功率器件不僅要做頂部散熱，還要實(shí)現(xiàn)頂部散熱標(biāo)準(zhǔn)化

隨著物理極限的迫近，僅僅通過(guò)芯片內(nèi)部創(chuàng)新設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片極限的提高，已經(jīng)愈發(fā)困難。數(shù)字芯片如此，功率IC亦然。因此業(yè)界近年來(lái)都轉(zhuǎn)而在封裝上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，最近流行的Chiplet，可以看作是邏輯芯片在突破算力瓶頸上的一種創(chuàng)新，而在功率IC的高功率密度追求上，通過(guò)頂部散熱的封裝方式來(lái)實(shí)現(xiàn)更高功率密度，也已經(jīng)是被印證的行之有效的方法。雖然業(yè)界有多種頂部散熱封裝技術(shù)，但要真正將其推行開(kāi)來(lái)，需要的是芯片廠商在封裝上、方案商在設(shè)計(jì)上、OEM在代工生產(chǎn)線、導(dǎo)熱材料上等等多方面的一致推動(dòng)，才能推動(dòng)頂部散熱封裝技術(shù)成為不僅僅是單一芯片層面，更是系統(tǒng)層面真正成為可行生態(tài)。

為提高功率密度、推動(dòng)業(yè)界頂部散熱封裝設(shè)計(jì)，英飛凌推出了QDPAK和DDPAK兩種頂部散熱封裝，并且都已成功注冊(cè)為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。

功率芯片頂部散熱封裝：提高功率密度、減少系統(tǒng)裝配復(fù)雜度

在一些應(yīng)用的功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，出現(xiàn)了一種“矛盾”。尤其是在5G基站、無(wú)線通信和EV OBC上，為了實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，追求小尺寸的時(shí)候就要舍棄風(fēng)扇散熱的設(shè)計(jì)；但體積的縮小和功率的提高，加上無(wú)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，本身就不利于散熱；然而增加更多的散熱片不利于減小體積；不利于散熱也就不利于提高功率密度；體積、高功率、散熱互為矛盾。這種矛盾在過(guò)去10年，尤其是最近5年間，越來(lái)越凸顯出來(lái)。而推行芯片將熱量傳導(dǎo)路徑改為頂部散熱，再通過(guò)散熱器、外殼將熱量釋放出去，被視為是一種合理的技術(shù)方向。但這種方向，對(duì)于芯片的封裝形式提出了新的要求。

“一般接近上百納米，在功率半導(dǎo)體里已經(jīng)是一個(gè)相對(duì)比較先進(jìn)的工藝。以英飛凌即將發(fā)布的第八代CMOS產(chǎn)品為例，照我們的評(píng)估，基本已經(jīng)接近了硅能夠做到的物理極限，在這個(gè)情況下，功率芯片尺寸往前進(jìn)步的空間是蠻有限的。封裝技術(shù)就是繼續(xù)把硅的功率發(fā)揮到極致的必經(jīng)之路。” 英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)應(yīng)用市場(chǎng)總監(jiān)程文濤先生分享到。

英飛凌推出的QDPAK和DDPAK就是頂部散熱的封裝形式，其為業(yè)界帶來(lái)了兩個(gè)好處。一是進(jìn)一步提高了系統(tǒng)功率密度，二是減少了系統(tǒng)裝配的復(fù)雜度和成本。

帶獨(dú)立散熱片的貼片化插件封裝是走向更高功率散熱的第一步，一般貼片封裝的散熱主要是靠芯片底部跟PCB（印刷電路板）之間的接觸，把芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去。這樣需要耗費(fèi)比較大的PCB銅箔面積，才能有效地把熱量傳導(dǎo)出去。如果不能用足夠大的銅箔，在芯片底部就會(huì)形成一個(gè)熱點(diǎn)，而這個(gè)熱點(diǎn)會(huì)給PCB帶來(lái)很大的壓力。目前業(yè)界常用的PCB為FR4材質(zhì)，該材質(zhì)的最高溫度上限為110度左右。在更高的功率設(shè)計(jì)中，底部散熱封裝無(wú)法通過(guò)貼片和PCB之間結(jié)合均勻地把更多熱量散出去，這種散熱方式已經(jīng)走到了瓶頸。

