高集成度功率電路的熱設計挑戰

前言

目前隨著科學技術和制造工藝的不斷發展進步，半導體技術的發展日新月異。對于功率半導體器件而言，其制造工藝也同樣是從平面工藝演變到溝槽工藝，功率密度越來越高。目前功率半導體器件不僅是單一的開關型器件如IGBT或MOSFET器件類型，也增加了如智能功率模塊IPM等混合型功率器件類型。在IPM模塊中既集成有功率器件，還集成了驅動器和控制電路IC，這樣的功率半導體器件具有更高的集成度。這種混合集成型的功率半導體器件其封裝結構和傳統的單一功率半導體器件有一定的區別，因此其散熱設計和熱傳播方式也有別于傳統的功率半導體器件，會給使用者帶來更大的熱設計挑戰。本文以英飛凌的CIPOS Nano IPM模塊IMM100系列為例說明英飛凌創新型PQFN封裝器件的熱傳播模型，并結合不同撒熱條件下散熱結果對比分析，給出PQFN封裝在應用中的散熱建議和器件鋼網設計以及回流焊接溫度參考曲線，以此希望可以給使用者提供此類器件的應用參考作用。

PQFN封裝熱傳播模型

CIPOS Nano IPM模塊IMM100系列采用英飛凌創新設計PQFN封裝，在單個封裝內集成了三相逆變電路、驅動電路和控制器MCU。其封裝尺寸為12mm×12mm，厚度僅為0.9mm。圖1為PQFN封裝的IPM模塊刨面圖，從圖1中可以看到三相逆變器MOSFET的漏極直接作為PQFN封裝的管腳，其具有很小的熱阻，使功率MOSFET產生的熱量能夠快速傳遞到PCB板焊盤銅皮。

圖1.PQFN封裝IPM刨面圖

圖2.PQFN封裝IPM模塊的底面圖

圖2是PQFN封裝IPM模塊的底面圖。V+，Vs1， Vs2和Vs3是功率MOSFET主要散熱途徑，V-是IPM集成的驅動和控制芯片的主要散熱途徑。

圖3.PQFN封裝IPM模塊焊接于PCB上的熱傳播示意圖

圖4.PQFN封裝IPM模塊熱阻模型

圖3給出了PQFN封裝IPM模塊焊接于PCB板上的熱傳播示意圖，從圖中可以看到IPM模塊產生的熱量主要傳播途徑是通過PCB板和銅皮進行傳導，僅有很小部分的熱量從IPM模塊頂部傳導到空氣中。其原因是由于IPM模塊的特殊封裝結構，功率MOSFET芯片固定于金屬框架上，金屬框架底面直接作為IPM模塊的管腳焊接于PCB的表貼焊盤上，因此從芯片到PCB板焊盤之間的熱阻Rth(j-CB)比較小。相對應地從芯片到IPM頂部為塑封材料，其熱阻相對較大，因此從芯片到殼的熱阻Rth(j-CT)+相比Rth(j-CB)較大。

圖4是PQFN封裝IPM模塊的熱阻模型。根據前面分析IPM模塊耗散的熱量主要通過PCB板和銅皮傳播，因此熱耗散功率PD,B遠大于PD,T，熱耗散功率PD,T對于IPM溫升的影響相對于PD,B來說可以忽略不計。

即PD,B>>PD,T，PD,T X Rth(j-CT)≈0

因此根據Rth(j-c)=(Tj-Tc)/PD，

可以得出Tj≈TC

也就是說可以粗略地認為IPM的殼溫近似等于結溫。根據此結論在實際應用中可以方便的估算大概的IPM結溫，以此判斷IPM是否工作于安全工作區。需要注意的是根據此結論估算出來的結溫只是一個近似值，不是嚴格意義上的精確結溫。

PQFN封裝四種不同散熱形式

對比測試分析

根據PQFN封裝的特點和實際應用場合，在實驗室中采用四種不同應用場景進行熱性能對比測試。第一種應用場景是采用常規FR-4材料PCB板（1.6mm厚度，雙層板），IPM模塊依賴PCB散熱，無任何外加散熱措施；第二種是在第一種應用場景基礎上用一個9X9X5mm的小鋁型材散熱器粘貼在IPM模塊的頂部輔助散熱；第三種應用場景是在第一種基礎上采用附加風扇強制風冷，風扇為12VDC/0.11A；第四種應用場景是用鋁基板代替FR-4材質PCB板，鋁基板厚度為1.6mm，銅皮為1oz。圖5為四種不同應用場景的實物電路板示意圖。

