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

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(shí)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(gè)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(gè)引腳，總計(jì)8個(gè)引腳。SO-8封裝通常由塑料制成，內(nèi)部有一個(gè)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(gè)緊湊的解決方案，同時(shí)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(jì)，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(xiàng)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(shí)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(yàn)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(gè)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(shí)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(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

Nexperia 的 BUK7S0R5-40H 是 LFPAK8 銅夾封裝的一個(gè)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(shí)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。

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(gè)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。

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(shí)候都要復(fù)雜和多樣。常規(guī)MOSFET數(shù)據(jù)表上有100多個(gè)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(gè)項(xiàng)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。

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(gè)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(gè)開關(guān)元件（通常是兩個(gè)MOSFET或IGBT）在電源和地之間串聯(lián)連接。當(dāng)一個(gè)開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)則處于截止?fàn)顟B(tài)。通過交替切換這兩個(gè)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。

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

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(jì)，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(shí)現(xiàn)低功率損耗和高功率密度，同時(shí)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）。