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迎接汽車電動化時代的來臨,安世半導(dǎo)體引領(lǐng)MOSFET技術(shù)革命

發(fā)布時間:2023-11-20 來源:安世半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】近年來,汽車行業(yè)正迅速邁入智能化和電動化的新紀(jì)元。新能源汽車的銷量與市場滲透率持續(xù)攀升。據(jù)彭博社預(yù)測,2023年,全球新能源汽車的銷量將達(dá)到1,410萬輛,其中中國市場將占據(jù)大約60%的份額。在汽車向電動化的轉(zhuǎn)型過程中,盡管 SiC 和 GaN 等第三代半導(dǎo)體材料備受關(guān)注,但電動汽車制造商仍對成本持保守態(tài)度。目前,成本效益高且性能穩(wěn)定的硅基 MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)繼續(xù)在車載電子、電驅(qū)動以及電池管理系統(tǒng)中發(fā)揮核心作用。去年 MOSFET 的大量缺貨進(jìn)一步突顯了這一點(diǎn)。


然而,要滿足日益增長的汽車市場,功率 MOSFET 需要不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,以迎接更高的開關(guān)頻率、更大的功率密度和更低的功耗等眾多挑戰(zhàn)。面對這些變化和挑戰(zhàn),作為基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件開發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)跑者,以效率致勝的 Nexperia,是如何穩(wěn)固根基,迎接汽車新時代的發(fā)展?又采取了哪些變革性的措施來推動汽車 MOSFET 技術(shù)的進(jìn)步?


封裝技術(shù)發(fā)展的齒輪加速轉(zhuǎn)動


當(dāng)前,新能源汽車中半導(dǎo)體器件的使用數(shù)量創(chuàng)下新高,而且對小型、高性能和可靠器件的迫切需求幾乎貫穿所有電子產(chǎn)品市場。在這個趨勢下,封裝技術(shù)正扮演著至關(guān)重要的角色。

 

在半導(dǎo)體的早期,封裝主要依賴于打孔技術(shù)(Through-Hole Technology, THT),TO-3是其中的代表封裝技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展,電子設(shè)備的尺寸逐漸縮小,對組件的集成度要求越來越高。這促使了表面貼裝技術(shù)(Surface Mount Technology, SMT)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用。與 THT 相比,SMT 組件更小、更輕,可以直接焊接到電路板的表面,而無需打孔。這大大提高了生產(chǎn)效率并減小了組件的尺寸。

 

表面貼裝技術(shù)(SMT)的發(fā)展對 MOSFET 的進(jìn)步起到了很大的助推作用。

 

首先是 SO-8 封裝技術(shù),于20世紀(jì)80年代開始流行。它通常是長方形的,如同其名字,SO-8在兩側(cè)各有四個引腳,總計8個引腳。SO-8封裝通常由塑料制成,內(nèi)部有一個金屬引腳框架來連接芯片和外部電路。SO-8封裝為 MOSFET 提供了一個緊湊的解決方案,同時保持了適中的功率處理能力。

 

在1990年代初,為滿足車用電子和工業(yè)應(yīng)用中對更好散熱的需求,DPAK(TO-252)和D2PAK(TO-263)這兩種表面貼裝封裝技術(shù)開始流行。它們都是3引腳設(shè)計,都具有金屬外殼,與 DPAK 相比,它的尺寸更大,通常用于更高的功率應(yīng)用。長久以來,汽車功率 MOSFET 主要依賴于這兩種較舊和較大的引線鍵合封裝。但是隨著行業(yè)對小尺寸、高功率密度和高電流處理能力的需求,這兩種封裝技術(shù)逐漸不能滿足需求。

 

于是,2004年,Nexperia 推出了一項新的封裝技術(shù)——LFPAK銅夾封裝,這一封裝技術(shù)擁有與SO-8相似的尺寸,但卻可以帶來比 DPAK 和 D2PAK 更顯著的效率和性能優(yōu)勢。

