【導讀】近年來，汽車行業(yè)正迅速邁入智能化和電動化的新紀元。新能源汽車的銷量與市場滲透率持續(xù)攀升。據彭博社預測，2023年，全球新能源汽車的銷量將達到1,410萬輛，其中中國市場將占據大約60%的份額。在汽車向電動化的轉型過程中，盡管 SiC 和 GaN 等第三代半導體材料備受關注，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（金屬氧化物半導體場效應晶體管）繼續(xù)在車載電子、電驅動以及電池管理系統(tǒng)中發(fā)揮核心作用。去年 MOSFET 的大量缺貨進一步突顯了這一點。
然而，要滿足日益增長的汽車市場，功率 MOSFET 需要不斷進行技術創(chuàng)新，以迎接更高的開關頻率、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)，作為基礎半導體器件開發(fā)和生產的領跑者，以效率致勝的 Nexperia，是如何穩(wěn)固根基，迎接汽車新時代的發(fā)展？又采取了哪些變革性的措施來推動汽車 MOSFET 技術的進步？
封裝技術發(fā)展的齒輪加速轉動
當前，新能源汽車中半導體器件的使用數量創(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品市場。在這個趨勢下，封裝技術正扮演著至關重要的角色。
在半導體的早期，封裝主要依賴于打孔技術（Through-Hole Technology, THT），TO-3是其中的代表封裝技術。隨著技術的發(fā)展，電子設備的尺寸逐漸縮小，對組件的集成度要求越來越高。這促使了表面貼裝技術（Surface Mount Technology, SMT）的出現和廣泛應用。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。這大大提高了生產效率并減小了組件的尺寸。
表面貼裝技術（SMT）的發(fā)展對 MOSFET 的進步起到了很大的助推作用。
首先是 SO-8 封裝技術，于20世紀80年代開始流行。它通常是長方形的，如同其名字，SO-8在兩側各有四個引腳，總計8個引腳。SO-8封裝通常由塑料制成，內部有一個金屬引腳框架來連接芯片和外部電路。SO-8封裝為 MOSFET 提供了一個緊湊的解決方案，同時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開始流行。它們都是3引腳設計，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，這兩種封裝技術逐漸不能滿足需求。
于是，2004年，Nexperia 推出了一項新的封裝技術——LFPAK銅夾封裝，這一封裝技術擁有與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，這是如何實現的呢？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，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 銅夾封裝技術的卓越性能得到了充分的驗證。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 的性能卻能夠實現高出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)級的兩個版本。LFPAK88 不僅廣泛應用于汽車動力轉向、ABS制動、DC/DC 轉換等領域，同時也適用于電池隔離、電池供電工具和電熔絲電機控制等多個工業(yè)領域。
Nexperia 的 BUK7S0R5-40H 是 LFPAK8 銅夾封裝的一個代表。這是一款符合汽車認證標準的 N 溝道 MOSFET，甚至超越 AEC-Q101 標準，其 -55°C至 +175°C 寬溫度范圍內的額定性能，特別適合高溫環(huán)境。該產品采用了最新的 40V Trench 9低阻超結技術，通過減少單元間距和利用超級結構造，在同等尺寸的情況下實現了低至0.55mΩ 的 RDSon。相較于標準的 Trench MOS，它在 SOA（安全操作區(qū)）和雪崩能力上都有所增強，而且對 V GS(th)（門源閾值電壓）的嚴格限制使得 MOSFETs的并聯應用更為簡便。它的應用場景廣泛，包括12V汽車系統(tǒng)、48V DC/DC 轉換系統(tǒng)（12V次級側）、高功率電機、照明與電磁閥控制、反向極性保護，以及其他需要超高性能電源開關的場合。
圖1：LFPAK88與D2PAK的尺寸比較
近十年來，隨著移動設備和物聯網技術的飛速發(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應運而生。在需要高電流、良好散熱和高可靠性的應用中，LFPAK 封裝可能是更好的選擇。但是在低功率應用中，比如小信號類產品（ssMOS），由于功率變化沒有那么大，熱應力相對較小，小封裝的DFN可以充分體現其尺寸優(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備等小型移動產品的應用。
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，具有給定的品質因數（FOM）的標準功率開關基本上可以應用于任何場合。但隨著技術的進步和應用的多樣化，對MOSFET的需求比以往任何時候都要復雜和多樣。常規(guī)MOSFET數據表上有100多個參數，如Rds(on)、Vth、Ciss和Qg等等。但通常只有少數參數在每個項目中至關重要。而且隨著應用的變化，關鍵參數也會發(fā)生變化。
因此，單一的 MOSFET 參數很難滿足所有應用的需求。Nexperia 深諳這一道理，“應用專用”是在 MOSFET 領域的又一大創(chuàng)新，這是基于多年對特定應用的理解和與客戶的攜手合作而推出的產品系列。通過重點優(yōu)化對某一應用場景最為關鍵的參數，即使可能會犧牲其他不太關聯的參數，但也確保我們的 MOSFET 產品能夠完美匹配特定領域的需求，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，它們的側重點有所不同。其中，熱插拔 ASFET LFPAK88 目前主要用于工業(yè)及消費類電子電源，車規(guī)級 MOS 的 ASFET 主要在于半橋、重復雪崩和安全氣囊驅動。
圖3：Nexperia應用專用MOSFET一覽
半橋（Half-bridge）是電力電子領域中的一個常見術語，特指一種電路拓撲。半橋配置是許多汽車應用中的標準構建模塊，在這種配置中，兩個開關元件（通常是兩個MOSFET或IGBT）在電源和地之間串聯連接。當一個開關處于導通狀態(tài)時，另一個則處于截止狀態(tài)。通過交替切換這兩個開關，可以控制負載的電壓和電流方向。
Nexperia的 LFPAK56D 半橋產品是應用專用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)應用（燃油泵、油泵和水泵）、電機控制、直流/直流等汽車應用。
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 產品就采用了 LFPAK56D 半橋封裝，它不僅降低了 PCB 布局復雜性，還通過減少三相電機驅動的元件尺寸來縮小 PCB。優(yōu)化的封裝設計，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。通過使用先進的 AEC-Q101級Trench 9硅技術，實現低功率損耗和高功率密度，同時具備卓越的雪崩性能。此外，其獨特的鷗翼引線可以支持高可制造性和自動光學檢測（AOI）。
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