ROHM制TOLL封装：最大限度发挥新一代功率器件性能的贴装方案

发布时间：2026-09-03 13:10
作者：AMEYA360
来源：ROHM
阅读量：147

　　概要

　　近年来，在AI服务器、数据中心电源、光伏(PV)逆变器、电力储能系统(ESS)等领域，除了大功率化之外，设备小型化和高功率密度化需求也与日俱增。传统大功率应用中主流的TO-247、TO-220等通孔封装，以及TO-263等表面贴装封装，在寄生电感、散热性能以及安装空间方面都存在设计瓶颈。

　　本应用笔记将介绍ROHM的TOLL(TO无引线)封装——一种可解决上述课题的创新型表面贴装(SMD)方案，并阐述其技术优势。文中将详细说明TOLL封装所带来的优势：节省空间(薄型化、占板面积缩减)、优异的散热性能、通过开尔文源极(4端子)结构降低开关损耗，以及符合JEDEC标准的高通用性。同时，还介绍了能够将 ROHM最新SiC MOSFET、12～150V耐压SiMOSFET、超级结MOSFET等功率器件的性能发挥到极致的电路板设计方法。

　　目录

　　· 符合JEDEC MO-299标准的外形尺寸

　　· 兼顾小型薄型化与大功率化

　　· 优异的散热性能

　　· 4端子(开尔文源极)结构大幅降低开关损耗

　　· 提高安装可靠性并降低检测成本

　　· 通过优化电路板设计实现散热最大化

　　· 结语

　　· 参考资料

　　符合JEDEC MO-299标准的外形尺寸

　　TOLL封装是一种符合JEDEC制定外形标准MO-299的表面贴装型封装。因此，便于利用现有贴装设备，具备生产线操作上的高通用性。

　　另一方面，在基板设计(焊盘布局)方面，为了最大限度发挥所搭载的新一代功率器件的特性，对端子形状进行了优化。JEDEC MO299中规定，多引脚侧(8引脚侧)的相邻引脚根部连接结构为“可选(OPTIONAL)”。因此，ROHM根据器件特性，为各产品采用最合适的形状。例如，在SiC MOSFET和Si MOSFET等TOLL封装中，采用了8引脚侧根部相连的形状;并且，带开尔文源极的4端子器件(漏极、栅极、源极、开尔文源极)与3端子器件(漏极、栅极、源极)的连接方式也有所不同(见 Figure 1)。

ROHM制TOLL封装：最大限度发挥新一代功率器件性能的贴装方案

　　此外，ROHM的GaN HEMT产品采用TOLL-8N封装，虽然外形尺寸符合MO-299标准，但引脚配置和焊盘形状具有独特性，因此在基板设计时，请务必使用数据手册中记载的TOLL-8N专用焊盘布局(Figure 2)

ROHM制TOLL封装：最大限度发挥新一代功率器件性能的贴装方案

　　如此，虽然在外形尺寸上实现了标准化，但安装焊盘图案则针对各器件进行了优化。因此，基板设计时不应沿用通用的焊盘布局，而必须使用各产品数据手册中记载的专用推荐焊盘布局。这样才能充分发挥各器件的真正性能，并确保高可靠性。

　　特别需要注意的是，开尔文源极(数据手册中有时表述为“驱动源极”)端子的连接方式对开关损耗影响很大。此外，以下做法是严格禁止的：将开尔文源极端子与功率源极端子直接连接;使开尔文源极端子保持开路，仅使用功率源极端子来驱动栅极;以及将开尔文源极端子与功率源极端子反向连接。这些不当连接可能导致意想不到的发热、误动作甚至器件故障

　　兼顾小型薄型化与大功率化

　　TOLL封装最大的特点在于节省空间。封装外形尺寸为9.9mm × 11.68mm × 2.3 mm，高度较以往同等级封装(TO-263-7LA)降低了约一半(从4.5mm降至2.3 mm，降低约49%)(见Figure 3)。此外，在实际基板上所占用的安装面积(焊盘布局)也削减了25%。传统TO-263-7LA的焊盘面积为179.3mm²(11.0mm × 16.3mm)，而TOLL封装的焊盘面积仅为134.33mm²(10.1mm × 13.3mm)(见Figure 4)。由此，即使在被称为“披萨盒型”的薄型电源用图腾柱PFC电路等厚度需控制在4mm以下的严格设计约束下，也能带来极高的安装自由度。

