[讨论] 汽车用功率MOSFET及其封装

1 引言

   汽车电子技术发展迅猛，多种新型电子控制装置几乎全面进入整车各系统，极大地提高了汽车性能，有专家预测：今后十年内，汽车电子及其相关产品在整车的成本比例将从目前的平均20％上升到32％，其发展速度从10％提高到20％，耗电量不断增加，导致车内电力负载年增加100W以上，具有电能使用效率高、传输快捷、转换容易、控制灵活等一系列特性的车内电器日趋增多，采用电磁或电动执行器替代液压和气压传动执行器已成为一种趋势，一些带电的机械装置正加速转变为带机械的电子装置，各种线控系统的研发目标是取代液压与机械控制系统，极大地增添了汽车电气系统的负荷。为解决这一发展瓶颈，唯一可行的办法是车内供电直流电压由14V转向42V电气系统，或14/42V双电压电气系统（按电器设备和电子装置消耗功率的大小分为两组，耗电功率较大的一组使用42V供电系统，而耗电较小的一组采用14V供电系统）提高交流发电机电压以增大其输出功率，供电容量将从目前的1.5kW左右提高到今后的5kW以上，电气化控制以及新的供电系统中，需要大量采用功率MOSFET（金属－氧化物－半导体场效应晶体管），进行功率变换、控制与驱动各种大功率的负载，同时， 先进的功率MOS技术也促进新型汽车电控系统的发展与提高，据报道，一辆轿车中所使用的功率MOS器件至少有数十只，甚至上百只，在汽车电气系统的功率流向和分配管理诸方面发挥重要作用，使电能的应用处于最佳状态。

2 汽车用功率MOSFET特性

功率MOSFET是低压范围内最好的功率开关器件，以其输入阻抗高，低损耗、开关速度快、无二次击穿、安全工作区宽、动态性能好，易与前极耦合实现大电流化、转换效率高等特性用于处理电能，包含频率变换、功率变换和控制、DC/DC转换等。其生产工艺进入亚微米、深亚微米时代，采用Spacer技术研制的小单元尺寸第五代功率MOSFET和槽栅功率MOSFET工业化生产，元胞密度高达每平方厘米4448.5万个，其精细工艺与微电子电路相当，新结构、新工艺还在不断完善中，并向高压大电流、低压小功率、极低内阻、线性微波功率MOS器件等方面发展。

汽车用功率MOSFET的负载主要以电动机、阀门、灯、加热部件、电容性压电组件和DC/DC电源以及其他由电动机驱动的装置为主，广泛涉及到器件的电压、电流、导通电阻等参数，例如MOSFET的导通电阻要尽量减低以达到降低导通损耗之目的，而导通电阻和击穿电压成反比，从减低开关损耗的角度看，击穿电压要高才好，实际应用中将这两个要求折衷考虑。另外、汽车电控装置多处于强电与弱电、高压和低压、高低温差大、潮湿、振动、冲击、电磁干扰等情况共存的恶劣环境，对器件的过载能力及散热设计都有较高的要求。 汽车电子控制系统中的很多负载无法被微控制器或低电压接口器件直接驱动，不同部分需要采用击穿电压相异的功率MOSFET。譬如，电机控制桥接装置将采用30V和40V击穿电压的产品，在必须控制负载突卸、突升启动情况的场合，采用60V产品驱动负载，当行业标准广泛采用42V电源系统时，75V到100V的功率MOSFET是较优化的选择，高辅助电压的装置则使用150V型产品，400V以上的多用于发动机/启动器一体化组件与高亮度放电HID前照灯的控制电路。汽车用功率MOSFET驱动电流范围2A－100A，导通电阻2mΩ－100mΩ，开关频率通常为10KHz－100kHz，封装符合"汽车电子委员会"发布的分立半导体器件可靠性认可测试步骤AEC－Q101标准，在非苛刻环境下通常采用标准封装，以降低生产成本。

与其他功率MOSFET市场显著不同的是，汽车用产品更倾向采用经过市场试验验证的半导体技术而非最新技术，在技术发展上相对滞后，管芯设计必须考虑汽车环境，可靠性及性能问题，因而面临更多的挑战，通过改进设计适应汽车环境，被看作是挖掘功率MOSFET盈利潜能的进一步发展。功率MOSFET比其他任何市场更注意产品可靠性，即使是一个极小的故障也可能导致产品召回，整车企业损失严重。