 

那么,這是如何實現(xiàn)的呢?在 D2PAK 及其各種版本中,芯片與封裝引出端之間通常是采用線纜連接,這種連接方式就限制了其能處理的電流量。而 Nexperia 的 LFPAK 所使用的銅夾片技術(shù),在芯片和引出端之間提供更大面積的接觸,從而能夠處理更大的電流,提高輸出功率。而且銅夾還增強(qiáng)了芯片頂部和底部的散熱能力。

 

特別是隨著 LFPAK88 的推出,LFPAK 銅夾封裝技術(shù)的卓越性能得到了充分的驗證。LFPAK88 采用8mm x 8mm的緊湊封裝尺寸,相比 D2PAK,空間節(jié)省效率高達(dá)60%(如圖1所示)。更值得注意的是,盡管尺寸更小,LFPAK88 的性能卻能夠?qū)崿F(xiàn)高出2倍的連續(xù)額定電流,終極熱性能和可靠性。LFPAK88堪稱D2PAK的理想替代品。目前,Nexperia 提供適用于汽車的 AEC-Q101和工業(yè)級的兩個版本。LFPAK88 不僅廣泛應(yīng)用于汽車動力轉(zhuǎn)向、ABS制動、DC/DC 轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域,同時也適用于電池隔離、電池供電工具和電熔絲電機(jī)控制等多個工業(yè)領(lǐng)域。

 

Nexperia 的 BUK7S0R5-40H 是 LFPAK8 銅夾封裝的一個代表。這是一款符合汽車認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的 N 溝道 MOSFET,甚至超越 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn),其 -55°C至 +175°C 寬溫度范圍內(nèi)的額定性能,特別適合高溫環(huán)境。該產(chǎn)品采用了最新的 40V Trench 9低阻超結(jié)技術(shù),通過減少單元間距和利用超級結(jié)構(gòu)造,在同等尺寸的情況下實現(xiàn)了低至0.55mΩ 的 RDSon。相較于標(biāo)準(zhǔn)的 Trench MOS,它在 SOA(安全操作區(qū))和雪崩能力上都有所增強(qiáng),而且對 V GS(th)(門源閾值電壓)的嚴(yán)格限制使得 MOSFETs的并聯(lián)應(yīng)用更為簡便。它的應(yīng)用場景廣泛,包括12V汽車系統(tǒng)、48V DC/DC 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(12V次級側(cè))、高功率電機(jī)、照明與電磁閥控制、反向極性保護(hù),以及其他需要超高性能電源開關(guān)的場合。


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圖1:LFPAK88與D2PAK的尺寸比較


近十年來,隨著移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,對小型和高性能 MOSFET 封裝的需求日益增長,QFN(四面平直無引腳封裝) 和 DFN(雙平直無引腳封裝)這樣的小型封裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在需要高電流、良好散熱和高可靠性的應(yīng)用中,LFPAK 封裝可能是更好的選擇。但是在低功率應(yīng)用中,比如小信號類產(chǎn)品(ssMOS),由于功率變化沒有那么大,熱應(yīng)力相對較小,小封裝的DFN可以充分體現(xiàn)其尺寸優(yōu)勢。


Nexperia的DFN0606 MOSFET 封裝提供了最微小的 DFN 解決方案,它采用常用的0.35毫米間距尺寸。這個超小型封裝非常適合需要盡量減小空間占用的場合,它既能節(jié)省空間,又幾乎不需要額外的組裝工作。這種 MOSFET 封裝非常適合可穿戴設(shè)備等小型移動產(chǎn)品的應(yīng)用。


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圖2:DFN0606 MOSFET超小型封裝:提高電源效率、0.35 毫米間距


MOSFET走向“專心”


