深度解析電源頂部散熱封裝的發(fā)展和優(yōu)勢

當前，低碳化和數(shù)字化正推動電源管理技術朝著全新趨勢大步邁進，提高效率、減輕設備重量、提高功率密度以及為電動汽車提高續(xù)航里程，都是大家在日常中共同關心的話題。在半導體行業(yè)中的相當長一段時間內(nèi)，功率半導體、模擬半導體和數(shù)字半導體技術的演進都圍繞著低碳化發(fā)展，例如數(shù)字芯片工藝節(jié)點一路演進，功率半導體的演進主要是在晶圓部分，不斷向更小的芯片尺寸和更低的導通阻抗發(fā)展。

以硅基功率半導體為例，在Figure Of Merit系數(shù)（簡稱FOM值）上，高壓超結（Super Junction）技術基本上已經(jīng)達到其物理極限，在此情況下要繼續(xù)把導通阻抗或能效做得更好，封裝成為了必須突破的瓶頸。 “英飛凌在低碳化——也就是在減少能耗和提高能效方面所做的一個努力，就是在JEDEC標準組織注冊的頂部散熱封裝技術（TSC）?！?在近日舉行的一場媒體溝通會上，英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)應用市場總監(jiān)程文濤介紹了該公司用于高壓MOSFET 的 QDPAK 和 DDPAK 頂部冷卻?(TSC)?封裝，他同時表示，除了硅基功率器件，目前大熱的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等第三代半導體也都仰仗更新的封裝技術，把芯片性能發(fā)揮到極致。

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英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)應用市場總監(jiān)?程文濤

頂部散熱封裝的發(fā)展和優(yōu)勢

頂部散熱（TSC）封裝 QDPAK和 DDPAK的前身，其實是大家熟悉的DPAK（TO252）封裝。QDPAK大致相當于4個DPAK并排，DDPAK則是兩個DPAK并排（Double DPAK），這類封裝的主要優(yōu)勢在于：

滿足更大功率需求：優(yōu)化利用電路板空間，采用開爾文源極連接，減少源極寄生電感；

提高功率密度：頂部散熱可實現(xiàn)最高電路板利用率；

提高效率：?經(jīng)優(yōu)化的結構具有低電阻和超低寄生電感，可實現(xiàn)更高效率；

減輕重量：綜合優(yōu)化散熱和發(fā)熱，有助于打造更小巧的外殼，從而減少用料，減輕重量 ?

程文濤表示，這兩種頂部層散熱封裝技術在用戶層面能夠解決的問題包括，讓整個裝配過程步驟變少，自動化制造流程更簡潔，最終在下游廠商端實現(xiàn)包括PCB數(shù)量、層級和板間連接器用量減少，帶來裝配及整體系統(tǒng)成本大幅降低。 優(yōu)化MOSFET應用需要盡可能降低系統(tǒng)熱阻（Rthja），同時實現(xiàn)最高結溫（Tj）。如此一來能夠最大限度地增加流入散熱片的熱量，并最大限度地減少流入PCB的熱量。 熟悉功率半導體行業(yè)的讀者應該還有印象，10年前的大功率應用器件（千瓦及以上的功率）基本以通孔器件封裝（THD）為主，例如大家熟知的TO247、TO220封裝。這類插件封裝的優(yōu)勢在于，在當時的裝配和封裝工藝下能最大限度地利用外加散熱片，高效地把芯片內(nèi)部產(chǎn)生的熱量帶出芯片，讓芯片能夠工作在大功率應用場景中。

但隨著數(shù)據(jù)中心、4G及5G無線通信宏基站等設備對于功率密度的要求越來越高，設備尺寸越做越小，開始要求電源應用的電路板設計中采用更少或不用獨立散熱片，同時把更多的熱量均勻地散發(fā)到整個設備之外。 ? ? 貼片化是從帶獨立散熱片的插件封裝，走向更高功率散熱的第一步。但這對于緊貼PCB表面的貼裝器件（SMD）來說，很難做到。 “這是兩個很矛盾的需求，尤其在最近的5年之內(nèi)越來越凸顯。我們用了很長時間與產(chǎn)業(yè)鏈下游的行業(yè)頭部客戶以及工程師討論，最終達成共識，就是頂層散熱才是解決這個矛盾的根本途徑。”?程文濤說到。