而頂部散熱的設(shè)計(jì)，可以保證將一個(gè)個(gè)芯片的點(diǎn)狀散熱，變成一個(gè)平面的散熱，然后均勻的釋放出去。10年前的大功率應(yīng)用（千瓦及以上的功率）基本上是插件封裝主導(dǎo)，例如TO220和TO247是電源工程師非常信賴(lài)的能夠有效散熱的兩種封裝形式，而據(jù)英飛凌分享，其最新的QDPAK和DDPAK在溫度穩(wěn)定之后，散熱能力跟TO220和TO247是對(duì)等的。

要實(shí)現(xiàn)這種采用一個(gè)頂部平面的均勻散熱，最有效的方式就是用一層能夠適應(yīng)公差的導(dǎo)熱膠+隔離片，讓所有并排擺放的頂部散熱芯片的熱量能夠均勻地傳導(dǎo)到一個(gè)平面的散熱片上，這是目前業(yè)界共同接受的方法。而如果只需要對(duì)單獨(dú)一個(gè)頂部散熱芯片進(jìn)行散熱，則可以采用鎖螺絲、銅夾子甚至焊接等多種選擇。

從裝配角度考慮，英飛凌的QDPAK和DDPAK頂部散熱封裝技術(shù)，可以從系統(tǒng)層面減少PCB板的數(shù)量/層級(jí)，從而減少了板和板之間用的連接器數(shù)量。進(jìn)而讓裝配步驟變少，自動(dòng)化流程更為簡(jiǎn)潔；最終其裝配成本會(huì)大幅度減少，并讓整體的系統(tǒng)BOM成本也會(huì)大幅度減少。

頂部散熱封裝技術(shù)的推行，不止一個(gè)芯片的事，而是系統(tǒng)工程

客戶在方案設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行芯片選型，其中有一條原則是需要在選擇一顆芯片之后，還有一個(gè)備選的芯片型號(hào)，這兩個(gè)芯片最好能在引腳、功能和供電特性上完全一致，能夠?qū)崿F(xiàn)直接替換。這是為了避免首選芯片出現(xiàn)貨源問(wèn)題時(shí)，備選芯片可以及時(shí)進(jìn)行替換，從而不會(huì)影響到整個(gè)方案的量產(chǎn)。

雖然市場(chǎng)上有很多采用頂部散熱方式的功率芯片，但英飛凌的DDPAK和QDPAK經(jīng)過(guò)了JEDEC的認(rèn)證，這意味著任何芯片廠商都可以參與進(jìn)來(lái)設(shè)計(jì)同樣規(guī)格的頂部散熱芯片?！叭魏我患覐S商，無(wú)論規(guī)模大小，只要采用這種封裝形式，并遵守它所示的尺寸和公差，就能夠在行業(yè)里面聲稱(chēng)是跟JEDEC（MO-354）標(biāo)準(zhǔn)兼容的，這樣在進(jìn)行產(chǎn)品推廣的時(shí)候障礙就小很多。JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織的職責(zé)就是讓使用標(biāo)準(zhǔn)在業(yè)界免費(fèi)通行，不設(shè)置專(zhuān)利門(mén)檻，”程文濤先生解釋到。

做一顆芯片的頂部散熱設(shè)計(jì)并不是什么難事，但是對(duì)于功率電路的PCB設(shè)計(jì)而言，同一個(gè)平面上會(huì)有很多個(gè)不同的芯片，方案設(shè)計(jì)者要考慮整體的系統(tǒng)散熱。所以要推行頂部散熱封裝技術(shù)，芯片廠商要同時(shí)考慮到非頂部散熱芯片和頂部散熱芯片共存情況下，頂部散熱芯片能夠達(dá)到好的散熱效果；以及在這種一個(gè)平面存在多個(gè)芯片的前提下，如何可以放置更多的頂部散熱芯片，達(dá)到一致的散熱效果。

