功率器件封装创新：必有48V汽车应用一功

汽车电气化时代已经到来，不过怎么实现却是说法不一：纯电动（EV）、混合动力（HEV）、插电式混合动力（PHEV）、48V轻混动力（MHEV）和重混动力（HEV），还有燃料电池，让人眼花缭乱。

尽管选择很多，但大多数汽车制造商都选择了48V轻混作为过渡，在原来12V电池外新增一个48V电池。这么一来，汽车供电架构就发生了重大改变，实现功率转换的半导体器件也必须随机应变才是。

48V系统是应运而生

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根据Navigant的预测，2025年全球新车销量中48V轻混动力车可能占据14%的市场份额，而汽油或或柴油发动机的市场份额将减至65%。

博世集团董事会成员Stefan Hartung说：“由于排放法规的实施，迫使汽车制造商寻求有效降低车辆碳排放的方法，内燃机正在面临转型。48V电气系统正在为汽车业带来革新，48V轻混将成为未来汽车市场的最低标准。”

他表示，在全球范围内，尤其是欧洲和中国，48V系统解决方案的市场正在不断扩大。博世预计，到2025年，全球每年销售的新车中将有近20%配备48V系统和配套电池。

德州仪器（TI）混合动力、电动汽车和动力总成系统负责人Karl-Heinz Steinmetz也表示，48V的优点是增加动力和减少排放。汽车供电架构从12V走向48V满足了如今高耗能汽车更高的电力需求，功率的增加还可以使内燃机更有效地运转，帮助制造商更快地满足排放法规要求。各汽车制造商正在推出具有启停技术的轻混动力汽车，使发动机在汽车滑行、制动或停止时暂时关闭，然后迅速重新启动，并由新系统提供部分动力。与传统混合动力汽车不同，轻混汽车中的电机是内燃机的补充，不单独为汽车提供动力。

英飞凌汽车电子事业部副总裁兼高功率业务线总经理Stephan Zizala博士认为：“未来十年，全球大多数新生产的汽车都将实现部分或完全电气化。市场调研表明，2020到2030年，采用48V供电系统的车型产量有可能增加十倍以上。我们所能做的是为轻混动力汽车的强劲增长做好准备。”

目前，48V轻混市场已出现一大批重要玩家，既有汽车制造商，也有Tier 1，如福特、通用、菲亚特、克莱斯勒、丰田汽车、日产、本田、奔驰、宝马、奥迪、现代汽车、三菱汽车、马自达、斯巴鲁、日立汽车、博世、大陆、德尔福、法雷奥、奥地利AVL、舍弗勒等；国内的吉利、长安、长城、江淮、北汽等也都在布局48V系统车型。

48V重塑汽车供电架构

对于功率，有一个由物理学和电学基本原理定义的不可避免的事实——当从电源向负载输送功率（电压和电流的乘积）时，电阻损耗和热耗散随电流的平方（I2R）而增加。从最早的电力时代就已知道，使用更高的工作电压可以降低电流，并且是在给定功率水平下将损耗、热量和效率降低到可接受值的最佳且唯一的方法。

因此，随着电力需求的不断增长，不管是数据中心中间母线，还是汽车48V母线，12V电压标准已经不能以足够低的损耗和可接受的效率提供所需的电力。取而代之的是48V供电轨。特别是在轻混汽车设计中，需要48V母线支持许多更高功率负载，包括起动机、电动转向辅助系统和许多其他电机。

毋庸讳言，汽车传统12V配电已是小马拉大车。大多数汽车仍然在使用电流300安培的12V电源为车载电器供电，随着汽车中新的耗电型电子驱动和功能的增加，如电动启停、电动转向、电动悬架、电动涡轮增压、变速空调，以及音响系统、加热座椅和可随动转向照亮黑暗弯道的前照灯，只能勉强为牵引电机和制动系统提供能量的12V配电母线已力不从心。

12V和48V电气系统比较

而且，伴随自动驾驶的出现，摄像头、毫米波雷达和激光雷达等传感器等都需要强大的算力来计算、解释所收集的大量数据。这类处理器非常耗电，使传统汽车12V配电母线无法应对。即使是高级驾驶员辅助系统（ADAS），12V电气系统有也已无法满足要求。未来的车载计算机会消耗上千瓦电力，无论是混合动力、纯电动汽车，还是自动驾驶汽车，都需要48V系统来承受高耗能的负载。

事实上，不管是哪种类型汽车，要在未来引领市场，就要实现更高的效率，同时减小体积和重量，还要降低成本，所以必须采用高效率的功率半导体器件来实现汽车供电。

功率器件封装的挑战

随着新的功率半导体工艺成为主流，制造工艺和片芯（die）受到了更多关注，而封装在实现芯片性能、可制造性方面起着重要作用，特别是涉及功率器件的可靠性时，因为热和寄生问题需要用新的封装方法来解决。

功率器件封装的范围既广又深，涉及“基础”硅、宽带隙碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），还要考虑功率级别和应用。此外，针对特定市场及其优先级需要优化不同封装类型和内部配置。

此外，宽带隙器件的更高品质因数（FOM）和更高效率、更高工作温度和开关频率以及潜在的更高输出功率，也对封装提出了新的要求，例如，结温在175℃的碳化硅器件。同时，工程师也面临着更高层次的功能集成压力，如将多个功率器件甚至其驱动放在一个封装中。