3 HEXFET

功率MOS最基本结构为垂直导电双扩散VDMOS型，源极的形状（基本单元）有三角形、正方形、六角形（Hexangular）等多种设计，HEXFET就是采用正六边形源区结构器件的简称，用多晶硅作栅极，其工艺大为简化，降低了沟道电阻，是功率MOS器件的典型代表，技术上已发展到第8代产品，其元胞密度达每平方厘米1736万个。当前的主流技术仍为第3代和第5代，前者常用于高电压200V－600V的场合，后者多用于30V－250V的电压范围，针对汽车应用设计的产品有极低的导通电阻RDS（on），满足低导通损耗的要求，并有极小的开关时间以降低开关损耗，最新的N沟道产品中将RDS（on）降低30％，同时降低栅极和开关电荷。

HEXFET已大量应用于大功率汽车电子器件中，如14V集成交流发电同步整流器、电功率操纵系统、有刷和无刷DC控制、DC/DC转换等。新型HID前照灯的发光效率、照明宽度、亮度各提高2倍，功耗却降低50％，色温舒适，使用寿命提高4倍以上，所需配套的调压单元系统使用4只高电压HEXFET、2块控制电路、1只第5代HEXFET构成，向HID灯提供25kV点火电压与85V维持工作电压。IRFZ804为40V/75AN－HEXFET功率器件，TO－220AB封装，RDS（on）只有2.3mΩ，开关快速快。HEXFET的发展目标瞄准汽车42V供电系统，拓展在一体化起动/发电机系统、14/42V双电压系统、电助力转向/换挡/制动系统中的应用，将功率MOSFET和多种保护及诊断功能集成在同一芯片上，构成智能开关；研发带温度感应及电流感应功能的MOS器件，例如HEX传感器、功率集成器件等都在发展之中。一家执汽车用功率MOSFET市场之牛耳的HEXFET厂商，汽车用产品营销收入占其全部销售收入的25％。

4 Trench MOSFET

采用腐蚀挖槽工艺在管芯上开有沟槽的产品称为Trench（沟槽型）MOSFET，沟槽结构的沟道是纵向。在其侧壁可制作MOS的栅极，所占用面积比横向沟道小、进一步提高元胞密度，在器件性能上可增强MOSFET的雪崩击穿能力，有效减少导通电阻，降低驱动电压，成为追求超低通态漏源电阻性能的择优结构。第3代深槽Trench MOS的峰值功率可达1kW·mm－2，第4代工艺技术正在开发之中，第5代技术已列入开发计划。

国际市场上有多家半导体厂商可供货汽车用Trench MOSFET，30V Power Trench MOS器件在小尺寸封装中提供高效率和耐用性，能满足目前最具挑战性与狭窄空间应用的汽车需求，新型中压60V－150V Power Trench系列产品针对汽车应用而推出，60V N沟道MOSFET专门为汽车大电流设备而设计，如发动机/机体负载控制、防抱死制动系统ABS、动力系统管理和燃油喷射系统，75V Trench MOSFET系列用于42V汽车电器。采用Power Trench技术降低栅极电荷，驱动电流以及驱动电路的尺寸也同时降低，特别适合大功率的应用，D2PAK/TO－263封装RDS（on）的最大值为3.5mΩ，另有D－PAK/TO－252、I－PAK/TO－251两种封装选项。对于电感性负载开关的应用，器件具有625mJ＠70A的单个或重复脉冲的UIS（Unclamped Inductive Surge）能力。

开发可降低特定导通电阻、以Trench技术为基础的MOSFET，分别满足低频/线性模式电机驱动器和高频DC/DC转换器的需求。

5 功率MOSFET模块

汽车市场是半导体功率器件增长最快的领域之一，这种增长由电子机械开关过渡到纯电子开关的趋势快速拉动。模块由控制集成电路IC芯片与一只或多只功率器件组合构成，多管芯封装尽可能多地采用现有技术，有利用提高可靠性和生产效率，降低成本，BUK3F20型器件配置了一块控制IC与四功率MOSFET，直接和数据总线连接，将全桥、2×半桥、半桥＋2×单信道、4×单信道等4种可能的配置信号转换成适当的驱动信号，是车身控制中常用的低电流应用的理想选择，电流更强时则需要采用防热封装，在汽车系统中使用这种产品可减少关键很多关键器件的数量。

