為了提供更多的功能,晶片變得越來越大,但是相反地,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,新的候選封裝技術既能提高系統效率又能降低製造成本。

封裝創新涉及的領域包括更廣泛的額定電流和額定電壓、散熱及故障保護機制等。本文列出了工程師在為半導體元件評估封裝技術特性時需要考慮的關鍵因素。

讓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

現在,我們希望IC封裝能夠節省電路板空間,幫助實現更堅固的設計,並透過省去一些外部元件來降低印刷電路板(PCB)的組裝成本。因此,業界正在對諸如D2PAK 7的IC封裝技術進行最佳化,以期能以相同的封裝和接腳排列(pinout)容納面積增加高達20%的裸片。

新的封裝設計還提供了可互換接腳排列選擇,從而最大限度地利用尺寸,並提供更大的設計靈活性。然後是直插或曲插接腳式封裝,這有助於最佳化電路板空間和所需的接腳分離。

業界也正在開發一些閾值電壓在邏輯電平、針對電池供電設計的新封裝。這樣的封裝使微控制器(MCU)可以直接驅動諸如MOSFET的功率元件,此舉也相對節省了電路板空間。

2. 功率密度

馬達驅動器、太陽能逆變器和電源等產品對功率晶片和模組的需求不斷增長,這推動了在不增加封裝尺寸的條件下對更高功率密度的需求。

設計者如何在保持封裝強健性和可靠性的同時,提高功率密度?首先,封裝可以採用更大的引線框架面積,從而可以容納諸如IGBT更大的功率晶片。這也實現了較低的封裝熱阻,而有利於改善散熱。

以意法半導體(STMicroelectronics)的新系統級封裝(SiP)PWD13F60為例,它將4個功率MOSFET整合在比同類電路小60%的封裝內(圖1)。PWD13F60封裝整合了針對功率MOSFET的閘極驅動器、針對上側驅動的自舉式二極體(bootstrap diode)、交叉傳導保護和欠壓鎖定。

20180424TA01P1 圖1 意法半導體的SiP解決方案,針對工業馬達驅動器、燈具鎮流器、電源、轉換器和逆變器應用。

關斷電路可保護功率開關,欠壓鎖定可防止低壓故障。同樣,自舉式二極體可減少物料清單(BOM),簡化電路板佈局。

上述元件顯示了封裝選擇對於最大限度地提高能效和適應廣泛的供電電壓範圍為何至關重要。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

由於像IGBT這樣的元件工作在較低溫度可減小元件上的應力,因此封裝的散熱性能與其可靠性存在內在聯繫(圖2)。由於溫度較低所需的散熱器尺寸就不大,因此散熱特性也會影響散熱器大小,此外,冷卻要求的降低也為設計者在增加功率密度方面留有更大餘地。

20180424TA01P2 圖2 英飛凌科技的功率模組封裝採用了熱介面材料(TIM)。

有些封裝保留了封裝的尺寸和高散熱效率的底部設計,同時將頂部源極裸露作為散熱區。此舉可實現更高的額定電流值,從而實現更高的功率密度和更小的封裝尺寸。

4. 散熱

用於在封裝內部產生隔離的常規方法通常既昂貴又難以處理。而且,它們遠不足以管理IGBT等高功率密度元件的散熱。

因此,英飛凌科技(Infineon)推出了一種稱為Trenchstop高階隔離的封裝技術(圖3)。這家德國晶片廠表示,Trenchstop封裝技術可以取代全隔離封裝(FullPAK),以及標準隔離箔。英飛凌將這種新封裝定位於針對空調的功率因數校正(PFC)、不斷電供應系統(UPS)和電源轉換器等應用。

20180424TA01P3 圖3 右側封裝的發熱量減少了15%。(圖片來源:英飛凌科技)

這種隔離封裝不再需要隔離材料和導熱矽脂,從而使設計人員能將裝配時間縮短高達35%。同時,因為不存在隔離箔未對齊的情況,所以它還提高了可靠性,這也實現了比FullPAK工作溫度低10℃的改進。

5. 開關損耗

特別是針對工業驅動器等元件中工作頻率高達20kHz的硬開關電路,為提高封裝效率,減少開關損耗勢在必行。此外,可靠的開關和低電磁干擾(EMI)增強了小功率應用中的無散熱器工作。

為降低開關損耗,一些封裝解決方案採用了額外的凱爾文發射極 (Kelvin emitter source)電源接腳(圖4)。它旁路了閘極控制回路的發射極引線電感,從而提高了元件的開關速度,降低了開關能量。

20180424TA01P4 圖4 具有凱爾文發射極的封裝可將動態損耗降低20%。(圖片來源:英飛凌科技)

(參考原文: IC package: five key design considerations,by Majeed Ahmad)