ROHM制TOLL封装：最大限度发挥新一代功率器件性能的贴装方案

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　　尽管宽禁带技术正在崛起，但传统的功率电子器件仍在持续进化并被广泛应用。凭借其出色的性价比、稳定的供应以及经过实际验证的可靠性，在小型化和轻量化无法带来较大附加值的应用场景中，一直是非常实用的选项。　　碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)功率器件在高效率、高温及小型化应用中性能表现优异，氧化镓(Ga₂O₃)和金刚石等材料研发也取得了显著进展。尽管已经取得了很多进步，不过还有许多系统仍需持续依赖硅功率电子技术，特别是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。　　本文将阐述IGBT持续获得广泛采用的原因。将从成本与供应考量、既有可靠性数据的价值、以及宽禁带半导体优势在系统层面仅能提供有限益处的应用场景种类等方面进行探讨。另外还会简要介绍在IGBT性能的持续改进和扩展。　　高性价比和供应稳定性备受好评　　如今，功率元器件所受到的关注度已达到前所未有的高度。主要原因在于SiC和GaN功率器件等新一代功率器件的问世。另外，关于Ga₂O₃和金刚石功率器件等新一代功率器件的研发不断取得进展，其实用化前景备受期待，这也进一步助推了市场关注度的提升。　　然而，下一代及下下代功率器件的面世，并不意味着电子设备设计工程师会全面采用这些产品。他们只是合理地选择能够将目标应用产品的价值最大化的功率器件。如果判断现有硅(Si)功率器件能使应用产品的价值最大化，那么他们将会继续采用Si功率MOSFET和IGBT。　　实际上，基于这一判断而选择继续使用IGBT的应用场景并不少见。半导体领域全球知名制造商ROHM表示，“不仅在日本，海外市场对IGBT的关注度也在迅速提高”。这种关注度快速上升的原因在于，2021年以来工业设备、电机驱动系统、电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)以及光伏逆变器等领域对IGBT需求量的持续扩大。ROHM的报告中显示，这些应用领域的制造商咨询量显著增加，产品销量正保持稳步上升态势。　　半导体分析师Grossberg・大山聪先生也持相同观点：“SiC功率MOSFET和GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)市场未来将持续扩大，但IGBT市场规模不会萎缩。”预计IGBT市场在2025年后仍将保持约10%的年均复合增长率(CAGR)，呈较快增长趋势。　　最合适的功率器件选型并非仅由电气特性决定　　那么，电子设计工程师在应用产品中采用IGBT时最重视的特性是什么?　　在电气特性方面，竞品SiC功率MOSFET和GaN HEMT器件在很多方面的表现会优于IGBT(表1和表2)。具体而言，比如导通损耗和开关损耗的降低、高速工作能力(实现高开关频率)、高温工作能力等优势。　　因此，将这些优势运用到应用产品中可带来诸多好处：延长电池续航时间、降低电池容量要求、实现更小型轻量的电路、减少发热量等。这些优势在移动应用领域的价值尤为显著。最终，SiC功率MOSFET和GaN HEMT器件主要在电动汽车牵引逆变器和DC-DC转换器等应用领域得以快速普及。　　表1：单位面积导通电阻的变化趋势　　低电压：Si MOSFET更合适。速度快且损耗低。　　中等电压：SiC MOSFET更合适。高频条件下仍保持低损耗，面积效率优。　　高电压额定：IGBT更具优势。相比SiC，导通电阻更低，芯片面积效率更高。　　表2：IGBT与SiC功率MOSFET的性能比较　　但是，从另一角度来看，在难以实现这些优势的应用场景中，采用SiC功率MOSFET或GaN HEMT器件并不具备决定性理由。