封裝技術(shù)是功率半導(dǎo)體突破的關(guān)鍵！帶你深度了解頂部散熱封裝
2023-04-27 12:07:45 未知最近，英飛凌的QDPAK及DDPAK頂部散熱（TSC）封裝技術(shù)入選JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。JEDEC組織是由美國眾多廠商聯(lián)合發(fā)起，旨在為芯片行業(yè)制定通用標(biāo)準(zhǔn)的組織。目前，JEDEC標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)是半導(dǎo)體行業(yè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，并且它不設(shè)置專利門檻，所有入選的標(biāo)準(zhǔn)均可免費下載。對于入選JEDEC的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來說，最大的好處，便是可以在整個半導(dǎo)體行業(yè)快速推行企業(yè)的技術(shù)及產(chǎn)品。
封裝是功率半導(dǎo)體演進(jìn)的突破口
過去的十幾年中，半導(dǎo)體技術(shù)的演進(jìn)，主要體現(xiàn)在晶圓部分，芯片的設(shè)計朝向更低的導(dǎo)通阻抗，以及越來越小的芯片尺寸發(fā)展。芯片的尺寸設(shè)計從最初的28納米到14納米，再到7納米、3納米，甚至2納米、1納米，其不斷的向著極限工藝發(fā)起挑戰(zhàn)。摩爾定律主要對數(shù)字化產(chǎn)生影響，而提高算力則是解決問題的關(guān)鍵，這就要求在單芯片的面積里盡可能多地放置代表0101演算速度的開關(guān)管。英特爾在今年年初就曾表示，2030年前將實現(xiàn)一個芯片封裝上集成1萬億個晶體管的目標(biāo)。
不過，每一個工藝節(jié)點的進(jìn)步，隨之而來的，就是在設(shè)計和制造過程中所需要的如天文數(shù)字般的成本。成本的上升正促使人們探索其它多種的選擇，更高級的封裝技術(shù)則是其中突破研發(fā)瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)之一。而對于功率半導(dǎo)體而言其又有自身的特殊性。盡管其也強調(diào)在同樣的晶圓上能夠存放更多的晶胞，但其對于尺寸的要求卻遠(yuǎn)大于CPU以及GPU，一般接近上百納米。在這種情況下，芯片尺寸進(jìn)一步縮小的空間非常有限。所以在這些綜合因素的影響下，封裝技術(shù)無疑是推進(jìn)研發(fā)進(jìn)展的突破口。
程文濤，英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)應(yīng)用市場總監(jiān)
英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)應(yīng)用市場總監(jiān)程文濤以硅基功率半導(dǎo)體為例，詳細(xì)解讀了封裝技術(shù)在現(xiàn)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的重要地位。程文濤介紹，高壓超結(jié)硅功率器件的FOM值基本已經(jīng)達(dá)到了物理極限，在此情況下要想繼續(xù)降低導(dǎo)通阻抗或者是實現(xiàn)更高的能效，封裝技術(shù)是繼續(xù)把硅的功率發(fā)揮到極致的必經(jīng)之路。不僅是硅基半導(dǎo)體，現(xiàn)在大熱的寬禁帶半導(dǎo)體SiC/GaN也需要仰仗新的封裝技術(shù)。
插件封裝技術(shù)VS頂部散熱封裝技術(shù)
十年前，在功率半導(dǎo)體行業(yè)，千瓦及以上的大功率應(yīng)用基本上是插件封裝技術(shù)為主導(dǎo)。這些插件封裝技術(shù)在當(dāng)時的裝配和封裝工藝?yán)锩婺苁构こ處熥畲笙薅鹊乩猛饧拥纳崞浅８咝У貙?a href="http://www.xebio.com.cn/semi" target="_blank" class="keylink">芯片內(nèi)部產(chǎn)生的熱量散出芯片之外，讓芯片能夠工作在一個大功率的場景里面。但是隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計算等技術(shù)的不斷發(fā)展和演進(jìn)，萬物互聯(lián)的設(shè)備越來越多，下游廠商更加傾向于把整個設(shè)備的功率密度做得越來越小，或者說在同樣的機架尺寸或者同樣的安裝尺寸里面，要傳遞的功率耗散越來越大，這兩大發(fā)展需求都在迫使功率器件不僅要用更少的獨立散熱片，同時還需要把更多的熱量均勻地散布到整個設(shè)備以外。而頂部散熱封裝技術(shù)就是英飛凌經(jīng)過多年調(diào)研和考證而得出的有效解決途徑。
貼片化是從帶獨立散熱片的插件封裝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，利用PCB銅箔把芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去。程文濤分析說：“這樣做的一個明顯弊端在于，它需要耗費比較大的PCB銅箔面積，才能有效地把熱量散發(fā)出去。如果在此期間不能用面積足夠大的PCB銅箔，那么在芯片底部就會形成一個熱點，而這個熱點會給PCB帶來很大的壓力。”
