC轉(zhuǎn)換器的要求。

與同等的N-溝道器件相比，P-溝道器件具有較高的特定導通電阻，在采用高邊組件控制負載的場合，P-溝道器件更易于控制。在成本敏感的低功率設備中(車窗和視鏡電機控制、電子嗽叭、內(nèi)部照明裝置)，使用P溝道器雖然會增加裸片尺寸和成本，但是其簡化控制電路的優(yōu)勢卻逐漸使其成為最合適的折衷方案。

MOSFET工藝

在汽車設備中，常常需要探知負載狀態(tài)，并將任何故障問題向微處理器報告。由于功率MOSFET正通過負載控制電流，因此它處于提供診斷信息的最佳位置。除了監(jiān)視負載狀況外，還需要保護MOSFET和負載在發(fā)生故障時免遭破壞。

對于具有各種診斷功能的完全自保護單片器件，便需要采用智能功率技術。為了集成所需功能，必須在通常為7-8掩模層的功率技術基礎上，增加多個掩模步驟，結(jié)果造成器件的成本過高。

另一個做法是采用功率MOS技術作為基礎，就能比較容易地集成各項功能，包括輸入靜電釋放(ESD)保護、電流感應、過流限制、溫度感應、有源箝位及串聯(lián)門電阻器。對于這些額外的功能，只需少量的掩模步驟和附加裸片面積即可實現(xiàn)。而這些參數(shù)的控制和評估，最好采用特別適合這類用途的IC技術。

封裝的影響

在采用現(xiàn)代化溝道技術的低導通電阻器件中，封裝電阻占器件總體電阻的40%以上。所以，不僅需要優(yōu)化硅產(chǎn)品參數(shù)，還要優(yōu)化封裝參數(shù)。采用無線凸起連接 (wireless bumped connection) 技術，封裝rDS(on) 可以降至0.1m? 以下。另一個重要參數(shù)是MOSFET結(jié)點至外殼的熱阻，目前，TO263封裝的大型芯片的最小值是0.4oK/W，但仍有改進的空間。而預計低成本封裝技術即將出現(xiàn)，可將此數(shù)值減少一半。

展望未來

30V MOSFET的特定導通電阻 (RDSon /每單位面積) 正以每年約20%的比率下降。隨著硅技術和封裝技術的改進，RDSon小于1 m?的低成本、小尺寸和高效的MOSFET器件即將出現(xiàn)。這些器件能降低汽車普遍使用的集成啟動器/發(fā)動機和電子動力方向盤等設備的成本，最終，它們將有助于進一步減少熱散發(fā)和提升汽車的燃料效能。(end)