48V应用驱动电源IC封装选项

制造工艺和模具得到了大部分关注，但包装在实现和限制性能、可制造性方面起着重要作用，特别是涉及到功率器件的可靠性时。

鉴于广泛的基础半导体功率器件技术-“基本”硅，宽带隙碳化硅(原文如此),氮化镓(GaN)、功率级别和应用——功率设备包的领域既广又深并不令人惊讶。还有针对特定市场及其优先级优化的不同包装类型和内部配置。即使有这样的选择，宽带隙器件更高的性能系数(FOM)，以及更高的效率、更高的工作温度和开关频率，以及可能更高的输出功率，都对封装提出了新的要求。例如，SiC位于175⁰C范围内。与此同时，还存在更高层次的功能集成压力，将多个动力设备——甚至它们的驱动器——置于一个封装中。

由于宽带隙器件效率更高，因此散热更少，因此，将晶片保持在最高结温以下这一永无止境的热挑战似乎将得到缓解。然而，事实往往并非如此。

“如果模具效率高，包装就更容易，”该公司包装开发和技术集成副总裁Shaun Bowers说公司．问题是，用户对这些功率设备的期望增长快于设备本身的改进。结果，曾经被认为是业绩上限的东西变成了业绩下限。因此，随着低导通电阻(R_DS(上))，新的设计要求包括减少寄生。这主要是电感L_ds，但它也包括电容C_{国际空间站}对于更高的开关速度，降低互连电阻，集成无源组件和甚至控制逻辑。所有这些都发生在一个更小的整体包装尺寸，无论是在占地面积和厚度方面。

当然，热因素总是存在的。这类似于低级别信号处理系统的设计者所面临的情况，他们认识到外部和内部噪声决定了他们的最终设计极限。同样，电力工程师知道热问题是设计限制的首要问题，它们总是潜伏在背景中。

该公司高级工艺工程师萨姆·萨德里(Sam Sadri)表示:“消除高温是一大挑战。Quik-Pak．“最常见的方法是将芯片连接到铜质散热器上，铜质散热器价格便宜，是一种良好的导热体。但你也可以使用氮化铝，它的热膨胀系数非常接近硅。这在包装中尤其重要。”

在表面贴装器件封装中提供功率组件的压倒性需求，而不是旧的带大引线的通孔设计，正在改变热流路径策略。基本的表面贴装封装类型包括功率四平面无铅封装(PQFN)、外露双十瓦封装(eD2PAK)、to无铅封装(TOLL)和无损耗封装(LFPAK)。Amkor的鲍尔斯说，在热方面，双面冷却对SiC器件来说是一件大事。

图1:用于功率器件的多种标准封装类型中的六种。外部照片并没有揭示它们的内部结构或排列，但它们非常复杂和复杂。资料来源:公司

包装创新依赖于三个主要的进步:

• • 从设备源到漏极的电导率必须提高，以减少损耗和随后的热产生;
  • 应该消除尽可能多的热或电接口，因为每个接口都代表一个障碍以及由于热循环、热膨胀系数(CTE)之间的不匹配和制造问题而导致的潜在故障点
  • 包装材料本身的热性能必须得到提高。

从12V到48V的转换驱动了新的封装
对于功率，有一个不可避免的事实，正如物理学和电学的基本原理所定义的那样——当将功率(电压和电流的乘积)从电源输送到负载时，电阻损失和散热会随着电流的平方(I²R).从电力的早期就已经知道，使用更高的工作电压可以降低电流，这是在给定的功率水平上将损失、热量和效率降低到可接受的值的最好的，而且往往是唯一的方法。

因此，随着电力需求的不可避免地增加，长期以来建立的12伏标准作为数据中心的中间总线电压，在以足够低的损耗和可接受的效率提供所需电力方面的能力已经不足。取而代之的是，电力轨道正转向48伏。

同样的电压轨转换也发生在内燃机汽车和“轻度”混合动力汽车的设计中，其中需要48v母线来支持许多更高功率的负载，包括启动器、电动转向辅助系统和许多其他电机。

从12V到48V作为数据中心的主要轨道，以及汽车电源子系统的第二轨道(5G基站也出现了57V)的转变，正在推动封装开发的两个趋势。这两条路径是由于每条路径的主要性能目标不同。

数据中心服务器需要快速的瞬态上升响应，以有效地支持处理器功率需求的快速转换。这导致了在1MHz及以上开关频率下工作的负载点架构的使用，但功率器件包的寄生阻抗限制了该频率下的瞬态性能。

例如，为了克服这一问题，Amkor正在研究一种名为PowerCSP包(PCSP)的新方法，该方法为以功耗为中心的应用重新设计了芯片级封装。它满足了三个改进的封装目标:改进漏源导电性，减少电和热界面，提高材料的热导率，同时还减小了整体器件尺寸。

图2:PowerCSP技术为用户提供了多种选择，包括附着式散热器、带有EMC屏蔽侧壁的散热器、可焊接或烧结的高导热和高导电性材料，以及可湿性侧面。资料来源:公司

这种基于引线框的芯片级封装支持双面冷却，其中顶部/引线框一侧可以连接到散热器，而封装的底部可以使用热通孔和铜层安装到PC板上。PCSP消除了线键合和/或铜夹，从而产生了低寄生电阻和杂散电感，分别降低了传导损失和开关损失。

图3:R_DS,我_DS和C_{国际空间站}针对Amkor的PowerCSP (PCSP)设计，以及不同版本的eD2PAK、TOLL和LFPAK包。资料来源:公司

