带状键合5x6mm PQFN为车用MOSFET提高了密度

　　1 汽车电气化要求系统设计者提高电源密度

　　由于严格要求降低CO₂污染和提高燃料经济性，汽车制造商更加积极地寻找电气解决方案(所谓的“汽车电气化”)。用创新型电子电路代替机械解决方案(例如转向系统、继电器等)如今已成了主流趋势。然而，汽车电气化的趋势会继续加重12V电池系统的负担。现在，总负载能够轻松达到3 kW或更高，还有很多汽车应用将汽车的电力负载提高到更高的水平。

　　节油功能(例如电动助力转向(EPS)、启停微混合和48V板网结构)、更复杂的安全特性(例如电动驻车制动器(EPB)和防抱死制动(ABS)系统)和更具创新性的信息娱乐系统(例如数字视频和触摸屏)都能将功率要求提到更高的水平。另一方面，对于汽车应用而言，空间总是很有限。因此，汽车系统开发人员需要解决同一个问题：如何在这么有限的空间内利用电子系统的每一点功率?

　　解决这个问题的唯一办法就是提高系统设计的效率和电源密度，方可确保它们能够跟上当前和未来的行业需求 – 当然也要在有限的系统成本约束之下 – 设计者赖以满足这些日益严格的要求的手段之一就是功率半导体元件，特别是功率MOSFET，它对汽车电气系统的性能和成本都有重要影响。在开发汽车级功率MOSFET时，半导体供应商一直在改进硅片和封装，从而帮助用户以最低的成本实现设计目标——最高的效率/密度。

　　本文介绍了汽车设计者在选择功率MOSFET封装时面临的主要挑战，探讨了下一代电源封装要求。然后，本文介绍了一种新型汽车级封装 5x 6mm PQFN，并且详细探讨了其独一无二的特性如何顺应汽车电子系统设计的潮流。

　　2 主流功率MOSFET封装并未有效利用管脚

　　如上所述，鉴于汽车系统内的空间有限，所以在试图满足更高的功率要求时进入了两难境地。对于能够从给定数量的能源资源中获取多少能量(所谓的“电源密度”)，存在着基本的物理极限，而这正是很多汽车制造商现在正积极努力以提高系统性能的重要领域。

　　当今的汽车中存在着数以百计的功率MOSFET。因此，功率MOSFET封装的尺寸自然会影响可实现的电源密度。汽车系统目前使用的主流功率MOSFET封装如图1所示。最受欢迎的两种高性能封装是DPAK和SO-8。这两种封装都具有公认的可靠性记录，非常适于汽车制造工艺。然而，在电源密度方面，这两种封装的性能均很有限。

　　以DPAK为例，管脚为65 mm²(6.5 mm x 9.9 mm)，考虑到引线框设计规则的约束，DPAK最多只能容纳约10 mm²的晶片(die)。因此，硅片-管脚利用率相当低(15%)，从而限制了功率密度。尽管SO-8封装能够在更小的管脚内容纳尺寸相近的晶片，但是热性能对SO-8而言是一大难题，由于底部缺少大漏极焊盘，所以只能通过引线散热。这明显需要一些新封装。如果我们要为将来希望看到的高性能MOSFET封装列一个愿望清单的话，哪些项目会在列呢?理想情况下，高性能功率MOSFET封装应具有以下特性：

　　● 硅片尺寸与封装尺寸之比高;
　　● 寄生电感与电阻低;
　　● 电流处理能力高;
　　● 适于汽车制造工艺;
　　● 能够节约系统成本。

　　3 带状键合提供了最佳性能/成本折中

　　几年前，计算机行业开始从DPAK转变为PQFN类封装，以便在保持类似性能的同时缩小系统尺寸(包括高度)。与快速采用新封装、高速变化的消费类和计算机行业相比，汽车行业通常更喜欢成熟的技术。这种现象主要反映了其对可靠性的要求。然而，汽车行业也可以利用已经得到其他行业认可的封装技术。PQFN封装就是这种情况。如今，越来越多的MOSFET供应商采取了进一步措施，让PQFN封装达到严格的AEC-Q101质量标准并将其引入汽车领域。

　　5x6mm PQFN的尺寸为5 mm x 6 mm x 1 mm，而DPAK的尺寸是6.5 mm x 9.9 mm x 2.3 mm。因此，PQFN的管脚小得多，高度也小得多。此外，PQFN能够容纳的最大晶片尺寸也稍稍高于DPAK。它将硅片-管脚比从DPAK的15%提高到PQFN的40%以上。这种基本特性让PQFN能够实现高于DPAK的性能。

　　由于MOSFET硅片技术如此成熟，所以MOSFET能够处理的最大电流不再受制于硅片，而是受封装限制。特别是，MOSFET能够处理的最大电流由源极引线键合决定。传统的铝线键合是一项简单、经济且成熟的技术。然而，引线键合有其固有的缺点。首先，DPAK用大口径(15密耳)铝线来实现所需的大额定电流和保持低的互连电阻。这需要较厚的封装来容纳线环。SO8使用超小口径(2密耳)金线，但最大电流仍受制于引线键合，并且互连电阻比铝线高得多。在这两种情况下，都需要并联多个键合线方可实现大电流能力，从而增加了可靠性问题。其次，引线键合的横断面积小，增加了寄生电阻和电感，进而引入了额外的电压振铃和损耗，特别是在高开关频率应用(例如dc-dc转换器设计)中。