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功能强大的汽车电子封装技术

作者:时间:2013-03-06来源:网络收藏
设备往往需要长时间在高温环境下运行,而且在负荷清除的短时间内,其结区温度还可能超过200℃。与所有电子器件一样,器件也朝着小型化发展。将控制电路集成于功率器件中虽可减小封装尺寸,但却会给本来已经充满挑战性的封装任务增加复杂性。本文将探讨现代化的,如何成为功能强大的解决方案,为汽车电子产品带来更佳的电气和热性能。

汽车电子设备往往需要长时间在高温环境下运行,而且在负荷清除的短时间内,其结区温度还可能超过200℃。现代化的封装设计可将装封尺寸缩减至最小,这乃归功于RDS(ON) 能降低一般的工作温度,这些封装并能改善热阻,进一步将结区温度降低。

与所有电子器件一样,汽车电子器件也朝着小型化发展。将控制电路集成于功率器件中虽可减小封装尺寸,但却会给本来已经充满挑战性的封装任务增加复杂性。封装不仅需要为裸片提供良好的散热性能,同时还要将控制裸片与功率芯片产生的高压和强电流隔离开来。器件的小型化发展会因散热面积的减小而使热管理变得更加困难,即使器件功率维持不变亦然,更遑论功率进一步提高。

除了热密度增加外,电子器件正用于车内各个高温位置,范围包括从内的200℃,到火花塞周围的165℃、引擎舱内的150℃,以至相对温度较温和的乘座车厢内,最大温度为80℃。据估算,一辆汽车在其寿命期内的冷启动次数达6,000次;其中,引擎舱内的温度将由40℃循环至150℃。因此,保护半导体芯片免受极端的环境和相关应力的影响是封装的重要功能之一。

面对电路小型化和更高温度承受力的追求,人们必须了解功率半导体器件的热极限和热管理,只有这样才能确保所设计的产品能继续满足汽车市场所要求的可靠性。封装已发展成为不仅仅是装载芯片的元件和芯片板卡的接口,而是功能强大的解决方案。

温度对半导体芯片的影响

温度的增加会对功率器件的性能带来负面影响。

对于MOSFET:

● RDS(on)随温度上升而增加,造成更多热消耗;
● BVdss(击穿电压) 随温度上升而增加;

● 漏电流随温度上升而大幅递增;
● 阈值电压随温度上升而下降,使到栅极在高温情况下难以关断。

对PIN二极管:

● 正向压降随温度上升而下降;
● 反向恢复电荷和恢复时间随温度上升而增加;

对例如用于点火系统的击穿IGBT:

● VCE(sat) 随温度上升而下降;
● 阈值电压随温度上升而下降;
● 在电感性负载下的开关时间随温度上升而增加;
● 漏电流随温度上升而大幅递增;
● BVdss(击穿电压) 随温度上升而增加。

从功率器件的角度来看,结区温度Tj是最关键的因素。大多数故障都是由于结区温度过高所致。这一点可从方程1总结出来。

方程1∶T= Rth {(Von× Ion)+ (∫V(t) × I(t) dt) f}

这里,T是在某距离散热体超出安全温度的程度。对汽车来说,这个散热体是吸入的空气,其安全温度的典型值为122 F (50℃) (取自Phoenix AZ)。但吸入的空气要经过散热器用来冷却引擎。通常,电子模块遇到的散热体会热得多。对大多数现代动力传动设计中的功率器件来说,环境散热体是105℃的热空气,通过模块散热器进行散热。表1和2给出了典型的汽车工作条件。板卡温度通常高达135℃。

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