過去,具有給定的品質(zhì)因數(shù)(FOM)的標(biāo)準(zhǔn)功率開關(guān)基本上可以應(yīng)用于任何場合。但隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用的多樣化,對MOSFET的需求比以往任何時候都要復(fù)雜和多樣。常規(guī)MOSFET數(shù)據(jù)表上有100多個參數(shù),如Rds(on)、Vth、Ciss和Qg等等。但通常只有少數(shù)參數(shù)在每個項目中至關(guān)重要。而且隨著應(yīng)用的變化,關(guān)鍵參數(shù)也會發(fā)生變化。


因此,單一的 MOSFET 參數(shù)很難滿足所有應(yīng)用的需求。Nexperia 深諳這一道理,“應(yīng)用專用”是在 MOSFET 領(lǐng)域的又一大創(chuàng)新,這是基于多年對特定應(yīng)用的理解和與客戶的攜手合作而推出的產(chǎn)品系列。通過重點(diǎn)優(yōu)化對某一應(yīng)用場景最為關(guān)鍵的參數(shù),即使可能會犧牲其他不太關(guān)聯(lián)的參數(shù),但也確保我們的 MOSFET 產(chǎn)品能夠完美匹配特定領(lǐng)域的需求,發(fā)揮出最優(yōu)的性能和效益。


Nexperia打造了一系列更豐富的應(yīng)用專用 MOSFET。如下圖3所示,大致可以分為車規(guī)級 MOS 的 ASFET 和非車規(guī)級 ASFET 兩大類,它們的側(cè)重點(diǎn)有所不同。其中,熱插拔 ASFET LFPAK88 目前主要用于工業(yè)及消費(fèi)類電子電源,車規(guī)級 MOS 的 ASFET 主要在于半橋、重復(fù)雪崩和安全氣囊驅(qū)動。


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圖3:Nexperia應(yīng)用專用MOSFET一覽


半橋(Half-bridge)是電力電子領(lǐng)域中的一個常見術(shù)語,特指一種電路拓?fù)?。半橋配置是許多汽車應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建模塊,在這種配置中,兩個開關(guān)元件(通常是兩個MOSFET或IGBT)在電源和地之間串聯(lián)連接。當(dāng)一個開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時,另一個則處于截止?fàn)顟B(tài)。通過交替切換這兩個開關(guān),可以控制負(fù)載的電壓和電流方向。


Nexperia的 LFPAK56D 半橋產(chǎn)品是應(yīng)用專用MOSFET的一大代表,由于去除了 PCB 走線,其所占用的PCB面積比雙LFPAK56D減少了30%(圖4)。而且由于MOSFET內(nèi)部之間采用了銅夾連接,其寄生電感降低 60%(圖5)。LFPAK56D 半橋已通過 AEC-Q101 汽車認(rèn)證,為汽車行業(yè)提供了一系列具有卓越電流處理能力的即插即用型解決方案??梢詮V泛用于三相汽車動力傳動系統(tǒng)應(yīng)用(燃油泵、油泵和水泵)、電機(jī)控制、直流/直流等汽車應(yīng)用。


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圖4:LFPAK56D半橋比雙LFPAK56D所占用的PCB面積減少了30%


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圖5:LFPAK56D半橋的寄生電感減少60%


BUK7V4R2-40H 產(chǎn)品就采用了 LFPAK56D 半橋封裝,它不僅降低了 PCB 布局復(fù)雜性,還通過減少三相電機(jī)驅(qū)動的元件尺寸來縮小 PCB。優(yōu)化的封裝設(shè)計,提高了系統(tǒng)級 R th(j-amb),能以更低的寄生電感支持更高的效率,與 LFPAK56D 雙封裝兼容。通過使用先進(jìn)的 AEC-Q101級Trench 9硅技術(shù),實現(xiàn)低功率損耗和高功率密度,同時具備卓越的雪崩性能。此外,其獨(dú)特的鷗翼引線可以支持高可制造性和自動光學(xué)檢測(AOI)。



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