半導體的常規散熱方法車用功率MOSFET熱管理設計

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，電子系統則塞在剩余空間里。 ?

本文將介紹半導體封裝層面的創新如何在改善現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被電驅動取代，現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的整體效率，尤其是為了增加車輛的行駛里程，業界投入了巨大努力和大量預算。

對系統設計人員來說，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 常規散熱方法，熱量需要通過PCB傳輸到散熱器 ? 在常規組件中，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、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，廠商如安森美（onsemi）開發了一種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）。采用傳統方法對功率MOSFET進行散熱，雖然能實現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勢外，還具有明顯的散熱優勢，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，因為頂部安裝的散熱器可根據應用需求來確定適當的尺寸。頂部散熱封裝擁有直接通過高熱質量散熱器進行散熱的優勢，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

廠商如安森美開發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

為了實現汽車產業中的設計目標，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。??

編輯：黃飛

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