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當(dāng)前，低碳化和數(shù)字化正推動(dòng)電源管理技術(shù)朝著全新趨勢(shì)大步邁進(jìn)，提高效率、減輕設(shè)備重量、提高功率密度以及為電動(dòng)汽車(chē)提高續(xù)航里程，都是大家在日常中共同關(guān)心的話題。在半導(dǎo)體行業(yè)中的相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，功率半導(dǎo)體、模擬半導(dǎo)體和數(shù)字半導(dǎo)體技術(shù)的演進(jìn)都圍繞著低碳化發(fā)展，例如數(shù)字芯片工藝節(jié)點(diǎn)一路演進(jìn)，功率半導(dǎo)體的演進(jìn)主要是在晶圓部分，不斷向更小的芯片尺寸和更低的導(dǎo)通阻抗發(fā)展。
以硅基功率半導(dǎo)體為例，在Figure Of Merit系數(shù)（簡(jiǎn)稱FOM值）上，高壓超結(jié)（Super Junction）技術(shù)基本上已經(jīng)達(dá)到其物理極限，在此情況下要繼續(xù)把導(dǎo)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(gè)努力，就是在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織注冊(cè)的頂部散熱封裝技術(shù)（TSC）?！?在近日舉行的一場(chǎng)媒體溝通會(huì)上，英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)應(yīng)用市場(chǎng)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(shí)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(dǎo)體也都仰仗更新的封裝技術(shù)，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(yīng)用市場(chǎng)總監(jiān)?程文濤
頂部散熱封裝的發(fā)展和優(yōu)勢(shì)
頂部散熱（TSC）封裝 QDPAK和 DDPAK的前身，其實(shí)是大家熟悉的DPAK（TO252）封裝。QDPAK大致相當(dāng)于4個(gè)DPAK并排，DDPAK則是兩個(gè)DPAK并排（Double DPAK），這類(lèi)封裝的主要優(yōu)勢(shì)在于：
滿足更大功率需求：優(yōu)化利用電路板空間，采用開(kāi)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(shí)現(xiàn)最高電路板利用率；
提高效率：?經(jīng)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)具有低電阻和超低寄生電感，可實(shí)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(shù)在用戶層面能夠解決的問(wèn)題包括，讓整個(gè)裝配過(guò)程步驟變少，自動(dòng)化制造流程更簡(jiǎn)潔，最終在下游廠商端實(shí)現(xiàn)包括PCB數(shù)量、層級(jí)和板間連接器用量減少，帶來(lái)裝配及整體系統(tǒng)成本大幅降低。 優(yōu)化MOSFET應(yīng)用需要盡可能降低系統(tǒng)熱阻（Rthja），同時(shí)實(shí)現(xiàn)最高結(jié)溫（Tj）。如此一來(lái)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(dǎo)體行業(yè)的讀者應(yīng)該還有印象，10年前的大功率應(yīng)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(lèi)插件封裝的優(yōu)勢(shì)在于，在當(dāng)時(shí)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(yīng)用場(chǎng)景中。
但隨著數(shù)據(jù)中心、4G及5G無(wú)線通信宏基站等設(shè)備對(duì)于功率密度的要求越來(lái)越高，設(shè)備尺寸越做越小，開(kāi)始要求電源應(yīng)用的電路板設(shè)計(jì)中采用更少或不用獨(dú)立散熱片，同時(shí)把更多的熱量均勻地散發(fā)到整個(gè)設(shè)備之外。 ? ? 貼片化是從帶獨(dú)立散熱片的插件封裝，走向更高功率散熱的第一步。但這對(duì)于緊貼PCB表面的貼裝器件（SMD）來(lái)說(shuō)，很難做到。 “這是兩個(gè)很矛盾的需求，尤其在最近的5年之內(nèi)越來(lái)越凸顯。我們用了很長(zhǎng)時(shí)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(dá)成共識(shí)，就是頂層散熱才是解決這個(gè)矛盾的根本途徑?！?程文濤說(shuō)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(dǎo)出去。這樣做的壞處是需要耗費(fèi)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(huì)形成一個(gè)熱點(diǎn)，給PCB帶來(lái)很大壓力。 ? 目前業(yè)界常用的PCB材質(zhì)均為FR4，這類(lèi)材質(zhì)在業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合均勻地將更多熱量傳遞出去是個(gè)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(lái)給用戶帶來(lái)的好處是，在同樣的散熱面積下，設(shè)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(yīng)用市場(chǎng)
其實(shí)利用芯片頂部層散熱的方式，在早期的手機(jī)充電器中已經(jīng)有嘗試，當(dāng)時(shí)的做法有的靠灌膠，有的靠通過(guò)塑料封裝將熱量傳導(dǎo)到機(jī)殼上。可以說(shuō)頂部散熱方式覆蓋的功率段范圍相當(dāng)廣泛。而英飛凌提供的這類(lèi)頂部帶銅箔的頂部散熱封裝在功率約為200-300W的應(yīng)用場(chǎng)景中，就開(kāi)始凸顯其價(jià)值了，采用該封裝方式，可以實(shí)現(xiàn)取消獨(dú)立散熱片，或替代插件器件；而一般功率在1000W時(shí)，頂部帶裸銅的頂部散熱封裝就是一個(gè)必選項(xiàng)。 程文濤舉例到，在5G或通信領(lǐng)域，目前基站基本都是無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，與手機(jī)充電器的環(huán)境類(lèi)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(wú)法有效、均勻地把熱量傳導(dǎo)到外殼上。第二個(gè)主要場(chǎng)景是數(shù)據(jù)中心，從最近火爆的ChatGPT可以看到人類(lèi)對(duì)數(shù)據(jù)無(wú)止境的需求增長(zhǎng)是近似指數(shù)級(jí)的，在這種情況下對(duì)電源轉(zhuǎn)換的效率，以及對(duì)同樣機(jī)房尺寸中能夠安裝的設(shè)備數(shù)量提出了更高要求。 還有一種應(yīng)用場(chǎng)景是新能源汽車(chē)，目前為了滿足電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)要求，業(yè)界在不斷增加功率半導(dǎo)體能效的同時(shí)，還致力于減少它所占用的PCB面積，這時(shí)候?qū)β拭芏鹊囊笠埠芨?。頂部散熱能夠幫助工程師在設(shè)計(jì)新能源汽車(chē)時(shí)，把更多空間留給電池動(dòng)力部分。 據(jù)悉英飛凌在這幾個(gè)領(lǐng)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(jiàn)，基于這個(gè)考量標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)現(xiàn)了對(duì)等。
