不久前，英飛凌科技股份公司宣布其適用于高壓MOSFET的QDPAK和DDPAK頂部散熱（TSC）封裝技術(shù)正式注冊(cè)為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。按照J(rèn)EDEC的規(guī)定，一家廠商的技術(shù)注冊(cè)和認(rèn)證成為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)之后，其他廠商便可以免費(fèi)從JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織下載并使用這些標(biāo)準(zhǔn)，只要遵守標(biāo)準(zhǔn)所定義的尺寸和公差，就能夠在行業(yè)里聲稱是跟JEDEC標(biāo)準(zhǔn)兼容，并且不設(shè)置專利門檻。廠家只需要制造符合此業(yè)界通行標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品即可。

也就是說，QDPAK和DDPAK表面貼裝（SMD）TSC封裝設(shè)計(jì)將會(huì)與TO247和TO220一樣，可供業(yè)界免費(fèi)使用，并成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

不久前，英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)應(yīng)用市場總監(jiān)程文濤還與業(yè)內(nèi)媒體一道交流了QDPAK和DDPAK SMD TSC封裝設(shè)計(jì)的研發(fā)背景、技術(shù)優(yōu)勢，和在推廣該封裝技術(shù)過程中面臨的挑戰(zhàn)以及英飛凌如何解決這些挑戰(zhàn)等話題。

圖：英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)應(yīng)用市場總監(jiān)程文濤

為何要推出TSC封裝設(shè)計(jì)？

在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的相當(dāng)一段時(shí)間里，不論是功率半導(dǎo)體、模擬半導(dǎo)體，還是數(shù)字半導(dǎo)體，芯片的尺寸都在不斷地縮小，工藝在不斷地微縮。具體到功率半導(dǎo)體方面，過去十多年的芯片演進(jìn)主要在晶圓部分，比如使用更小的芯片尺寸，實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通阻抗等等，“隨著時(shí)間的推移，英飛凌逐漸發(fā)現(xiàn)封裝技術(shù)成為了突破瓶頸的關(guān)鍵方式，”程文濤在與媒體交流時(shí)表示。

高壓超結(jié)硅功率器件的FOM值基本已經(jīng)達(dá)到了物理極限，在此情況下要想繼續(xù)降低導(dǎo)通阻抗或者是實(shí)現(xiàn)更高的能效，封裝技術(shù)是繼續(xù)把硅的功率發(fā)揮到極致的必經(jīng)之路。不僅是硅基半導(dǎo)體，現(xiàn)在大熱的寬禁帶半導(dǎo)體SiC/GaN也需要仰仗新的封裝技術(shù)。

據(jù)程文濤介紹，英飛凌的TSC封裝技術(shù)名稱叫QDPAK與DDPAK，“其前身就是我們所熟知的DPAK，即TO252封裝。其中QDPAK相當(dāng)于4個(gè)DPAK并排；DDPAK則是兩個(gè)DPAK并排在一起?！彼忉尩馈?/p>

QDPAK封裝的主要優(yōu)勢有四個(gè)：
滿足更大功率需求：優(yōu)化利用電路板空間，采用開爾文源極連接，減少源極寄生電感；
提高功率密度：頂部散熱可實(shí)現(xiàn)最高電路板利用率；
提高效率： 經(jīng)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)具有低電阻和超低寄生電感，可實(shí)現(xiàn)更高效率；
減輕重量：綜合優(yōu)化散熱和發(fā)熱，有助于打造更小巧的外殼，從而減少用料，減輕重量

TSC封裝為客戶帶來的裨益

其實(shí)QDPAK和DDPAK這兩大頂部散熱封裝技術(shù)能夠帶來最大的益處在于：高度優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，讓整個(gè)裝配過程步驟變少，自動(dòng)化制造流程更簡潔，最終在下游廠商端實(shí)現(xiàn)包括PCB數(shù)量、層級(jí)和板間連接器用量減少，帶來裝配及整體系統(tǒng)成本大幅降低。

優(yōu)化MOSFET應(yīng)用需要盡可能降低系統(tǒng)熱阻（Rthja），同時(shí)實(shí)現(xiàn)最高結(jié)溫（Tj）。如此一來能夠最大限度地增加流入散熱片的熱量，并最大限度地減少流入PCB的熱量。

