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功率半导体封装技术的发展趋势

时间:2022-05-13 23:01 来源:未知   点击:

  每一代新型电子应用都要求电源管理系统有更高的性能。在信息技术和便携式产品市场上,这一趋势尤为明显。直到最近,硅技术一直都是改进电源管理系统性能的最重要因素。然而,硅技术的进步现在受到封装性能提高的限制。为了实现明显的改进,必须提高功率半导体封装技术。下面将对功率封装技术改进的3种途径进行讨论。

  在PDA和移动电话等便携式应用中,尺寸是关键因素,因此,芯片与占用面积之比是功率器件的最重要因素。在传统的SMT封装(如TSOP-6、SOT-23、SMA、SMB和SMC)中,这一比例为20%左右。这意味着约80%的封装面积被浪费掉了。

  无引线封装将芯片/占用面积比提高到约40%,因为引线不延伸到封装之外。球栅阵列(BGA)封装进一步提高了这一比例,然而,用于方便漏极连接的铜漏极夹却增大了器件占用面积。International Rectifier公司的FlipFET通过一种专有技术把所有的触点都安排到芯片的一侧,从而解决了这一问题。芯片进行钝化和形成凸点后完成互连。FlipFET 以100%的比例使之成为便携式应用的首选。

  在大电流应用中,如电压调整模块用的DC/DC变换器、笔记本电脑和电路板上安装的电源系统,单个器件的电流承受能力是最重要的优值。将封装的电阻和热阻减至最小,对于提高单个器件能承受的电流来说至关重要。

  SMT封装,如SO-8,不能承受这些系统的电流要求,它们采用新一代处理器时每相的电流应大于25A。这一缺陷主要是封装的结至外壳和结至PCB的热阻过高以及无芯片封装电阻(DFPR)过大造成的。

  解决方法之一就是从器件顶部而不是通过PCB把热量吸走。International Rectifier公司的DirectFET封装就提供了这一能力。在DirectFET封装中,芯片被包裹在一个铜质外壳中,以方便热量从作为散热器的器件顶部散发掉。这一设计消除了引线架和引线焊接,把DFPR降至只有0.1mW,占用面积与SO-8封装的相当,而标准的SO-8封装的DFPR为1.5mW。结至外壳(顶部)的热阻降到仅为 3℃/W。

  在使用导热垫时,DirectFET封装从封装顶部散发的热量比SO-8多50%。在大电流DC/DC 变换器中,DirectFET封装可以更低的系统成本将电流密度提高两倍,用一对MOSFET达到25A/相的电流水平。

  第三个重要的考虑是器件的布局、封装的寄生电阻和封装电感。如果CPU电流消耗继续上升,峰值电流可能会大大超过120A,而瞬态响应要求将超过数百A/ms。在这些条件下,即使走线电感只有几个nH,也会让电压降达到数百mV,使得效率降低,以及引起电源输出指标超出CPU的电压容限。

  PCB元件间导线的电阻和电感只能通过采用共同封装和集成来减小。将MOSFET和肖特基二极管共同封装成为称作FETKY的单个器件中是 International Rectifier公司的专利。FETKY器件封装包括了一个控制MOSFET、同步MOSFET和肖特基二极管,以图简化单相降压变换器。在这种电路中,肖特基二极管用于减小同步FET中反向恢复的电荷损耗。电流密度也得到了改善,因为现在1个封装取代了3个器件。

  共同封装的自然发展结果就是集成化,此时可以将MOSFET、二极管、IC和对电路布局来说至关重要的无源元件集成到单个器件上。International Rectifier采用了iPOWIR技术的iP2001和1001就是这类器件的良好实例。iP2001封装在11×11×3mm的BGA封装中,它只需接上一个多相控制器、输入和输出电容以及输出电感,就可以实现一个功能完备的大电流变换器。1个iP2001每相可以取代多达11个分立元件。集成化不仅使得占用面积减少了44%,而且与分立方案相比提高了10%的效率。

  随着便携式电子产品电流密度和尺寸的提高,共同封装及集成化在提高系统性能方面越来越变得必不可少。最成功的平台将提供最低的每安培电流成本,同时保证用户所需的外形规格。

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