功能強(qiáng)大的汽車(chē)電子封裝技術(shù)
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時(shí)間：2013-03-06
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汽車(chē)電子設(shè)備往往需要長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下運(yùn)行，而且在負(fù)荷清除的短時(shí)間內(nèi)，其結(jié)區(qū)溫度還可能超過(guò)200℃?，F(xiàn)代化的封裝設(shè)計(jì)可將裝封尺寸縮減至最小，這乃歸功于RDS(ON) 能降低一般的工作溫度，這些封裝并能改善熱阻，進(jìn)一步將結(jié)區(qū)溫度降低。
與所有電子器件一樣，汽車(chē)電子器件也朝著小型化發(fā)展。將控制電路集成于功率器件中雖可減小封裝尺寸，但卻會(huì)給本來(lái)已經(jīng)充滿(mǎn)挑戰(zhàn)性的封裝任務(wù)增加復(fù)雜性。封裝不僅需要為裸片提供良好的散熱性能，同時(shí)還要將控制裸片與功率芯片產(chǎn)生的高壓和強(qiáng)電流隔離開(kāi)來(lái)。器件的小型化發(fā)展會(huì)因散熱面積的減小而使熱管理變得更加困難，即使器件功率維持不變亦然，更遑論功率進(jìn)一步提高。
除了熱密度增加外，電子器件正用于車(chē)內(nèi)各個(gè)高溫位置，范圍包括從變速箱內(nèi)的200℃，到火花塞周?chē)?65℃、引擎艙內(nèi)的150℃，以至相對(duì)溫度較溫和的乘座車(chē)廂內(nèi)，最大溫度為80℃。據(jù)估算，一輛汽車(chē)在其壽命期內(nèi)的冷啟動(dòng)次數(shù)達(dá)6,000次；其中，引擎艙內(nèi)的溫度將由40℃循環(huán)至150℃。因此，保護(hù)半導(dǎo)體芯片免受極端的環(huán)境和相關(guān)應(yīng)力的影響是封裝的重要功能之一。
面對(duì)電路小型化和更高溫度承受力的追求，人們必須了解功率半導(dǎo)體器件的熱極限和熱管理，只有這樣才能確保所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能繼續(xù)滿(mǎn)足汽車(chē)市場(chǎng)所要求的可靠性。封裝已發(fā)展成為不僅僅是裝載芯片的元件和芯片板卡的接口，而是功能強(qiáng)大的解決方案。
溫度對(duì)半導(dǎo)體芯片的影響
溫度的增加會(huì)對(duì)功率器件的性能帶來(lái)負(fù)面影響。
對(duì)于MOSFET：
● RDS(on)隨溫度上升而增加，造成更多熱消耗；
● BVdss(擊穿電壓) 隨溫度上升而增加；
● 閾值電壓隨溫度上升而下降，使到柵極在高溫情況下難以關(guān)斷。
對(duì)PIN二極管：
● 正向壓降隨溫度上升而下降；
● 反向恢復(fù)電荷和恢復(fù)時(shí)間隨溫度上升而增加；
對(duì)例如用于點(diǎn)火系統(tǒng)的擊穿IGBT：
● VCE(sat) 隨溫度上升而下降；
● 閾值電壓隨溫度上升而下降；
● 在電感性負(fù)載下的開(kāi)關(guān)時(shí)間隨溫度上升而增加；
● 漏電流隨溫度上升而大幅遞增；
● BVdss(擊穿電壓) 隨溫度上升而增加。
從功率器件的角度來(lái)看，結(jié)區(qū)溫度Tj是最關(guān)鍵的因素。大多數(shù)故障都是由于結(jié)區(qū)溫度過(guò)高所致。這一點(diǎn)可從方程1總結(jié)出來(lái)。
方程1∶T= Rth {(Von× Ion)+ (∫V(t) × I(t) dt) f}
這里，T是在某距離散熱體超出安全溫度的程度。對(duì)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，這個(gè)散熱體是吸入的空氣，其安全溫度的典型值為122 F (50℃) (取自Phoenix AZ)。但吸入的空氣要經(jīng)過(guò)散熱器用來(lái)冷卻引擎。通常，電子模塊遇到的散熱體會(huì)熱得多。對(duì)大多數(shù)現(xiàn)代動(dòng)力傳動(dòng)設(shè)計(jì)中的功率器件來(lái)說(shuō)，環(huán)境散熱體是105℃的熱空氣，通過(guò)模塊散熱器進(jìn)行散熱。表1和2給出了典型的汽車(chē)工作條件。板卡溫度通常高達(dá)135℃。
評(píng)論