具体而言，是这类应用场景并不以小型化和轻量化为首要考量因素。　　具有代表性的示例包括工业设备和电机驱动系统。在这些应用中，即使通过采用SiC功率MOSFET或GaN HEMT实现了小型化和轻量化，也不能转化为足以显著提高销售额的附加值。因此，设计者通常不会为采用SiC功率MOSFET或GaN HEMT带来的成本增加买单。换言之，电子设备设计工程师会基于出色的性价比优势而选择IGBT。　　除此之外，还存在仅凭电气性能无法定义的“采用IGBT的理由”。例如，与SiC功率MOSFET和GaN HEMT相比，IGBT的供应稳定性明显更高。此外，IGBT自实现实用应用以来已历经约40年，拥有丰富的可靠性数据及长期应用所积累的实践经验。　　在实际的电子设备设计中，电力器件的选型不仅需要考量电气特性，更需要综合评估上述各种要素。因此，即使新电力电子器件不断涌现，在特定应用场景中IGBT仍被持续采用。　　IGBT技术的持续演进　　此外，IGBT绝非过时的功率器件，而是一直到进步。也就是说，其性能提升仍有充分的空间。　　IGBT的性能通过元器件层面和工艺层面的双重改进，已得到显著提升。例如，采用“非穿通”和“场截止”等新器件结构、硅晶圆减薄、以及沟槽栅微缩(间距缩小)等方面的改进。最终，IGBT实现了集电极-发射极饱和电压(VCE(Sat)[1.1])降低、电流容量增加、开关频率提高(开关损耗减少)以及短路耐受能力增强。　　然而，在硅晶圆减薄和沟槽栅间距微缩方面，仍存在改善余地。ROHM开发部部长石松祐司表示：“IGBT的性能提升仍存在潜在空间。2026年以后推出的产品，其器件结构本身很可能会迎来重大变革。我们会逐步将这些技术发展融入到产品中。”　　未来，在保持“较低成本”、“高可靠性”和“高实用性”等优势的同时，性能得到进一步提升的IGBT产品被投入市场的可能性很大。　　在内置多个IGBT的功率模块领域，仍有望实现进一步技术突破。目前，ROHM已推出的功率模块“TRCDRIVE packTM”，具有高电流密度和出色的散热特性[2.1](图1)。目前所采用的功率器件，是ROHM第4代SiC功率MOSFET。　　图1 功率模块 TRCDRIVE packTM：虽尺寸小巧，却通过单面散热设计实现与竞品同等散热性能的封装型功率模块。目前供应的是内置2枚ROHM第4代SiC功率MOSFET的二合一型模块。　　本功率模块具有两大特点：第一，通过优化内部布局，将电感降至更低，从而降低了开关损耗;第二，虽采用单面散热设计，仍以小巧尺寸实现了与竞品同等的散热性能。　　在安装方法上，采用了银(Ag)烧结技术，通过高温高压将模块内部芯片(功率器件)与引线框架进行接合。这既提高了接合可靠性，又提高了功率密度。　　ROHM计划在不久的将来将这项技术也应用于IGBT。　　此外，在模块与外部散热器的接合部位，ROHM与 Arieca 公司联合研发出采用了液态金属填充弹性体(LMEE)的低温接合技术。该技术不仅实现了与银烧结接合技术同等的热阻，还可在更低温度和压力条件下完成接合。这在提高散热效率的同时，更大程度地提升了模块的电气性能。　　图2：液态金属填充弹性体(LMEE)是美国Arieca公司推出的热界面材料。具有低热阻特性，应用于功率模块可提升其散热性能。　　电力电子技术演进中的可靠选项　　宽禁带器件为电源设计者提供了更多的选择，同时，IGBT凭借其出色的可靠性和成本效益优势，依然是众多系统的优选方案。其成熟的供应链、稳定的可靠性以及持续的技术改进，即使是在SiC和GaN的优势仅能提供有限的附加值的应用场景中，IGBT依然保持着作为实用解决方案的地位。
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ROHM丨高可靠性电流检测电路设计的关键要点

