滿足數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器SMPS趨勢的封裝和散熱解決方案

基于云的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、人工智能和加密貨幣的出現(xiàn)引發(fā)了全球數(shù)據(jù)中心處理能力的強(qiáng)勁增長。再加上不斷上漲的電力和房地產(chǎn)價(jià)格，這一趨勢對高效緊湊的服務(wù)器電源產(chǎn)生了明顯的需求。

為了達(dá)到所需的更高功率密度，必須考慮以下三個(gè)主要因素：

提高效率以在給定體積內(nèi)保持可接受的總功率損耗。這推動(dòng)了向新拓?fù)浜图夹g(shù)的過渡。一個(gè)很好的例子是從傳統(tǒng)的硅經(jīng)典升壓 PFC 過渡到氮化鎵/碳化硅圖騰柱 PFC。

改進(jìn)的封裝和散熱解決方案，可以將功率從器件結(jié)消散到散熱器和環(huán)境中。這在作為高密度轉(zhuǎn)換器主要推動(dòng)力的小型表面貼裝器件 (SMD) 封裝中變得更具挑戰(zhàn)性。

優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開關(guān)頻率可在不違反效率要求或溫升限制的情況下實(shí)現(xiàn)最大密度。這導(dǎo)致開關(guān)頻率增加，推動(dòng)了從傳統(tǒng)封裝和散熱解決方案向新封裝和散熱解決方案的轉(zhuǎn)變。

通常，最先進(jìn)的高效電源由無橋 PFC 級（如圖騰柱級）和諧振 DC/DC 級（如 LLC 轉(zhuǎn)換器）組成（見圖 1）。服務(wù)器電源的示例規(guī)格是V in = 180–277 V，V out = 48 V，P out = 3 kW。

圖 1：包含圖騰柱 PFC 和 LLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器的服務(wù)器電源

為了量化效率和功率密度之間可實(shí)現(xiàn)的性能折衷，應(yīng)用了帕累托優(yōu)化方法。該方法系統(tǒng)地考慮了不同轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的所有可用自由度。通過采用詳細(xì)的系統(tǒng)和組件模型，它可以確定位于帕累托前沿的最佳設(shè)計(jì)。效率是針對額定輸出功率的 50% 計(jì)算的，包括 PFC 和 LLC 級損耗。

計(jì)算了整個(gè)服務(wù)器供電系統(tǒng)的帕累托前沿，優(yōu)化結(jié)果如圖 2 所示。該圖表明，對于中等功率密度（~40 W/ in.3 ） ，效率可以達(dá)到接近 98.2% ，而設(shè)計(jì)超過 80 瓦/英寸。3的效率低于 97.5%。該圖中的另一個(gè)重要觀察結(jié)果是更高密度設(shè)計(jì)所需的 LLC 級的更高開關(guān)頻率。這些觀察結(jié)果證實(shí)了封裝以更高的頻率和更高的效率運(yùn)行的必要性。

圖 2：顯示效率與密度的整個(gè)服務(wù)器電源的優(yōu)化結(jié)果，以及最佳 LLC 級頻率

SMPS 拓?fù)渲惺褂玫?SMD 封裝

英飛凌提供更廣泛的底部冷卻 (BSC) 和頂部冷卻 (TSC) 封裝產(chǎn)品組合，可滿足服務(wù)器開關(guān)電源 (SMPS) 應(yīng)用中更高功率和更高密度的趨勢。本節(jié)討論并比較了與組裝、熱性能和電氣寄生等主題相關(guān)的不同封裝。

BSC 和 TSC 包的組裝實(shí)現(xiàn)

底部冷卻

圖 3 和圖 4 顯示了 BSC 和 TSC 的主要冷卻概念。在這兩種情況下，SMD 封裝通常通過回流焊接工藝安裝在 PCB 上。對于 BSC，主要熱通量從封裝底部的器件散熱器（外露焊盤）通過 PCB 引導(dǎo)到安裝在 PCB 另一側(cè)的外部散熱器。因此，在使用基于 FR4 的 PCB 時(shí)，需要在封裝下方和穿過 PCB 的熱通孔進(jìn)行熱傳遞。在 PCB 的背面，外部散熱器安裝在帶有散熱孔的區(qū)域。散熱器和 PCB 通過熱界面材料 (TIM) 進(jìn)行電氣隔離。很多時(shí)候，厚度在 100–500 μm 范圍內(nèi)的箔用作 TIM，在最好的情況下，它具有良好的熱導(dǎo)納 (λ)。理想情況下，這會(huì)導(dǎo)致低熱阻抗（Zthja ) 用于整個(gè)系統(tǒng)。