為了實(shí)現(xiàn)一致性更好的散熱方式，英飛凌調(diào)研了市面上的主要貼片功率芯片規(guī)格，反復(fù)權(quán)衡后將QDPAK和DDPAK的封裝厚度定為2.3mm。程文濤表示，考慮當(dāng)前仍有非頂部散熱芯片的存在，頂部散熱的做法首先不能成為其它非頂部散熱芯片的應(yīng)用障礙。比如說(shuō)其它非頂部散熱的封裝比較厚，那么頂部散熱的封裝就不能比它薄，薄了之后就會(huì)產(chǎn)生散熱散不掉的問(wèn)題，或者是需要加很厚的散熱墊。2.3毫米的封裝厚度能夠讓足夠多的器件并存在同一塊PCB板上。

程文濤回顧：“從英飛凌跟第一家客戶接觸進(jìn)行頂部散熱封裝技術(shù)的推廣，到客戶產(chǎn)生興趣、直至現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)普遍接受這種封裝形式，前后約有三年的時(shí)間?！睂?duì)于功率芯片的封裝創(chuàng)新而言，并不是芯片廠自己的事情，阻力會(huì)來(lái)自方方面面，包括生產(chǎn)線的要求、安規(guī)的要求以及散熱材料配合的要求、包括整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都需要一些創(chuàng)新進(jìn)行配合，才能真正使其落地。

QDPAK和DDPAK注冊(cè)成為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)，是英飛凌頂部散熱封裝技術(shù)推行的重要一步。來(lái)自客戶端的大批量生產(chǎn)，和來(lái)自英飛凌的芯片封裝技術(shù)的創(chuàng)新，相互之間可以產(chǎn)生更多良性互動(dòng)，從而推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)邁向更高功率密度的方案。

英飛凌的其他封裝技術(shù)創(chuàng)新

不論是底部散熱封裝技術(shù)、頂部散熱封裝技術(shù)、雙面散熱封裝技術(shù)還是全金屬封裝技術(shù)，面對(duì)不同應(yīng)用都有自己的優(yōu)勢(shì)。英飛凌在封裝技術(shù)上也是采用了多路并行的推進(jìn)方式。頂部散熱封裝技術(shù)更適用于封閉外殼、無(wú)風(fēng)扇、高功率密度的應(yīng)用；而底部散熱封裝技術(shù)仍是成本敏感、有風(fēng)扇和開(kāi)放式設(shè)計(jì)的選擇之一；就一些低壓的、對(duì)于安規(guī)要求不是那么苛刻的功率器件而言，英飛凌還有雙面散熱封裝技術(shù)可以適用其中。

英飛凌在封裝上的創(chuàng)新有很多種，在這里分享兩個(gè)：

一是在貼片封裝方面，英飛凌提供一種創(chuàng)新的技術(shù)叫做“Source Down（源極底置）”技術(shù)，這是將原本MOS管貼片封裝中，底部漏極頂部源極的設(shè)計(jì)反轉(zhuǎn)，讓源極朝下，漏極朝上。這樣就可以讓調(diào)制電源的時(shí)候，內(nèi)部環(huán)路能夠做到盡量小。

另一個(gè)創(chuàng)新是英飛凌創(chuàng)造的4引腳的封裝（TO247）。早期傳統(tǒng)插件封裝時(shí)代，3引腳封裝對(duì)于用戶并不友好，對(duì)于PCB Layout、EMI都有很大的挑戰(zhàn)。英飛凌通過(guò)提供4引腳的封裝，不僅解決了引腳的順位問(wèn)題，還減少了門(mén)極振鈴等問(wèn)題。

在封裝創(chuàng)新上，程文濤用“銳意進(jìn)取”來(lái)形容英飛凌的態(tài)度。而創(chuàng)新封裝需要行業(yè)的兼容，正是需要像英飛凌這樣有著銳意進(jìn)取精神的引領(lǐng)者。