英飛凌為車載充電器應(yīng)用頂側(cè)冷卻開發(fā)未來解決方案

最大限度地提高功率密度是電動(dòng)汽車車載充電器（OBC）設(shè)計(jì)師的一個(gè)重要目標(biāo)，較輕的充電器可以減輕汽車整體重量，從而有助于擴(kuò)大續(xù)航里程。而提高效率則是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的關(guān)鍵，眾所周知，在這方面碳化硅（SiC）器件具有比硅器件更大的優(yōu)勢(shì)。提高效率的其它重要因素還包括器件封裝和冷卻，這些因素不太為業(yè)界所重視，但在實(shí)現(xiàn)更高功率密度的OBC設(shè)計(jì)方面發(fā)揮著越來越重要作用。
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為了幫助設(shè)計(jì)師從通孔技術(shù)順利過渡到表面安裝技術(shù)，英飛凌開發(fā)了雙DPAK（DDPAK）和四DPAK（QDPAK）SiC器件，這些器件采用頂部冷卻（TSC），以提供與通孔器件類似的熱性能，但具有均勻封裝高度的額外優(yōu)勢(shì)。本文回顧了這些器件的熱優(yōu)勢(shì)，討論了這種創(chuàng)新封裝技術(shù)的未來應(yīng)用潛力，對(duì)封裝上與封裝內(nèi)直接銅連接（DCB）器件的熱性能進(jìn)行了概念比較，并展示了引線框芯片封裝如何能夠使用擴(kuò)散焊接（diffusion soldering）進(jìn)行管芯連接，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是比傳統(tǒng)焊接更薄，并具有更優(yōu)越的熱性能。
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頂部冷卻優(yōu)于底部冷卻

盡管TO-247和TO-220等通孔器件（THD）封裝仍被廣泛用于許多場(chǎng)景，但它們卻帶來了制造成本較高等缺點(diǎn)，并且在被焊接到印刷電路板（PCB）的下側(cè)之前需要手動(dòng)插入到印刷電路板。由于這些原因，THD越來越多地被表面安裝器件（SMD）所取代，SMD的放置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并具有更高的產(chǎn)出率和更高的可靠性。
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SMD封裝以兩種方式散熱：底部冷卻（BSC）或頂部冷卻。雖然BSC和TSC封裝都可以使用自動(dòng)拾取和安裝設(shè)備進(jìn)行組裝。D2PAK和DPAK等BSC封裝器件是將管芯產(chǎn)生的熱量向下傳導(dǎo)至PCB板安裝器件的底部，相比之下，TSC具有一些優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)镻CB并沒有針對(duì)非常高的熱傳導(dǎo)進(jìn)行優(yōu)化，會(huì)針對(duì)BSC器件產(chǎn)生較大的實(shí)質(zhì)性熱障，意味著需要額外的熱過孔來使多余的熱量安全消散（圖1a）。
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這種方法的一個(gè)負(fù)面后果是，它會(huì)使PCB布線更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)镻CB板的較大面積被用于布置散熱元件。絕緣金屬基板（IMS）板（圖1b）可以改進(jìn)BSC器件的熱性能，但這些器件比傳統(tǒng)FR4 PCB更加昂貴。
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圖1：底部冷卻需要使用熱孔或IPS板進(jìn)行散熱。

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在TSC器件中，半導(dǎo)體管芯產(chǎn)生的熱量被提取到封裝頂部，封裝有一個(gè)裸露焊盤，冷板（散熱器）連接在焊盤上，如圖2所示。
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圖2：采用頂部冷卻的半導(dǎo)體器件。

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使用這種方式，熱阻可降低35%，并且散熱通路與PCB上的電連接互不影響。這一點(diǎn)意義重大，因?yàn)樗?a target="_blank">PCB設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、更靈活，并能夠?qū)崿F(xiàn)更小的PCB面積、更高的功率密度和更低的電磁干擾（EMI）等額外好處。此外，由于熱性能得到改善，因此不需要進(jìn)行PCB板堆疊，也不必將FR4和IMS板組合在一起，單個(gè)FR4就足以容納所有組件，并且只需要更少量的連接器。
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這些特性可減少總體物料清單（BOM），從而最終降低總體系統(tǒng)成本。除了改進(jìn)的熱和功率性能外，TSC技術(shù)還能夠提供優(yōu)化的功率回路設(shè)計(jì)，從而提高可靠性。由于驅(qū)動(dòng)器可以放置在離電源開關(guān)很近的地方，實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)完全可能。驅(qū)動(dòng)器開關(guān)的低雜散電感還能夠減少環(huán)路寄生信號(hào)影響，這意味著柵極上的振鈴更少，性能更高，故障風(fēng)險(xiǎn)更低。
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英飛凌為許多功率器件開發(fā)了DDPAK和QDPAK SMD封裝，包括CoolSiCTMG6肖特基二極管系列、與650V SI SJ CoolMOSTM配合的新型750V和1200V SiC MOSFET系列。這些新器件具有基本類似的熱性能，但電氣性能卻優(yōu)于THD器件。具有高電壓和低電壓選項(xiàng)的QDPAK和DDPAK SMD TSC封裝的標(biāo)準(zhǔn)高度為2.3 mm，這意味著可以使用具有相同高度的組件來設(shè)計(jì)車載充電器（OBC）和DC-DC轉(zhuǎn)換器等完整應(yīng)用。與基于3D冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)有解決方案相比，降低了冷卻成本。
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探索TSC的未來潛力

