“無線”功率開關為節(jié)能汽車提供先進電源管理解決方案

近年來，節(jié)能成為全新汽車技術和趨勢的熱門話題。回顧過去20年，汽車的電子化主要由駕駛者對更舒適和更豪華的設備，例如電動車窗、電動天窗和敞篷車蓋、高級音響器材、電動座椅、空調或電動液壓助力轉向系統(tǒng)等的渴求所推動，這些設備全都增加了汽車對半導體及電子零件的需求。現(xiàn)在，電子化汽車設計的首要目標已經(jīng)有所不同。雖然豪華設備和更好的駕駛功能對汽車來說仍然重要，但現(xiàn)在以至可見的未來，當代汽車所采用的大部分電子系統(tǒng)，也是以減少排放、提高燃料效率，并且降低車內系統(tǒng)的電力消耗為推動力。

達到這個目標的最好方法，便是使用更有效率，也更智能的電子系統(tǒng)去替代汽車的機械及液壓系統(tǒng)。典型的例子有以電動轉向系統(tǒng)替代液壓或者電動液壓系統(tǒng)；電力電機驅動替代連續(xù)運行的皮帶驅動系統(tǒng)，就像空調壓縮器、渦輪充電器，或其它的泵和風扇。即使是一些照明應用，如能夠節(jié)能的“高強度氣體放電燈” (HID) 或LED燈，也用來代替欠缺效率的傳統(tǒng)燈泡。最終，內燃引擎亦將會由具效率的電動電機所取代，就像我們現(xiàn)在于混合動力和電動汽車的動力系統(tǒng)所看到的一樣。

汽車電子化也使國際整流器公司(IR)這些半導體供應商以開發(fā)高效率的電源管理解決方案為己任，從而盡量提高這些應用的能源效益。IR先進的電源管理解決方案結合了非常先進的硅技術及革命性的新封裝技術，能夠同時改善汽車系統(tǒng)的性能和耐用性。特別是在封裝方面，我們?yōu)橄到y(tǒng)設計師帶來創(chuàng)新解決方案，以及設計ECU、電機驅動和電源的新方法。

現(xiàn)今的硅技術實現(xiàn)了非常好的開關，例如最新的溝道MOSFET和IGBT。不過，相關的封裝技術經(jīng)常利用十分保守的焊接方法把硅芯片裝貼到基片或鉛框架，并且以鍵合線連接其表面。早在2002年，IR已經(jīng)開始發(fā)展新的連接界面，希望通過簡單的封裝，就能把我們最好的硅技術連接到電力電路，還把電流和熱流的界面減到最少。最終的成果是，我們開發(fā)出免除鍵合線的DirectFET技術。這種技術的實現(xiàn)有賴于硅開關的正面金屬可焊，以便使由簡單金屬外殼包圍的MOSFET可直接焊接到印刷電路板。圖1和圖2所展示的概念主要是設計簡單、盡量減少物料和界面，最特別的是無需再用鍵合線去達到最好的電力和溫度性能。此外，這個概念也能夠提高汽車系統(tǒng)的質量和可靠性，因為它消除了汽車功率周期中的主導失效模式：也就是所謂的鍵合線脫離。

圖1：DirectFET焊接在PCB上。

圖2：DirectFET的橫切面：硅芯片的溫度和電力接口盡量縮小尺寸，同時電力和溫度性能也遠遠超出采用鍵合線的標準封裝。

直接封裝概念非常適合同時要求卓越性能、質量、耐用性和長久可靠性的汽車應用。與此同時，IR優(yōu)化了DirectFET概念，結果造就了我們在今年初推出、全面汽車認可的DirectFET2產(chǎn)品線。有關的汽車芯片由一個小外殼包圍，讓的客戶可以為其電子控制單元和功率級引入非常創(chuàng)新的設計概念。這些DirectFET2開關能夠通過不同的方法散熱，包括從器件的上方散熱，免除了組件要通過PCB，甚至利用ECU外殼兩側進行冷卻的需要，也不用藉著在ECU設計里的其它散熱部分來降低溫度?？蛻粢蚨缮a(chǎn)專有的系統(tǒng)解決方案，從而在其它采用標準封裝零件和鍵合線的競爭對中脫穎而出。

圖3：汽車用DirectFET2的各種創(chuàng)新散熱方法選擇

IR將其無鍵合線策略伸延到所有汽車用的功率開關。其最新一代的IGBT也具備IR專有的正面金屬可焊技術，提供完全沒有鍵合線的芯片連接，也為采用IGBT和二極管的高電壓系統(tǒng)實現(xiàn)了雙面散熱概念。據(jù)我所知，IR是首家以裸芯片搭配正面金屬可焊技術來推出商用汽車認可IGBT的公司，使擁有硅處理能力的客戶可以建立和設計它們自己的雙面散熱無鍵合線功率模塊或功率級。有了IR的正面金屬可焊器件，平常無法接觸專有硅技術的系統(tǒng)設計師，現(xiàn)在也可享受“無線汽車電源管理”的世界。

