IC封装：五个关键设计考虑因素

作者：Majeed Ahmad，特约编辑

为了提供更多功能，芯片变得越来越大，相反，封装需要以更紧凑的形式容纳这些更大的裸片尺寸。这不可避免地需要新的封装技术选项，以提高系统效率并降低制造成本。

封装创新的场所包括更广泛的电流和电压额定值、散热、故障保护机制等。本文列出了工程师在评估其半导体器件的封装技术特性时需要考虑的关键因素。

让我们从通常的疑点开始：紧凑的封装尺寸。

1. 更小的占位面积 IC 封装现在有望节省电路板空间，帮助创建更坚固的设计，并通过消除一些外部组件来降低 PCB 组装成本。因此，像 D 2 PAK 7这样的 IC 封装技术正在被优化，以在相同的占位面积和引脚排列中容纳最多 20% 的面积增加的芯片。

新的封装设计还提供可互换的引出线选项，以最大限度地提高占地面积并创造更高水平的设计灵活性。然后是带有内联或之字形引线的封装，这有助于优化电路板空间和所需的引脚分离。

一些用于电池供电设计的新封装也正在开发中，其阈值电压为逻辑电平。它允许他们直接从微控制器驱动功率元件，如金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。这反过来又节省了电路板空间。

2. 功率密度电机驱动器、太阳能逆变器和电源等产品对功率芯片和模块的需求不断增长，这推动了在不增加封装尺寸的情况下提高功率密度的需求。

设计人员如何在保持封装稳健性和可靠性的同时提高功率密度？首先，封装可以具有更大的引线框面积，从而容纳更大的功率芯片，如绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。它还可以降低封装的热阻，从而有利于改善散热。

以意法半导体的新型系统级封装 (SiP) 为例，它在一个封装中集成了四个功率 MOSFET，比同类电路小 60%（图 1）。PWD13F60 封装集成了用于功率 MOSFET 的栅极驱动器、用于高端驱动的自举二极管、交叉传导保护和欠压锁定。

图 1：意法半导体的 SiP 解决方案针对工业电机驱动、灯镇流器、电源、转换器和逆变器。

关断电路保护电源开关，欠压锁定可防止低电压故障。同样，自举二极管减少了材料清单 (BOM) 并简化了电路板布局。

它显示了封装的选择对于最大限度地提高能源效率和适应广泛的供应范围至关重要。在这里，还值得一提的是，封装的功率密度与热条件的改善息息相关。

3. 热效率封装的热行为本质上与其可靠性相关，因为像 IGBT 这样的组件在较低温度下运行会减少组件上的应力。热特性也会影响散热器的尺寸，因为较低的温度会转化为较小的散热器。此外，较低的冷却要求为设计人员提供了更高的功率密度增加余量。

图 2：英飞凌的功率模块封装采用热界面材料 (TOM)。

有些封装保留了封装的占位面积和高效的底部设计，同时将顶部源电极暴露为散热场所。这会导致更高的额定电流，进而导致更高的功率密度和更小的封装尺寸。

4. 散热用于在封装内部创建隔离的传统方法通常昂贵且难以处理。此外，它们在管理 IGBT 等高功率密度组件的散热方面也存在很大不足。

因此英飞凌推出了一种封装技术，称为 Trenchstop Advanced Isolation。这家德国芯片制造商声称 Trenchstop 封装技术可以替代全绝缘封装 (FullPAK) 以及标准隔离箔。英飞凌将新封装用于空调的功率因数校正 (PFC)、不间断电源 (UPS) 和电源转换器等应用。

图 3：右侧封装的散热量减少了 15%。图片来源：英飞凌科技。

此类隔离封装无需隔离材料和导热硅脂，从而使设计人员能够将组装时间减少多达 35%。同时，它通过消除未对准的箔片来提高可靠性。它还带来了一些改进，例如比 FullPAK 低 10°C 的温度。

5. 开关损耗为了提高封装效率，必须尽量减少开关损耗，尤其是在工业驱动器等设备中工作频率高达 20 kHz 的硬开关电路中。此外，可靠的开关和低 EMI 增强了低功率应用中的无散热器运行。

一些封装解决方案具有额外的 Kelvin 发射极源引脚，以降低开关损耗（图 4）。它绕过了栅极控制回路上的发射极引线电感，从而提高了组件的开关速度并降低了开关能量。

图 4：带有开尔文发射器的封装可以将动态损耗降低多达 20%。 图片来源：英飞凌科技。

审核编辑 黄昊宇