英飛凌創(chuàng)新之作：頂部散熱器件，解鎖OBC設計功率密度新高度

作者：Leon Li, Jiming Li, Hao Zhang

頂部散熱TSC

Top-side cooling

頂部散熱封裝保留與插件封裝等效散熱潛能的同時，還帶來了額外的好處，且不同頂部散熱器件保持了同樣的高度。

在電動汽車（EV）領域，OBC設計的一個關鍵目標是提升功率密度，因為更輕的產(chǎn)品會給汽車減重從而有利于增加續(xù)航里程。從增加續(xù)航的角度來說：效率是實現(xiàn)這一目標的一個方面，這點SiC相對于Si來說，當然更有優(yōu)勢；另一方面，器件封裝和散熱設計也助力實現(xiàn)這一目標，尤其是在提高功率密度方面的作用越來越大。

為助力行業(yè)從插件器件過渡到貼片器件，英飛凌開發(fā)了DDPAK和QDPAK封裝的SiC器件。這2種封裝是頂部散熱（TSC: top-side cooling ）器件。

這篇文章將講述這些器件的優(yōu)勢。對于創(chuàng)新的頂部散熱封裝，在行業(yè)探索未來潛在的各種可能性之前，本文將對DCB內(nèi)置與外置的熱特性做對比，同時講解芯片與引線框架的擴散焊技術，與傳統(tǒng)焊接技術相比，通過這種技術，降低了厚度以及熱阻。

底部散熱 vs 頂部散熱

底部散熱

當下TO-247, TO-220的插件在許多應用中廣泛使用，同時劣勢也明顯：生產(chǎn)成本高; 焊接之前需要人工介入將器件插入PCB上?；谶@些原因，插件器件正在被貼片器件越來越多得取代。貼片器件可以更高效地實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，也利于提高生產(chǎn)的可靠性。

貼片封裝的散熱方式通常有2種：底部散熱或者頂部散熱。這2種封裝都可用在自動拾放機器的自動化生產(chǎn)設備。D2PAK, DPAK的底部散熱器件，熱傳導的方向是自芯片向焊接器件的板子上傳導?；谶@種熱傳導方向，頂部散熱具有先決的優(yōu)勢，因為PCB并不能承受非常高的溫度，相對于溫度高的器件，PCB成為熱瓶頸，不得不通過增加過孔去增加導熱特性，如下圖1a所示。

增加過孔提高散熱能力通常會犧牲PCB面積，會帶來PCB走線挑戰(zhàn)，這是過孔這種方式的弊端；另一種解決方案是用鋁基板（IMS）的方法，IMS可以提高散熱能力，但是比傳統(tǒng)FR4的PCB貴。

圖 1.  底部冷卻 (BSC) 需要使用熱過孔或 IMS 板散熱

頂部散熱

對于頂部散熱器件，熱傳導的方向如下圖2所示：芯片產(chǎn)生的熱導向封裝的頂部，頂部Pad再導向散熱器。

圖2. 頂部散熱傳導路徑

通過這種方式，熱阻可以降低約35%， 同時可以將器件與PCB進行熱解耦。這些大幅度的提升源自以下幾點：PCB設計變的簡單，靈活；PCB尺寸可以更小，功率密度更高，降低了EMI影響。由于熱特性的提高，不再需要多層板的堆疊，因此可以省去IMS子板與FR4母版之間的接插件連接。一塊FR4的板子可以安裝所有的器件，同時也降低了連接器的數(shù)量。

這個特性降低了BOM, 最終總的系統(tǒng)成本也得以降低。除了提高散熱，增加載流能力外，TSC也有利于優(yōu)化走線設計，從而提升可靠性。因為驅(qū)動芯片等可以放置得離功率器件更近，回路的寄生電感會更低，門級的震蕩得以降低，降低了驅(qū)動風險，提升了開關管的性能。

英飛凌開發(fā)的DDPAK, QDPAK封裝用在很多功率器件上，包括了CoolSiC?G6肖特基二極管，新一代的750V和1200V CoolSiC ^TM MOSFET, 以及650V SI SJ CoolMOS ^TM 。相對于插件THD器件，這些產(chǎn)品有近似的散熱能力空間，但電性能更優(yōu)。DDPAK和QDPAK的高度統(tǒng)一為2.3mm, 不論是高壓還是低壓器件。所以適合OBC和DCDC這樣有不同電壓等級的產(chǎn)品，尤其是不同電壓等級器件的高度統(tǒng)一，從而使散熱片設計更簡單，便宜。

