【導(dǎo)讀】我們知道與大多數(shù)人成長過程中所乘坐的傳統(tǒng)汽車相比，今天的汽車更接近于輪子上的電子產(chǎn)品——盡管我們曾經(jīng)對其引擎蓋下的內(nèi)部工作和控制感到驚嘆，但現(xiàn)代汽車已將其變?yōu)閺?fù)雜的計(jì)算機(jī)。近年來，隨著設(shè)計(jì)人員尋求減輕重量、提高可靠性、簡化車輛組裝、創(chuàng)造差異化功能以及實(shí)施先進(jìn)的駕駛輔助和自動駕駛系統(tǒng)，我們所看到的持續(xù)不斷的電氣化繼續(xù)延伸到整個(gè)車輛，更不用說傳動系統(tǒng)發(fā)生了什么。
我們知道與大多數(shù)人成長過程中所乘坐的傳統(tǒng)汽車相比，今天的汽車更接近于輪子上的電子產(chǎn)品——盡管我們曾經(jīng)對其引擎蓋下的內(nèi)部工作和控制感到驚嘆，但現(xiàn)代汽車已將其變?yōu)閺?fù)雜的計(jì)算機(jī)。近年來，隨著設(shè)計(jì)人員尋求減輕重量、提高可靠性、簡化車輛組裝、創(chuàng)造差異化功能以及實(shí)施先進(jìn)的駕駛輔助和自動駕駛系統(tǒng)，我們所看到的持續(xù)不斷的電氣化繼續(xù)延伸到整個(gè)車輛，更不用說傳動系統(tǒng)發(fā)生了什么。
在這一趨勢之初，當(dāng)電氣化僅限于某些車輛功能時(shí)，基于域的控制方法就顯得非常有意義。然而，隨著軟件數(shù)量的增加和軟件故障風(fēng)險(xiǎn)的增加，對軟件可升級單元的需求變得明顯。各種各樣的 ECU 組合所帶來的復(fù)雜性進(jìn)一步加劇了挑戰(zhàn)，幾乎不可能實(shí)施有效的升級。這導(dǎo)致了眾多電子控制單元 (ECU) 的集成，以處理擴(kuò)展的功能，從而導(dǎo)致某些車輛包含 100 多個(gè)此類模塊。盡管空間非常有限，但它們都需要安裝在車輛結(jié)構(gòu)中的某個(gè)位置。布線也變得復(fù)雜和笨重，與減輕重量和提高可靠性的目標(biāo)背道而馳。
如今，越來越多的汽車功能被專用ECU所集成，這種分區(qū)架構(gòu)如今很受歡迎，可減少ECU數(shù)量并簡化布線，這種各種功能集合的ECU架構(gòu)可以降低成本。然而，與任何工程挑戰(zhàn)一樣，有得必有失，將多種不同功能整合進(jìn)更少的ECU中可能會使其變得過于龐大、笨重和耗電，我們自然不愿妥協(xié)。
從分布式到現(xiàn)代汽車區(qū)域E/E架構(gòu)的發(fā)展
車輛基礎(chǔ)設(shè)施中的功率半導(dǎo)體 工程師和設(shè)計(jì)人員已經(jīng)借鑒電子行業(yè)的傳統(tǒng)方法應(yīng)對這一挑戰(zhàn)：提高半導(dǎo)體集成度并使用復(fù)雜的多層襯底以縮小元件間距，從而減少PCB和設(shè)備的尺寸。 然而，額外電路的加入也推升了每個(gè)ECU的典型功率需求。由于空間有限，電源電路必須更小，而處理的功率卻更大，這就提高了功率密度，并要求增加散熱，以防止過熱和ECU早期故障。 在其他行業(yè)，設(shè)計(jì)人員迅速采用先進(jìn)的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用同步整流和零電壓開關(guān)等技術(shù)提高效率并減少散熱。然而，在汽車領(lǐng)域，成本、可靠性、耐用性等因素占據(jù)主導(dǎo)地位，設(shè)計(jì)人員往往傾向于采用更保守、更成熟的方案，如異步降壓、升壓和SEPIC轉(zhuǎn)換器。因此，雖然功率密度的壓力促使元件供應(yīng)商開發(fā)出尺寸更小的封裝，但元件的散熱量必須保持不變。 晶體管和整流二極管需要新型半導(dǎo)體封裝，既節(jié)省空間，又具有極高的熱效率。在許多代產(chǎn)品中，設(shè)計(jì)人員一直依賴于SOT23和SMx（SMA、SMB、SMC）等現(xiàn)有的封裝方式，但隨著需求的快速迭代，目前急需散熱能力更強(qiáng)的新型封裝。
底層創(chuàng)新：新一代封裝如何實(shí)現(xiàn)高效散熱
