IC封裝：五個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素

作者：Majeed Ahmad，特約編輯

為了提供更多功能，芯片變得越來(lái)越大，相反，封裝需要以更緊湊的形式容納這些更大的裸片尺寸。這不可避免地需要新的封裝技術(shù)選項(xiàng)，以提高系統(tǒng)效率并降低制造成本。

封裝創(chuàng)新的場(chǎng)所包括更廣泛的電流和電壓額定值、散熱、故障保護(hù)機(jī)制等。本文列出了工程師在評(píng)估其半導(dǎo)體器件的封裝技術(shù)特性時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。

讓我們從通常的疑點(diǎn)開(kāi)始：緊湊的封裝尺寸。

1. 更小的占位面積 IC 封裝現(xiàn)在有望節(jié)省電路板空間，幫助創(chuàng)建更堅(jiān)固的設(shè)計(jì)，并通過(guò)消除一些外部組件來(lái)降低 PCB 組裝成本。因此，像 D 2 PAK 7這樣的 IC 封裝技術(shù)正在被優(yōu)化，以在相同的占位面積和引腳排列中容納最多 20% 的面積增加的芯片。

新的封裝設(shè)計(jì)還提供可互換的引出線選項(xiàng)，以最大限度地提高占地面積并創(chuàng)造更高水平的設(shè)計(jì)靈活性。然后是帶有內(nèi)聯(lián)或之字形引線的封裝，這有助于優(yōu)化電路板空間和所需的引腳分離。

一些用于電池供電設(shè)計(jì)的新封裝也正在開(kāi)發(fā)中，其閾值電壓為邏輯電平。它允許他們直接從微控制器驅(qū)動(dòng)功率元件，如金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。這反過(guò)來(lái)又節(jié)省了電路板空間。

2. 功率密度電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、太陽(yáng)能逆變器和電源等產(chǎn)品對(duì)功率芯片和模塊的需求不斷增長(zhǎng)，這推動(dòng)了在不增加封裝尺寸的情況下提高功率密度的需求。

設(shè)計(jì)人員如何在保持封裝穩(wěn)健性和可靠性的同時(shí)提高功率密度？首先，封裝可以具有更大的引線框面積，從而容納更大的功率芯片，如絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。它還可以降低封裝的熱阻，從而有利于改善散熱。

以意法半導(dǎo)體的新型系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 為例，它在一個(gè)封裝中集成了四個(gè)功率 MOSFET，比同類電路小 60%（圖 1）。PWD13F60 封裝集成了用于功率 MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)器、用于高端驅(qū)動(dòng)的自舉二極管、交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)和欠壓鎖定。

圖 1：意法半導(dǎo)體的 SiP 解決方案針對(duì)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、燈鎮(zhèn)流器、電源、轉(zhuǎn)換器和逆變器。

關(guān)斷電路保護(hù)電源開(kāi)關(guān)，欠壓鎖定可防止低電壓故障。同樣，自舉二極管減少了材料清單 (BOM) 并簡(jiǎn)化了電路板布局。

它顯示了封裝的選擇對(duì)于最大限度地提高能源效率和適應(yīng)廣泛的供應(yīng)范圍至關(guān)重要。在這里，還值得一提的是，封裝的功率密度與熱條件的改善息息相關(guān)。

3. 熱效率封裝的熱行為本質(zhì)上與其可靠性相關(guān)，因?yàn)橄?IGBT 這樣的組件在較低溫度下運(yùn)行會(huì)減少組件上的應(yīng)力。熱特性也會(huì)影響散熱器的尺寸，因?yàn)檩^低的溫度會(huì)轉(zhuǎn)化為較小的散熱器。此外，較低的冷卻要求為設(shè)計(jì)人員提供了更高的功率密度增加余量。

圖 2：英飛凌的功率模塊封裝采用熱界面材料 (TOM)。

有些封裝保留了封裝的占位面積和高效的底部設(shè)計(jì)，同時(shí)將頂部源電極暴露為散熱場(chǎng)所。這會(huì)導(dǎo)致更高的額定電流，進(jìn)而導(dǎo)致更高的功率密度和更小的封裝尺寸。

4. 散熱用于在封裝內(nèi)部創(chuàng)建隔離的傳統(tǒng)方法通常昂貴且難以處理。此外，它們?cè)诠芾?IGBT 等高功率密度組件的散熱方面也存在很大不足。

因此英飛凌推出了一種封裝技術(shù)，稱為 Trenchstop Advanced Isolation。這家德國(guó)芯片制造商聲稱 Trenchstop 封裝技術(shù)可以替代全絕緣封裝 (FullPAK) 以及標(biāo)準(zhǔn)隔離箔。英飛凌將新封裝用于空調(diào)的功率因數(shù)校正 (PFC)、不間斷電源 (UPS) 和電源轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。

圖 3：右側(cè)封裝的散熱量減少了 15%。圖片來(lái)源：英飛凌科技。

此類隔離封裝無(wú)需隔離材料和導(dǎo)熱硅脂，從而使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒔M裝時(shí)間減少多達(dá) 35%。同時(shí)，它通過(guò)消除未對(duì)準(zhǔn)的箔片來(lái)提高可靠性。它還帶來(lái)了一些改進(jìn)，例如比 FullPAK 低 10°C 的溫度。

5. 開(kāi)關(guān)損耗為了提高封裝效率，必須盡量減少開(kāi)關(guān)損耗，尤其是在工業(yè)驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備中工作頻率高達(dá) 20 kHz 的硬開(kāi)關(guān)電路中。此外，可靠的開(kāi)關(guān)和低 EMI 增強(qiáng)了低功率應(yīng)用中的無(wú)散熱器運(yùn)行。

一些封裝解決方案具有額外的 Kelvin 發(fā)射極源引腳，以降低開(kāi)關(guān)損耗（圖 4）。它繞過(guò)了柵極控制回路上的發(fā)射極引線電感，從而提高了組件的開(kāi)關(guān)速度并降低了開(kāi)關(guān)能量。

圖 4：帶有開(kāi)爾文發(fā)射器的封裝可以將動(dòng)態(tài)損耗降低多達(dá) 20%。?圖片來(lái)源：英飛凌科技。

審核編輯 黃昊宇