英飛凌為車載充電器應用頂側冷卻開發未來解決方案

最大限度地提高功率密度是電動汽車車載充電器（OBC）設計師的一個重要目標，較輕的充電器可以減輕汽車整體重量，從而有助于擴大續航里程。而提高效率則是實現該目標的關鍵，眾所周知，在這方面碳化硅（SiC）器件具有比硅器件更大的優勢。提高效率的其它重要因素還包括器件封裝和冷卻，這些因素不太為業界所重視，但在實現更高功率密度的OBC設計方面發揮著越來越重要作用。
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為了幫助設計師從通孔技術順利過渡到表面安裝技術，英飛凌開發了雙DPAK（DDPAK）和四DPAK（QDPAK）SiC器件，這些器件采用頂部冷卻（TSC），以提供與通孔器件類似的熱性能，但具有均勻封裝高度的額外優勢。本文回顧了這些器件的熱優勢，討論了這種創新封裝技術的未來應用潛力，對封裝上與封裝內直接銅連接（DCB）器件的熱性能進行了概念比較，并展示了引線框芯片封裝如何能夠使用擴散焊接（diffusion soldering）進行管芯連接，這種方式的優點是比傳統焊接更薄，并具有更優越的熱性能。
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頂部冷卻優于底部冷卻

盡管TO-247和TO-220等通孔器件（THD）封裝仍被廣泛用于許多場景，但它們卻帶來了制造成本較高等缺點，并且在被焊接到印刷電路板（PCB）的下側之前需要手動插入到印刷電路板。由于這些原因，THD越來越多地被表面安裝器件（SMD）所取代，SMD的放置可以實現自動化，并具有更高的產出率和更高的可靠性。
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SMD封裝以兩種方式散熱：底部冷卻（BSC）或頂部冷卻。雖然BSC和TSC封裝都可以使用自動拾取和安裝設備進行組裝。D2PAK和DPAK等BSC封裝器件是將管芯產生的熱量向下傳導至PCB板安裝器件的底部，相比之下，TSC具有一些優勢。這是因為PCB并沒有針對非常高的熱傳導進行優化，會針對BSC器件產生較大的實質性熱障，意味著需要額外的熱過孔來使多余的熱量安全消散（圖1a）。
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這種方法的一個負面后果是，它會使PCB布線更具挑戰性，因為PCB板的較大面積被用于布置散熱元件。絕緣金屬基板（IMS）板（圖1b）可以改進BSC器件的熱性能，但這些器件比傳統FR4 PCB更加昂貴。
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圖1：底部冷卻需要使用熱孔或IPS板進行散熱。

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在TSC器件中，半導體管芯產生的熱量被提取到封裝頂部，封裝有一個裸露焊盤，冷板（散熱器）連接在焊盤上，如圖2所示。
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圖2：采用頂部冷卻的半導體器件。

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使用這種方式，熱阻可降低35%，并且散熱通路與PCB上的電連接互不影響。這一點意義重大，因為它使PCB設計更簡單、更靈活，并能夠實現更小的PCB面積、更高的功率密度和更低的電磁干擾（EMI）等額外好處。此外，由于熱性能得到改善，因此不需要進行PCB板堆疊，也不必將FR4和IMS板組合在一起，單個FR4就足以容納所有組件，并且只需要更少量的連接器。
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這些特性可減少總體物料清單（BOM），從而最終降低總體系統成本。除了改進的熱和功率性能外，TSC技術還能夠提供優化的功率回路設計，從而提高可靠性。由于驅動器可以放置在離電源開關很近的地方，實現上述設計完全可能。驅動器開關的低雜散電感還能夠減少環路寄生信號影響，這意味著柵極上的振鈴更少，性能更高，故障風險更低。
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英飛凌為許多功率器件開發了DDPAK和QDPAK SMD封裝，包括CoolSiCTMG6肖特基二極管系列、與650V SI SJ CoolMOSTM配合的新型750V和1200V SiC MOSFET系列。這些新器件具有基本類似的熱性能，但電氣性能卻優于THD器件。具有高電壓和低電壓選項的QDPAK和DDPAK SMD TSC封裝的標準高度為2.3 mm，這意味著可以使用具有相同高度的組件來設計車載充電器（OBC）和DC-DC轉換器等完整應用。與基于3D冷卻系統的現有解決方案相比，降低了冷卻成本。
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探索TSC的未來潛力

