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2023年01月18日

面向汽车通孔应用的高性能功率半导体封装

能效十分重要。事实上,能效是很多新型汽车功率电子系否则将前功尽弃统设计的主要考核指标之一。浪费的每瓦电力都可以换算为本应留在油箱中的一滴汽油,或者是从排气管中额外排放的一克二氧化碳。如今,油耗和碳排放都面临着日益提高的税收。汽车半导体供应商如何帮助客户实现更高的能效?在大学毕业设计中,我选择了8mΩ 30V Dpak来驱动一个H桥——这在当时被认为是一种“尖端”器件,但如今这样一种器件却十分平常。这种进步在很大程度上应归功于半导体技术的巨大进步,但封装技术发展如何呢?

应当牢记的是,半导体封装是将一系列元件组合在电路中,电流必须不受限制地流过封装,热量必须导入冷却系统。因此,系统的鲁棒性取决于整个链条中最薄弱的环节。如果一只典型MOSFET的导通电阻RDS(ON)约为8毫欧,那么比这个数值高出大约专业1毫欧的封装电阻是可以接受的。但是,当芯片的电阻低于封装电阻时,显然须要改善封装。表面贴装器件封装已经较好地解决了这个问题:典型 D2Pak封装的导通电阻仅比芯片高出0.5毫欧左右,而诸如DirectFET等封装技术对导通电阻的贡献值仅为150微欧。但通孔封装的导通电阻是多少?这是一个迄今为止人们较少关注的问题,也是一个创新不足的领域。

汽车应用普遍采用的封装技术之一是TO-262,即D2Pak的长引线变体。大功率器件经常选择这一封装技术。在这些应用中,为了取得良好的冷却效果,功率组件被放置在一个单独的基片上,从该基片可以更轻松地导出热量。具有讽刺意味的是,虽然被广泛用于大功率系统,但就封装电阻而言,TO-262的性能不尽如人意。主要的局限并非在于引线键合,而在于引线本身。通常,仅源极引线和漏极引线的总电阻就高达1微欧左右!

图1:传统TO-262封装

现在,我们考虑数据表上描述的导通电阻为2毫欧的40V TO-262 MOSFET。数据表上的导通电阻值是MOSFET芯片和封装的电阻之和,但不包含引线本身的电阻。所以,在系统中使用全长引线这一最差情况下,引线从头至尾的总电阻事实上可达3毫欧。在实际应用中,捕捉装置:电磁铁自动捕捉这会产生几种结果,其中之一是,较高的引线电阻导致引线自热,进而“加热”MOSFET的其他组件,结果增加了冷却成本。较高的封装电阻还会导致较高的传导损耗和较低的能效。

为此,业界对标准TO-262进行了一个简单的改善,从而产生了WideLead TO-262(见图2)。

图2:新型WideL铜叶轮ead TO-262封装

比较图1和图2就会发现,WideLead TO-262的引线宽度被显著加大。结果,与标准TO-262封装相比,引线的电阻被降低了大约50%。业界还借此机会改善了这一封装的内部技术,结果,即使在不考虑引线电阻降低的情况下,WideLead TO-262的导通电阻也比TO-262低20%之多。更低的引线电阻,加上该封装内部技术的改善,将采用WideLead TO-262封装的器件的最大额定电流提高至240A,远远高于市场上现有的领先TO-262封装的195A。WideLead TO-262的外形与“身材”和传统TO-262一样,因此,从TO-262转换至WideLead封装时,不用大幅改变机械设计。

从图3中可以看到WideLead TO-262封装的系统级优势。该图比较了标准TO-262和WideLead TO-262封装引线的温度随直流电流变化而转变的情况(两种封装内部的芯片相同)。在电流为60A时,WideLead封装的温度要比标准TO-262封装低39%。这可带来多摇马重系统级利益,包括降低热量,进而提高器件可靠性等不一而足。由于产生的热量相对较少,需要散去的热量相应减少,结果就可能减小冷却装置的尺寸,也许还有可能使用级别更低的印刷电路板(PCB材料)——也就是额定工作温度更低的材料。

图3:标准TO-262封装和新型Wid刀模eLead TO-262封装在不同电流下的引线温度差异

在给定工作温度下,最多可以将器件的电流提高30%——也就是说,让相同的芯片实现更高的电流。由于封装性能对内部芯片的制约作用减弱,不管是哪种方式,都可在降低成本的同事提高器件的性能。

数十年来,能源一直水平或垂直移动是一种丰富的资源,但如今其供应日益紧张。现在不缺的是二氧化碳,事实上,其数量过多,以至各国政府纷纷出台相应法规,为实现减排对二氧化碳排放课以重税。这一挑战推动了汽车工程的发展,而电力半导体也必须在芯片和封装两个方面应对这一挑战。目前,通孔封装正在迎头赶上这一发展浪潮,但随着诸如WideLead这样的创新成果问世,封装和芯片的性能差异日益缩小。(end)

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