車輛可用于部署技術方案的空間通常非常狹小，這主要是因為大部分可用空間都留給了座艙，電子系統(tǒng)則塞在剩余空間里。

本文將介紹半導體封裝層面的創(chuàng)新如何在改善現(xiàn)代汽車應用中的熱管理方面取得巨大進展。隨著車輛轉向電力驅動，以前的許多機械或液壓系統(tǒng)被電驅動取代，現(xiàn)今車輛上的大功率轉換量顯著升高。為了提高這些新型電氣系統(tǒng)的整體效率，尤其是為了增加車輛的行駛里程，業(yè)界投入了巨大努力和大量預算。

對系統(tǒng)設計人員來說，更高的效率還有一個好處，那就是產生的廢熱顯著減少。從熱管理的角度來看，這意味著可以減少散熱器或完全無需散熱器，進而削減方案的尺寸、重量和成本。事實上，任何電源工程師都知道，消除熱量的最好辦法是一開始就不產生熱。其次是確保任何浪費的能量都盡可能通過直接的路徑釋放到環(huán)境中。雖然碳化硅（SiC）之類的寬能帶隙技術已經在效率提升方面取得了巨大的飛躍，但沒有（可能永遠不會有）一種功率組件不會引起一些能量損耗。

半導體的常規(guī)散熱方法

在功率應用中，金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）往往是表面貼裝組件（SMD），如SO8FL、u8FL和LFPAK封裝類型。SMD成為首選技術的原因在于：它具備良好的功率能力，能夠方便地自動放置和焊接，并且支持實現(xiàn)緊湊的方案。然而，SMD元件的散熱并不理想，因為其熱傳播路徑通常要通過印刷電路板（PCB）（圖1）。

▲圖1 常規(guī)散熱方法，熱量需要通過PCB傳輸?shù)缴崞?/p>

在常規(guī)組件中，引線框架（包括裸露漏極焊盤）直接焊接到PCB上的銅基底，進而提供從芯片到PCB的電連接和熱路徑。這是與PCB的唯一直接電熱連接，因為組件的其余部分被封閉在模塑中，僅透過對流散熱到周圍空氣中。

采用這種方法時，組件的熱傳遞效率嚴重依賴于PCB的特性，如銅基底的面積大小、層數(shù)、厚度和布局。無論電路板是否連接到散熱器，都是如此。由于熱路徑受限，并且PCB的低熱導率妨礙散熱，因此組件的最大功率能力受到限制。

頂部散熱解決過熱問題

為了解決散熱問題， 廠商開發(fā)了一種MOSFET封裝，讓引線框架（漏極）在封裝的頂部暴露出來。透過頂部散熱（Top Cool）對應用布局/空間和熱傳遞都有好處（圖2）。采用傳統(tǒng)方法對功率MOSFET進行散熱，雖然能實現(xiàn)相當緊湊小巧的方案，但出于散熱考慮，PCB的下側不能放置其他組件。這種方法一般需要較大的PCB來容納所有必要的組件。

圖2 頂部散熱組件將散熱器置于上方以改善布局和熱性能

頂部散熱組件的熱路徑向上，因此散熱器被放置在MOSFET上方，允許在下側布置功率元件、柵極驅動器和其他組件，從而可以使用較小的PCB。這種更緊湊的布局還使得柵極驅動走線可以更短，這對于高頻工作是個優(yōu)勢。

此外，由于不再要求熱量通過PCB，因此PCB本身將保持較低溫度水平，MOSFET周圍的組件將在較低溫度下工作，這有利于提高其可靠性。

頂部散熱元件除了布局優(yōu)勢外，還具有明顯的散熱優(yōu)勢，因為這種封裝允許熱量直接耗散到組件的引線框架。鋁具有高熱導率（通常在100~210W/mk之間），因此最常用的散熱器是鋁制的。與通過PCB的常規(guī)散熱相比，鋁或類似金屬大大降低了熱阻，進而提供更好的熱回應。

除了提高熱導率外，散熱器還提供更大的熱質量，這有助于避免飽和，提供更大的熱時間常數(shù)，因為頂部安裝的散熱器可根據(jù)應用需求來確定適當?shù)某叽纭ｍ敳可岱庋b擁有直接通過高熱質量散熱器進行散熱的優(yōu)勢，因此其熱回應（以每瓦溫升來衡量）會更好。在接面溫度升幅一定的情況下，更好的熱響應將支持更高功率運行。最終，對于相同的MOSFET芯片，采用頂部散熱封裝的芯片比采用標準SMD封裝的芯片將擁有更高的電流和功率能力。

頂部散熱N溝道MOSFET

廠商開發(fā)了一系列頂部散熱組件，采用改進LFPAK 5×7封裝，尺寸僅5mm×7mm。新的頂部散熱封裝被命名為TCPAK57，上側具有16.5mm2散熱焊盤，熱量可以直接耗散到散熱器中。

在內部，TCPAK57組件具有用于源極和漏極連接的銅夾。它取代了線焊，允許以極小的電阻傳導大電流，并構成有效的熱連接通向上側焊盤。新器件提供高功率應用所需的電氣效率，RDS(ON)值低至1 mΩ。

汽車功率設計應注重熱管理

為了實現(xiàn)汽車產業(yè)中的設計目標，功率設計中的熱管理是重要基礎。MOSFET 等分立功率元件的常規(guī)散熱方法讓熱量通過PCB傳遞到散熱器。然而，這并不是理想的熱路徑，使得組件性能受到影響。

為此，一種新的封裝形式是將散熱焊盤移至頂部，這樣散熱器可以直接焊接到組件上。這不僅改善了MOSFET的散熱，還可以在PCB的下側布置組件，進而提高汽車等關鍵應用的功率密度。

本文標題：車用功率MOSFET遇「散熱」挑戰(zhàn)

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