为了提供更多的功能,芯片变得越来越大,但是相反,封装却被要求以更小的尺寸来容纳这些更大尺寸的裸片。这就不可避免地要求,新的候选封装技术既能提高系统效率又能降低制造成本。

封装创新涉及的领域包括更广泛的额定电流和额定电压、散热及故障保护机制等。本文列出了工程师在为半导体器件评估封装技术特性时需要考虑的关键因素。

我们从最通常的疑惑开始:小型的封装尺寸。

1. 更小的封装尺寸

现在,我们希望IC封装能够节省电路板空间,帮助实现更坚固的设计,并通过省去一些外部元器件来降低PCB的组装成本。因此,业界正在对诸如D2PAK 7的IC封装技术进行优化,以期以相同的尺寸和引出线容纳面积增加高达20%的裸片。

新的封装设计还提供了可互换引出线选择,从而最大限度地利用尺寸,并提供更大的设计灵活性。然后是直插或曲插引脚式封装,这有助于优化电路板空间和所需的引脚分离。

业界也正在开发一些阈值电压在逻辑电平、面向电池供电设计的新封装,这样的封装使微控制器可以直接驱动诸如MOSFET的功率器件。此举也相应节省了电路板空间。

2. 功率密度

电机驱动器、太阳能逆变器和电源等等产品对功率芯片和模块的需求在不断增长,这拉动了在不增加封装尺寸的条件下对更高功率密度的需求。

设计师如何在保持封装鲁棒性和可靠性的同时,提高功率密度?首先,封装可以采用更大的引线框架面积,从而可以容纳诸如IGBT的更大的功率芯片。这也实现了较低的封装热阻,而有利于改善散热。

以意法半导体(ST)的新系统级封装(SiP)PWD13F60为例,它将4个功率MOSFET集成在了比同类电路小60%的封装内(图1)。PWD13F60封装集成了面向功率MOSFET的栅极驱动器、面向上侧驱动的自举二极管、交叉传导保护和欠压锁定。

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图1:意法半导体的SiP解决方案,面向工业电机驱动器、灯镇流器、电源、转换器和逆变器应用。

关断电路可保护功率开关,欠压锁定可防止低压故障。同样,自举二极管可减少物料清单(BOM),简化电路板布局。

它表明了封装选择对于最大限度地提高能效和适应广泛的供电电压范围为何至关重要。在此,还值得指出的是,封装的功率密度与散热条件的改善相辅相成。

3. 散热效率

由于像IGBT这样的器件工作在较低温度可减小器件上的应力,因此封装的散热性能与其可靠性存在内在联系(图2)。由于温度较低所需的散热器尺寸就不大,因此散热特性也会影响散热器大小。此外,冷却要求的降低也为设计者在增加功率密度方面留有更大余地。

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图2:英飞凌的功率模块封装采用了热接口材料(TIM)。

有些封装保留了封装的尺寸和高散热效率的底部设计,同时将顶部源极裸露作为散热区。此举可实现更高的额定电流值,从而实现更高的功率密度和更小的封装尺寸。

4. 散热

用于在封装内部产生隔离的常规方法通常既昂贵又难以处理。而且,它们远不足以管理IGBT等高功率密度器件的散热。

因此,英飞凌推出了一种叫做Trenchstop高级隔离的封装技术(图3)。这家德国芯片厂家称,Trenchstop封装技术可以取代全隔离封装(FullPAK)以及标准隔离箔。英飞凌将这种新封装定位于面向空调的功率因数校正(PFC)、不间断电源(UPS)和电源转换器等应用。

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图3:右侧封装的发热量减少了15%。(图片来源:英飞凌科技)

这种隔离封装不再需要隔离材料和导热硅脂,从而使设计人员能将装配时间缩短高达35%。同时,因为不存在隔离箔未对齐的情况,所以它还提高了可靠性。这也实现了比FullPAK工作温度低10℃的改进。

5. 开关损耗

特别是对像工业驱动器等器件中工作频率高达20kHz的硬开关电路,为提高封装效率,减少开关损耗势在必行。此外,可靠的开关和低EMI增强了小功率应用中的无散热器工作。

为降低开关损耗,一些封装解决方案采用了额外的开尔文发射极电源引脚(图4)。它旁路了栅极控制回路的发射极引线电感,从而提高了器件的开关速度,降低了开关能量。

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图4:具有开尔文发射极的封装可将动态损耗降低20%。(图片来源:英飞凌科技)

《EDN电子技术设计》2018年3月刊版权所有,转载请注明来源及链接。