具有雙層散熱能力的新型功率半導(dǎo)體——CanPAK

近年來環(huán)保及節(jié)能的觀念逐漸受到重視，促進(jìn)了各項(xiàng)新能源的開發(fā)、能源利用技術(shù)以及新型器件和設(shè)備的發(fā)展，而能源政策的推動更使得能源概念帶來的商機(jī)逐漸擴(kuò)大。

為了使各種小尺寸、低成本、高功率密度的產(chǎn)品具備更高的能源轉(zhuǎn)換效率，電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)面臨著日益艱巨的挑戰(zhàn)。目前除使用各種新的轉(zhuǎn)換器拓?fù)渑c電源轉(zhuǎn)換技術(shù)來提高電源轉(zhuǎn)換效率之外，新型功率器件在高效能轉(zhuǎn)換器中所扮演的重要角色也不容忽視。其中，各種高效能功率MOSFET(以下稱功率半導(dǎo)體)目前已廣泛應(yīng)用于各種電源轉(zhuǎn)換器中。本文將簡述功率半導(dǎo)體的技術(shù)發(fā)展方向，比較目前常用的封裝參數(shù)值，并簡述英飛凌科技的新型功率半導(dǎo)體─CanPAK的結(jié)構(gòu)，以及相比其它封裝所具有的優(yōu)越性。

功率半導(dǎo)體的技術(shù)發(fā)展背景

為了滿足上述高功率密度電源轉(zhuǎn)換器的需求，各種新型功率半導(dǎo)體的技術(shù)發(fā)展和研究在持續(xù)進(jìn)行，目前主要的發(fā)展方向有兩個：一是晶粒(die)結(jié)構(gòu)；二是封裝結(jié)構(gòu)。其原因在于功率半導(dǎo)體的主要參數(shù)如導(dǎo)通電阻及轉(zhuǎn)換速度，取決于晶粒及外部封裝，因此要設(shè)計(jì)出特性較好的功率半導(dǎo)體，必須從這兩個方向著手。

在晶粒結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展方面，主要是通過新型的晶粒結(jié)構(gòu)或工藝技術(shù)達(dá)到以下兩個目標(biāo)：(1)在相同的電壓阻隔能力下獲得最低的單位面積導(dǎo)通電阻，也即突破所謂的硅限制(Silicon limit)；(2)較快的轉(zhuǎn)換速度。而在封裝結(jié)構(gòu)的發(fā)展方面，主要是利用不同的封裝技術(shù)和引線方式達(dá)到降低封裝寄生電感值的目的。表1為各種封裝參數(shù)值(無晶粒)。

表1：無晶粒條件下的各種封裝參數(shù)值。

值得注意的是，不同封裝技術(shù)所存在的寄生電感值、電阻值及上層冷卻(top-side cooling)性能。其中，封裝寄生電感值不僅會影響功率半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換速度，同時會影響功率半導(dǎo)體導(dǎo)通過程中電流在包裝電感上所存儲的能量，因此，使用具有較大寄生電感的封裝的功率半導(dǎo)體，系統(tǒng)的效率會低于使用較低電感的封裝的功率半導(dǎo)體。

此外，由于功率半導(dǎo)體的等效導(dǎo)通電阻等于晶粒的導(dǎo)通電阻與封裝的寄生電阻之和，采用不同的封裝形式，功率半導(dǎo)體的最低導(dǎo)通電阻會有所不同，例如采用SO8封裝的功率半導(dǎo)體，在無晶粒的情況下，這種封裝形式的功率半導(dǎo)體最低導(dǎo)通電阻可達(dá)2.3mΩ。

傳統(tǒng)的封裝技術(shù)中，大多利用引線(wirebond)或引線框(lead frame)的方式，將晶粒所產(chǎn)生的熱引導(dǎo)至PCB，散播到空氣中，而其表面的黑色塑料封裝外殼與晶粒之間并未能緊密結(jié)合，其上層冷卻能力有限，即使外加散熱器，散熱效果也仍然有限。

CanPAK簡述

由于傳統(tǒng)封裝具有上述問題，英飛凌科技的CanPAK功率半導(dǎo)體應(yīng)運(yùn)而生，它具有雙層散熱能力，在CanPAK的結(jié)構(gòu)之中，晶粒本體與散熱蓋(can)之間以高導(dǎo)熱材質(zhì)接著，散熱蓋是以鎳制造而成，它與晶粒本體的接觸面上鍍有一層銀，因此可以快速地將晶粒本體上所產(chǎn)生的熱，通過散熱蓋傳遞至外加的散熱器或空氣中。