圖 3：使用底部冷卻的示例解決方案

圖 4：使用頂部冷卻的示例解決方案

PCB 具有一定的厚度，受電路設(shè)計(jì)所需的銅層數(shù)量和熱通孔密度限制的影響。因此，與器件散熱器提供的熱傳遞面積相比，通過 PCB 進(jìn)行熱傳遞的有效橫截面積減小了。這是第一個(gè)瓶頸。第二個(gè)瓶頸是 TIM，其 λ 比器件散熱器和外部散熱器低得多。

在某些情況下，用絕緣金屬基板 (IMS) 替換基于 FR4 的基板可以在不超過最大器件或 PCB 溫度的情況下獲得更高的熱通量。特別是對于單層 PCB 設(shè)計(jì)，既不需要熱通孔也不需要額外的 TIM。由于電路板的鋁芯用作散熱器，因此可以節(jié)省外部散熱器。然而，雖然 Z thja降低了，但板上溫度循環(huán)次數(shù) (TCoB) 也減少了，特別是對于無鉛 SMD 封裝，如TO-leadless (TOLL)或 ThinPAK，由剛性基于 IMS 的 PCB 與更靈活的 PCB 相比引起基于 FR4 的 PCB。

頂部冷卻

在 TSC 封裝中，封裝頂部的器件散熱器通過 TIM 直接連接到外部散熱器（圖 4）。在這種情況下，沒有熱量通過 PCB 和熱過孔，因此從總熱阻抗中消除了它們的熱阻抗。這導(dǎo)致增強(qiáng)的導(dǎo)熱性和更高的封裝最大功耗。

此外，TSC 封裝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是相對 PCB 側(cè)的空閑區(qū)域可用于放置其他器件，例如柵極驅(qū)動(dòng)器和無源元件，以及封裝體正下方的信號路由空間。

為獲得良好的熱界面，建議在 TSC 器件上用一定的力按壓散熱片。對于具有正封裝支座的引線 SMD 封裝（圖 5，左），該力和其他溫度循環(huán)引起的力被封裝引線吸收，從而在 QDPAK 的情況下產(chǎn)生 2,000 次循環(huán)的非常好的TCoB。6

如果出現(xiàn)負(fù)封裝間距（圖 5，右圖），PCB 設(shè)計(jì)需要考慮其他因素，以避免系統(tǒng)可靠性問題，這可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的額外工作量和復(fù)雜性。負(fù)封裝支架具有降低 Z thja的優(yōu)勢，因?yàn)樗档土朔庋b高度公差，從而導(dǎo)致更薄的 TIM 厚度。然而，當(dāng)考慮 PCB 翹曲等其他容差時(shí)，特別是對于較大的 PCB 尺寸和使用公共散熱器的多個(gè)功率器件，負(fù)封裝支架的熱優(yōu)勢變得不那么重要了。

圖 5：標(biāo)準(zhǔn)正封裝支架（左）和負(fù)封裝支架（右）。封裝體下方的銅焊盤有利于作為明確高度的機(jī)械支撐和在負(fù)支架情況下的高板級可靠性。2

對于常見的散熱器方法，圖 6 示意性地顯示了器件和散熱器之間的 TIM 堆棧，在本示例中由絕緣箔和間隙填充物組成。間隙填充物用于補(bǔ)償設(shè)備、散熱器和 PCB 相關(guān)的制造公差。僅使用間隙填充物進(jìn)行傳熱，必須確保設(shè)備和外部散熱器之間的可靠絕緣。此外，間隙填充材料必須滿足必要的擊穿等級，并且需要防止在 PCB 組裝過程中間隙填充內(nèi)的封閉顆?；驓饪?。一般來說，PCB 組裝的清潔制造環(huán)境可以降低系統(tǒng)制造過程中因污染而導(dǎo)致系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 6：外部散熱片和器件之間的電氣隔離箔和填縫劑

為了進(jìn)一步提高 TSC 的 Z thja和動(dòng)態(tài)功耗，中間散熱器的實(shí)施是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，如圖 7 所示。這個(gè)額外的散熱器的熱容量可以將額外的熱量存儲(chǔ)一段時(shí)間（幾秒鐘）并將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到公共散熱器和環(huán)境中。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為了改進(jìn)系統(tǒng) Z thja ，也可以移除公共散熱器和 TIM ，其中散熱器是主散熱器并由風(fēng)扇氣流直接冷卻。