目前業(yè)界常用的PCB是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)計中，底部散熱封裝無法通過貼片和PCB之間結(jié)合均勻地把更多熱量散出去，導(dǎo)致這種散熱方式走到了瓶頸。據(jù)程文濤介紹，英飛凌研發(fā)的頂部散熱，通過在頂部增加一個薄薄的散熱片，使得PCB溫度與芯片結(jié)溫相分離，從而實現(xiàn)了在相同電路板溫度條件下，功率耗散增加了大約20%，而且通過降低電路板溫度，延長了系統(tǒng)使用壽命。
此外，插件封裝基本上是靠鎖螺絲或銅夾子等導(dǎo)熱方式，對芯片厚度的一致性要求沒有那么高。但是貼片頂部散熱封裝技術(shù)，由于需要把所有的器件都貼在同一個平面的PCB板上，因此為了讓散熱片能夠把熱量均勻地散發(fā)出去，同樣的器件高度就變成一個必要的因素，這同時也可以有效降低成本。程文濤分享說：“英飛凌定義的封裝厚度為2.3毫米。這樣的厚度能夠讓足夠多的器件并存在同一塊PCB板上。英飛凌也希望通過這次跟JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織的互動，能夠使2.3毫米的厚度成為一個業(yè)界通行的做法”。
要實現(xiàn)這種采用一個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。而如果只需要對單獨一個頂部散熱芯片進(jìn)行散熱，則可以采用鎖螺絲、銅夾子甚至焊接等多種選擇。程文濤分析表示：“但是從加工的速度、以及制造的成本考慮，導(dǎo)熱膠的方法是最行之有效的。而綜合對比不同導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱能力來看，Gap Filler導(dǎo)熱膠又是最有效的方式。”
因為插件封裝的固有局限，如人工成本，鎖螺絲等工藝復(fù)雜很難實現(xiàn)自動化，無法實現(xiàn)整個功率最大化，以及空間占用面積大等原因，目前在數(shù)據(jù)中心、通信，乃至在某些對儲能要求更加便攜、更加高功率密度的情形下，頂部散熱這種貼片形式的占比越來越高，而與之相應(yīng)的插件封裝的占比是越來越少。
英飛凌的頂部散熱封裝技術(shù)
英飛凌的QDPAK和DDPAK頂部散熱（TSC）封裝技術(shù)，其前身就是我們所熟知的DPAK，即TO252封裝。其中QDPAK相當(dāng)于4個DPAK并排；DDPAK則是相當(dāng)于兩個 DPAK并排在一起。那么，這兩種封裝技術(shù)解決的是什么問題呢？
程文濤介紹：“QDPAK和DDPAK這兩大頂部散熱封裝技術(shù)能夠帶來最大的益處在于：高度優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，讓整個裝配過程步驟變少，自動化制造流程更簡潔，最終在下游廠商端實現(xiàn)包括PCB數(shù)量、層級和板間連接器用量減少，帶來裝配及整體系統(tǒng)成本大幅降低。在效能表現(xiàn)上，電源領(lǐng)域最常用的封裝是TO247和TO220，而QDPAK和DDPAK，在溫度穩(wěn)定之后，它們的散熱能力跟TO220和TO247是對等的。”
其實利用芯片頂部散熱的方式，在早期的手機充電器中已經(jīng)有嘗試，當(dāng)時的做法有的靠灌膠，有的靠通過塑料封裝將熱量傳導(dǎo)到機殼上。可以說頂部散熱方式覆蓋的功率段范圍相當(dāng)廣泛。而英飛凌提供的這類頂部帶銅箔的頂部散熱封裝在功率約為200-300W的應(yīng)用場景中，就開始凸顯其價值了，采用該封裝方式，可以實現(xiàn)取消獨立散熱片，或替代插件器件；而一般功率在1000W時，頂部帶裸銅的頂部散熱封裝就是一個必選項。OBC是頂部散熱封裝技術(shù)很有代表性的應(yīng)用，如說充電樁、儲能設(shè)備、數(shù)據(jù)中心、通信設(shè)備等。程文濤表示：“其實但凡是需要體積小、重量輕、功率密度高、效率高的產(chǎn)品，頂部散熱封裝技術(shù)都非常受歡迎。”
就英飛凌頂部散熱封裝技術(shù)的成功應(yīng)用場景，EETOP也特別向程文濤進(jìn)行了深度對話。據(jù)介紹，目前有兩類典型的應(yīng)用場景是很成功的，而且一些頭部客戶已經(jīng)在積極采用。
第一類，是在5G或通信領(lǐng)域。目前的基站所做的設(shè)計都是無風(fēng)扇設(shè)計，這跟手機充電器的環(huán)境本質(zhì)上是類似的，但它是靠密閉的金屬外殼給基站散熱。如果不是頂部帶裸銅的方式，就沒有辦法有效地讓它均勻地把熱量傳導(dǎo)到外殼上，這時候頂部散熱幾乎是必備的。
第二類是對功率要求越來越高，而且持續(xù)增高的應(yīng)用場景。數(shù)據(jù)中心就是這一類的典型應(yīng)用場景。程文濤分享到：“從最近火爆的ChatGPT可以看到人類對數(shù)據(jù)無止境的需求增長是近似指數(shù)級的，在這種情況下對電源轉(zhuǎn)換的效率，以及對同樣機房尺寸中能夠安裝的設(shè)備數(shù)量提出了更高要求。所以該應(yīng)用場景中的頭部企業(yè)也在積極地采用頂部散熱封裝技術(shù)。”
其實除了以上兩種，還有一種應(yīng)用場景是新能源汽車，目前為了滿足電動汽車的設(shè)計要求，業(yè)界在不斷增加功率半導(dǎo)體能效的同時，還致力于減少它所占用的PCB面積，這時候?qū)β拭芏鹊囊笠埠芨摺ｍ敳可崮軌驇椭こ處熢谠O(shè)計新能源汽車時，把更多空間留給電池動力部分。
結(jié)束語
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