新型面向汽車通孔應用的高性能功率半導體封裝

　能效十分重要。事實上，能效是很多新型汽車功率電子系統(tǒng)設計的主要考核指標之一。浪費的每瓦電力都可以換算為本應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。汽車半導體供應商如何幫助客戶實現(xiàn)更高的能效？在大學畢業(yè)設計中，我選擇了8mΩ 30V Dpak來驅(qū)動一個H橋——這在當時被認為是一種“尖端”器件，但如今這樣一種器件卻十分平常。這種進步在很大程度上應歸功于半導體技術的巨大進步，但封裝技術發(fā)展如何呢？

　　應當牢記的是，半導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，熱量必須導入冷卻系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)的魯棒性取決于整個鏈條中最薄弱的環(huán)節(jié)。如果一只典型MOSFET的導通電阻RDS（ON）約為8毫歐，那么比這個數(shù)值高出大約1毫歐的封裝電阻是可以接受的。但是，當芯片的電阻低于封裝電阻時，顯然須要改善封裝。表面貼裝器件封裝已經(jīng)較好地解決了這個問題：典型 D2Pak封裝的導通電阻僅比芯片高出0.5毫歐左右，而諸如DirectFET等封裝技術對導通電阻的貢獻值僅為150微歐。但通孔封裝的導通電阻是多少？這是一個迄今為止人們較少關注的問題，也是一個創(chuàng)新不足的領域。

　　汽車應用普遍采用的封裝技術之一是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。在這些應用中，為了取得良好的冷卻效果，功率組件被放置在一個單獨的基片上，從該基片可以更輕松地導出熱量。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1微歐左右！

　　現(xiàn)在，我們考慮數(shù)據(jù)表上描述的導通電阻為2毫歐的40V TO-262 MOSFET。數(shù)據(jù)表上的導通電阻值是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上可達3毫歐。在實際應用中，這會產(chǎn)生幾種結(jié)果，其中之一是，較高的引線電阻導致引線自熱，進而“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導致較高的傳導損耗和較低的能效。

　　為此，業(yè)界對標準TO-262進行了一個簡單的改善，從而產(chǎn)生了WideLead TO-262（見圖2）。

　　比較圖1和圖2就會發(fā)現(xiàn)，WideLead TO-262的引線寬度被顯著加大。結(jié)果，與標準TO-262封裝相比，引線的電阻被降低了大約50%。業(yè)界還借此機會改善了這一封裝的內(nèi)部技術，結(jié)果，即使在不考慮引線電阻降低的情況下，WideLead TO-262的導通電阻也比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，遠遠高于市場上現(xiàn)有的領先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，不用大幅改變機械設計。

　　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)級優(yōu)勢。該圖比較了標準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，WideLead封裝的溫度要比標準TO-262封裝低39%。這可帶來多重系統(tǒng)級利益，包括降低熱量，進而提高器件可靠性等不一而足。由于產(chǎn)生的熱量相對較少，需要散去的熱量相應減少，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：標準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，讓相同的芯片實現(xiàn)更高的電流。由于封裝性能對內(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，但如今其供應日益緊張。現(xiàn)在不缺的是二氧化碳，事實上，其數(shù)量過多，以至各國政府紛紛出臺相應法規(guī)，為實現(xiàn)減排對二氧化碳排放課以重稅。這一挑戰(zhàn)推動了汽車工程的發(fā)展，而電力半導體也必須在芯片和封裝兩個方面應對這一挑戰(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。