汽車應(yīng)用環(huán)境對功率器件的特殊要求

用于汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和引擎控制的功率半導(dǎo)體器件必須能夠耐受惡劣的環(huán)境。對于半導(dǎo)體IC來說，最高結(jié)溫Tjmax是關(guān)鍵因素。阻斷能力（Blockingcapability）,柵極閾值電壓（gatethresholdvoltage）及其他重要的特性參數(shù)均受Tjmax所限制。溫度超出Tjmax是大部分失效事故的主要原因。如果考慮到汽車應(yīng)用中的高工作溫度，加上許多汽車應(yīng)用中功率器件必須在能量吸收模式下工作（這是其他功率設(shè)計(jì)很少見到的）的事實(shí)，這就成為了一個(gè)相當(dāng)大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。所有這些都要求功率半導(dǎo)體對熱限制、熱管理有充分透徹地理解，才能為汽車市場提供所需的產(chǎn)品可靠性。

智能功率系統(tǒng)

除了設(shè)計(jì)功率器件的功率處理能力外，通常還需要在功率器件內(nèi)增加保護(hù)功能。這些智能功率器件不僅可以保護(hù)器件，而且能夠監(jiān)控加載情況，并將資料及加載狀態(tài)反饋到計(jì)算機(jī)中。智能功率系統(tǒng)己經(jīng)成為當(dāng)今汽車應(yīng)用不可或缺的部分。智能功率系統(tǒng)還需要能同時(shí)處理功率和數(shù)據(jù)。在某些情況下，數(shù)據(jù)處理非常復(fù)雜，利用專為信號(hào)處理而優(yōu)化的硅制造工藝來實(shí)現(xiàn)器件的智能功能，以及利用專為功率器件而優(yōu)化的不同硅制造工藝來實(shí)現(xiàn)器件的功率功能，將更具成本效益。器件的功率和控制功能可以分開封裝，但缺點(diǎn)是會(huì)占用額外的電路板面積。隨著電子產(chǎn)品趨向更小型化發(fā)展，必須將單獨(dú)、優(yōu)化的硅制造工藝集成到單一的更小型封裝中，才能夠提供所需的功率處理、裸片互連、功率和信號(hào)連接，以至裸片基板隔離及物理支撐和環(huán)境保護(hù)能力。下面將介紹面向智能功率系統(tǒng)的新型封裝和封裝技術(shù)。

新型封裝方案

所有半導(dǎo)體封裝在半導(dǎo)體產(chǎn)品中都發(fā)揮著一些主要作用，例如將信號(hào)、功率和電路板上的接地線與裸片連接起來。由硅片產(chǎn)生的熱量會(huì)從硅片傳導(dǎo)到電路板或周圍環(huán)境中。封裝能提供物理支撐和一層環(huán)境保護(hù)外殼。對功率半導(dǎo)體而言，把熱量從硅片傳送至散熱器（heatsink）的能力是封裝最重要的功能之一；而大電流和高電壓、的處理也同樣重要。對信號(hào)處理IC來說，其電流和電壓的幅值較功率器件低，所產(chǎn)生的熱量一般也較少，但外部器件的信號(hào)和連接通常卻相當(dāng)多。這些關(guān)鍵差異使得傳統(tǒng)的封裝選項(xiàng)往往只適合功率或信號(hào)處理，卻不能兩者兼顧。

所有的半導(dǎo)體封裝都由多個(gè)元素組成。在最簡單的形式中，這些元素包括半導(dǎo)體芯片本身、機(jī)械頭對功率器件來說一般是銅制；以及把芯片粘接到機(jī)械頭的方法，對功率器件而言通常是焊錫，對信號(hào)處理IC而言則是環(huán)氧樹脂。在較復(fù)雜的情況下，封裝必須連接和安裝在合適的散熱器上。如果需要較為新穎的封裝將芯片與封裝（如氧化鋁或氧化鈹）電氣隔離開來，連接元件的數(shù)目便會(huì)增加，并反過來影響熱阻抗RθJC和ZθJC。熱阻抗ZθJC是封裝系統(tǒng)中所有元素?zé)嶙杩沟拇鷶?shù)總和，并假設(shè)器件已安裝在無極限的散熱器上。無極限散熱器的定義為不管半導(dǎo)體器件的功耗是多少，都能夠保持恒定溫度為25℃。

從功率器件的角度來看，結(jié)溫Tj是最重要的因素。大部分失效的原因都是因?yàn)門j過高。對車輛來說，無極限散熱器是不斷進(jìn)入的空氣，而用于車輛設(shè)計(jì)的內(nèi)部溫度標(biāo)準(zhǔn)值是122°F（50℃）（PhoenixAZ）。但空氣會(huì)通過散熱器用來冷卻引擎。一般來說，電子模組的無極限散熱器溫度高得多。利用最先進(jìn)的設(shè)計(jì)，入口模組冷卻空氣的溫度可高達(dá)105℃。對最先進(jìn)的汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的功率器件來說，無極限散熱器是指在模組散熱器上對流105℃的空氣。

在許多汽車應(yīng)用中，功率器件必須在能量吸收模式下工作。對于像負(fù)載突降（Load-dump）這樣的故障情況，芯片必須在給定的開始結(jié)溫處吸收單個(gè)脈沖的能量。通常設(shè)備的散熱性能都不太好，而對這類能量脈沖，散熱并不重要。因此，這些情況的問題在于沒有散熱器的封裝中，功耗是多少。為了解答這個(gè)問題，可通過三種方法測量芯片尺寸為142milx163milIGBT的ZθJC。第一種方法是將T0-220封裝的器件安裝在水冷卻散熱器上。第二個(gè)方法是將T0-220封裝的器件懸掛及包圍在1立方英尺的空氣箱中。第三個(gè)是將IGBT芯片用環(huán)氧樹脂粘接并引線鍵合（wirebonded）在八分一平方英寸的FR-4電路板上；該芯片和電路板也會(huì)懸掛并包圍在1立方英尺的空氣箱中。圖1所示為觀察到的數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一為10秒的測試時(shí)間。