　　准确的电流检测对于实现控制、确保保护功能以及提高电源效率至关重要。这是电动汽车(EV)、能源系统、工业设备等各种应用领域共同面临的课题。ROHM解决方案具备高可靠性电流检测所需的高精度、高稳定性及强抗噪性。　　电力、安全、控制始于电流检测　　在对能源效率、安全性和高可靠性控制的需求日益高涨的背景下，电流检测在现代电子设备中的重要性正快速提高。从电动汽车、电池管理系统、可再生能源到工业自动化领域，准确的电流检测在电力管理、故障检测和系统保护中均发挥着核心作用。随着工作电压和电流的上升，热应力、电气噪声以及材料老化等问题也随之凸显，这使得高精度和长期可靠性成为设计中的重要目标。　　本文将阐述构建高精度电流检测电路的关键要点。其中将介绍典型的电流检测方式，探讨电阻和放大器选型对精度的影响以及抗噪性能对稳定性的重要作用。最后介绍如何将这些设计原则运用在实际应用产品中的实用组件解决方案。　　电流检测方式的种类　　检测电流的方法有多种，但在电路设计中主要有电阻式和磁式两种。　　在电阻式电流检测中，电流流经分流电阻会产生与电流成正比的微小电压。将该电压用运算放大器或专用电流检测放大器(CSA)进行放大并测量。该方法成本效益高，设计灵活性优异，在中等级电流范围内能获得良好的精度。然而，由于分流电阻会产生热耗，在大电流应用场景中其热管理是需要解决的课题。　　图1：分流电阻可产生与电流成正比的电压降，并将该电压放大后反馈至微控制器，从而被用来实现控制和保护功能。　　另一方面，在磁式检测中，可使用霍尔元件或xMR传感器来检测电流产生的磁场。这种方式无功率损耗，可实现非接触式测量，但易受外部磁噪声干扰，且电路规模较大。　　图2：带磁芯的传感器是利用磁芯检测导体周围的磁场，而无芯型则采用内置传感器通过电路板布线直接测量电流。　　在此之外，还有电流传感器IC等一体化传感器。这些都采用了将检测元件和信号处理电路一体化封装的方式，具有体积小巧、便于安装的特点，但主要被用于空间受限或特殊应用场景。　　仅仅1个电阻即可直接影响电路的可靠性　　在电阻式电流检测中，分流电阻是精度的基准。其细微的误差也可能直接影响系统整体的性能，如果选型不当可能导致误检或漏检问题。　　选型时需考虑的因素：　　材料：金属板型电阻器相较于厚膜型，具有更优异的热循环耐受能力及更低的温度系数，因而能在严苛环境下展现出出色的可靠性。　　安装和尺寸：小型封装对机械应力较为敏感，其电阻长度在吸收热膨胀和减轻焊点疲劳方面发挥着重要作用。　　长期劣化：在车载和工业应用中，对电阻器的耐硫化性能、端子坚固性以及机械耐久性有着严格要求，这些特性对长期保持精度至关重要。　　“若将分流电阻视为‘只不过是一般的无源元件而已’，则可能使优秀的设计毁于一旦。”　　放大器的选型直接影响设计成果　　分流电阻可决定检测精度，而放大器则可决定电压处理的精确度与解析能力。运算放大器(Op Amp)的灵活性很高，支持设定增益、外接滤波器及添加保护电路。适用于需要微调的场景或运行条件多变的环境。　　“噪声干扰不仅会使信号失真，还会扰乱判断本身。”　　而电流检测放大器(CSA)则内置了匹配的增益电阻，波动很小，可显著提升测量的一致性。另外，具有高输入阻抗，即使外接滤波器，对增益精度的影响也很小。尤其适用于需要精确放大微小分流电压的低电流检测应用。　　抗扰性：支撑系统稳定性的隐形要素　　在逆变器、转换器以及车载ECU等频繁进行开关的环境中，外部噪声干扰可能导致信号失真，进而引发错误的过电流检测。这种误检不仅会导致运行中断和效率下降，严重时甚至可能损害系统的安全性。　　要实现高度可靠的控制与保护，必须确保信号的纯净和稳定。要提高抗扰度，需要选用具有出色EMI耐受性的元器件，并实现可在不影响精度的前提下进行滤波的电路设计。通过重视抗扰度，可简化后续处理，同时确保微控制器输入的稳定性及故障安全(Fail-safe)功能的可靠运行。　　ROHM高可靠性、高稳健性的电流检测电路解决方案　　ROHM为电流检测领域的设计课题提供各种元器件解决方案。针对电阻、放大器及抗扰度(抗噪性)等各项要素，均拥有丰富的产品群，可提供出色的解决方案。　　PSR系列 分流电阻　　ROHM’s PSR Series是针对传统电阻器存在的可靠性问题而研发的产品。采用金属板结构，以出色的热循环耐受能力和优异的抗硫化性能而著称。　　图3：ROHM PSR系列金属板分流电阻同时实现了高精度和高耐用性，具有出色的热稳定性、抗硫化特性，并通过了车载及工业应用领域的AEC-Q200认证。　　因此，即使在振动、尾气和高温等严苛环境的车载应用中，也可长期使用。凭借其稳定的特性，可在产品整个生命周期内保持电流检测“基石”部分的精度。　　EMARMOUR™ 运算放大器　　EMARMOUR™ series是ROHM推出的具有超高抗干扰性能的专用运算放大器产品系列。该系列产品融入了ROHM自有的布局设计、工艺技术和电路技术优势，在很宽的频段范围实现了出色的抗扰能力。　　无需外置滤波器即可保持信号精度，而且符合ISO 11452-2和IEC 62132-4等国际EMI标准。即使直接施加高频噪声(RF)，输出波动也非常小，可大大减少外围元器件数量。　　增益和滤波器的设置均可灵活应对，即使在车载设备、工业设备等对噪声敏感的应用场景中，也能确保稳定运行。　　图4：在该比较图中，传统运算放大器容易因噪声干扰而误动作，ROHM的EMARMOUR™运算放大器可保持稳定且高精度的信号放大功能。　　ROHM的电流检测放大器(CSA)　　在要求小型化和高精度的应用场景中，ROHM的CSA(电流检测放大器)通过内置高精度增益电阻及采用斩波放大器结构，可简化电路设计。从而可减少外置元器件数量，更大程度地减少布局误差，即使使用输入滤波器也可保持高精度。该产品还具备宽输入电压范围和优异的线性特性，非常适用于电池管理系统、电机驱动、电源电路等对节省空间和高精度要求高的应用场景。　　高精度源于精妙设计　　要实现高精度的电流检测，电路设计每个环节的精准把控至关重要。检测方式、分流电阻、放大器、噪声对策——其中任何一项有缺陷，都可能导致系统整体的性能和安全性下降。　　“可靠性并非源于规格参数，而是源于所有‘精妙的设计选择’的累积。”
2026-08-24 11:41 阅读量：265
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