圖1: (a)CanPAK的截面圖；(b)CanPAK的俯視圖及底視圖。

圖1為CanPAK的截面圖、俯視及底視圖。由圖中可知，相比其它傳統(tǒng)的封裝方式，CanPAK的優(yōu)點(diǎn)在于功率半導(dǎo)體上的柵、源極，都是由晶粒本體直接與PCB連接，并不通過任何的引線或引線框，這樣可以減少源極端寄生電感，提高最大轉(zhuǎn)換速度并降低寄生電感所存儲的能量，漏極通過散熱蓋與PCB連接，由于晶粒本體與散熱蓋之間的熱阻值遠(yuǎn)低于其它傳統(tǒng)的各種封裝，因此，CanPAK中通過散熱蓋傳遞出去的熱能大幅增加，可有效降低功率半導(dǎo)體的晶粒的溫度，達(dá)到系統(tǒng)高效率的目標(biāo)。

CanPAK系列產(chǎn)品的優(yōu)越性除了封裝本身極小的寄生電感及電阻以外，主要是基于其良好的雙層導(dǎo)熱效果，因此以下本文將以熱阻模型來介紹CanPAK雙層冷卻能力特性，并以實(shí)際數(shù)據(jù)比較CanPAK與SuperSO8的散熱能力。

圖2: (a)在無散熱器條件下CanPAK的熱流示意圖；(b)在有散熱器條件下CanPAK的熱流示意圖；(c)有散熱器條件下的熱阻模型示意圖。

圖2為CanPAK在無散熱器及有散熱器條件下的熱流示意圖和等效熱阻模型示意圖。圖中，R1、R2及R3分別代表晶粒接面與PCB間、晶粒接面與散熱蓋間，以及散熱蓋與PCB間的熱阻。而晶粒接面到外在環(huán)境(ambient)的熱阻，則由上層及下層熱阻分流等效，類似電路系統(tǒng)中兩個電阻并聯(lián)分流。

其中，上層熱阻由三個部份組成：晶粒接面-散熱蓋的熱阻、導(dǎo)熱介質(zhì)(TIM)的熱阻及散熱器的熱阻，以下式表示之：

下層熱阻值由三個部份組成：晶粒接面-電極(主要是源極)的熱阻及PCB的熱阻，以下式表示之：

因此，CanPAK結(jié)合散熱器的整體散熱系統(tǒng)的等效熱阻表示如下式：

表2為一簡單的熱分流運(yùn)算結(jié)果，假設(shè)晶體接面溫度為125℃，環(huán)境溫度為25℃的條件下，晶粒接面的功率損耗為2.4W，依照實(shí)際的熱阻條件，可知分別有58.8%及41.2%的熱通過PCB及上層散熱器傳導(dǎo)到環(huán)境之中。

CanPAK效能比較

除上述數(shù)值分析外，以下將通過實(shí)驗(yàn)比較CanPAK與目前被大幅采用的SuperSO8封裝在散熱能力上的差異。圖3(a)為本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所使用的PCB。其中，散熱器的規(guī)格如圖3(b)右上角所示。

圖3: (a)CanPAK與SSO8熱阻測試PCB；(b)熱阻測試結(jié)果。

圖3(b)中的四條曲線由上至下分別為：(1)無散熱器的CanPAK；(2)無散熱器的SSO8；(3)有散熱器的SSO8；(4)有散熱器的CanPAK。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較了各種風(fēng)冷條件下，兩種封裝在有散熱器和無散熱器兩種情況下的整體熱阻表現(xiàn)。其中在無風(fēng)冷條件下，CanPAK使用散熱器時，熱阻的改善幅度約為43%(70→40K/W)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SSO8的28%(63→45K/W)；此外由圖中四條曲線可知，使用散熱器提高功率半導(dǎo)體的散熱面積能夠大幅改善其熱阻值及散熱能力。

本文著重在于說明CanPAK此項(xiàng)封裝技術(shù)的優(yōu)越性，但對功率半導(dǎo)體整體表現(xiàn)而言，晶粒的優(yōu)越特性更是不可或缺。目前為了滿足市場需求，英飛凌科技所推出的CanPAK系列產(chǎn)品，晶粒技術(shù)采用了OptiMOS 2技術(shù)，以30V的最大耐壓作為第一階段新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，以適用于筆記本電腦、服務(wù)器及顯示卡中多相式轉(zhuǎn)換器電源，2008年5月后推出以采用OptiMOS 2技術(shù)為主的25V產(chǎn)品，2009年底將陸續(xù)推出導(dǎo)通電阻及轉(zhuǎn)換速度性能更優(yōu)越的新一代OptiMOS 3技術(shù)，推出25V~250V的CanPAK系列產(chǎn)品，以滿足市場上各種電源轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品應(yīng)用及高性能需求。