除了裸芯片，IR亦將提供專有的芯片載體解決方案。該方案附有正面金屬可焊IGBT，來支持那些生產(chǎn)線沒有能力處理裸芯片的客戶。最先進的高性能IGBT是以非常纖薄的晶圓制造，厚度僅為60到70微米。這些硅晶圓既薄且具彈性，就如紙張一樣，所以必須使用極為專業(yè)的程序和昂貴的器材去處理。很多第一級和第二級的系統(tǒng)供應商都不愿意投資這種昂貴的器材，也不想經(jīng)歷需要長久學習才會熟練的纖薄芯片處理過程，更不希望要承受薄芯片處理期間非常高的良率耗損。

IR推出的這種貼在專有芯片載體上的新款汽車功率開關將會把上述顧慮一掃而空。我們將提供預先貼上IR大型芯片 (IGBT及MOSFET) 的標準化專有芯片載體。它們隨后會成為客戶電源模塊的一部分，比方說，我們的DirectFET2金屬外殼變成PCB電路的一部分，并且讓每一個人都可以利用最精密的IGBT和薄芯片，而不用使用薄芯片器材。IR作為硅技術專家，將負責最困難的部分，也就是把薄芯片制成基片的制造過程，還有在裸芯片和晶圓層面的開關最后測試，都會一一解決。只要利用IR的汽車用正面金屬可焊產(chǎn)品線，即使標準的安裝機械和焊接器材也將足以應付非常先進的功率模塊或ECU概念。

對我們的客戶和系統(tǒng)設計師來說，新器件的最大好處并不單單在電力性能上的改進，更好的開關效能、經(jīng)過優(yōu)化的雙面散熱 (我們能夠增加最少50%的整體熱交換面積、減少35%的RthJC，以及提高大約25%的硅電流密度) ，還有簡單的制造過程都是重要的優(yōu)點。另一個非凡的效益，將在與應用相關的系統(tǒng)布置和應用尺寸，以及在汽車的壽命要求層面上實現(xiàn)。當鍵合線在相對耐用的DBC模塊中或功率周期壓力中的首個失效模式中脫離，采用IR專有正面金屬可焊技術的無鍵合線IGBT將有機會將功率周期能力延展一個量級。

圖4：在專有客戶陶瓷封裝中，鍵合線IGBT與無鍵合線雙面焊接IGBT的功率周期能效比較。

上面兩個圖表顯示不同的溫度壓力狀況，每一條色帶代表測試中的各個獨立器件。

圖4展示了IR正在運行的功率周期測試。這個測試針是針對一個客戶的定制IGBT系統(tǒng)，將在幾個10,000溫度周期后發(fā)生的鍵合線脫離故障，與使用無鍵合線系統(tǒng)進行相同持續(xù)周期測試所得的結果作出比較，可以看到結果顯示出極大的分別。借助大幅度的可靠性延展，功率周期能效系統(tǒng)設計師便能縮小他們的功率級尺寸。

為了避免在實際應用中過早出現(xiàn)鍵合線脫離故障，設計師通常會采用昂貴的基片和散熱器方式，再加上過大尺寸的功率開關來降低每個功率周期的Delta-T溫度擺動。相較而言，一個無鍵合線系統(tǒng)的芯片尺寸可以大幅減小，同時系統(tǒng)能夠在更嚴苛的周期條件下運作更長時間。這表明，汽車中的逆變器、直流-直流轉換器和其它電源管理應用得以通過正面金屬可焊器件顯著降低系統(tǒng)成本。設計師因而可以在性能、可靠性等多方面取得改善。

為了幫助系統(tǒng)設計師以適當?shù)目刂艻C來完成整個功率級開發(fā)工作，IR提供了多款汽車用驅動器IC選擇，可滿足先進逆變器、轉換器、電源拓撲和系統(tǒng)要求。我們專有的汽車用高/低電壓柵極驅動器擁有卓越的耐用性和閉鎖抗擾性。在低于75V的電壓范圍內，設計可基于專有智能功率程序操控驅動器，實現(xiàn)非常大的電流開關。當電壓介于100V到1,200V之間時，IR也提供了一個極高電壓接口隔離驅動器IC系列，該系列配備市場領先的負瞬態(tài)電壓尖峰安全操作區(qū) (NTSOA) 。IC的失效模式，通常由于采用大電流電感負載實現(xiàn)開關半橋，因而造成大的負電壓尖峰，被稱為閉鎖效應。這些IC都是以耐用性和閉鎖抗擾性為目標來設計，是驅動擁有極高電流密度的大型IGBT(諸如正面金屬可焊器件)的最佳選擇。如果系統(tǒng)設計師需要更大的驅動電流，也可利用器件所提供的緩沖IC來提供最大10A電流的能力。

總之，IR提供一系列的器件，讓汽車功率系統(tǒng)設計師可以為非常先進的“無線”電源管理選擇完整的芯片組，從而支持未來汽車的能源效益，即使要在最嚴苛的環(huán)境中完成最艱難的開關任務，這些器件也可應付自如。