隨著低碳化和數(shù)字化的發(fā)展，電源管理技術(shù)呈現(xiàn)新的發(fā)展趨勢，提高效率、減輕設(shè)備重量、提高功率密度以及為電動(dòng)汽車提高續(xù)航里程，成為人們?nèi)粘ｊP(guān)心的共同話題，各大半導(dǎo)體廠商也在減少能耗、提高能效方面不遺余力，希望做出自身的貢獻(xiàn)。

半導(dǎo)體行業(yè)在過去相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)，芯片技術(shù)的演進(jìn)一直以來主導(dǎo)著行業(yè)的發(fā)展，例如在數(shù)字化方向工藝節(jié)點(diǎn)的技術(shù)演進(jìn)，對于功率半導(dǎo)體而言則是在晶圓部分不斷地縮小芯片尺寸、實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通阻抗。所以，封裝技術(shù)無疑是推進(jìn)研發(fā)進(jìn)展的突破口。

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) 程文濤先生（圖源：英飛凌公司）

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)程文濤先生指出：“技術(shù)創(chuàng)新與封裝創(chuàng)新相結(jié)合，才能為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵發(fā)展趨勢提供助力。”

以硅基半導(dǎo)體為例，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(shí)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)。

日前，英飛凌宣布其適用于高壓MOSFET 的 QDPAK 和 DDPAK 頂部散熱 (TSC) 封裝技術(shù)已成功注冊為 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)，有助于OEM 廠商在市場中創(chuàng)造差異化的產(chǎn)品，并將功率密度提升至更高水準(zhǔn)，以支持各種應(yīng)用。

頂部散熱（TSC）封裝技術(shù)的優(yōu)勢

英飛凌此次發(fā)布的頂部散熱（TSC）封裝技術(shù)包括QDPAK和DDPAK兩款。相比DPAK（TO-252）封裝， QDPAK相當(dāng)于4個(gè)并排的DPAK，DDPAK則是相當(dāng)于2個(gè)DPAK并排在一起。TSC封裝技術(shù)可助力實(shí)現(xiàn)更大功率、更高密度設(shè)計(jì)和更高效率：

·滿足更大功率需求：優(yōu)化利用電路板空間，采用開爾文源極連接，減少源極寄生電感；

·提高功率密度：頂部散熱可實(shí)現(xiàn)最高電路板利用率；

·提高效率： 經(jīng)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)具有低電阻和超低寄生電感，可實(shí)現(xiàn)更高效率；

·減輕重量：綜合優(yōu)化散熱和發(fā)熱，有助于打造更小巧的外殼，從而減少用料，減輕重量。

（圖源：英飛凌公司）

TSC封裝技術(shù)具體能解決什么問題呢？程文濤概括道：“從制造方面來看，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(gè)裝配過程步驟變少，自動(dòng)化制造流程更簡潔，最終在下游廠商端實(shí)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?！?/p>

頂部散熱封裝技術(shù)在熱管理上具有優(yōu)勢。電源應(yīng)用電路板的熱設(shè)計(jì)中需要盡可能降低系統(tǒng)熱阻（Rthja），同時(shí)實(shí)現(xiàn)最高結(jié)溫（Tj）。這意味著最大限度地增加流入散熱片的熱量，同時(shí)最大限度地減少流入印刷電路板（PCB）的熱量。

10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)，譬如TO247和TO220封裝，這些插件封裝技術(shù)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(nèi)部產(chǎn)生的熱量散出芯片之外。

隨著4G、5G宏基站等應(yīng)用對功率密度的要求，芯片越做越小，要用更少的獨(dú)立散熱片，同時(shí)還需要把更多的熱量均勻地散發(fā)到整個(gè)設(shè)備以外。所以以上需求成為兩個(gè)互相矛盾的存在，近5年來，這個(gè)矛盾愈加凸顯。

“我們經(jīng)過了很長一段時(shí)間與下游客戶以及處于行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位的客戶和工程師討論，最后達(dá)成了一個(gè)共識，就是頂部散熱是這個(gè)矛盾的解決途徑?！?程文濤表示。

（圖源：英飛凌公司）

貼片化是從帶獨(dú)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。目前常用的PCB采用FR4材質(zhì)，F(xiàn)R4材質(zhì)的最高溫度上限在110度左右。在更高的功率設(shè)計(jì)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。

英飛凌研發(fā)的頂部散熱，通過在頂部增加一個(gè)薄薄的散熱片，使得PCB溫度與芯片結(jié)溫相分離，從而實(shí)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。