圖 7：單器件散熱器安裝6

熱性能

圖 8 顯示了考慮采用強(qiáng)制風(fēng)冷的基于 FR4 的 PCB 設(shè)計(jì)的選定通孔器件 (THD)、BSC SMD 和 TSC SMD 封裝的Z thja時(shí)間相關(guān)圖。假設(shè)所有顯示封裝內(nèi)的相同器件具有相同的功率損耗。將基于 FR4 的 PCB 上的 DDPAK（TSC 封裝）與 TO263（BSC 封裝）進(jìn)行比較，DDPAK的 Z thja降低了 60% ，盡管這兩種封裝的有效冷卻面積非常相似。DDPAK 繞過了瓶頸“熱通孔”，如前一節(jié)所述。該圖還表明，頂部封裝可以實(shí)現(xiàn)與 THD 相當(dāng)?shù)?Z thja值。

圖 8：強(qiáng)制對流下多個(gè)封裝的典型瞬態(tài)熱阻抗結(jié)環(huán)境 (Z thja )

圖例表明，使用具有相當(dāng)高 λ 的薄層隔離材料是實(shí)現(xiàn)良好 Z thja結(jié)果的關(guān)鍵。除此之外，使用具有更高 λ 的間隙填充物和隔離箔將導(dǎo)致所示的 TSC 封裝提供比 THD 更低的Z thja的情況。

高頻操作中的低電感寄生優(yōu)勢

圖 9 展示了封裝源極電感 (L Sc ) 對開啟瞬態(tài)的影響。L Sc從 0 增加到 4 nH。漏極電流 (di/dt) 的上升會(huì)導(dǎo)致 L Sc上的感應(yīng)電壓降，這會(huì)從柵極驅(qū)動(dòng)電壓中減去，從而降低柵極電流。因此電壓瞬變需要更長的時(shí)間，并且損耗會(huì)增加。相同的機(jī)制但以相反的方式適用于關(guān)斷瞬態(tài)。

圖 9：封裝源電感對開啟的影響示例：波形細(xì)節(jié)（左）和損耗（右）

上面討論的 L Sc的負(fù)面影響可以通過使用單獨(dú)的源極檢測引腳（Kelvin 源）來控制柵極（圖 10，右）來消除，從而有效地降低開關(guān)損耗。通過使用源極檢測連接來驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O，L Sc位于柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路之外。因此，它的感應(yīng)電壓峰值不會(huì)像標(biāo)準(zhǔn)配置（圖 10，左）那樣只有一個(gè)源極連接到MOSFET時(shí)會(huì)反饋到驅(qū)動(dòng)電路中。

圖 10：標(biāo)準(zhǔn)三端子封裝（左）和采用開爾文源的四端子封裝（右）的柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路比較

值得一提的是，Kelvin 源封裝解決了 L Sc對柵極驅(qū)動(dòng)和開關(guān)速度的負(fù)面影響。然而，L Sc仍會(huì)增加總環(huán)路電感，這是導(dǎo)致快速開關(guān)應(yīng)用（例如具有寬帶隙 (WBG) 開關(guān)的服務(wù)器 SMPS）中振鈴的關(guān)鍵參數(shù)。因此，即使使用開爾文源，封裝 L Sc也最好是最低的。參考應(yīng)用筆記中提供了更多詳細(xì)信息。7

概括

本文討論了功率半導(dǎo)體封裝在滿足服務(wù)器電源（特別是硅和 WBG 開關(guān)）的功率和密度要求方面的重要性。

簡要介紹了服務(wù)器 SMPS 應(yīng)用和趨勢，然后討論了 SMD 封裝，涉及裝配實(shí)施、熱性能和高頻操作中的低電感寄生優(yōu)勢。

表 1 總結(jié)了英飛凌在服務(wù)器 SMPS 中使用的 SMD 封裝產(chǎn)品組合，并比較了它們的主要參數(shù)。

表 1：用于服務(wù)器應(yīng)用的 SMD BSC 和 TSC 封裝概述。為了評估封裝電感，假設(shè)封裝內(nèi)具有類似 RDS(on) 的器件。

　　審核編輯：湯梓紅