如上圖（左）所示，一般貼片封裝器件的散熱主要靠芯片底部與PCB之間的接觸，靠PCB銅箔把芯片產(chǎn)生的熱量傳導出去。這樣做的壞處是需要耗費較大的PCB銅箔面積，才能有效散熱，如果銅箔不夠大，在芯片底部就會形成一個熱點，給PCB帶來很大壓力。 ? 目前業(yè)界常用的PCB材質(zhì)均為FR4，這類材質(zhì)在業(yè)界標準中存在110度左右的最高溫度上限。在這樣的要求下，如果利用貼片和PCB之間的結合均勻地將更多熱量傳遞出去是個挑戰(zhàn)，在這方面，底部散熱封裝慢慢地走到了瓶頸。 而上圖（右）顯示在使用增加散熱片的頂部散熱模式后，可以不靠底部銅箔散熱，在同樣的PCB材質(zhì)下，能夠更有效、更均勻地把熱量散出去。如此一來給用戶帶來的好處是，在同樣的散熱面積下，設備整體能夠傳遞出的功率耗散得到了增加。

頂部散熱封裝的主要應用市場

其實利用芯片頂部層散熱的方式，在早期的手機充電器中已經(jīng)有嘗試，當時的做法有的靠灌膠，有的靠通過塑料封裝將熱量傳導到機殼上?？梢哉f頂部散熱方式覆蓋的功率段范圍相當廣泛。而英飛凌提供的這類頂部帶銅箔的頂部散熱封裝在功率約為200-300W的應用場景中，就開始凸顯其價值了，采用該封裝方式，可以實現(xiàn)取消獨立散熱片，或替代插件器件；而一般功率在1000W時，頂部帶裸銅的頂部散熱封裝就是一個必選項。 程文濤舉例到，在5G或通信領域，目前基站基本都是無風扇設計，與手機充電器的環(huán)境類似。但基站一般靠密閉的金屬外殼散熱，如果不用頂部帶裸銅的封裝方式，功率器件無法有效、均勻地把熱量傳導到外殼上。第二個主要場景是數(shù)據(jù)中心，從最近火爆的ChatGPT可以看到人類對數(shù)據(jù)無止境的需求增長是近似指數(shù)級的，在這種情況下對電源轉換的效率，以及對同樣機房尺寸中能夠安裝的設備數(shù)量提出了更高要求。 還有一種應用場景是新能源汽車，目前為了滿足電動汽車的設計要求，業(yè)界在不斷增加功率半導體能效的同時，還致力于減少它所占用的PCB面積，這時候對功率密度的要求也很高。頂部散熱能夠幫助工程師在設計新能源汽車時，把更多空間留給電池動力部分。 據(jù)悉英飛凌在這幾個領域的頭部客戶已經(jīng)在積極采用頂部散熱封裝的功率器件。

由上圖可見，基于這個考量標準，英飛凌的QDPAK和DDPAK封裝，在溫度穩(wěn)定之后的散熱能力與TO220/TO247實現(xiàn)了對等。

行業(yè)整體接受度如何？

“在頂部層散熱芯片剛剛開始推行的時候，主要的質(zhì)疑來自于行業(yè)里電源領域的工程師，因為他們之前最信賴的、能夠有效散熱的封裝是TO247和TO220，所以工程師們需要我們新提出的頂部散熱封裝在散熱能力上能夠與TO247和TO220對等?！?程文濤回憶到，“這也是我們研發(fā)QDPAK和DDPAK時的主要考量——對標TO220和TO247。在同樣的功率等級以及更高功率密度的情況下，如果QDPAK和DDPAK沒有更好的效能，很難說服工程師從原來的插件封裝方式順利切換到貼片方式?！?由于頂部散熱封裝是一種新的封裝形式，三年前英飛凌在向行業(yè)頭部客戶介紹該技術時，遇到的最大阻力主要來自于生產(chǎn)線上的加工工藝還不能完全適應頂部散熱這一概念。 其中，最需要解決的問題是——在同一個PCB上貼裝很多頂部散熱芯片后，怎么保證這些芯片的高低一致？同一個模具所加工出來的平面散熱片，怎樣才能均勻地貼在這些頂部散熱的芯片上，并且能夠保證它們之間的熱阻基本一致？ 程文濤表示，對此英飛凌花了近兩年時間，通過自己實驗以及一些頭部廠商工程師的配合，逐漸摸索出了一套行之有效的方法。

