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发布时间: 2024-01-11
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近年来,汽车行业正迅速迈入智能化和电动化的新纪元。新能源汽车的销量与市场渗透率持续攀升。据彭博社预测,2023年,全球新能源汽车的销量将达到1,410万辆,其中中国市场将占据大约60%的份额。在汽车向电动化的转型过程中,尽管 SiC 和 GaN 等第三代半导体材料备受关注,但电动汽车制造商仍对成本持保守态度。目前,成本效益高且性能稳定的硅基 MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)继续在车载电子、电驱动以及电池管理系统中发挥核心作用。去年 MOSFET 的大量缺货进一步突显了这一点。


然而,要满足日益增长的汽车市场,功率 MOSFET 需要不断进行技术创新,以迎接更高的开关频率、更大的功率密度和更低的功耗等众多挑战。面对这些变化和挑战,作为基础半导体器件开发和生产的领跑者,以效率致胜的 Nexperia,是如何稳固根基,迎接汽车新时代的发展?又采取了哪些变革性的措施来推动汽车 MOSFET 技术的进步?


封装技术发展的齿轮加速转动


当前,新能源汽车中半导体器件的使用数量创下新高,而且对小型、高性能和可靠器件的迫切需求几乎贯穿所有电子产品市场。在这个趋势下,封装技术正扮演着至关重要的角色。

在半导体的早期,封装主要依赖于打孔技术(Through-Hole Technology, THT),TO-3是其中的代表封装技术。随着技术的发展,电子设备的尺寸逐渐缩小,对组件的集成度要求越来越高。这促使了表面贴装技术(Surface Mount Technology, SMT)的出现和广泛应用。与 THT 相比,SMT 组件更小、更轻,可以直接焊接到电路板的表面,而无需打孔。这大大提高了生产效率并减小了组件的尺寸。

 

表面贴装技术(SMT)的发展对 MOSFET 的进步起到了很大的助推作用。

 

首先是SO-8封装技术,于20世纪80年代开始流行。它通常是长方形的,如同其名字,SO-8在两侧各有四个引脚,总计8个引脚。SO-8封装通常由塑料制成,内部有一个金属引脚框架来连接芯片和外部电路。SO-8封装为 MOSFET 提供了一个紧凑的解决方案,同时保持了适中的功率处理能力。

 

在1990年代初,为满足车用电子和工业应用中对更好散热的需求,DPAK(TO-252)和D2PAK(TO-263)这两种表面贴装封装技术开始流行。它们都是3引脚设计,都具有金属外壳,与 DPAK 相比,它的尺寸更大,通常用于更高的功率应用。长久以来,汽车功率 MOSFET 主要依赖于这两种较旧和较大的引线键合封装。但是随着行业对小尺寸、高功率密度和高电流处理能力的需求,这两种封装技术逐渐不能满足需求。

 

于是,2004年,Nexperia 推出了一项新的封装技术——LFPAK铜夹封装,这一封装技术拥有与SO-8相似的尺寸,但却可以带来比 DPAK 和 D2PAK 更显著的效率和性能优势。

 

那么,这是如何实现的呢?在 D²PAK 及其各种版本中,芯片与封装引出端之间通常是采用线缆连接,这种连接方式就限制了其能处理的电流量。而 Nexperia 的 LFPAK 所使用的铜夹片技术,在芯片和引出端之间提供更大面积的接触,从而能够处理更大的电流,提高输出功率。而且铜夹还增强了芯片顶部和底部的散热能力。

 

特别是随着 LFPAK88 的推出,LFPAK 铜夹封装技术的卓越性能得到了充分的验证。LFPAK88 采用8mm x 8mm的紧凑封装尺寸,相比 D²PAK,空间节省效率高达60%(如图1所示)。更值得注意的是,尽管尺寸更小,LFPAK88 的性能却能够实现高出2倍的连续额定电流,终极热性能和可靠性。LFPAK88堪称D²PAK的理想替代品。目前,Nexperia 提供适用于汽车的 AEC-Q101和工业级的两个版本。LFPAK88 不仅广泛应用于汽车动力转向、ABS制动、DC/DC 转换等领域,同时也适用于电池隔离、电池供电工具和电熔丝电机控制等多个工业领域。

 

Nexperia 的 BUK7S0R5-40H 是 LFPAK8 铜夹封装的一个代表。这是一款符合汽车认证标准的 N 沟道 MOSFET,甚至超越 AEC-Q101 标准,其 -55°C至 +175°C 宽温度范围内的额定性能,特别适合高温环境。该产品采用了最新的 40V Trench 9低阻超结技术,通过减少单元间距和利用超级结构造,在同等尺寸的情况下实现了低至0.55mΩ 的 RDSon。相较于标准的 Trench MOS,它在 SOA(安全操作区)和雪崩能力上都有所增强,而且对 V GS(th)(门源阈值电压)的严格限制使得 MOSFETs的并联应用更为简便。它的应用场景广泛,包括12V汽车系统、48V DC/DC 转换系统(12V次级侧)、高功率电机、照明与电磁阀控制、反向极性保护,以及其他需要超高性能电源开关的场合。

