隨著低碳化和數(shù)字化的發(fā)展,，電源管理技術呈現(xiàn)新的發(fā)展趨勢,，提高效率,、減輕設備重量,、提高功率密度以及為電動汽車提高續(xù)航里程,，成為人們?nèi)粘ｊP心的共同話題,，各大半導體廠商也在減少能耗,、提高能效方面不遺余力,，希望做出自身的貢獻。
半導體行業(yè)在過去相當長時間內(nèi),，芯片技術的演進一直以來主導著行業(yè)的發(fā)展,，例如在數(shù)字化方向工藝節(jié)點的技術演進，對于功率半導體而言則是在晶圓部分不斷地縮小芯片尺寸,、實現(xiàn)更低的導通阻抗,。所以，封裝技術無疑是推進研發(fā)進展的突破口,。
英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)應用市場總監(jiān) 程文濤先生（圖源：英飛凌公司）
英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)應用市場總監(jiān)程文濤先生指出：“技術創(chuàng)新與封裝創(chuàng)新相結合,，才能為電動汽車的關鍵發(fā)展趨勢提供助力?！?/p>
以硅基半導體為例,，高壓超結硅功率器件的FOM值基本已經(jīng)達到了物理極限，在此情況下要想繼續(xù)降低導通阻抗或者是實現(xiàn)更高的能效,，封裝技術是繼續(xù)把硅的功率發(fā)揮到極致的必經(jīng)之路,。不僅是硅基半導體，現(xiàn)在大熱的寬禁帶半導體SiC/GaN也需要仰仗新的封裝技術,。
日前,，英飛凌宣布其適用于高壓MOSFET 的 QDPAK 和 DDPAK 頂部散熱 (TSC) 封裝技術已成功注冊為 JEDEC 標準，有助于OEM 廠商在市場中創(chuàng)造差異化的產(chǎn)品,，并將功率密度提升至更高水準,，以支持各種應用。
頂部散熱（TSC）封裝技術的優(yōu)勢
英飛凌此次發(fā)布的頂部散熱（TSC）封裝技術包括QDPAK和DDPAK兩款,。相比DPAK（TO-252）封裝,， QDPAK相當于4個并排的DPAK,，DDPAK則是相當于2個DPAK并排在一起。TSC封裝技術可助力實現(xiàn)更大功率,、更高密度設計和更高效率：
·滿足更大功率需求：優(yōu)化利用電路板空間,，采用開爾文源極連接，減少源極寄生電感,；
·提高功率密度：頂部散熱可實現(xiàn)最高電路板利用率,；
·提高效率： 經(jīng)優(yōu)化的結構具有低電阻和超低寄生電感，可實現(xiàn)更高效率,；
·減輕重量：綜合優(yōu)化散熱和發(fā)熱,，有助于打造更小巧的外殼，從而減少用料,，減輕重量,。
（圖源：英飛凌公司）
TSC封裝技術具體能解決什么問題呢？程文濤概括道：“從制造方面來看,，這兩大頂部散熱封裝技術能夠帶來最大的益處在于：高度優(yōu)化了生產(chǎn)工藝,，讓整個裝配過程步驟變少，自動化制造流程更簡潔,，最終在下游廠商端實現(xiàn)包括PCB數(shù)量,、層級和板間連接器用量減少，帶來裝配及整體系統(tǒng)成本大幅降低,?！?/p>
頂部散熱封裝技術在熱管理上具有優(yōu)勢。電源應用電路板的熱設計中需要盡可能降低系統(tǒng)熱阻（Rthja）,，同時實現(xiàn)最高結溫（Tj）,。這意味著最大限度地增加流入散熱片的熱量，同時最大限度地減少流入印刷電路板（PCB）的熱量,。
10年前,，在功率半導體行業(yè)，千瓦及以上的大功率應用基本上是插件封裝技術為主導,，譬如TO247和TO220封裝,，這些插件封裝技術能使工程師最大限度地利用外加的散熱片，非常高效地將芯片內(nèi)部產(chǎn)生的熱量散出芯片之外,。
隨著4G,、5G宏基站等應用對功率密度的要求，芯片越做越小,，要用更少的獨立散熱片,，同時還需要把更多的熱量均勻地散發(fā)到整個設備以外。所以以上需求成為兩個互相矛盾的存在，近5年來,，這個矛盾愈加凸顯,。
“我們經(jīng)過了很長一段時間與下游客戶以及處于行業(yè)領導地位的客戶和工程師討論，最后達成了一個共識,，就是頂部散熱是這個矛盾的解決途徑,。” 程文濤表示,。
（圖源：英飛凌公司）