由于宽带隙器件效率更高，散热量更小，所以将片芯保持在其最高结温以下这一永无止境的热挑战似乎会减少。然而，情况往往并非如此。

TSC应用工程总监Kevin Parmenter回顾说：“近10年前，我曾与一家由工艺技术和半导体物理知名专家组成的创业公司合作。新的SiC技术的前景令人惊讶，快速器件意味着工程师可以使用小10倍的磁性元件，能够5MHz开关，并获得99.9%的效率。在投资者的敦促下，该公司希望尽快将器件推向市场。他们将明天的技术放入80年代的封装，让客户将新器件导入现有设计。这个想法在理论上是合乎逻辑的，但实际上它没有奏效。”

Amkor封装开发和技术集成副总裁Shaun Bowers说：“如果片芯是高效的，那么封装就比较容易。问题是，这些功率器件用户期望的功率增长速度快于器件本身的改进。结果，一度被视为性能上限的东西变成了地板。因此，除了降低导通电阻，新的设计要求还包括减少寄生，主要是电感，也包括针对更高开关速度的电容，还要减少互连电阻、集成的无源元件，甚至控制逻辑。所有这一切都发生在一个更小的整体封装尺寸中，无论是在占位面积还是厚度方面。”

当然，热因素总是存在于芯片当中，电源工程师知道热是设计限制的首要问题，而热总是潜伏在幕后。Quik-Pak高级工艺工程师Sam Sadri说：“摆脱高温是一个巨大的挑战。最常见的方法是将芯片连接到铜散热器上，它既便宜又是良好的热导体；也可以使用氮化铝，其热膨胀系数非常接近硅，这对封装尤为重要。”

几种典型功率封装：（a）PQFN演进；（b）带散热凸舌的eD2PAK，（c）TOLL变种；（d）LFPAK

功率封装创新三大进步

① 必须增加从器件源极到漏极的导电性，以减少损耗和随后产生的热量；

② 应消除尽可能多的热接口或电气接口，因每个接口都代表一个屏障以及由于热循环、热膨胀系数（CTE）之间不匹配和制造问题而导致的潜在故障点；

③ 还必须提高封装材料本身的热性能。

创新功率封装助48V一臂之力

与数据中心的需求相反，汽车48V电源的性能优先级不是微秒级快速瞬态响应，而是需要以高、低侧功率器件的经典三相、半桥布置为几百安培的启动机/发电机组件供电。这是相对间歇性的需求，即使许多新车采用了停止-启动节能设计模式，但高电流级别以及几十千瓦的功率水平往往需要使用多个MOSFET。

为了实现这种配置，封装供应商正在寻找新的结构，在一个封装中容纳多个MOSFET甚至无源元件。例如，ASE（Advanced Semiconductor Engineering）的先进嵌入式有源系统集成（a-EASI）电源封装平台，既适合单桥和半桥拓扑，又具有低阻抗垂直电流的低体硅（bulk-silicon）电阻率，因此具有低导通电阻。ASE还为此应用开发了一套基于散热片和铜夹（clip）键合的QFN方法，实现了明显不同的性能特征。

先进嵌入式有源系统集成（a-EASI）方法

a-EASI P1、P2和P3结构及铜夹PQFN器件的电阻和效率比较

ASE也在解决共封装电感器的挑战，它是开关电源电路中一种必要却很难集成的无源元件。ASE采用封装体叠层（POP，package-on-package）方案解决了模制集成要求厚模盖的问题。

共封装电感器布置，a.底部封装；b.电感器POP；c.封装背面

功率器件隔离是另一个挑战

要让片芯热量经总热路径从封装中散掉，通常使用的一种的方法是在封装下嵌入导电和导热垫。不过，这在一些常见的电路拓扑中无法使用，例如电桥布置，因为一些功率器件及其栅极驱动器必须与系统接地进行电流（欧姆）隔离。因此，供应商正在开发支持更高导热性的封装，同时使用薄膜和金属化基座（pedestal）来保持电路板所需的电气隔离。隔离厚度和其他参数必须足以承受隔离组件和共用（地）之间路径的电位差，以满足基本电气和法规要求。

图源 | Arrow Electronics

此外，随着功率器件电压的增加，最小爬电距离和间隙尺寸也在增加，进一步使封装几何结构复杂化。如果下面的散热垫在电气上不可承受，则可在封装的顶部使用一个散热垫，以通过被动或强制气流进行冷却。然而，从系统的角度来看，这可能不像使用底侧垫那样理想，因为底侧垫利用电路板铜作为散热片。

当然，前期建模、生产问题也会影响封装的改进。从概念上设计出满足新目标的创新封装，同时在各种权衡和限制之间取得平衡是一回事，而在制作和测试原型之前详细模拟性能又是另一回事。Amkor封装开发和技术集成高级经理Sophie Olson和ASE技术营销和工程高级总监Mark Gerber都认为，Ansys设计仿真是用于此目的最有用的工具。他们表示，随着封装的系统（包括微小的封装和片芯）已变得越来越复杂，尽管相对较少且都是静态器件，封装挑战也将越来越严峻。

利用Ansys之类的工具可以做基本的物理热、机械和电气模拟，以确定结温和其他关键参数。不过，一些客户前期的概念和设计很好，但不了解材料或片芯连接方面的问题，因此需要封装供应商的帮助。例如，银烧结可通过在熔点以下加热将金属微粒焊接在一起，它通常比焊接更适合互连，也更适合满足RoHS要求。

写在最后

没有止境

在未封装片芯和商用封装之间，功率半导体器件的性能是不一样的。新的封装概念、布局和材料，以及增强的制造技术，有助于实现功率器件（如SiC或GaN）更高的性能，帮助用户满足48V电压的应用需求。

与数字集成电路相比，功率器件在芯片和电路板之间只有很少的连接。这既简化了其成功应用的途径，也使互联复杂化了。现在，封装设计师不仅仅要跟上新的片芯和工艺要求，他们还必须预测需求，并提供使其成为可行产品的工具。