48V应用驱动电源IC封装选项

随着较新的电力半导体工艺成为主流,热和寄生问题需要新的包装方法。

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制造工艺和模具得到了大部分的关注,但包装在实现和限制性能、可制造性方面起着重要的作用,特别是当涉及到电源设备的可靠性时。

鉴于广泛的底层半导体电源装置技术 - “基本”硅,宽带隙碳化硅(原文如此),氮化镓(GaN)、功率级别和应用程序——功率设备包的范围既广又深,这并不奇怪。也有不同的包装类型和内部配置优化特定的市场和他们的优先级。即使有了这样的选择,对于宽带隙器件,更高的性能值(FOM)、更高的效率、更高的工作温度和开关频率,以及潜在的更高的输出功率,都对封装提出了新的要求。例如,SiC就在175⁰C的范围内。与此同时,还存在更高层次的功能集成压力,即将多个功率设备(甚至它们的驱动程序)整合到一个包中。

因为宽带隙装置更有效,因此消散较少的热量,因此似乎将使芯片保持低于其最大结温的永无止境的热挑战将减少。然而,这往往不是这种情况。

“包装更容易,如果死亡是高效的,”绍伦鲍德斯,副总裁兼技术集成副总裁雅克。问题是这些功率设备的用户的期望比设备本身的改进更快地增长。结果,曾经被认为是性能天花板成为地板。因此,以及较低的导通电阻(RDS(上)),新设计要求包括减少寄生。这主要是电感lDS.,但它也包括电容C为了更高的开关速度,降低互连电阻,与无源元件的集成甚至控制逻辑。所有这些都以较小的整体包装尺寸发生在占地面积和厚度方面。

当然,热的考虑总是存在的。这类似于低水平信号处理系统的设计者所面临的情况,他们认识到外部和内部的噪声决定了他们最终的设计极限。同样,动力工程师也知道热工问题是设计限制的首要问题,它们总是潜伏在幕后。

“摆脱热量是大挑战,”Sam Sadri,高级流程工程师说Quik-Pak.。“最常见的方法是将芯片连接到铜散热器,这是便宜的和良好的热导体。但是,您也可以使用氮化铝,其具有非常接近硅的热膨胀系数。在包装中尤为重要。“

压倒性地需要在表面贴装装置包中提供功率分量,而不是具有大引线的较旧的通孔设计正在改变热流路策略。基本的表面贴装套件包括电源四扁平无铅封装(PQFN),暴露的双曲码封装(ED2PAK),无直(收费)包,无损失包装(LFPAK)。在热侧,双侧冷却是SIC器件的大额,说amkor的鲍尔斯。


图1:用于电力设备的众多标准封装类型中的六种。外部的照片并没有揭示它们内部的结构或安排,但它们是复杂的和复杂的。来源:amkor.

包装创新主要依靠三个方面的进步:

    • 必须增加从器件源到漏极的导电率以减少损耗和随后的发热;
    • 应该尽可能多地消除热或电接口,因为每个接口都代表一个障碍,以及由于热循环、热膨胀系数(CTE)之间的不匹配和制造问题造成的潜在故障点
    • 必须改善包装材料本身的热性能。

从12V到48V的过渡驱动新的包装
通过电力,存在一个不可避免的事实,如物理和电力的基本原理所定义 - 当从源到负载的电源(电压和电流的乘积),电阻损耗和散热随电流的平方(一世2r)。从最早的电力中所知,使用较高的工作电压允许电流降低,并且是充分削减损耗,热量和效率低于给定功率水平的可接受值的最佳唯一途径。

因此,随着电力需求的不可避免地增加,长期建立的12伏标准作为数据中心的中间总线电压,在以足够低的损耗和可接受的效率提供所需电力的能力上是不足的。取而代之的是,电力轨被调到48伏。

同样的电压-轨道过渡也出现在内燃机车辆的汽车设计中,以及“轻度”混合动力汽车的设计中,在这些汽车中,需要一辆48伏巴士来支持许多功率更高的负载,包括启动器、电动转向辅助和许多其他发动机。

这种从12V到48V的转变为数据中心的主要导轨,以及汽车电源子系统中的第二轨道 - 5G基站的出现为57V - 正在推动封装开发的两种趋势。这些双路径是由于每个的主要性能目标的差异。

数据中心服务器需要快速的暂态过渡响应,以有效地支持处理器功率需求的快速转换。这导致使用点负载架构工作在1MHz以上的开关频率,但功率器件封装的寄生阻抗限制了该频率下的瞬态性能。

例如,为了克服这一问题,Amkor正在研究一种称为PowerCSP包(PCSP)的新方法,该方法为关注电源的应用程序重新设计了芯片级封装。它满足了三个改进封装的目标:提高漏源导电性、减少电与热界面、提高材料的导热性,同时还减小了器件的总体尺寸。


图2:PowerCSP技术为用户提供了多种选择,包括附加式热扩散器、用于EMC屏蔽的带侧壁的热扩散器、具有高导热和导电性的材料(可焊接或烧结)和可湿性侧面。来源:amkor.

基于引线框架的芯片刻度封装支撑双侧冷却,其中顶/引线框架可以连接到散热器,而封装的底侧可以使用热通孔和铜层安装到PC板。PCSP消除了线键和/或铜夹,这导致低寄生电阻和杂散电感,分别用于降低导电损耗和切换损耗。


图3:RDS.,L.DS.和c对于Amkor的PowerCSP(PCSP)设计与不同版本的ED2PAK,收费和LFPAK套餐。来源:amkor.