①

②

③

④

圖5.四種不同應用場景的實物電路板示意圖

基于上述四種不同應用場景，在實驗室中對IMM101T-046M的輸出相電流和其殼溫進行了測試。測試時逆變器載頻是10kHz，直流母線電壓為300V。相應的根據所測數據繪制IPM輸出相電流和相對殼溫的關系曲線如圖6所示。

從測試數據可以看出同樣使用FR4材料的PCB板焊裝此種PQFN封裝的IPM模塊時，額外增加頂部的散熱器或冷卻風扇也會對降低IPM殼溫有很大幫助。雖然前文說明PQFN封裝產生的熱量主要從PCB板和銅皮傳導出去，但是由于PQFN封裝的IPM模塊厚度僅為0.9mm，IPM頂部表面到硅片之間塑封材料厚度比較薄，根據前面結論可以近似認為IPM殼溫和結溫相同，因此當IPM頂部用散熱器降溫時也會對硅片溫度有較明顯的降低作用。當用冷卻風扇降溫時，在降低殼溫同時也會降低IPM模塊附近的銅皮溫度，這樣使IPM產生的熱量更加迅速地從焊盤到銅皮傳導出去，進一步降低硅片溫度。

對比應用場景1和4的測試數據可以看出無任何額外附加散熱措施時，在大致相同的IPM溫升條件下，使用鋁基板時IPM的輸出電流能力大約增大一倍。在某些結構體積比較緊湊的應用場合可以增大IPM的應用功率密度。

圖6.IPM輸出相電流和相對殼溫升的關系曲線

圖7是在四種不同應用場景下測試時的紅外溫度圖，在相同的300V直流母線電壓和10kHz載頻下測試所得。

圖7.四種不同應用場景下測試時的紅外溫度圖

PQFN封裝鋼網設計

和回流焊接溫度曲線建議

PQFN器件為表貼封裝，因為其主要依賴表貼管腳通過PCB和銅皮散熱，所以PQFN一些主要散熱管腳的面積比較大，相應地在PCB板上的焊盤面積也比較大。這樣會引起在回流焊接時大面積焊盤不可避免的出現空洞，過大比例的空洞會增加器件管腳和焊盤之間的熱阻，降低熱傳導性能。在實際的批量焊接時一般要求焊接空洞率小于25%即可確保熱阻性能要求。對于PCB焊盤設計時采取一些優化措施可以從設計的角度降低焊接空洞率，改善焊接質量。

措施一是把大焊盤的鋼網分割成小塊；

措施二是在分割成小塊的鋼網交叉空隙處放置0.3mm直徑的過孔；

措施三是推薦使用0.127mm厚度的鋼網，不推薦使用鋼網厚度小于0.1mm或大于0.15mm。

圖8是大焊盤鋼網被分割成小塊的示意圖。通過采取以上幾種設計改善措施，實際制作PCB并焊接PQFN器件后經過X光拍照統計焊接空洞率比較低。實驗測試空洞率大約在15%左右。圖9是推薦的PCB庫元件設計圖。圖10給出了推薦的回流焊接溫度曲線?；诖送扑]焊接溫度曲線，用戶可以結合自己所用焊錫膏和焊接工藝流程調整焊接設備參數以便獲得較低的焊接空洞率，改善焊接質量。

圖8.大焊盤鋼網分割成小塊

圖9.推薦的IMM101T系列器件PCB庫元件

圖10.推薦的回流焊接溫度曲線

總結

通過上述測試結果和分析說明可以看出對于這種創新型的PQFN封裝形式的IPM模塊在實際應用中和通用器件有一定的不同，由于其采用PCB和銅皮作為主要的散熱方式，并且具有很小的封裝尺寸，因此這種PQFN封裝的IPM模塊可以被應用于結構體積較小的應用場合中，比如像吹風機，空調室內機風扇，吊扇等應用。如果再采用額外附加的散熱措施，如頂部粘貼散熱器或采用冷卻風扇都可以增加模塊的電流輸出能力，擴大PQFN封裝IPM模塊的應用功率范圍。當采用鋁基板代替FR-4材料PCB板時，IPM模塊的電流輸出能力可以增加大約一倍。