貼片化是從帶獨立散熱片的插件封裝走向更高功率散熱的第一步,。一般貼片封裝的散熱主要是靠芯片底部跟PCB（印刷電路板）之間的接觸，利用PCB銅箔把芯片產(chǎn)生的熱量傳導出去,。目前常用的PCB采用FR4材質(zhì),，F(xiàn)R4材質(zhì)的最高溫度上限在110度左右。在更高的功率設計中,，底部散熱封裝無法通過貼片和PCB之間結合均勻地把更多熱量散出去,，導致這種散熱方式走到了瓶頸。
英飛凌研發(fā)的頂部散熱,，通過在頂部增加一個薄薄的散熱片,，使得PCB溫度與芯片結溫相分離,，從而實現(xiàn)了在相同電路板溫度條件下,，功率耗散增加了大約20%，而且通過降低電路板溫度,，延長了系統(tǒng)使用壽命,。
SMD/THD封裝對比（圖源：英飛凌公司）
在溫度穩(wěn)定之后，QDPAK和DDPAK的散熱能力與TO220和TO247的散熱能力實現(xiàn)了對等,。
兩款頂部散熱封裝技術已注冊為JEDEC標準
JEDEC是一個制定半導體器件標準的全球性行業(yè)組織,，成員包括全球各地的半導體制造商、芯片設計師,、系統(tǒng)供應商等,，其制定的標準被廣泛應用于整個半導體產(chǎn)業(yè)，包括出廠測試,、產(chǎn)品標識,、器件封裝、環(huán)境試驗以及安全性和可靠性測試等方面,。這些標準的使用可以提高制造商之間的互操作性,、可靠性和通用性，從而降低成本并提高效率,。
（圖源：英飛凌公司）
程文濤表示,，功率半導體業(yè)界不成文的規(guī)定，“任何一家廠商選定一款功率半導體時,，至少要有一個備選方案,，也就是Second Source,，理想的情況是有三四種備選方案?！?/p>
JEDEC標準目前在半導體行業(yè)中是一個公認的標準,，而且這是免費的，在JEDEC標準得到了注冊和認證之后,，其它的廠商可以免費從JEDEC標準組織里面下載這些標準,。
由于已經(jīng)兼容業(yè)界通行的尺寸、安規(guī),，因此為產(chǎn)品做推廣的時候會比較方便,。另外JEDEC標準組織也讓行業(yè)里的一些創(chuàng)新的想法能夠很快推行。得益于能夠在JEDEC標準組織里面得到注冊,，頂部散熱封裝技術在過去幾年發(fā)展越來越快,，也促進了半導體行業(yè)的發(fā)展。
“就目前而言,，英飛凌在功率半導體封裝領域是銳意進取的,，英飛凌一直擔任著很重要的角色。在這個過程里,， JEDEC標準組織也是一個非常重要的存在,，英飛凌經(jīng)常會與JEDEC標準組織進行非常積極的互動，能夠盡快地讓英飛凌創(chuàng)新的封裝技術在JEDEC標準組織里面和行業(yè)里面推廣開來,?！?程文濤表示。
QDPAK和DDPAK封裝設計的成功注冊將推動市場更廣泛地采用 TSC 技術以取代 TO247 和 TO220插件封裝技術,，此項新 JEDEC 注冊封裝系列將成為高壓工業(yè)和汽車應用過渡至下一代平臺中頂部散熱設計的重要推手,。
（圖源：英飛凌公司）
適用于高壓（ HV） 與低壓（ LV） 器件的 QDPAK 和 DDPAK SMD TSC 封裝采用 2.3 mm標準厚度。英飛凌在研究行業(yè)中貼片各種封裝尺寸后,，在大部分的非頂部散熱以及頂部散熱的封裝共存的情況下,，選擇了2.3 mm，這樣的厚度能夠讓足夠多的器件并存在同一塊PCB板上,。
程文濤表示：“希望通過這次跟JEDEC標準組織的互動,，能夠使2.3 mm成為業(yè)界通行的厚度?！?/p>
應用場景
可以說頂部散熱方式覆蓋的功率段范圍相當廣泛,。而英飛凌提供的這類頂部帶銅箔的頂部散熱封裝在功率約為200-300W的應用場景中，就開始凸顯其價值了,，采用該封裝方式,，可以實現(xiàn)取消獨立散熱片，或替代插件器件；而一般功率在1000W時,，頂部帶裸銅的頂部散熱封裝就是一個必選項,。目前，英飛凌的頭部客戶最積極采用頂部散熱封裝技術主要集中在數(shù)據(jù)中心,、通信應用,，乃至在對儲能要求更加便攜、更加高功率密度的情形下,，頂部散熱這種貼片形式的占比是越來越高,。
新能源汽車也是一個重要的應用場景，目前為了滿足電動汽車的設計要求,，業(yè)界在不斷增加功率半導體能效的同時,，還致力于減少它所占用的PCB面積，這時候對功率密度的要求也很高,。頂部散熱能夠幫助工程師在設計新能源汽車時,，把更多空間留給電池動力部分。
程文濤總結道：“但凡是需要體積小,、重量輕,、功率密度高、效率高的產(chǎn)品,，頂部散熱封裝技術都非常受歡迎,。”