安森美半導體創新的ATPAK 封裝用於汽車應用

隨著汽車功能電子化趨勢的不斷增強，汽車內的電子元件越來越多，應用環境日益嚴苛，汽車設計工程師需要考慮空間和性能等多方面因素，功率MOSFET是提供低功耗和更小尺寸的理想器件，被廣泛用於許多汽車應用，如防抱死制動系統(ABS)的油壓閥控制、電動窗和LED照明的電機控制、氣囊、暖通空調(HVAC)系統、動力總成應用、電子動力轉向和信息娛樂系統等等。

圖1. 汽車功率MOSFET應用

為推進MOSFET實現更高能效，安森美半導體開發出微間距溝槽(Fine pitch trench)技術、夾焊(Clip bonding)技術和領先行業的、創新的ATPAK封裝技術。

微間距溝槽技術通過減小門極單元間距，提供更高單元密度及微結構，從而實現較低導通電阻，以提高能效，降低功耗。

夾焊技術則大大提升電流處理能力，並提供直接從裸片頂部析出熱量的熱路徑。

ATPAK封裝不但增加功率密度，還提高電流處理能力，提升散熱性。

ATPAK封裝減小尺寸，提高功率密度

燃油動力車及電動車需要更小尺寸和更高功率密度的功率器件。

安森美半導體獨特的ATPAK封裝技術可滿足這要求。

如下圖所示，與業界傳統的DPAK和D2PAK封裝相比， ATPAK的封裝尺寸大大減小：DPAK比D2PAK占位面積小60%，厚度小49%，而ATPAK雖然與DPAK保持相同的占位面積，但厚度卻又減少了35%。

圖2. ATPAK vs. DPAK

ATPAK封裝採用夾焊技術提升散熱性

隨著封裝尺寸變得更小，器件內的溫度往往增高，因為它變得更難於導出多餘熱量。

而散熱性對總能效、安全及系統可靠性至關重要。

ATPAK封裝採用夾焊技術，可將熱阻抗及總導通電阻降至最低，比採用傳統的金屬線粘結的DPAK封裝大大提升電流處理能力。

熱阻抗是指1 W熱量所引起的溫升大小，單位為℃/W。

熱阻抗越低，散熱性越好。

經選用相同規格的ATPAK和 DPAK 器件進行測試和對比，結果顯示即使無散熱片時的熱阻抗相同，在採用散熱片後 ATPAK 比 DPAK 的熱阻抗低 6℃/W。

傳統的金屬線粘結使用金、銅或鋁來連接封裝中矽晶片的每個電極。

然而，由於每種線都相對較薄，這從根本上限制了電流處理。

通過增添更多並聯的導線可減少這限制，但這將影響整體成本，且可並聯邦定的導線數量有實際限制。

由於汽車功率MOSFET在高溫環境下執行大電流驅動控制，低導通阻抗是汽車方案的一項關鍵性能因數。

對於低導通電阻的MOSFET，導線電阻可代表封裝中相當大的總阻抗。

尤其在要求導通阻抗低於20 mΩ的應用中，導線的阻抗不能忽略。

夾焊技術使用銅夾直接連接每個電極，可大幅降低漏-源極路徑電氣阻抗，從而降低導通阻抗，並實現更好的熱傳導。

測試結果顯示，夾焊比鋁線粘結降低30%的導通阻抗，比金線粘結降低達90%的導通阻抗。

而且夾焊技術使用寬橫截面積的銅板，大大提高了電流處理能力，消除傳統工藝中高電流可熔斷導線的問題。

圖3. 夾焊封裝橫截面

ATPAK電流處理能力高達100 A，這也是D2PAK能達到的最大電流處理能力。

而且，ATPAK的成本幾乎與DPAK一樣。

因此，在設計中採用ATPAK替代D2PAK，既可減小50%的封裝尺寸，又可實現相同的性能，達到節省空間和提升功率處理能力的雙重目的，還不增加成本。

ATPAK P溝道功率MOSFET的優勢

經與競爭對手的P溝道MOSFET相比，安森美半導體的ATPAK P溝道MOSFET提供更小的尺寸、更低的導通阻抗、更高的電流處理能力和更出色的抗雪崩能力。

抗雪崩能力指的是電感中存儲的能量放電到功率MOSFET中時的易受影響程度。

此外，靜電放電(ESD)總是封裝及實際使用要克服的挑戰，汽車應用環境中可能會出現ESD，原因是機械摩擦，此外，乾燥的空氣往往也會增加靜電放電。

ESD可能會導致機械故障。

所以安森美半導體的ATPAK P溝道功率MOSFET嵌入保護二極體以增強ESD強固性。

相比N溝道MOSFET需要電荷泵以降低導通阻抗，P溝道方案無需電荷泵，以更少的元件提供更簡單和更可靠的驅動。

安森美半導體的P溝道汽車MOSFET產品陣容

安森美半導體提供寬廣的P溝道MOSFET產品系列以滿足各種不同的汽車應用需求，採用ATPAK封裝的P溝道MOSFET由於低導通電阻和極佳的散熱性，可用於達65 W的應用。

設計人員可根據具體設計需求選擇適合的MOSFET。

表1. 安森美半導體ATPAK P溝道汽車MOSFET器件

例如，選用P溝道MOSFET NVATS5A108PLZ 或NVATS5A304PLZ用於汽車LED前大燈的反向電池保護，可降低導通損耗，簡化電路，同時優化性能和元件數。

總結

汽車功能電子化趨勢的持續增強使汽車應用環境日趨嚴苛，提高系統可靠性的標準和為減輕汽車重量而減小元件尺寸的要求正成為功率器件市場更重要的因素。

安森美半導體創新的ATPAK封裝不僅可使功率MOSFET外形更纖薄，其採用的夾焊技術更可實現達100 A的電流處理能力，極佳的散熱性確保安全性和更高可靠性，且成本與DPAK相當，公司提供寬廣系列的ATPAK P溝道功率MOSFET，可滿足各種不同的汽車應用需求。

此外，小信號P溝道MOSFET和互補的雙類(P溝道和N溝道)器件正在開發中以進一步推動創新。

安森美半導體正積極進行ATPAK功率器件的AEC認證和符合生產件批准程序(PPAP)。

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