要提高功率密度，除改进晶圆技术之外，还要提升封装性能

Neil Massey，安世半导体国际产品营销经理

汽车和工业应用都需要不断提高功率密度。例如，为了提高安全性，新的汽车动力转向设计现在要求双冗余电路，这意味着要在相同空间内容纳双倍的元器件。再举一个例子，在服务器群中，每平方米都要耗费一定成本，用户通常每18个月要求相同电源封装中的输出功率翻倍。如果分立式半导体供应商要应对这一挑战，不能仅专注于改进晶圆技术，还必须努力提升封装性能。

总部位于荷兰的安世半导体是分立器件、MOSFET器件、模拟和逻辑集成电路领域的领导者，该公司率先在-功率封装（LFPAK无损封装）内部采用了全铜夹片芯片贴装技术，目的是实现多种技术优势（电流能力、RDSon、热特性等）。

专为提高功率密度设计的LFPAK封装系列

LFPAK封装系列用于提高功率密度。其主要特点是在封装内部使用了全铜夹片，在外部使用了鸥翼引脚。安世半导体在2002年率先推出LFPAK56封装 - 它是一款功率SO8封装(5mm x 6mm)，设计用于替代体积更大的DPAK封装。现在，该公司提供了一系列不同尺寸的封装，包含单双通道MOSFET配置，可涵盖众多不同应用。最近，安世半导体发布了LFPAK88，这是一款8mm x 8mm封装，针对较高功率的应用而设计，可取代体积更大的D²PAK和D²PAK-7封装。

图1：LFPAK分立式MOSFET封装系列

夹片粘合封装与焊线封装：功率密度优势

LFPAK器件的体积小于老式D²PAK和D²PAK-7器件，同时实现了功率密度的明显提升。

图2：LFPAK88的占位面积小于D²PAK

上图显示了LFPAK88的相对占位面积大小，与D²PAK器件相比减小了60%；另外LFPAK88器件的高度更低，因而总体积减小了86%。

LFPAK88之所以能够实现性能和功率密度的提升，是因为它采用了铜夹片封装技术，取代了D²PAK和D²PAK7等封装采用的老式焊线技术。

图3：与使用焊线连接的D²PAK与使用铜夹片技术的LFPAK88

铜夹片技术的性能优势包括：

1.电流(Amp)

• 焊线是一个制约因素，它决定了器件能够处理的电流大小。在使用D²PAK封装的情况下，使用的焊线的最大直径为500µm（由于连接的T型柱尺寸）。

• 使用最新Trench 9超级结40V晶圆，安世半导体能够放入D²PAK封装的最大晶圆电流额定值为120A。但是，对于体积更小的LFPAK88封装，由于不受焊线制约，安世半导体目前能够放入该封装的最大晶圆电流额定值为425A。随着公司以后发布更大晶圆的产品，此电流额定值还会提高。[注：这些值来自于测量而并非理论]

2.R_DS(on) [以mΩ为单位]

• 在D²PAK中使用的三条500µm直径的焊线增加了MOSFET的总R_DS(on)值。

• 例如，在上述两个器件中使用相同的Trench 9 40V技术平台，安世半导体目前能够放入D²PAK的最大晶圆的R_DS(on)值为1.2mΩ。如果使用体积更小的夹片粘合LFPAK88封装，该值可减少至 0.7mΩ，这要归功于它没有焊线电阻。[注：0.55mΩ的LFPAK88器件正在T9平台上开发]。

3.寄生源极电感 (nH)

• 在每个开关事件中，必须解决寄生源极电感问题，因为它会降低效率。在需要高频率开关的应用中，例如在DC/DC转换器中，这种效率损失会产生很大影响。

• 源极焊线还会增加总寄生源极电感，再加上D²PAK的长引脚，电感值达到5nH。相比之下，由于LFPAK88没有源极焊线，而且只使用很小的鸥翼引脚，因而电感值仅为1nH。

4.电流/热量的热点

• 当高电流通过器件时，它会集中在焊线连接到晶圆的瓶颈处。这些电流热点可能导致散热/质量问题。

• 使用LFPAK88，顶部的铜夹片覆盖了更大区域，因此不会产生热点。

图4：D²PAK和LFPAK88的电流密度仿真以及焊线上的热点

5.热阻R_th(j-mb) (K/W)

• 与老式封装相比，LFPAK88具有良好的热性能。例如，如果我们计算从晶圆到封装底部连接至印刷电路板处（从结到贴装基底）的热阻，热阻值越低越好。

• D²PAK中的最大芯片的热阻为0.43K/W；LFPAK88的热阻为0.35K/W。

• 更低的热阻值主要归功于传热路线更短，漏极铜夹片更薄（LFPAK88的厚度为0.5mm，D²PAK的厚度为1.3mm）

图5：LFPAK88较薄的漏极散热片和D2PAK的对比

功率密度>1W/mm³

尺寸更小，电流能力更高，R_DS(on)值更低，这些优势结合在一起，使功率密度得以提高，正如表中所总结（使用相同技术平台来提供相近的性能）

结论

总而言之，要提高功率密度，不仅需要晶圆技术的改进，还必须利用新的封装技术，充分发挥分立式MOSFET的潜能。LFPAK全铜夹片封装系列增强了晶圆的性能表现，能够帮助我们减小占位面积，提高功率输出。