6 传感MOSFET

在汽车的电力管理与电机控制等应用中，功率器件控制负载，工作处于低压大电流、电压波动大、环境苛刻等场合，在发生故障时需要保护功率器件和负载免遭损坏。要保护一只单独的器件需要2－6个保护元器件构成的保护电路，成本增高，而采用带有温度或电流传感的MOSFET，即在单个管芯中结合Trench MOS技术以及温度和电流传感元件，构成适度集成保护功能的传感MOSFET，则可以降低成本、节省空间、提供设计的灵活性，可选择截止关闭点。其典型结构是在主观芯片上集成温度敏感二极管、电流检测嵌位二极管、栅极电阻，较容易集成输入静电释放ESD保护、电流感应、过流限制，温度感应，有限嵌位及串联栅电阻等若干保护功能，且只需少量的工艺掩膜步骤与附加管芯面积即可实现，填补无任何和完全保护措施功率MOS器件间的缺位。在有限的封装内，任何MOSFET可转换为温度或电流传感的MOSFET，当采用D2PAK封装时，电流被限制在60A，采用较小的封装会使通过的电流大为下降，温度传感器被用于温度保护，电流传感则用于电流控制，具有自诊断功能和电路保护能力的传输控制系统被广泛采用。

7 IGBT

绝缘栅双极性晶体管IGBT由VDMOS器件衍生而来，其结构与MOSFET十分相似，集功率MOS和双极性器件的特性于一体，管芯技术更新换代的发展快速很快，这类功率器件在汽车发动机点火驱动电路中作点火线圈放大器，使点火能量得到极大提高，可以点燃更稀薄的燃油混合气体，降低油耗。

汽车发动机所需IGBT的数量取决于其汽缸与火花塞配套用量，IGBT与原有点火电路中使用的大功率高反压双极性达林顿晶体管相比，主要特点是关断特性得到控制，选择合适的IGBT栅极电阻，可使点火嵌位电压达到非常稳健的程度，确保点火性能均匀稳定，低速易启动，高速不失火，提升汽车的燃油效能。此外，若嵌位电压不稳定，所产生的振荡会干扰其他电子装置。点火IGBT由塑封TO－252/263向智能型IGBT模块演进，从而也带来了实时性能反馈。在汽车混合动力驱动系统中，还采用IGBT作逆变器。

8 封装的改进

功率MOSFET芯片内阻已降到非常小的水平，引线焊接及外壳包封的电阻达到和芯片内阻可比拟的程度，在采用Trench技术的低导通电阻器件中，封装电阻占器件总体电阻的40％以上。导通电阻性能决定器件在导通电流时所消耗的功率和产生的散失热量，因而封装性能的优化举足轻重，甚至会制约器件性能的提高，表1示出专有的引线框设计对现有封装进行改进，提高器件散热性能的热增强性D2PAK封装与标准D2PAK封装的比较。

热增强性封装的RDS（on）为2.3mΩ，已用于传感MOSFET系列器件，可处理更高电流和更大功率，或在同等电流和功率下工作时所产生的温度较低。

在封装中沿用表面贴装技术、无引线凸点连接技术封装的RDS（on）可降至0.1mΩ以下，30V功率MOSFET的特定导通电阻（RDS（on）/每单位面积）正以每年约20％的比率下降，MOSFET结点至外壳的热阻仍有减少一半的改进空间。随着管芯生产工艺和封装技术的改进，RDS（on）小于1mΩ的低成本、小尺寸和高效的MOSFET器件将用于汽车电气系统。

9 结束语

14/42V、42V电气系统得到国际汽车工业界的广泛认可，更快达到实用化的时间已指日可待。由于新的汽车电气系统的固有特点，以功率半导体器件MOSFET同微电子器件相结合的控制装置将会获得大量推广应用，尤其在低功耗技术方面更有创新的解决方案。中国的汽车电子正寻求进一步的发展，元器件市场的发展潜力是巨大的。