SMD/THD封裝對比（圖源：英飛凌公司）

在溫度穩(wěn)定之后，QDPAK和DDPAK的散熱能力與TO220和TO247的散熱能力實(shí)現(xiàn)了對等。

兩款頂部散熱封裝技術(shù)已注冊為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)

JEDEC是一個(gè)制定半導(dǎo)體器件標(biāo)準(zhǔn)的全球性行業(yè)組織，成員包括全球各地的半導(dǎo)體制造商、芯片設(shè)計(jì)師、系統(tǒng)供應(yīng)商等，其制定的標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用于整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，包括出廠測試、產(chǎn)品標(biāo)識、器件封裝、環(huán)境試驗(yàn)以及安全性和可靠性測試等方面。這些標(biāo)準(zhǔn)的使用可以提高制造商之間的互操作性、可靠性和通用性，從而降低成本并提高效率。

（圖源：英飛凌公司）

程文濤表示，功率半導(dǎo)體業(yè)界不成文的規(guī)定，“任何一家廠商選定一款功率半導(dǎo)體時(shí)，至少要有一個(gè)備選方案，也就是Second Source，理想的情況是有三四種備選方案。”

JEDEC標(biāo)準(zhǔn)目前在半導(dǎo)體行業(yè)中是一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，而且這是免費(fèi)的，在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)得到了注冊和認(rèn)證之后，其它的廠商可以免費(fèi)從JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織里面下載這些標(biāo)準(zhǔn)。

由于已經(jīng)兼容業(yè)界通行的尺寸、安規(guī)，因此為產(chǎn)品做推廣的時(shí)候會(huì)比較方便。另外JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織也讓行業(yè)里的一些創(chuàng)新的想法能夠很快推行。得益于能夠在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織里面得到注冊，頂部散熱封裝技術(shù)在過去幾年發(fā)展越來越快，也促進(jìn)了半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。

“就目前而言，英飛凌在功率半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域是銳意進(jìn)取的，英飛凌一直擔(dān)任著很重要的角色。在這個(gè)過程里， JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織也是一個(gè)非常重要的存在，英飛凌經(jīng)常會(huì)與JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)行非常積極的互動(dòng)，能夠盡快地讓英飛凌創(chuàng)新的封裝技術(shù)在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織里面和行業(yè)里面推廣開來?！?程文濤表示。

QDPAK和DDPAK封裝設(shè)計(jì)的成功注冊將推動(dòng)市場更廣泛地采用 TSC 技術(shù)以取代 TO247 和 TO220插件封裝技術(shù)，此項(xiàng)新 JEDEC 注冊封裝系列將成為高壓工業(yè)和汽車應(yīng)用過渡至下一代平臺中頂部散熱設(shè)計(jì)的重要推手。

（圖源：英飛凌公司）

適用于高壓（ HV） 與低壓（ LV） 器件的 QDPAK 和 DDPAK SMD TSC 封裝采用 2.3 mm標(biāo)準(zhǔn)厚度。英飛凌在研究行業(yè)中貼片各種封裝尺寸后，在大部分的非頂部散熱以及頂部散熱的封裝共存的情況下，選擇了2.3 mm，這樣的厚度能夠讓足夠多的器件并存在同一塊PCB板上。

程文濤表示：“希望通過這次跟JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織的互動(dòng)，能夠使2.3 mm成為業(yè)界通行的厚度。”

應(yīng)用場景

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(jià)值了，采用該封裝方式，可以實(shí)現(xiàn)取消獨(dú)立散熱片，或替代插件器件；而一般功率在1000W時(shí)，頂部帶裸銅的頂部散熱封裝就是一個(gè)必選項(xiàng)。目前，英飛凌的頭部客戶最積極采用頂部散熱封裝技術(shù)主要集中在數(shù)據(jù)中心、通信應(yīng)用，乃至在對儲(chǔ)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是越來越高。

新能源汽車也是一個(gè)重要的應(yīng)用場景，目前為了滿足電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)要求，業(yè)界在不斷增加功率半導(dǎo)體能效的同時(shí)，還致力于減少它所占用的PCB面積，這時(shí)候?qū)β拭芏鹊囊笠埠芨?。頂部散熱能夠幫助工程師在設(shè)計(jì)新能源汽車時(shí)，把更多空間留給電池動(dòng)力部分。

程文濤總結(jié)道：“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?！?/p>