注意對工作周期低于500微秒的單脈沖而言，器件封裝的響應(yīng)時(shí)間太長而不能有效地消除產(chǎn)生的熱量。在大約20微秒以下，由于封裝會(huì)吸收產(chǎn)生的所有熱量，故器件不須為這些單脈沖進(jìn)行散熱。只有在脈沖重復(fù)及脈沖持續(xù)時(shí)間超過封裝的熱時(shí)間常數(shù)時(shí)，才需要進(jìn)行散熱。而每個(gè)芯片尺寸和類型都會(huì)有不同的特性和限制。

在許多汽車應(yīng)用中，功率器件如點(diǎn)火IGBT和螺旋管驅(qū)動(dòng)器（SolenoidDriver）必須長時(shí)間在能量吸收模式下工作。如果這種能量吸收是長期持續(xù)的，那么就需要設(shè)計(jì)熱系統(tǒng)來將芯片的熱量導(dǎo)出，確保結(jié)溫Tj維持于安全的工作區(qū)域。芯片大小、機(jī)械頭、芯片粘接都需要優(yōu)化以便熱量流向正確設(shè)計(jì)的PCB和散熱器中。
圖2所示為雙集成螺旋管驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)化的芯片尺寸和所需的機(jī)械頭芯片粘接，能提供低RθJC。該智能功率器件采用PQFN封裝，具有3個(gè)引腳座（paddle）和5個(gè)芯片。這種多芯片的封裝能在芯片基板之間提供隔離，并為功率芯片提供低熱阻，以及能夠相互連接兩個(gè)獨(dú)立的智能功率器件。在該器件中，兩個(gè)控制芯片各有12個(gè)互連端點(diǎn)，每個(gè)都采用小型金鍵合線，能將控制芯片尺寸減至最小。控制IC將利用非傳導(dǎo)性芯片、粘合劑從功率芯片中隔離出來。功率器件使用厚鋁鍵合線處理電流，并通過焊接芯片粘接提高散熱效率。由于功率芯片與引腳座焊接，引腳座又與電路板焊接，因此能將功率芯片到散熱表面的熱阻抗降至最低。使用多芯片智能功率技術(shù)，應(yīng)選配最高效的功率硅片，以便在占位面積（電路板空間）允許的范圍實(shí)現(xiàn)最多的智能功率功能，并采用RDS（ON）最低的MOSFET實(shí)現(xiàn)最小的功耗。

采用多芯片智能功率技術(shù)能在功率硅片和控制硅片之間實(shí)現(xiàn)卓越的電氣隔離，并抑制其熱傳導(dǎo)性，使得產(chǎn)品更堅(jiān)固可靠，尤其是在惡劣的電氣環(huán)境下。這是因?yàn)楣杵g存在著物理距離，控制硅片不會(huì)像功率器件那樣經(jīng)受劇烈的溫度變化，而且控制芯片和功率芯片之間的平均溫差僅為2℃左右，并可于需要時(shí)對控制芯片執(zhí)行熱關(guān)斷電路。

功率芯片中的電流通常都需要監(jiān)控來檢測故障情況。較低的RDS（ON）值意味著在開關(guān)上檢測的電壓降較低，因此在測量方法中出現(xiàn)的任何噪聲都會(huì)影響測量的精確性。減小噪聲和提高加載條件的檢測精度對汽車模組設(shè)計(jì)來說都是重要的考慮因素。單封裝中的多芯片設(shè)計(jì)可在低電壓降和小電流下實(shí)現(xiàn)更精確的測量。由于功率和信號(hào)接地不是共用同一條電路，因此多芯片智能功率器件可使用開爾文型（Kelvinstyle）電壓測量方法。

其他類型的封裝也可用來進(jìn)行多芯片封裝。多年來，IGBT和PIN二極管一直采用T0-247、TO-263和T0-220之類的標(biāo)準(zhǔn)分立封裝。智能功率器件通常要求多于標(biāo)準(zhǔn)的3引腳封裝，以便與周圍的電路通信。例如，標(biāo)準(zhǔn)T0-220就增加了3根引腳，使其擁有6根引腳以供集成高壓功率開關(guān)穩(wěn)壓器使用。FSDM07652R結(jié)合了抗雪崩的senseFET和一個(gè)電流模式PWM控制模塊。該P(yáng)WM控制器包括集成式的固定頻率振蕩器、欠壓鎖定電路、脈沖前沿消隱電路（LEB）、優(yōu)化柵級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、內(nèi)部軟啟動(dòng)電路，以及采用溫度補(bǔ)償?shù)木_電流源以實(shí)現(xiàn)回路補(bǔ)償和自保護(hù)電路，也可設(shè)計(jì)其他包含獨(dú)特模組的封裝來整合功率和控制功能。

小結(jié)

封裝現(xiàn)已從芯片載體和芯片與電路板之間界面的角色，發(fā)展成為功能強(qiáng)大的工具，能解決多種問題。對于智能功率器件而言，采用適當(dāng)?shù)姆庋b可以集成最有效的硅片來提供智能功率功能。最有效的功率硅片可以用來滿足最低功耗或能量吸收的需要，同時(shí)又能在功率和控制功能之間維持良好的隔離性。這種隔離能夠提高產(chǎn)品的堅(jiān)固性和可靠性，對于汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)所處的惡劣環(huán)境尤其重要。