功能强大的汽车电子封装技术

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℃。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。本文将探讨现代化的汽车电子封装技术，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，范围包括从变速箱内的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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在过去几年中，功率MOSFET在开态电阻率上有了大幅的改进。半导体裸片的尺寸对于方程 1的 (Von x Ion) 和 Rth举足轻重。这种改进能使较小尺寸的裸片拥有与传统较大型MOSFET相同的开态电阻率。但是，较小型的 MOSFET会增加热阻。采用沟道结构及对该技术进行改进后，开态电阻性能有了显着改善。可以看到功率密度在过去10年中几乎提高了一个量级。不幸的是，在引擎控制单元 (ECU) 中的功率器件接口的热性能却未能跟上。事实上，随着表面贴装器件的需求增加，现代ECU的功率器件已不再与散热片直接连接。以前，采用TO-220封装的功率MOSFET会与散热片连接。现在，散热大多是通过DPAK直接焊接在PCB上实现，并利用连接孔至隔离端面的焊盘与散热片相连。

这里是12mm x 8mm PQFN 封装的背面，将两个较大型控制器的功能纳入到
一个较小型的封装中：利用最新的功率MOSFET 处理功率，并利用最新的 IC
技术处理数据。

这里是有 3 个 DAP 和 5 个裸片组件的内部。这个多裸片封装可提供裸片基底之间的隔
离、功率裸片的低热阻及连接两个独立智能功率器件的能力。在这器件中，两个控制裸
片各有 12 个采用小金接合线的互连端点，以便将控制裸片的尺寸减到最小。控制 IC 并
利用不导电的黏接裸片附着，从功率裸片中进行隔离。功率器件采用厚铝接合线处理电
流，并透过焊接裸片附着提高功率耗散。由于功率裸片与 DAP 焊接，DAP 又与电路板
焊接，因此使到功率裸片到散热表面的热阻降至最低。

PQFN 封装无需外延引脚，因此可将尺寸减至最少。这里给出了两个点火 IGBT 外型尺
寸 (大致比例)；两个 IGBT 都采用相同大小的裸片。但左边的 PQFN 封装比右边的 TO-
252 (Dpak) 封装小很多。这一点很重要，因为新的汽车点火装置设计已采用线圈上开关
技术，这对于必须安装在火花塞上笔型线圈上的电路来说，无疑是个板卡空间优势。

智能功率器件

智能功率器件需要同时处理功率和数据。多数情况下，采用特为信号处理而优化的芯片工艺执行器件的智能功能，并利用另一个完全不同的芯片来处理器件功率，比较具备成本效益。工艺的分开处理导致这些芯片必须重新集成到一个封装中，并能提供功率裸片与信号处理裸片之间及与外部电路之间的互连。这种封装应能同时实现功率处理、裸片互连、功率和信号连接，以及可能需要的裸片基底隔离，连同实体支撑和环境保护等功能。从功率结区到封装外壳的热阻抗要低，以实现对功率器件的冷却。热阻的影响将体现在方程(1)的“Rth”阻值上。将功率裸片附着的金属引线框向封装件表面延伸，可以有助于降低热阻。为降低功率器件底部的热阻抗和电阻抗，需要用采用焊膏裸片附着。采用不导电的环氧或聚酰亚胺材料能将控制裸片从功率开关裸片背后的潜在电势中隔离出来。

质量要求

汽车产品一般要求符合AEC针对集成电路制定的Q100规范或针对分立器件制定的Q101规范要求。其中的测试包括：工作寿命、温度/湿度/偏压测试如HAST或H3TRB、功率循环、温度循环和高温反向偏压 (HTRB)。除了可靠性应力外，封装材料的特性还应在性能方面取得平衡。这些特性包括塑模化合物电离特性、Tg、吸潮，以及室温下和升温后的形变模量。

封装技术能为今天的单裸片功率产品提供更佳的电气和热性能。随着产品朝着智能功率元件方向发展，优化的半导体芯片将整合于单一个更小型的智能功率封装中，为汽车电子产品带来所需的尺寸、电气、热量和环保性能表现。