如何提高LFPAK封裝系列芯片的功率和密度

汽車和工業(yè)應(yīng)用都需要不斷提高功率密度。例如，為了提高安全性，新的汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)現(xiàn)在要求雙冗余電路，這意味著要在相同空間內(nèi)容納雙倍的元器件。再舉一個(gè)例子，在服務(wù)器群中，每平方米都要耗費(fèi)一定成本，用戶通常每18個(gè)月要求相同電源封裝中的輸出功率翻倍。如果分立式半導(dǎo)體供應(yīng)商要應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，不能僅專注于改進(jìn)晶圓技術(shù)，還必須努力提升封裝性能。

總部位于荷蘭的安世半導(dǎo)體是分立器件、MOSFET器件、模擬和邏輯集成電路領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，該公司率先在-功率封裝（LFPAK無損封裝）內(nèi)部采用了全銅夾片芯片貼裝技術(shù)，目的是實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)優(yōu)勢（電流能力、RDSon、熱特性等）。

專為提高功率密度設(shè)計(jì)的LFPAK封裝系列

LFPAK封裝系列用于提高功率密度。其主要特點(diǎn)是在封裝內(nèi)部使用了全銅夾片，在外部使用了鷗翼引腳。安世半導(dǎo)體在2002年率先推出LFPAK56封裝 - 它是一款功率SO8封裝（5mm x 6mm），設(shè)計(jì)用于替代體積更大的DPAK封裝?，F(xiàn)在，該公司提供了一系列不同尺寸的封裝，包含單雙通道MOSFET配置，可涵蓋眾多不同應(yīng)用。最近，安世半導(dǎo)體發(fā)布了LFPAK88，這是一款8mm x 8mm封裝，針對較高功率的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可取代體積更大的D2PAK和D2PAK-7封裝。

圖1：LFPAK分立式MOSFET封裝系列

夾片粘合封裝與焊線封裝：功率密度優(yōu)勢

LFPAK器件的體積小于老式D2PAK和D2PAK-7器件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了功率密度的明顯提升。

圖2：LFPAK88的占位面積小于D2PAK

上圖顯示了LFPAK88的相對占位面積大小，與D2PAK器件相比減小了60%；另外LFPAK88器件的高度更低，因而總體積減小了86%。

LFPAK88之所以能夠?qū)崿F(xiàn)性能和功率密度的提升，是因?yàn)樗捎昧算~夾片封裝技術(shù)，取代了D2PAK和D2PAK7等封裝采用的老式焊線技術(shù)。

圖3：與使用焊線連接的D2PAK與使用銅夾片技術(shù)的LFPAK88

銅夾片技術(shù)的性能優(yōu)勢包括：

1.電流（Amp）

? 焊線是一個(gè)制約因素，它決定了器件能夠處理的電流大小。在使用D2PAK封裝的情況下，使用的焊線的最大直徑為500μm（由于連接的T型柱尺寸）。

? 使用最新Trench 9超級結(jié)40V晶圓，安世半導(dǎo)體能夠放入D2PAK封裝的最大晶圓電流額定值為120A。但是，對于體積更小的LFPAK88封裝，由于不受焊線制約，安世半導(dǎo)體目前能夠放入該封裝的最大晶圓電流額定值為425A。隨著公司以后發(fā)布更大晶圓的產(chǎn)品，此電流額定值還會(huì)提高。［注：這些值來自于測量而并非理論］

2.RDS（on） ［以m?為單位］

? 在D2PAK中使用的三條500μm直徑的焊線增加了MOSFET的總RDS（on）值。

? 例如，在上述兩個(gè)器件中使用相同的Trench 9 40V技術(shù)平臺(tái)，安世半導(dǎo)體目前能夠放入D2PAK的最大晶圓的RDS（on）值為1.2m?。如果使用體積更小的夾片粘合LFPAK88封裝，該值可減少至 0.7m?，這要?dú)w功于它沒有焊線電阻。［注：0.55m?的LFPAK88器件正在T9平臺(tái)上開發(fā)］。

3.寄生源極電感 （nH）

? 在每個(gè)開關(guān)事件中，必須解決寄生源極電感問題，因?yàn)樗鼤?huì)降低效率。在需要高頻率開關(guān)的應(yīng)用中，例如在DC/DC轉(zhuǎn)換器中，這種效率損失會(huì)產(chǎn)生很大影響。

? 源極焊線還會(huì)增加總寄生源極電感，再加上D2PAK的長引腳，電感值達(dá)到5nH。相比之下，由于LFPAK88沒有源極焊線，而且只使用很小的鷗翼引腳，因而電感值僅為1nH。

4.電流/熱量的熱點(diǎn)

? 當(dāng)高電流通過器件時(shí)，它會(huì)集中在焊線連接到晶圓的瓶頸處。這些電流熱點(diǎn)可能導(dǎo)致散熱/質(zhì)量問題。

? 使用LFPAK88，頂部的銅夾片覆蓋了更大區(qū)域，因此不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)。

圖4：D2PAK和LFPAK88的電流密度仿真以及焊線上的熱點(diǎn)

5.熱阻Rth（j-mb） （K/W）

? 與老式封裝相比，LFPAK88具有良好的熱性能。例如，如果我們計(jì)算從晶圓到封裝底部連接至印刷電路板處（從結(jié)到貼裝基底）的熱阻，熱阻值越低越好。

? D2PAK中的最大芯片的熱阻為0.43K/W；LFPAK88的熱阻為0.35K/W。

? 更低的熱阻值主要?dú)w功于傳熱路線更短，漏極銅夾片更?。↙FPAK88的厚度為0.5mm，D2PAK的厚度為1.3mm）

圖5：LFPAK88較薄的漏極散熱片和D2PAK的對比

功率密度1W/mm3

尺寸更小，電流能力更高，RDS（on）值更低，這些優(yōu)勢結(jié)合在一起，使功率密度得以提高，正如表中所總結(jié)（使用相同技術(shù)平臺(tái)來提供相近的性能）

LFPAK88

D2PAK

晶圓技術(shù)

汽車級T9 40V

汽車級T9 40V

產(chǎn)品型號

BUK7S0R7-40H

BUK761R2-40H

體積x*y*z mm3

8mm* 8mm*1.7mm =108.8mm3

10.3mm*15.8mm*4.5mm=732.3mm3

功率I2R = W

（425A）2 * 0.7m? = 126.4W

（120A）2 * 1.2m? = 17.3W

功率密度W/mm3

126.4/108.8 = 1.16 W/mm3

17.3/732.3 = 0.024 W/mm3

LFPAK88與D2PAK比較

功率密度提高48倍

結(jié)論

總而言之，要提高功率密度，不僅需要晶圓技術(shù)的改進(jìn)，還必須利用新的封裝技術(shù)，充分發(fā)揮分立式MOSFET的潛能。LFPAK全銅夾片封裝系列增強(qiáng)了晶圓的性能表現(xiàn)，能夠幫助我們減小占位面積，提高功率輸出。