頂部散熱TSC方案分析比較

基于當前 TSC 器件，未來額外的一個特性是使用 Al2O3 基板的DCB（直接銅鍵）做 TSC的絕緣。如圖 3 所示，DCB 可以安裝在器件封裝內(nèi)部（DCB-in-package）。這種方法的一個局限是需要對芯片互連進行必要的調(diào)整，需要厚度約為 50μm 的芯片焊接層厚度。此外，器件的熱性能還受到 DCB 性能的限制。

圖3. DCB-in-package絕緣

另一種新型 DCB 在封裝外部（DCB-on-package） 的TSC 實施方案，其中芯片與引線框架保持直接連接。這會帶來一些潛在熱方面的優(yōu)勢。

首先，將芯片直接連接到封裝內(nèi)的引線框架可提供額外的散熱能力。其次，在封裝上連接 DCB 將消除芯片互連和再分布的適配性。最后，芯片連接可采用擴散焊接，而不是傳統(tǒng)的軟焊，這將帶來顯著的優(yōu)勢，包括可將芯片連接材料的厚度從約 50μm 大幅減少到僅約 1.2μm。

圖4.  DCB-on-package絕緣

擴散焊的優(yōu)勢

由于 SiC 的寬禁帶特性，SiC 芯片通常非常小（通常只有幾平方毫米）。使用傳統(tǒng)焊料將如此小的芯片連接到封裝上需要一個良好控制的過程，因為焊滴的表面可能會導致芯片傾斜，而這會影響焊線鍵合的制程。

使用擴散焊接可以避免這一復雜問題，因為焊料在與基底接觸之前不會熔化。這種方法還允許在單個引線框架上裝配多個芯片，因為隨后的加熱步驟不會影響最初芯片的放置精度。這是因為焊料不會發(fā)生再熔化，因此不會出現(xiàn)由表面張力驅(qū)動的芯片位移。此外，這種技術還能優(yōu)化器件尺寸，因為焊料擠出較少，從而提高了封裝密度。如圖 5 所示，由于擴散焊料具有優(yōu)異的材料特性，且結合層厚度減少，因此可顯著改善熱傳導。

圖 5.  使用 (a) 傳統(tǒng)焊料和 (b) 擴散焊料進行芯片連接的橫截面圖。擴散焊接減少了結合層厚度。在（a）中，焊料不均勻，導致芯片傾斜。

測量結果表明，與使用傳統(tǒng)焊料相比，芯片和封裝引線框架之間的熱阻降低了約 40%（圖 6）。熱性能的顯著改善意味著在固定芯片面積的情況下，最大靜態(tài)額定電流可以增加，從而允許更高的耗散功率。

圖6. 不同占空比的瞬態(tài)熱阻 (ZthjC) 與脈沖長度 (tp) 的關系。綠色是傳統(tǒng)焊料的數(shù)據(jù)，紅色顯示的是擴散焊的數(shù)據(jù)。

熱仿真結果

為了評估所提議的新型封裝結構的性能，英飛凌在 4mm ² 和 14mm ² 的理論 SiC 芯片上進行了仿真，比較了 DCB-in-Package 與 DCB-on-Package在響應外加電流脈沖時的熱性能。圖 7 和圖 8 的仿真顯示，DCB-on-Package的熱性能比DCB-in-Package更好，可以承受更大的電流（穩(wěn)態(tài)電流和脈沖電流）。

圖 7. 14mm ² SiC 芯片的 DCB-in-package 與 DCB-on-package熱性能對比

圖8.  4mm2 SiC 芯片的 DCB-in-package 與 DCB-on-package熱性能對比

總結

最大限度地提高功率密度是電動汽車（EV）中 OBC 設計的主要目標，而元件封裝和散熱性能對實現(xiàn)這一目標的重要性與日俱增。英飛凌為滿足 OBC 設計需求，提供了高度統(tǒng)一的頂部散熱QDPAK 封裝的器件，包括750V，1200V CoolSiC ^TM MOSFET 和 650V Si SJ CoolMOS ^TM 。

在滿足當前設計要求的同時，英飛凌也在不斷展望未來，尋找進一步改進 頂部散熱TSC 的新方法。本文探討了用戶可外置 DCB 的創(chuàng)新概念，并介紹了仿真結果，這些結果表明，封裝上 DCB 有可能實現(xiàn)更緊湊、更靈活的設計，從而提供更高水平的熱性能。