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安森美半导体创新的ATPAK 封装用于汽车应用
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增加功率密度,提高电流处理能力,提升散热性

随着汽车功能电子化趋势的不断增强,汽车内的电子元件越来越多,应用环境日益严苛,汽车设计工程师需要考虑空间和性能等多方面因素,功率MOSFET是提供低功耗和更小尺寸的理想器件,被广泛用于许多汽车应用,如防抱死制动系统(ABS)的油压阀控制、电动窗和LED照明的电机控制、气囊、暖通空调(HVAC)系统、动力总成应用、电子动力转向和信息娱乐系统等等。

为推进MOSFET实现更高能效,安森美半导体开发出微间距沟槽(Fine pitch trench)技术、夹焊(Clip bonding)技术和领先行业的、创新的ATPAK封装技术。微间距沟槽技术通过减小门极单元间距,提供更高单元密度及微结构,从而实现较低导通电阻,以提高能效,降低功耗。夹焊技术则大大提升电流处理能力,并提供直接从裸片顶部析出热量的热路径。ATPAK封装不但增加功率密度,还提高电流处理能力,提升散热性。

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图1. 汽车功率MOSFET应用

ATPAK封装减小尺寸,提高功率密度

燃油动力车及电动车需要更小尺寸和更高功率密度的功率器件。安森美半导体独特的ATPAK封装技术可满足这要求。如下图所示,与业界传统的DPAK和D2PAK封装相比, ATPAK的封装尺寸大大减小:DPAK比D2PAK占位面积小60%,厚度小49%,而ATPAK虽然与DPAK保持相同的占位面积,但厚度却又减少了35%。

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图2. ATPAK vs. DPAK

ATPAK封装采用夹焊技术提升散热性

随着封装尺寸变得更小,器件内的温度往往增高,因为它变得更难于导出多余热量。而散热性对总能效、安全及系统可靠性至关重要。ATPAK封装采用夹焊技术,可将热阻抗及总导通电阻降至最低,比采用传统的金属线粘结的DPAK封装大大提升电流处理能力。热阻抗是指1 W热量所引起的温升大小,单位为℃/W。热阻抗越低,散热性越好。经选用相同规格的ATPAK和 DPAK 器件进行测试和对比,结果显示即使无散热片时的热阻抗相同,在采用散热片后 ATPAK 比 DPAK 的热阻抗低 6℃/W。具体测试详情可浏览http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AND9415-D.PDF了解。

传统的金属线粘结使用金、铜或铝来连接封装中硅芯片的每个电极。然而,由于每种线都相对较薄,这从根本上限制了电流处理。通过增添更多并联的导线可减少这限制,但这将影响整体成本,且可并联邦定的导线数量有实际限制。由于汽车功率MOSFET在高温环境下执行大电流驱动控制,低导通阻抗是汽车方案的一项关键性能因数。对于低导通电阻的MOSFET,导线电阻可代表封装中相当大的总阻抗。尤其在要求导通阻抗低于20 mΩ的应用中,导线的阻抗不能忽略。

夹焊技术使用铜夹直接连接每个电极,可大幅降低漏-源极路径电气阻抗,从而降低导通阻抗,并实现更好的热传导。测试结果显示,夹焊比铝线粘结降低30%的导通阻抗,比金线粘结降低达90%的导通阻抗。而且夹焊技术使用宽横截面积的铜板,大大提高了电流处理能力,消除传统工艺中高电流可熔断导线的问题。

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图3. 夹焊封装横截面

ATPAK电流处理能力高达100 A,这也是D2PAK能达到的最大电流处理能力。而且,ATPAK的成本几乎与DPAK一样。因此,在设计中采用ATPAK替代D2PAK,既可减小50%的封装尺寸,又可实现相同的性能,达到节省空间和提升功率处理能力的双重目的,还不增加成本。

ATPAK P沟道功率MOSFET的优势

经与竞争对手的P沟道MOSFET相比,安森美半导体的ATPAK P沟道MOSFET提供更小的尺寸、更低的导通阻抗、更高的电流处理能力和更出色的抗雪崩能力。抗雪崩能力指的是电感中存储的能量放电到功率MOSFET中时的易受影响程度。此外,静电放电(ESD)总是封装及实际使用要克服的挑战,汽车应用环境中可能会出现ESD,原因是机械摩擦,此外,干燥的空气往往也会增加静电放电。ESD可能会导致机械故障。所以安森美半导体的ATPAK P沟道功率MOSFET嵌入保护二极管以增强ESD强固性。

相比N沟道MOSFET需要电荷泵以降低导通阻抗,P沟道方案无需电荷泵,以更少的元件提供更简单和更可靠的驱动。

安森美半导体的P沟道汽车MOSFET产品阵容

安森美半导体提供宽广的P沟道MOSFET产品系列以满足各种不同的汽车应用需求,采用ATPAK封装的P沟道MOSFET由于低导通电阻和极佳的散热性,可用于达65 W的应用。设计人员可根据具体设计需求选择适合的MOSFET。

表1. 安森美半导体ATPAK P沟道汽车MOSFET器件
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例如,选用P沟道MOSFET NVATS5A108PLZ 或NVATS5A304PLZ用于汽车LED前大灯的反向电池保护,可降低导通损耗,简化电路,同时优化性能和元件数。

总结

汽车功能电子化趋势的持续增强使汽车应用环境日趋严苛,提高系统可靠性的标准和为减轻汽车重量而减小元件尺寸的要求正成为功率器件市场更重要的因素。安森美半导体创新的ATPAK封装不仅可使功率MOSFET外形更纤薄,其采用的夹焊技术更可实现达100 A的电流处理能力,极佳的散热性确保安全性和更高可靠性,且成本与DPAK相当,公司提供宽广系列的ATPAK P沟道功率MOSFET,可满足各种不同的汽车应用需求。此外,小信号P沟道MOSFET和互补的双类(P沟道和N沟道)器件正在开发中以进一步推动创新。安森美半导体正积极进行ATPAK功率器件的AEC认证和符合生产件批准程序(PPAP)。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2016-8-6)
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