半導(dǎo)體器件評(píng)估封裝技術(shù)特性時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素

為了提供更多的功能，芯片變得越來越大，但是相反，封裝卻被要求以更小的尺寸來容納這些更大尺寸的裸片。這就不可避免地要求，新的候選封裝技術(shù)既能提高系統(tǒng)效率又能降低制造成本。

封裝創(chuàng)新涉及的領(lǐng)域包括更廣泛的額定電流和額定電壓、散熱及故障保護(hù)機(jī)制等。本文列出了工程師在為半導(dǎo)體器件評(píng)估封裝技術(shù)特性時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。

我們從最通常的疑惑開始：小型的封裝尺寸。

1. 更小的封裝尺寸

現(xiàn)在，我們希望IC封裝能夠節(jié)省電路板空間，幫助實(shí)現(xiàn)更堅(jiān)固的設(shè)計(jì)，并通過省去一些外部元器件來降低PCB的組裝成本。因此，業(yè)界正在對(duì)諸如D2PAK 7的IC封裝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期以相同的尺寸和引出線容納面積增加高達(dá)20%的裸片。

新的封裝設(shè)計(jì)還提供了可互換引出線選擇，從而最大限度地利用尺寸，并提供更大的設(shè)計(jì)靈活性。然后是直插或曲插引腳式封裝，這有助于優(yōu)化電路板空間和所需的引腳分離。

業(yè)界也正在開發(fā)一些閾值電壓在邏輯電平、面向電池供電設(shè)計(jì)的新封裝，這樣的封裝使微控制器可以直接驅(qū)動(dòng)諸如MOSFET的功率器件。此舉也相應(yīng)節(jié)省了電路板空間。

2. 功率密度

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、太陽能逆變器和電源等等產(chǎn)品對(duì)功率芯片和模塊的需求在不斷增長，這拉動(dòng)了在不增加封裝尺寸的條件下對(duì)更高功率密度的需求。

設(shè)計(jì)師如何在保持封裝魯棒性和可靠性的同時(shí)，提高功率密度？首先，封裝可以采用更大的引線框架面積，從而可以容納諸如IGBT的更大的功率芯片。這也實(shí)現(xiàn)了較低的封裝熱阻，而有利于改善散熱。

以意法半導(dǎo)體（ST）的新系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）PWD13F60為例，它將4個(gè)功率MOSFET集成在了比同類電路小60%的封裝內(nèi)（圖1）。PWD13F60封裝集成了面向功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器、面向上側(cè)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，面向工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、燈鎮(zhèn)流器、電源、轉(zhuǎn)換器和逆變器應(yīng)用。

關(guān)斷電路可保護(hù)功率開關(guān)，欠壓鎖定可防止低壓故障。同樣，自舉二極管可減少物料清單（BOM），簡化電路板布局。

它表明了封裝選擇對(duì)于最大限度地提高能效和適應(yīng)廣泛的供電電壓范圍為何至關(guān)重要。在此，還值得指出的是，封裝的功率密度與散熱條件的改善相輔相成。

3. 散熱效率

由于像IGBT這樣的器件工作在較低溫度可減小器件上的應(yīng)力，因此封裝的散熱性能與其可靠性存在內(nèi)在聯(lián)系（圖2）。由于溫度較低所需的散熱器尺寸就不大，因此散熱特性也會(huì)影響散熱器大小。此外，冷卻要求的降低也為設(shè)計(jì)者在增加功率密度方面留有更大余地。

圖2：英飛凌的功率模塊封裝采用了熱接口材料（TIM）。

有些封裝保留了封裝的尺寸和高散熱效率的底部設(shè)計(jì)，同時(shí)將頂部源極裸露作為散熱區(qū)。此舉可實(shí)現(xiàn)更高的額定電流值，從而實(shí)現(xiàn)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)部產(chǎn)生隔離的常規(guī)方法通常既昂貴又難以處理。而且，它們遠(yuǎn)不足以管理IGBT等高功率密度器件的散熱。

因此，英飛凌推出了一種叫做Trenchstop高級(jí)隔離的封裝技術(shù)（圖3）。這家德國芯片廠家稱，Trenchstop封裝技術(shù)可以取代全隔離封裝（FullPAK）以及標(biāo)準(zhǔn)隔離箔。英飛凌將這種新封裝定位于面向空調(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)封裝的發(fā)熱量減少了15%。

這種隔離封裝不再需要隔離材料和導(dǎo)熱硅脂，從而使設(shè)計(jì)人員能將裝配時(shí)間縮短高達(dá)35%。同時(shí)，因?yàn)椴淮嬖诟綦x箔未對(duì)齊的情況，所以它還提高了可靠性。這也實(shí)現(xiàn)了比FullPAK工作溫度低10℃的改進(jìn)。

5. 開關(guān)損耗

特別是對(duì)像工業(yè)驅(qū)動(dòng)器等器件中工作頻率高達(dá)20kHz的硬開關(guān)電路，為提高封裝效率，減少開關(guān)損耗勢在必行。此外，可靠的開關(guān)和低EMI增強(qiáng)了小功率應(yīng)用中的無散熱器工作。

為降低開關(guān)損耗，一些封裝解決方案采用了額外的開爾文發(fā)射極電源引腳（圖4）。它旁路了柵極控制回路的發(fā)射極引線電感，從而提高了器件的開關(guān)速度，降低了開關(guān)能量。

圖4：具有開爾文發(fā)射極的封裝可將動(dòng)態(tài)損耗降低20%。