封裝技術是功率半導體突破的關鍵！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）封裝技術入選JEDEC標準。JEDEC組織是由美國眾多廠商聯合發起，旨在為芯片行業制定通用標準的組織。目前，JEDEC標準已經是半導體行業公認的標準，并且它不設置專利門檻，所有入選的標準均可免費下載。對于入選JEDEC的企業標準來說，最大的好處，便是可以在整個半導體行業快速推行企業的技術及產品。
封裝是功率半導體演進的突破口
過去的十幾年中，半導體技術的演進，主要體現在晶圓部分，芯片的設計朝向更低的導通阻抗，以及越來越小的芯片尺寸發展。芯片的尺寸設計從最初的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起挑戰。摩爾定律主要對數字化產生影響，而提高算力則是解決問題的關鍵，這就要求在單芯片的面積里盡可能多地放置代表0101演算速度的開關管。英特爾在今年年初就曾表示，2030年前將實現一個芯片封裝上集成1萬億個晶體管的目標。
不過，每一個工藝節點的進步，隨之而來的，就是在設計和制造過程中所需要的如天文數字般的成本。成本的上升正促使人們探索其它多種的選擇，更高級的封裝技術則是其中突破研發瓶頸的關鍵技術之一。而對于功率半導體而言其又有自身的特殊性。盡管其也強調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，封裝技術無疑是推進研發進展的突破口。
程文濤，英飛凌科技電源與傳感系統事業部大中華區應用市場總監
英飛凌科技電源與傳感系統事業部大中華區應用市場總監程文濤以硅基功率半導體為例，詳細解讀了封裝技術在現代半導體產業中的重要地位。程文濤介紹，高壓超結硅功率器件的FOM值基本已經達到了物理極限，在此情況下要想繼續降低導通阻抗或者是實現更高的能效，封裝技術是繼續把硅的功率發揮到極致的必經之路。不僅是硅基半導體，現在大熱的寬禁帶半導體SiC/GaN也需要仰仗新的封裝技術。
插件封裝技術VS頂部散熱封裝技術
十年前，在功率半導體行業，千瓦及以上的大功率應用基本上是插件封裝技術為主導。這些插件封裝技術在當時的裝配和封裝工藝里面能使工程師最大限度地利用外加的散熱片，非常高效地將芯片內部產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。但是隨著物聯網、5G、云計算等技術的不斷發展和演進，萬物互聯的設備越來越多，下游廠商更加傾向于把整個設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備以外。而頂部散熱封裝技術就是英飛凌經過多年調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銅箔把芯片產生的熱量傳導出去。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。”
目前業界常用的PCB是FR4材質，該材質的最高溫度上限為110度左右，在更高的功率設計中，底部散熱封裝無法通過貼片和PCB之間結合均勻地把更多熱量散出去，導致這種散熱方式走到了瓶頸。據程文濤介紹，英飛凌研發的頂部散熱，通過在頂部增加一個薄薄的散熱片，使得PCB溫度與芯片結溫相分離，從而實現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，延長了系統使用壽命。
此外，插件封裝基本上是靠鎖螺絲或銅夾子等導熱方式，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，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標準組織的互動，能夠使2.3毫米的厚度成為一個業界通行的做法”。
要實現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公差的導熱膠+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到一個平面的散熱片上，這是目前業界共同接受的方法。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，導熱膠的方法是最行之有效的。而綜合對比不同導熱膠的導熱能力來看，Gap Filler導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，鎖螺絲等工藝復雜很難實現自動化，無法實現整個功率最大化，以及空間占用面積大等原因，目前在數據中心、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
英飛凌的QDPAK和DDPAK頂部散熱（TSC）封裝技術，其前身就是我們所熟知的DPAK，即TO252封裝。其中QDPAK相當于4個DPAK并排；DDPAK則是相當于兩個 DPAK并排在一起。那么，這兩種封裝技術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能夠帶來最大的益處在于：高度優化了生產工藝，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包括PCB數量、層級和板間連接器用量減少，帶來裝配及整體系統成本大幅降低。在效能表現上，電源領域最常用的封裝是TO247和TO220，而QDPAK和DDPAK，在溫度穩定之后，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有嘗試，當時的做法有的靠灌膠，有的靠通過塑料封裝將熱量傳導到機殼上。可以說頂部散熱方式覆蓋的功率段范圍相當廣泛。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的應用場景中，就開始凸顯其價值了，采用該封裝方式，可以實現取消獨立散熱片，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很有代表性的應用，如說充電樁、儲能設備、數據中心、通信設備等。程文濤表示：“其實但凡是需要體積小、重量輕、功率密度高、效率高的產品，頂部散熱封裝技術都非常受歡迎。”
就英飛凌頂部散熱封裝技術的成功應用場景，EETOP也特別向程文濤進行了深度對話。據介紹，目前有兩類典型的應用場景是很成功的，而且一些頭部客戶已經在積極采用。
第一類，是在5G或通信領域。目前的基站所做的設計都是無風扇設計，這跟手機充電器的環境本質上是類似的，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，而且持續增高的應用場景。數據中心就是這一類的典型應用場景。程文濤分享到：“從最近火爆的ChatGPT可以看到人類對數據無止境的需求增長是近似指數級的，在這種情況下對電源轉換的效率，以及對同樣機房尺寸中能夠安裝的設備數量提出了更高要求。所以該應用場景中的頭部企業也在積極地采用頂部散熱封裝技術。”
其實除了以上兩種，還有一種應用場景是新能源汽車，目前為了滿足電動汽車的設計要求，業界在不斷增加功率半導體能效的同時，還致力于減少它所占用的PCB面積，這時候對功率密度的要求也很高。頂部散熱能夠幫助工程師在設計新能源汽車時，把更多空間留給電池動力部分。
結束語
