|
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，因為更輕的產品會給汽車減重從而有利于增加續航里程。從增加續航的角度來說：效率是實現這一目標的一個方面，這點SiC相對于Si來說，當然更有優勢；另一方面，器件封裝和散熱設計也助力實現這一目標，尤其是在提高功率密度方面的作用越來越大。 為助力行業從插件器件過渡到貼片器件，英飛凌開發了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勢。對于創新的頂部散熱封裝，在行業探索未來潛在的各種可能性之前，本文將對DCB內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 1、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：生產成本高; 焊接之前需要人工介入將器件插入PCB上。基于這些原因，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自動化生產，也利于提高生產的可靠性。 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。基于這種熱傳導方向，頂部散熱具有先決的優勢，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，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FR4的PCB貴。 
圖 1. 底部冷卻 (BSC) 需要使用熱過孔或 IMS 板散熱 2、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量。 這個特性降低了BOM, 最終總的系統成本也得以降低。除了提高散熱，增加載流能力外，TSC也有利于優化走線設計，從而提升可靠性。因為驅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，降低了驅動風險，提升了開關管的性能。 英飛凌開發的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 CoolSiCTM MOSFET, 以及650V SI SJ CoolMOSTM 。相對于插件THD器件，這些產品有近似的散熱能力空間，但電性能更優。DDPAK和QDPAK的高度統一為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品，尤其是不同電壓等級器件的高度統一，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勢。 首先，將芯片直接連接到封裝內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，而不是傳統的軟焊，這將帶來顯著的優勢，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生再熔化，因此不會出現由表面張力驅動的芯片位移。此外，這種技術還能優化器件尺寸，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. 不同占空比的瞬態熱阻 (ZthjC) 與脈沖長度 (tp) 的關系。綠色是傳統焊料的數據，紅色顯示的是擴散焊的數據。 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 4mm2和 14mm2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（穩態電流和脈沖電流）。
圖 7. 14mm2 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，提供了高度統一的頂部散熱QDPAK 封裝的器件，包括750V，1200V CoolSiCTM MOSFET 和 650V Si SJ CoolMOSTM。 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 有可能實現更緊湊、更靈活的設計，從而提供更高水平的熱性能。 |
