功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

     每一代新型電子應(yīng)用都要求電源管理系統(tǒng)有更高的性能。在信息技術(shù)和便攜式產(chǎn)品市場(chǎng)上，這一趨勢(shì)尤為明顯。直到最近，硅技術(shù)一直都是改進(jìn)電源管理系統(tǒng)性能的最重要因素。然而，硅技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在受到封裝性能提高的限制。為了實(shí)現(xiàn)明顯的改進(jìn)，必須提高功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)。下面將對(duì)功率封裝技術(shù)改進(jìn)的3種途徑進(jìn)行討論。

提高芯片面積與占用面積之比

     在PDA和移動(dòng)電話等便攜式應(yīng)用中，尺寸是關(guān)鍵因素，因此，芯片與占用面積之比是功率器件的最重要因素。在傳統(tǒng)的SMT封裝（如TSOP－6、SOT－ 23、SMA、SMB和SMC）中，這一比例為20％左右。這意味著約80％的封裝面積被浪費(fèi)掉了。無(wú)引線封裝將芯片/占用面積比提高到約40％，因?yàn)橐�線不延伸到封裝之外。球柵陣列（BGA）封裝進(jìn)一步提高了這一比例，然而，用于方便漏極連接的銅漏極夾卻增大了器件占用面積。

    International Rectifier公司的FlipFET通過(guò)一種專有技術(shù)把所有的觸點(diǎn)都安排到芯片的一側(cè)，從而解決了這一問(wèn)題。芯片進(jìn)行鈍化和形成凸點(diǎn)后完成互連。 FlipFET 以100％的比例使之成為便攜式應(yīng)用的首選。 將封裝的電阻和熱阻減至最小在大電流應(yīng)用中，如電壓調(diào)整模塊用的DC/DC變換器、筆記本電腦和電路板上安裝的電源系統(tǒng)，單個(gè)器件的電流承受能力是最重要的優(yōu)值。將封裝的電阻和熱阻減至最小，對(duì)于提高單個(gè)器件能承受的電流來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。 SMT封裝，如SO-8，不能承受這些系統(tǒng)的電流要求，它們采用新一代處理器時(shí)每相的電流應(yīng)大于25A。這一缺陷主要是封裝的結(jié)至外殼和結(jié)至PCB的熱阻過(guò)高以及無(wú)芯片封裝電阻（DFPR）過(guò)大造成的。 解決方法之一就是從器件頂部而不是通過(guò)PCB把熱量吸走。International Rectifier公司的DirectFET封裝就提供了這一能力。在DirectFET封裝中，芯片被包裹在一個(gè)銅質(zhì)外殼中，以方便熱量從作為散熱器的器件頂部散發(fā)掉。這一設(shè)計(jì)消除了引線架和引線焊接，把DFPR降至只有0.1mW，占用面積與SO-8封裝的相當(dāng)，而標(biāo)準(zhǔn)的SO-8封裝的DFPR為 1.5mW。結(jié)至外殼（頂部）的熱阻降到僅為 3℃/W。在使用導(dǎo)熱墊時(shí)，DirectFET封裝從封裝頂部散發(fā)的熱量比SO-8多50％。在大電流DC/DC 變換器中，DirectFET封裝可以更低的系統(tǒng)成本將電流密度提高兩倍，用一對(duì)MOSFET達(dá)到25A/相的電流水平。

    將寄生電阻和電感減至最小第三個(gè)重要的考慮是器件的布局、封裝的寄生電阻和封裝電感。如果CPU電流消耗繼續(xù)上升，峰值電流可能會(huì)大大超過(guò)120A，而瞬態(tài)響應(yīng)要求將超過(guò)數(shù)百 A/ms。在這些條件下，即使走線電感只有幾個(gè)nH，也會(huì)讓電壓降達(dá)到數(shù)百mV，使得效率降低，以及引起電源輸出指標(biāo)超出CPU的電壓容限。 PCB元件間導(dǎo)線的電阻和電感只能通過(guò)采用共同封裝和集成來(lái)減小。將MOSFET和肖特基二極管共同封裝成為稱作FETKY的單個(gè)器件中是 International Rectifier公司的專利。FETKY器件封裝包括了一個(gè)控制MOSFET、同步MOSFET和肖特基二極管，以圖簡(jiǎn)化單相降壓變換器。在這種電路中，肖特基二極管用于減小同步FET中反向恢復(fù)的電荷損耗。電流密度也得到了改善，因?yàn)楝F(xiàn)在1個(gè)封裝取代了3個(gè)器件。共同封裝的自然發(fā)展結(jié)果就是集成化，此時(shí)可以將MOSFET、二極管、IC和對(duì)電路布局來(lái)說(shuō)至關(guān)重要的無(wú)源元件集成到單個(gè)器件上。

    International Rectifier采用了iPOWIR技術(shù)的IP2001和1001就是這類器件的良好實(shí)例。IP2001封裝在11×11×3mm的BGA封裝中，它只需接上一個(gè)多相控制器、輸入和輸出電容以及輸出電感，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能完備的大電流變換器。1個(gè)IP2001每相可以取代多達(dá)11個(gè)分立元件。集成化不僅使得占用面積減少了44％，而且與分立方案相比提高了10％的效率。

未來(lái)的發(fā)展

     隨著便攜式電子產(chǎn)品電流密度和尺寸的提高，共同封裝及集成化在提高系統(tǒng)性能方面越來(lái)越變得必不可少。最成功的平臺(tái)將提供最低的每安培電流成本，同時(shí)保證用戶所需的外形規(guī)格。