图1:LFPAK88与D2PAK的尺寸比较


近十年来,随着移动设备和物联网技术的飞速发展,对小型和高性能 MOSFET 封装的需求日益增长,QFN(四面平直无引脚封装) 和 DFN(双平直无引脚封装)这样的小型封装技术应运而生。在需要高电流、良好散热和高可靠性的应用中,LFPAK 封装可能是更好的选择。但是在低功率应用中,比如小信号类产品(ssMOS),由于功率变化没有那么大,热应力相对较小,小封装的DFN可以充分体现其尺寸优势。


Nexperia的DFN0606 MOSFET 封装提供了最微小的 DFN 解决方案,它采用常用的0.35毫米间距尺寸。这个超小型封装非常适合需要尽量减小空间占用的场合,它既能节省空间,又几乎不需要额外的组装工作。这种 MOSFET 封装非常适合可穿戴设备等小型移动产品的应用。


图2:DFN0606 MOSFET超小型封装:提高电源效率、0.35 毫米间距




MOSFET走向“专心”


过去,具有给定的品质因数(FOM)的标准功率开关基本上可以应用于任何场合。但随着技术的进步和应用的多样化,对MOSFET的需求比以往任何时候都要复杂和多样。常规MOSFET数据表上有100多个参数,如Rds(on)、Vth、Ciss和Qg等等。但通常只有少数参数在每个项目中至关重要。而且随着应用的变化,关键参数也会发生变化。


因此,单一的 MOSFET 参数很难满足所有应用的需求。Nexperia 深谙这一道理,“应用专用”是在 MOSFET 领域的又一大创新,这是基于多年对特定应用的理解和与客户的携手合作而推出的产品系列。通过重点优化对某一应用场景最为关键的参数,即使可能会牺牲其他不太关联的参数,但也确保我们的 MOSFET 产品能够完美匹配特定领域的需求,发挥出最优的性能和效益。


Nexperia打造了一系列更丰富的应用专用 MOSFET。如下图3所示,大致可以分为车规级 MOS 的 ASFET 和非车规级 ASFET 两大类,它们的侧重点有所不同。其中,热插拔 ASFET LFPAK88 目前主要用于工业及消费类电子电源,车规级 MOS 的 ASFET 主要在于半桥、重复雪崩和安全气囊驱动。

图3:Nexperia应用专用MOSFET一览


半桥(Half-bridge)是电力电子领域中的一个常见术语,特指一种电路拓扑。半桥配置是许多汽车应用中的标准构建模块,在这种配置中,两个开关元件(通常是两个MOSFET或IGBT)在电源和地之间串联连接。当一个开关处于导通状态时,另一个则处于截止状态。通过交替切换这两个开关,可以控制负载的电压和电流方向。


Nexperia的 LFPAK56D 半桥产品是应用专用MOSFET的一大代表,由于去除了 PCB 走线,其所占用的PCB面积比双LFPAK56D减少了30%(图4)。而且由于MOSFET内部之间采用了铜夹连接,其寄生电感降低 60%(图5)。LFPAK56D 半桥已通过 AEC-Q101 汽车认证,为汽车行业提供了一系列具有卓越电流处理能力的即插即用型解决方案。可以广泛用于三相汽车动力传动系统应用(燃油泵、油泵和水泵)、电机控制、直流/直流等汽车应用。

图4:LFPAK56D半桥比双LFPAK56D所占用的PCB面积减少了30%


图5:LFPAK56D半桥的寄生电感减少60%


BUK7V4R2-40H 产品就采用了 LFPAK56D 半桥封装,它不仅降低了 PCB 布局复杂性,还通过减少三相电机驱动的元件尺寸来缩小 PCB。优化的封装设计,提高了系统级 R th(j-amb),能以更低的寄生电感支持更高的效率,与 LFPAK56D 双封装兼容。通过使用先进的 AEC-Q101级Trench 9硅技术,实现低功率损耗和高功率密度,同时具备卓越的雪崩性能。此外,其独特的鸥翼引线可以支持高可制造性和自动光学检测(AOI)。


Nexperia的创新与创“芯”

在智能化与电动化的双重推动下,MOSFET 仍然大有可为。在这一浪潮中,Nexperia正积极驱动 MOSFET 产品的创新与升级。一方面,通过不断优化的 LFPAK 封装技术,实现了 MOSFET 性能的显著提升和体积的大幅缩小;另一方面,针对不同应用领域,Nexperia推出了一系列领域专用 MOSFET  产品,以满足多元化的市场需求。这一“双轮驱动”策略,不仅促使 Nexperia 的 MOSFET产品向更小型、更高性能、更优散热的方向迅速演进,更将大大推动汽车电动化进程的快速发展。


文章及图片来源 | 安世半导体

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