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選擇IC封裝時(shí)的五項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮
發(fā)布時(shí)間:2018-03-16 來源:Majeed Ahmad 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】為了提供更多的功能,芯片變得越來越大,但是相反,封裝卻被要求以更小的尺寸來容納這些更大尺寸的裸片。這就不可避免地要求,新的候選封裝技術(shù)既能提高系統(tǒng)效率又能降低制造成本。
為了提供更多的功能,芯片變得越來越大,但是相反,封裝卻被要求以更小的尺寸來容納這些更大尺寸的裸片。這就不可避免地要求,新的候選封裝技術(shù)既能提高系統(tǒng)效率又能降低制造成本。
封裝創(chuàng)新涉及的領(lǐng)域包括更廣泛的額定電流和額定電壓、散熱及故障保護(hù)機(jī)制等。本文列出了工程師在為半導(dǎo)體器件評(píng)估封裝技術(shù)特性時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。
我們從最通常的疑惑開始:小型的封裝尺寸。
1. 更小的封裝尺寸
現(xiàn)在,我們希望IC封裝能夠節(jié)省電路板空間,幫助實(shí)現(xiàn)更堅(jiān)固的設(shè)計(jì),并通過省去一些外部元器件來降低PCB的組裝成本。因此,業(yè)界正在對(duì)諸如D2PAK 7的IC封裝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以期以相同的尺寸和引出線容納面積增加高達(dá)20%的裸片。
新的封裝設(shè)計(jì)還提供了可互換引出線選擇,從而最大限度地利用尺寸,并提供更大的設(shè)計(jì)靈活性。然后是直插或曲插引腳式封裝,這有助于優(yōu)化電路板空間和所需的引腳分離。
業(yè)界也正在開發(fā)一些閾值電壓在邏輯電平、面向電池供電設(shè)計(jì)的新封裝,這樣的封裝使微控制器可以直接驅(qū)動(dòng)諸如MOSFET的功率器件。此舉也相應(yīng)節(jié)省了電路板空間。
2. 功率密度
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、太陽能逆變器和電源等等產(chǎn)品對(duì)功率芯片和模塊的需求在不斷增長(zhǎng),這拉動(dòng)了在不增加封裝尺寸的條件下對(duì)更高功率密度的需求。
設(shè)計(jì)師如何在保持封裝魯棒性和可靠性的同時(shí),提高功率密度?首先,封裝可以采用更大的引線框架面積,從而可以容納諸如IGBT的更大的功率芯片。這也實(shí)現(xiàn)了較低的封裝熱阻,而有利于改善散熱。
以意法半導(dǎo)體(ST)的新系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)PWD13F60為例,它將4個(gè)功率MOSFET集成在了比同類電路小60%的封裝內(nèi)(圖1)。PWD13F60封裝集成了面向功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器、面向上側(cè)驅(qū)動(dòng)的自舉二極管、交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)和欠壓鎖定。
圖1:意法半導(dǎo)體的SiP解決方案,面向工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、燈鎮(zhèn)流器、電源、轉(zhuǎn)換器和逆變器應(yīng)用。
關(guān)斷電路可保護(hù)功率開關(guān),欠壓鎖定可防止低壓故障。同樣,自舉二極管可減少物料清單(BOM),簡(jiǎn)化電路板布局。
它表明了封裝選擇對(duì)于最大限度地提高能效和適應(yīng)廣泛的供電電壓范圍為何至關(guān)重要。在此,還值得指出的是,封裝的功率密度與散熱條件的改善相輔相成。
3. 散熱效率
由于像IGBT這樣的器件工作在較低溫度可減小器件上的應(yīng)力,因此封裝的散熱性能與其可靠性存在內(nèi)在聯(lián)系(圖2)。由于溫度較低所需的散熱器尺寸就不大,因此散熱特性也會(huì)影響散熱器大小。此外,冷卻要求的降低也為設(shè)計(jì)者在增加功率密度方面留有更大余地。
圖2:英飛凌的功率模塊封裝采用了熱接口材料(TIM)。
有些封裝保留了封裝的尺寸和高散熱效率的底部設(shè)計(jì),同時(shí)將頂部源極裸露作為散熱區(qū)。此舉可實(shí)現(xiàn)更高的額定電流值,從而實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更小的封裝尺寸。
4. 散熱
用于在封裝內(nèi)部產(chǎn)生隔離的常規(guī)方法通常既昂貴又難以處理。而且,它們遠(yuǎn)不足以管理IGBT等高功率密度器件的散熱。
因此,英飛凌推出了一種叫做Trenchstop高級(jí)隔離的封裝技術(shù)(圖3)。這家德國芯片廠家稱,Trenchstop封裝技術(shù)可以取代全隔離封裝(FullPAK)以及標(biāo)準(zhǔn)隔離箔。英飛凌將這種新封裝定位于面向空調(diào)的功率因數(shù)校正(PFC)、不間斷電源(UPS)和電源轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。
圖3:右側(cè)封裝的發(fā)熱量減少了15%。(圖片來源:英飛凌科技)
這種隔離封裝不再需要隔離材料和導(dǎo)熱硅脂,從而使設(shè)計(jì)人員能將裝配時(shí)間縮短高達(dá)35%。同時(shí),因?yàn)椴淮嬖诟綦x箔未對(duì)齊的情況,所以它還提高了可靠性。這也實(shí)現(xiàn)了比FullPAK工作溫度低10℃的改進(jìn)。
5. 開關(guān)損耗
特別是對(duì)像工業(yè)驅(qū)動(dòng)器等器件中工作頻率高達(dá)20kHz的硬開關(guān)電路,為提高封裝效率,減少開關(guān)損耗勢(shì)在必行。此外,可靠的開關(guān)和低EMI增強(qiáng)了小功率應(yīng)用中的無散熱器工作。
為降低開關(guān)損耗,一些封裝解決方案采用了額外的開爾文發(fā)射極電源引腳(圖4)。它旁路了柵極控制回路的發(fā)射極引線電感,從而提高了器件的開關(guān)速度,降低了開關(guān)能量。
圖4:具有開爾文發(fā)射極的封裝可將動(dòng)態(tài)損耗降低20%。(圖片來源:英飛凌科技)
本文轉(zhuǎn)載自EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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