要提高功率密度，除改進(jìn)晶圓技術(shù)之外，還要提升封裝性能

汽車(chē)和工業(yè)應用都需要不斷提高功率密度。例如，為了提高安全性，新的汽車(chē)動(dòng)力轉向設計現在要求雙冗余電路，這意味著(zhù)要在相同空間內容納雙倍的元器件。再舉一個(gè)例子，在服務(wù)器群中，每平方米都要耗費一定成本，用戶(hù)通常每18個(gè)月要求相同電源封裝中的輸出功率翻倍。如果分立式半導體供應商要應對這一挑戰，不能僅專(zhuān)注于改進(jìn)晶圓技術(shù)，還必須努力提升封裝性能。

總部位于荷蘭的安世半導體是分立器件、MOSFET器件、模擬和邏輯集成電路領(lǐng)域的領(lǐng)導者，該公司率先在-功率封裝（LFPAK無(wú)損封裝）內部采用了全銅夾片芯片貼裝技術(shù)，目的是實(shí)現多種技術(shù)優(yōu)勢（電流能力、RDSon、熱特性等）。

專(zhuān)為提高功率密度設計的LFPAK封裝系列

LFPAK封裝系列用于提高功率密度。其主要特點(diǎn)是在封裝內部使用了全銅夾片，在外部使用了鷗翼引腳。安世半導體在2002年率先推出LFPAK56封裝 - 它是一款功率SO8封裝(5mm x 6mm)，設計用于替代體積更大的DPAK封裝?，F在，該公司提供了一系列不同尺寸的封裝，包含單雙通道MOSFET配置，可涵蓋眾多不同應用。最近，安世半導體發(fā)布了LFPAK88，這是一款8mm x 8mm封裝，針對較高功率的應用而設計，可取代體積更大的D2PAK和D2PAK-7封裝。

圖1：LFPAK分立式MOSFET封裝系列

夾片粘合封裝與焊線(xiàn)封裝：功率密度優(yōu)勢

LFPAK器件的體積小于老式D2PAK和D2PAK-7器件，同時(shí)實(shí)現了功率密度的明顯提升。

圖2：LFPAK88的占位面積小于D2PAK

上圖顯示了LFPAK88的相對占位面積大小，與D2PAK器件相比減小了60%；另外LFPAK88器件的高度更低，因而總體積減小了86%。

LFPAK88之所以能夠實(shí)現性能和功率密度的提升，是因為它采用了銅夾片封裝技術(shù)，取代了D2PAK和D2PAK7等封裝采用的老式焊線(xiàn)技術(shù)。

圖3：與使用焊線(xiàn)連接的D2PAK與使用銅夾片技術(shù)的LFPAK88

銅夾片技術(shù)的性能優(yōu)勢包括：

1.電流(Amp)

·        焊線(xiàn)是一個(gè)制約因素，它決定了器件能夠處理的電流大小。在使用D2PAK封裝的情況下，使用的焊線(xiàn)的最大直徑為500μm（由于連接的T型柱尺寸）。

·         使用最新Trench 9超級結40V晶圓，安世半導體能夠放入D2PAK封裝的最大晶圓電流額定值為120A。但是，對于體積更小的LFPAK88封裝，由于不受焊線(xiàn)制約，安世半導體目前能夠放入該封裝的最大晶圓電流額定值為425A。隨著(zhù)公司以后發(fā)布更大晶圓的產(chǎn)品，此電流額定值還會(huì )提高。[注：這些值來(lái)自于測量而并非理論]

2.R_DS(on) [以m?為單位]

·         在D2PAK中使用的三條500μm直徑的焊線(xiàn)增加了MOSFET的總RDS(on)值。

·         例如，在上述兩個(gè)器件中使用相同的Trench 9 40V技術(shù)平臺，安世半導體目前能夠放入D2PAK的最大晶圓的RDS(on)值為1.2m?。如果使用體積更小的夾片粘合LFPAK88封裝，該值可減少至 0.7m?，這要歸功于它沒(méi)有焊線(xiàn)電阻。[注：0.55m?的LFPAK88器件正在T9平臺上開(kāi)發(fā)]。

3.寄生源極電感 (nH)

·         在每個(gè)開(kāi)關(guān)事件中，必須解決寄生源極電感問(wèn)題，因為它會(huì )降低效率。在需要高頻率開(kāi)關(guān)的應用中，例如在DC/DC轉換器中，這種效率損失會(huì )產(chǎn)生很大影響。

源極焊線(xiàn)還會(huì )增加總寄生源極電感，再加上D2PAK的長(cháng)引腳，電感值達到5nH。相比之下，由于LFPAK88沒(méi)有源極焊線(xiàn)，而且只使用很小的鷗翼引腳，因而電感值僅為1nH。

4.電流/熱量的熱點(diǎn)

·         當高電流通過(guò)器件時(shí)，它會(huì )集中在焊線(xiàn)連接到晶圓的瓶頸處。這些電流熱點(diǎn)可能導致散熱/質(zhì)量問(wèn)題。

·         使用LFPAK88，頂部的銅夾片覆蓋了更大區域，因此不會(huì )產(chǎn)生熱點(diǎn)。

圖4：D2PAK和LFPAK88的電流密度仿真以及焊線(xiàn)上的熱點(diǎn)

5.熱阻R_th(j-mb) (K/W)

·         與老式封裝相比，LFPAK88具有良好的熱性能。例如，如果我們計算從晶圓到封裝底部連接至印刷電路板處（從結到貼裝基底）的熱阻，熱阻值越低越好。

·         D2PAK中的最大芯片的熱阻為0.43K/W；LFPAK88的熱阻為0.35K/W。

·         更低的熱阻值主要歸功于傳熱路線(xiàn)更短，漏極銅夾片更?。↙FPAK88的厚度為0.5mm，D2PAK的厚度為1.3mm）

圖5： LFPAK88較薄的漏極散熱片和D2PAK的對比

功率密度 >1W/mm3

尺寸更小，電流能力更高，R_DS(on)值更低，這些優(yōu)勢結合在一起，使功率密度得以提高，正如表中所總結（使用相同技術(shù)平臺來(lái)提供相近的性能）

結論

總而言之，要提高功率密度，不僅需要晶圓技術(shù)的改進(jìn)，還必須利用新的封裝技術(shù)，充分發(fā)揮分立式MOSFET的潛能。LFPAK全銅夾片封裝系列增強了晶圓的性能表現，能夠幫助我們減小占位面積，提高功率輸出。