通過使用Al2O3襯底作為TSC隔離的直接銅連接，將導(dǎo)致出現(xiàn)目前TSC器件的一個(gè)附加特性。直接銅連接可能位于器件封裝內(nèi)部，如圖3所示。這種方法的一個(gè)限制是需要芯片互連進(jìn)行適應(yīng)，需要厚度約為50μm的管芯連接。此外，器件熱性能也會(huì)受到DCB熱性能限制。
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圖3：TSC隔離目前可通過使用封裝內(nèi)DCB實(shí)現(xiàn)。

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英飛凌提出了一種創(chuàng)新的封裝上DCB（DCB-on-package）來實(shí)現(xiàn)TSC的方式，其中半導(dǎo)體管芯保持直接連接到引線框架，這種方式可提供多個(gè)熱性能優(yōu)勢(shì)。
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首先，將管芯直接連接到封裝內(nèi)的引線框可提供額外的散熱能力。其次，在封裝上連接DCB可消除芯片互連和再分配的適應(yīng)性。最后，由于不再使用傳統(tǒng)焊接，而是通過擴(kuò)散焊接用于管芯連接，這樣做優(yōu)勢(shì)明顯，可使管芯連接材料的厚度從大約50μm顯著減小到僅大約1.2μm。
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圖4：使用封裝上的DCB實(shí)現(xiàn)TSC隔離。

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擴(kuò)散焊接對(duì)管芯連接的好處

由于SiC具有非常高性能，SiC管芯通常非常?。ㄍǔＶ挥袔譵m2）。使用傳統(tǒng)的焊料將如此小的管芯附接到封裝需要良好的工藝控制，因?yàn)楹噶系蔚谋砻婺芰繒?huì)導(dǎo)致管芯傾斜，并且這種影響隨后會(huì)阻礙引線接合工藝。
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因?yàn)楹噶显谂c基板接觸之前不會(huì)熔化，通過使用擴(kuò)散焊接可以避免這種復(fù)雜情況出現(xiàn)。這種方法還允許在單個(gè)引線框上組裝多個(gè)管芯，因?yàn)楹竺娴募訜岵襟E不會(huì)影響初始管芯的放置精度。由于焊料不會(huì)發(fā)生重熔，所以不會(huì)出現(xiàn)表面張力引起的管芯位移。此外，該技術(shù)允許優(yōu)化器件尺寸，因?yàn)楹噶蠑D出較少，可實(shí)現(xiàn)更高的封裝密度。如圖4所示，由于擴(kuò)散焊料優(yōu)異的材料特性和更小的接合線厚度，減少器件的焊料量能夠顯著改善熱傳導(dǎo)性能。
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圖5：使用傳統(tǒng)焊料（a）和擴(kuò)散焊料（b）的管芯連接橫截面，擴(kuò)散焊接減小了接合線厚度。在傳統(tǒng)焊料（a）中，焊料不均勻，導(dǎo)致管芯傾斜。

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測(cè)量表明，與使用傳統(tǒng)焊料相比，肖特基二極管結(jié)和封裝引線框之間的熱阻降低了約40%（參見圖6）。這種熱性能的顯著提高意味著對(duì)于給定芯片面積，可以提高最大靜態(tài)電流額定值，從而允許更高的最大功耗。
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圖6：不同占空比下瞬態(tài)熱阻（ZthjC）與脈沖長(zhǎng)度（tp）的關(guān)系曲線。常規(guī)焊料的數(shù)據(jù)用紅色表示，擴(kuò)散焊料的數(shù)據(jù)以綠色表示。

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熱模擬結(jié)果

為了評(píng)估上述新封裝架構(gòu)的性能，英飛凌對(duì)4mm2和14mm2大小SiC管芯進(jìn)行了理論仿真，比較了封裝內(nèi)DCB與封裝上DCB方法的熱性能與所施加電流脈沖關(guān)系。圖7和圖8中的時(shí)間分辨仿真表明，封裝上DCB與封裝內(nèi)DCB相比，會(huì)提供更好的熱性能，使其能夠承受更大電流（最大和/或脈沖）。
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圖7：14mm2 SiC管芯封裝內(nèi)DCB與封裝上DCB的熱性能模擬。
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圖8： 4mm2SiC管芯封裝內(nèi)DCB與封裝上DCB的熱性能模擬。

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結(jié)論

功率密度最大化是電動(dòng)汽車OBC設(shè)計(jì)師的一個(gè)重要目標(biāo)，而器件封裝和冷卻機(jī)制對(duì)于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)則越來越重要。為了滿足OBC設(shè)計(jì)師的要求，英飛凌已經(jīng)在提供具有統(tǒng)一高度的器件，例如TSC DDPAK和QDPAK封裝器件，包括CoolSiC?G6 肖特基二極管，750V、1200V CoolSiCTM MOSFET和650V Si SJ CoolMOSTM等產(chǎn)品。
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雖然這些器件旨在滿足當(dāng)前的設(shè)計(jì)要求，但英飛凌也一直在展望未來，尋求進(jìn)一步改進(jìn)TSC的新方法。本文探討了封裝上DCB的創(chuàng)新概念，并給出了仿真結(jié)果，表明這種技術(shù)有潛力實(shí)現(xiàn)更緊湊、更靈活，并具有更高熱性能的器件。
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