与数据中心的需求相反，汽车48v电源的性能优先级不是微秒级的瞬态响应。相反，它需要向起动器/发电机组件提供几百安培的电流，这种典型的三相半桥结构带有高侧和低侧功率器件。这是相对间歇性的需求，即使是许多新车的启停节油设计模式，但高电流水平以及几十千瓦的功率水平往往需要使用多个mosfet。

为了促进这种安排，封装供应商正在寻找新的结构，利用在单个封装中容纳多个mosfet甚至它们的支持被动器件的机会。日月光半导体其先进的嵌入式有源系统集成(a-EASI)功率包平台，适用于单桥和半桥拓扑，具有低体积硅电阻率，适用于低阻抗垂直电流流，因此R_DS(上)．日月光半导体还针对这一应用开发了一套热扩散器和基于夹子的QFN方法，它们的性能特征有明显的区别

图4:高级嵌入式主动系统集成(aEASI)方法支持三种具有不同属性的不同结构(P1, P2, P3)。来源:日月光半导体

图5:aEASI P1、P2和P3结构以及带Cu夹的PQFN器件的电阻和效率比较图。来源:日月光半导体

日月光半导体还在应对共封装电感器的挑战，这是开关电源电路中必不可少但难以集成的无源组件，其解决方案如封装对封装，也满足了模制集成对厚模盖要求的挑战。

图6:带共装电感器的封装对封装(POP)结构的多个视图。来源:日月光半导体

此外，与所有技术进步一样，在最初针对一个问题的开发和其他领域的应用之间总是存在一种持续的、来回的共鸣强化。ASE技术营销和工程高级总监Mark Gerber指出，降低热阻抗的热模具化合物和先进热界面材料(TIMs)可以用于专注于数字化应用的非功率器件。正在研究的其他可能性包括使用碳纳米管，目前碳纳米管已广泛应用于从传感器到热应用的许多学科的学术项目中。

孤立的设备增加了挑战
从模具到离开和离开包装的总热路径中广泛使用的元素是在包装下嵌入导电和导热垫。然而，这在常见的电路拓扑结构(如桥式布置)中是不可用的，其中一些功率器件及其门驱动器必须与系统地绝缘(欧姆)。[注:“地面”一词经常是用词不当。一个更好的术语是系统公共。

因此，供应商正在开发支持更高导热性的封装，同时使用薄膜和金属化基座来保持所需的与电路板的电气绝缘。绝缘厚度和其他参数必须足以承受隔离元件和普通元件之间路径的电位差，以满足基本电气要求和法规要求。此外，随着功率元件电压的增加，最小爬电和间隙尺寸也会增加，进一步使封装几何形状复杂化。如果底部的热垫在电气上是不可接受的，则在顶部有一个热沉垫，用于通过被动或强制气流进行冷却。然而，从系统的角度来看，这可能不像使用底部侧垫那样可取，后者利用电路板铜作为散热器。

不仅仅是汽车和数据中心正在经历技术和监管方面的变化。甚至消费品及其部件也受到新规定的影响。自2020年12月起，信息技术设备(IEC 60950-1)和视听设备(IEC 60065)的独立安全标准被合并、更新和撤销，并由北美和欧盟的单一ANSI/IEC 62368-1(“音频/视频、信息和通信技术设备-安全要求”)标准所取代。与之前的标准相比，新标准引入了不同的基于危险的产品测试理念，高电压的考虑是它解决的许多问题之一。Gerber指出，ASE在高压隔离方面经验丰富，可以设计和制造具有优异隔离性能的低温共燃陶瓷器件，以支持高电压/功率要求。

前期建模、生产问题也会影响包的改进
从概念上设计创新，以满足新的目标，同时在各种权衡和限制之间取得平衡是一回事。在制作和测试原型之前详细模拟性能是另一回事。日月光半导体的Gerber、Amkor的Bowers和Amkor负责封装开发和技术集成的高级经理Sophie Olson都同意这一点Ansys的工具在这方面的应用最为广泛。但他们也注意到，随着包装系统变得越来越复杂——这些微小的包装和模具是系统，尽管它们的部件相对较少，而且都是静态的——这也是一个越来越困难的挑战。

Olson指出，这些工具用于进行基本的多物理热、机械和电气模拟，以确定结温和其他关键参数。虽然它们在设计阶段已经足够了，但客户必须使用自己的模具对瞬态性能进行建模。鲍尔斯指出，这也取决于客户。有些人知识渊博，包供应商可以向他们学习。与此同时，另一些人更擅长前期概念和设计，但不知道材料或模具连接问题，因此需要来自封装供应商的帮助。

更高的功率密度和热问题也有不太明显的影响。Amkor公司的Olson指出，银烧结——通过在低于熔点的温度下加热，将小颗粒的金属焊接在一起——现在通常比焊接更适合于互连，也更符合RoHS要求。她说:“监管通常对我们不利，但在这里却很有帮助。”Olson补充说，当使用焊料时，有来自客户的“社会压力”-而不是监管驱动-使用回收锡焊料。由于锡可以100%回收，Amkor尽可能使用回收材料。

结论
半导体功率器件性能的进步在未封装的裸片和商用封装之间摇摆不定。新的封装概念、布局和材料，以及增强的制造技术，使这些工艺进步(如SiC或GaN)或用户需求(推动到48v导轨)成为系统构建模块和架构。

与数字集成电路的高引线数相比，电源器件在芯片和电路板之间只有很少的连接。这既简化了它们成功采用的路径，也使之复杂化。包装设计师的职责不仅仅是跟上新的模具和工艺要求，因为他们还必须预测需求，并提供使其成为可行产品的载体。

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