行業(yè)整體接受度如何？
“在頂部層散熱芯片剛剛開(kāi)始推行的時(shí)候，主要的質(zhì)疑來(lái)自于行業(yè)里電源領(lǐng)域的工程師，因?yàn)樗麄冎白钚刨嚨摹⒛軌蛴行岬姆庋b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(duì)等?！?程文濤回憶到，“這也是我們研發(fā)QDPAK和DDPAK時(shí)的主要考量——對(duì)標(biāo)TO220和TO247。在同樣的功率等級(jí)以及更高功率密度的情況下，如果QDPAK和DDPAK沒(méi)有更好的效能，很難說(shuō)服工程師從原來(lái)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(shù)時(shí)，遇到的最大阻力主要來(lái)自于生產(chǎn)線上的加工工藝還不能完全適應(yīng)頂部散熱這一概念。 其中，最需要解決的問(wèn)題是——在同一個(gè)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(gè)模具所加工出來(lái)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(duì)此英飛凌花了近兩年時(shí)間，通過(guò)自己實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(guò)安全可靠的隔離才能接觸外部設(shè)備，這一點(diǎn)與插件式封裝非常類(lèi)似。但在多個(gè)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(dǎo)出去，目前英飛凌認(rèn)為最有效的方式是用Gap Filler導(dǎo)熱膠，均勻地把熱傳導(dǎo)到頂部散熱片中。 上圖列出了不同導(dǎo)熱能力的導(dǎo)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(yīng)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(yīng)公差的導(dǎo)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(dǎo)到同一個(gè)平面散熱片上。此外還有單個(gè)芯片所采用的鎖螺絲、銅夾子或焊接散熱片的其他導(dǎo)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(lái)講，導(dǎo)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(duì)于這類(lèi)貼片的頂部散熱封裝，需要所有的器件都貼在同一個(gè)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(dǎo)出去。 這時(shí)候同樣的器件高度標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。英飛凌對(duì)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(guān)于選擇這個(gè)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(yīng)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(huì)產(chǎn)生熱量散不掉的問(wèn)題，或是需要加很厚的散熱墊?！拔覀冄芯苛诵袠I(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(shí)表示，希望通過(guò)這次與JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織的互動(dòng)，能夠使2.3毫米的封裝厚度成為業(yè)界通用標(biāo)準(zhǔn)。
成為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(guó)的獨(dú)立半導(dǎo)體組織和標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，擁有超過(guò)300家成員，其中包括計(jì)算機(jī)公司，他們是諸如TO220和TO247等流行半導(dǎo)體封裝圖紙的來(lái)源。注冊(cè)成為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)之所以對(duì)于英飛凌的頂部散熱（TSC）封裝如此重要，主要是因?yàn)檫@樣可以推動(dòng)TSC封裝在半導(dǎo)體行業(yè)成為標(biāo)準(zhǔn)，為未來(lái)的電源技術(shù)發(fā)展提供統(tǒng)一解決方案；其次還能為市場(chǎng)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(xiàng)技術(shù)。 程文濤透露，在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域業(yè)界有一個(gè)不成文的規(guī)定，“任何一家廠商選定一款功率半導(dǎo)體時(shí)，至少要有一個(gè)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(yīng)的穩(wěn)定性，在生產(chǎn)制造過(guò)程中不會(huì)因某一家供應(yīng)商或某個(gè)地區(qū)的不可抗因素而導(dǎo)致斷供。如果需要多個(gè)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(shè)計(jì)或改造地替代另一廠商的器件。這種情況下標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，如果廠商之間在器件的引腳長(zhǎng)度、寬度、中間間隙以及器件厚度等參數(shù)公差上沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，做出來(lái)的產(chǎn)品會(huì)有很大的差異，導(dǎo)致客戶難以直接對(duì)器件進(jìn)行替換。 “JEDEC標(biāo)準(zhǔn)目前在半導(dǎo)體行業(yè)中，是大家公認(rèn)會(huì)采納且免費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)。一家廠商的技術(shù)注冊(cè)和認(rèn)證成為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)之后，其他廠商便可以免費(fèi)從JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織下載這些標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)兼容，不設(shè)置專利門(mén)檻。
廠家要做的就是制造符合這個(gè)業(yè)界通行標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，這樣為產(chǎn)品做推廣時(shí)也會(huì)更方便，”?程文濤說(shuō)到。 另外，JEDEC標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，也正是得益于在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織中的注冊(cè)，推行速度相比于過(guò)去幾年越來(lái)越快，讓整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)從中受益。
編輯：黃飛
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