通過使用Al2O3襯底作為TSC隔離的直接銅連接，將導致出現目前TSC器件的一個附加特性。直接銅連接可能位于器件封裝內部，如圖3所示。這種方法的一個限制是需要芯片互連進行適應，需要厚度約為50μm的管芯連接。此外，器件熱性能也會受到DCB熱性能限制。
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圖3：TSC隔離目前可通過使用封裝內DCB實現。

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英飛凌提出了一種創新的封裝上DCB（DCB-on-package）來實現TSC的方式，其中半導體管芯保持直接連接到引線框架，這種方式可提供多個熱性能優勢。
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首先，將管芯直接連接到封裝內的引線框可提供額外的散熱能力。其次，在封裝上連接DCB可消除芯片互連和再分配的適應性。最后，由于不再使用傳統焊接，而是通過擴散焊接用于管芯連接，這樣做優勢明顯，可使管芯連接材料的厚度從大約50μm顯著減小到僅大約1.2μm。
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圖4：使用封裝上的DCB實現TSC隔離。

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擴散焊接對管芯連接的好處

由于SiC具有非常高性能，SiC管芯通常非常?。ㄍǔＶ挥袔譵m2）。使用傳統的焊料將如此小的管芯附接到封裝需要良好的工藝控制，因為焊料滴的表面能量會導致管芯傾斜，并且這種影響隨后會阻礙引線接合工藝。
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因為焊料在與基板接觸之前不會熔化，通過使用擴散焊接可以避免這種復雜情況出現。這種方法還允許在單個引線框上組裝多個管芯，因為后面的加熱步驟不會影響初始管芯的放置精度。由于焊料不會發生重熔，所以不會出現表面張力引起的管芯位移。此外，該技術允許優化器件尺寸，因為焊料擠出較少，可實現更高的封裝密度。如圖4所示，由于擴散焊料優異的材料特性和更小的接合線厚度，減少器件的焊料量能夠顯著改善熱傳導性能。
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圖5：使用傳統焊料（a）和擴散焊料（b）的管芯連接橫截面，擴散焊接減小了接合線厚度。在傳統焊料（a）中，焊料不均勻，導致管芯傾斜。

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測量表明，與使用傳統焊料相比，肖特基二極管結和封裝引線框之間的熱阻降低了約40%（參見圖6）。這種熱性能的顯著提高意味著對于給定芯片面積，可以提高最大靜態電流額定值，從而允許更高的最大功耗。
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圖6：不同占空比下瞬態熱阻（ZthjC）與脈沖長度（tp）的關系曲線。常規焊料的數據用紅色表示，擴散焊料的數據以綠色表示。

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熱模擬結果

為了評估上述新封裝架構的性能，英飛凌對4mm2和14mm2大小SiC管芯進行了理論仿真，比較了封裝內DCB與封裝上DCB方法的熱性能與所施加電流脈沖關系。圖7和圖8中的時間分辨仿真表明，封裝上DCB與封裝內DCB相比，會提供更好的熱性能，使其能夠承受更大電流（最大和/或脈沖）。
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圖7：14mm2 SiC管芯封裝內DCB與封裝上DCB的熱性能模擬。
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圖8： 4mm2SiC管芯封裝內DCB與封裝上DCB的熱性能模擬。

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結論

功率密度最大化是電動汽車OBC設計師的一個重要目標，而器件封裝和冷卻機制對于實現這一目標則越來越重要。為了滿足OBC設計師的要求，英飛凌已經在提供具有統一高度的器件，例如TSC DDPAK和QDPAK封裝器件，包括CoolSiC?G6 肖特基二極管，750V、1200V CoolSiCTM MOSFET和650V Si SJ CoolMOSTM等產品。
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雖然這些器件旨在滿足當前的設計要求，但英飛凌也一直在展望未來，尋求進一步改進TSC的新方法。本文探討了封裝上DCB的創新概念，并給出了仿真結果，表明這種技術有潛力實現更緊湊、更靈活，并具有更高熱性能的器件。
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