但是，新一代封裝的對手是什么？SOT23是各行各業(yè)最常用的晶體管和二極管表面貼裝封裝之一，這種引線式封裝將裸片連接到引線框架上，通常直接連接到源極，而焊線則連接到柵極和漏極引線上。而顧名思義，DFN（分立扁平無引線）結(jié)構(gòu)不含引線，其底部采用雙排接線端子，間距很近，可以縮短焊線， 從而降低封裝電感、無裸片封裝電阻(DFPR)和熱阻，提高電氣性能。在現(xiàn)有的SOT23中，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量必須通過裸片粘接層到達(dá)引線框架，并沿著源引線到達(dá)襯底，相比之下，更先進(jìn)的DFN可將熱量從芯片直接向下傳導(dǎo)至封裝底部的源極焊盤，更短的路徑可確保更高效的散熱。 SOT23和DFN封裝的內(nèi)部視圖和散熱路徑
功率二極管在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中會通過大量電流，因此功率電路的設(shè)計(jì)人員希望改善其散熱性能。SMx封裝多年來一直是設(shè)計(jì)人員的首選，現(xiàn)在正逐漸讓位于銅夾片(CFP)等新型封裝。與類似額定值的SMx相比，CFP封裝可節(jié)省38-75%的PCB面積，同時(shí)具有同等或更優(yōu)的功率處理能力。以W/cm2為單位，散熱能力大幅提升。 CFP封裝性能的提高主要?dú)w功于我們的銅夾片技術(shù)，該技術(shù)可替代傳統(tǒng)的焊線技術(shù)。20多年前，我們首次推出無損封裝LFPAK并將這一技術(shù)推向市場，這一重大創(chuàng)新令經(jīng)驗(yàn)豐富的電路設(shè)計(jì)人員難以置信，他們驚訝于這一小型封裝所具備的強(qiáng)大的功率處理能力，而這一技術(shù)的關(guān)鍵在于可增強(qiáng)芯片頂部和底部散熱效果的銅夾片。與普通的焊線連接相比，頂部連接的表面積更大，從芯片到PCB的散熱路徑更短，而夾片的大橫截面面積可確保熱量有效傳導(dǎo)至封裝底部和襯底。
銅夾片封裝(CFP)內(nèi)視圖
小體積，大改進(jìn)：CFP和DFN更具性價(jià)比 目前，汽車應(yīng)用領(lǐng)域普遍要求節(jié)省空間、高熱效率的封裝，包括LED照明系統(tǒng)、牽引逆變器、電池管理系統(tǒng)(BMS)和大功率車載充電器(OBC)。DFN將成為小信號二極管和晶體管的首選方案，未來，CFP也將成為功率二極管的最佳封裝方式。這種轉(zhuǎn)變正在發(fā)生，我們已經(jīng)開始投資提高生產(chǎn)能力。 我們迫切需要新的封裝類型?，F(xiàn)代汽車的計(jì)算能力不斷提高，也需要引腳數(shù)較多的MCU，因此多層PCB是正確布線的先決條件。這些PCB的成本較高，因此需要使用具有相同電氣性能的較小尺寸封裝。即使小型封裝解決方案可能會提高零件成本，但系統(tǒng)成本的降低將證明采用CFP和DFN封裝是明智之選。 不過，在許多情況下，小型封裝本身就能減少零件成本。生產(chǎn)線已證明此類封裝更具成本效益，因?yàn)榉庋b成本與封裝尺寸成反比。我們看到，CFP封裝在生產(chǎn)成本方面優(yōu)于SMx、DPAK、TOx等傳統(tǒng)封裝方式，我們預(yù)測DFN封裝也是如此。 現(xiàn)代汽車和工業(yè)應(yīng)用不斷增長的需求推動零部件市場的發(fā)展，并對價(jià)格和供應(yīng)產(chǎn)生了影響。需求將超過SMA、SMB、SMC等“傳統(tǒng)”封裝的供應(yīng)和可用性，這將迫使設(shè)計(jì)人員采用性能更優(yōu)的替代方案，以適應(yīng)未來產(chǎn)品的需求。 總結(jié) 如今，電子產(chǎn)品市場呼喚更小、更強(qiáng)大、更可靠的汽車ECU，好在最新的高效封裝技術(shù)使這一切成為可能，大大減少了功率晶體管和功率二極管的尺寸，同時(shí)促進(jìn)了散熱。
Nexperia將繼續(xù)大力投資擴(kuò)大產(chǎn)能，以滿足日益增長的市場需求，特別是汽車和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)FP和DFN封裝產(chǎn)品的需求。通過將多種版本的器件推向市場，我們強(qiáng)調(diào)了擴(kuò)大產(chǎn)能、加快向體積更小和優(yōu)化熱性能封裝過渡的承諾。
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