以用在功率半導體上的頂部散熱芯片為例，一般頂部散熱接觸的電平是處理高壓的MOS管漏極，需要經(jīng)過安全可靠的隔離才能接觸外部設備，這一點與插件式封裝非常類似。但在多個并聯(lián)或并排擺放的頂部散熱芯片方案中，要平均地把熱量傳導出去，目前英飛凌認為最有效的方式是用Gap Filler導熱膠，均勻地把熱傳導到頂部散熱片中。 上圖列出了不同導熱能力的導熱膠所產(chǎn)生的效果。在目前采用頂部散熱方式的大多數(shù)應用中，主要使用的散熱方法是第一層放置隔離片，上面加一層能夠適應公差的導熱膠，讓所有并排擺放的頂部散熱芯片的熱量能夠均勻地傳導到同一個平面散熱片上。此外還有單個芯片所采用的鎖螺絲、銅夾子或焊接散熱片的其他導熱方式，但從加工速度、制造成本和符合安規(guī)要求等角度來講，導熱膠仍是最行之有效的方法。

據(jù)介紹，除了QDPAK和DDPAK，英飛凌還有其它一些頂部散熱的封裝方式，比如TOLT封裝。對于這類貼片的頂部散熱封裝，需要所有的器件都貼在同一個平面的PCB板上，并且出于成本的考量，這些器件需要利用同一塊平面散熱片把熱量均勻地傳導出去。 這時候同樣的器件高度標準至關重要。英飛凌對于頂部及底部散熱功率器件需要的通用封裝厚度的定義是2.3毫米，關于選擇這個厚度的緣由，程文濤表示首先要考慮到頂部散熱的做法不能成為其它非頂部散熱芯片的應用障礙，如果其它非頂部散熱的封裝比較厚，那么頂部散熱的封裝就不能比它薄，否則會產(chǎn)生熱量散不掉的問題，或是需要加很厚的散熱墊。“我們研究了行業(yè)中很多的貼片封裝尺寸，在大部分的非頂部散熱以及頂部散熱封裝共存的情況下，選擇了2.3毫米。這樣的厚度能夠讓足夠多的器件并存在同一塊PCB板上?！?他同時表示，希望通過這次與JEDEC標準組織的互動，能夠使2.3毫米的封裝厚度成為業(yè)界通用標準。

成為JEDEC標準對頂部散熱（TSC）

封裝推廣的重要性

資料顯示，JEDEC組織是總部位于美國的獨立半導體組織和標準化機構，擁有超過300家成員，其中包括計算機公司，他們是諸如TO220和TO247等流行半導體封裝圖紙的來源。注冊成為JEDEC標準之所以對于英飛凌的頂部散熱（TSC）封裝如此重要，主要是因為這樣可以推動TSC封裝在半導體行業(yè)成為標準，為未來的電源技術發(fā)展提供統(tǒng)一解決方案；其次還能為市場提供具有相同尺寸的備選解決方案，幫助客戶加快速度廣泛采用這項技術。 程文濤透露，在功率半導體領域業(yè)界有一個不成文的規(guī)定，“任何一家廠商選定一款功率半導體時，至少要有一個備選方案，也就是Second Source，理想的情況是有三四種備選方案?！?/p>

一種或多種備選方案能夠保障供應的穩(wěn)定性，在生產(chǎn)制造過程中不會因某一家供應商或某個地區(qū)的不可抗因素而導致斷供。如果需要多個備選方案，用戶的直接訴求往往是能直接將一家廠商的器件不加設計或改造地替代另一廠商的器件。這種情況下標準至關重要，如果廠商之間在器件的引腳長度、寬度、中間間隙以及器件厚度等參數(shù)公差上沒有統(tǒng)一標準，做出來的產(chǎn)品會有很大的差異，導致客戶難以直接對器件進行替換。 “JEDEC標準目前在半導體行業(yè)中，是大家公認會采納且免費的標準。一家廠商的技術注冊和認證成為JEDEC標準之后，其他廠商便可以免費從JEDEC標準組織下載這些標準，遵守它所定義的尺寸和公差，就能夠在行業(yè)里聲稱是跟JEDEC標準兼容，不設置專利門檻。

廠家要做的就是制造符合這個業(yè)界通行標準的產(chǎn)品，這樣為產(chǎn)品做推廣時也會更方便，”?程文濤說到。 另外，JEDEC標準組織也讓行業(yè)中的創(chuàng)新想法得到了快速推行。英飛凌的QDPAK和DDPAK，以及一些其它的頂部散熱封裝技術，也正是得益于在JEDEC標準組織中的注冊，推行速度相比于過去幾年越來越快，讓整個半導體行業(yè)從中受益。

編輯：黃飛

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