与数据中心的需求不同,汽车48v电源的性能优先级并不是微秒级的瞬态响应。相反,它需要提供几百安培的起动器/发电机组合在经典的三相,半桥安排与高侧和低侧功率设备。这是一种相对间歇性的需求,即使采用了许多新车的走走停停节油设计模式,但高电流水平以及数十千瓦的功率水平往往需要使用多个mosfet。

为了促进这种安排,封装供应商正在寻找新的结构,该结构利用机会在一个包装中居住多个MOSFET甚至它们的支持被动。日月光半导体具有其先进的嵌入式主动系统集成(A-EASI)电源包平台,其适合单桥拓扑,低阻抗垂直电流的低散硅电阻率,因此低rDS(上)。ASE也开发了一套热扩散器和基于剪辑的QFN方法的这个应用程序,具有明显区别的性能特征


图4:高级嵌入式主动系统集成(AEASI)方法支持具有不同属性的三个不同的结构(P1,P2,P3)。来源:ASE.


图5:AEASI P1,P2和P3结构的比较和效率图,以及具有CU夹的PQFN装置。来源:ASE.

ASE还正在解决共同包装电感器的挑战,这是开关电路中的必要但难以集成的无源元件,以及诸如封装封装的解决方案,这也满足了模具集成的厚模具盖要求的挑战。


图6:与共装电感器的包对包(POP)安排的多个视图。来源:ASE.

此外,与所有技术的进步一样,始终存在持续的,前后产生的增强,在最初针对一个问题和应用在其他领域的应用之间。Mark Gerber,技术营销和工程技术高级总监,指出,热模具化合物和先进的热界面材料(TIMS),可通过集中在数字应用上的非功率器件利用减少热阻抗。正在调查的其他可能性包括使用碳纳米管,现在广泛可用并在许多来自传感器到热应用的许多学科的学术项目中使用。

隔离设备增加了挑战
从模具中的总热路径的广泛使用元件,然后从封装中脱离并远离封装,以嵌入包装下的电和导热垫。然而,这在诸如桥接布置的公共电路拓扑中不可行,其中一些电力器件以及其栅极驱动器,必须具有从系统接地的电流(欧姆)隔离。[注意:术语“地”通常是一个错误的人。一个更好的术语是常见的系统。]

因此,供应商正在开发支持较高的导热率的封装,同时使用薄膜和金属化基座以维持从板的所需电绝缘。绝缘厚度和其他参数必须足以承受隔离组件与常见路径之间的电位差,以满足基本电气需求和监管要求。此外,随着电力分量电压的增加,最小爬电和间隙尺寸也增加,进一步复杂的封装几何形状。如果下侧热焊盘是电不可接受的,则在顶侧存在具有散热片的封装,用于通过被动或强制气流冷却。然而,这可能不如使用底侧焊盘的系统透视,该底侧焊盘利用电路板铜作为散热器。

这不仅仅是在查看技术和监管变革的汽车和数据中心。即使是消费者产品及其组件也受新法规的影响。截至2020年12月,合并,更新和撤回的信息技术设备(IEC 60950-1)和视听设备(IEC 60065)的长期独立安全标准,并由单个ANSI / IEC 62368-1取代(北美和欧盟的“音频/视频,信息和通信技术设备 - 安全要求”标准。新标准引入了与产品测试不同的危险哲学,而不是其前身,高压考虑因素是它地址的许多问题之一。Gerber注意到ASE在高压隔离中经历,可以设计和制造具有优异隔离性能的低温共用陶瓷装置,以支持高电压/功率要求。

前端建模,生产问题也影响包装改进
从概念上设计创新以满足新目标,同时在各种权衡和约束之间取得平衡是一回事。在原型制作和测试之前详细模拟性能是另一回事。日月光的Gerber、Amkor的Bowers和Amkor包装开发和技术集成高级经理Sophie Olson都同意这一点ANSYS'工具是此目的最广泛的。但他们还注意到,由于包装系统变得更加复杂 - 而且这些微小的包裹和死亡是系统,尽管它们相对较少和全静态的部分 - 这也是一个越来越艰难的挑战。

Olson指出,这些工具用于进行基本的多物理热、机械和电模拟,以确定结温和其他关键参数。虽然它们对于设计阶段是足够的,但客户必须使用他们自己的模具来模拟暂态性能。鲍尔斯指出,这也取决于客户。有些人知识渊博,软件包供应商可以向他们学习。与此同时,其他人更擅长预先的概念和设计,但不知道材料或模具附件的问题,因此需要从包装供应商的帮助。

更高的功率密度和热问题也具有较差的可见影响。Amkor的Olson指出,银色烧结 - 通过在熔点下方施加热量的焊接金属的焊接通常更适合互连,而不是焊接,也更好地满足RoHS要求。“法规通常对我们努力,但这里有所帮助,”她说。Olson补充说,当使用焊料时,客户的“社会压力” - 不是监管驱动 - 使用再生锡焊料。因为锡可以100%回收,剧本在可能时利用再生材料。

结论
半导体功率器件的能力的进步振荡在裸露的未包装模具和市售包装的性能之间。新的包装概念,布置和材料以及增强的制造技术,允许这些过程前进(例如SIC或GaN)或用户需求(推动到48V轨)成为系统构建块和架构。

功率器件在模具和板之间只有几个连接,与数字IC相比,具有高铅计数。这两者都简化并使他们的路径变得成功采用。包装设计人员被指控不仅仅是跟上新的模具和工艺要求,因为它们还必须预测需求并提供车辆使其能够成为可行的产品。

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1评论

丰富的黑色 说:

非常好的书面和信息性文章,甚至是退休包装工程经理。

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