熟悉功率半導(dǎo)體行業(yè)的讀者應(yīng)該還有印象，10年前千瓦及以上的大功率應(yīng)用基本以插件封裝（THD）技術(shù)為主，例如大家熟知的TO247、TO220封裝。這類插件封裝技術(shù)的優(yōu)勢在于，在當(dāng)時(shí)的裝配和封裝工藝下能使工程師最大限度地利用外加的散熱片，非常高效地將芯片內(nèi)部產(chǎn)生的熱量散發(fā)出芯片之外，讓芯片能夠工作在一個(gè)大功率的應(yīng)用場景中。

但隨著數(shù)據(jù)中心、4G及5G無線通信宏基站等設(shè)備對(duì)于功率密度的要求越來越高，設(shè)備尺寸越做越小。開始要求電源應(yīng)用的電路板設(shè)計(jì)中采用更少，或不用獨(dú)立散熱片，同時(shí)把更多的熱量均勻地散發(fā)到整個(gè)設(shè)備之外。英飛凌經(jīng)過長時(shí)間與產(chǎn)業(yè)鏈下游的行業(yè)頭部客戶以及工程師討論，最終在業(yè)界達(dá)成共識(shí)，那就是頂部散熱才是解決這一矛盾的根本途徑。

貼片化是從帶獨(dú)立散熱片的插件封裝走向更高功率散熱的第一步。一般貼片封裝的散熱主要是靠芯片底部跟PCB（印刷電路板）之間的接觸，利用PCB銅箔把芯片產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。但是這樣做的一個(gè)明顯弊端在于，它需要耗費(fèi)比較大的PCB銅箔面積，才能有效地把熱量散發(fā)出去。如果在此期間不能夠用面積足夠大的PCB銅箔，那么在芯片底部就會(huì)形成一個(gè)熱點(diǎn)，而這個(gè)熱點(diǎn)會(huì)給PCB帶來很大的壓力。目前業(yè)界常用的PCB是FR4材質(zhì)，該材質(zhì)的最高溫度上限為110℃左右。在更高的功率設(shè)計(jì)中，底部散熱封裝無法通過貼片和PCB之間結(jié)合均勻地把更多熱量散出去，導(dǎo)致這種散熱方式走到了瓶頸。

而頂部散熱只需要在頂部使用一個(gè)薄薄的散熱片，而不靠底部的散熱片去散熱，它可以在同樣的PCB材質(zhì)下，更有效、更均勻地把熱量散發(fā)出去。同時(shí)，它給用戶帶來的好處便是在同樣的散熱面積下，可提升整個(gè)設(shè)備對(duì)外輸出的功率。。

由于貼片頂部散熱封裝技術(shù)需要所有的器件都貼在同樣一個(gè)平面的PCB板上。如果對(duì)成本進(jìn)行權(quán)衡，客戶希望用相同厚度的散熱片即可把設(shè)備中的熱量均勻地散發(fā)出去。由此看出，同等的器件高度就成為關(guān)鍵因素所在。因此，英飛凌在其頂部散熱封裝技術(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)定義的封裝厚度為2.3毫米，英飛凌希望通過這次跟JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織的互動(dòng)，能夠使2.3毫米的厚度成為一個(gè)業(yè)界通行的做法。

至于為何會(huì)選擇2.3毫米，程文濤解釋說，首先要考慮到頂部散熱的做法不能成為其它非頂部散熱芯片的應(yīng)用障礙，如果其它非頂部散熱的封裝厚度比較厚，那么頂部散熱的封裝就不能比它薄，否則會(huì)產(chǎn)生熱量散不掉的問題，或是需要加很厚的散熱墊。

二是，英飛凌研究了行業(yè)中很多的貼片封裝尺寸，在大部分的非頂部散熱以及頂部散熱封裝共存的情況下，選擇了2.3毫米。這樣的厚度能夠讓足夠多的器件并存在同一塊PCB板上。

TSC封裝的普及面臨哪些挑戰(zhàn)？

其實(shí)英飛凌推廣TSC封裝技術(shù)已有3年之久，程文濤回憶英飛凌在推廣TSC封裝技術(shù)遇到的挑戰(zhàn)時(shí)表示，在行業(yè)內(nèi)做一個(gè)創(chuàng)新的推廣，阻力是來自方方面面的，包括生產(chǎn)線方面、安規(guī)方面的要求以及散熱材料配合等阻力。要想完成TSC封裝技術(shù)的推廣，則需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈相互配合才能讓一個(gè)創(chuàng)新最終落地。

首先面臨的是接受度的問題，最開始會(huì)受到電源領(lǐng)域工程師的質(zhì)疑，他們之前最為信賴的有效散熱封裝技術(shù)是TO247和TO220，他們會(huì)首先質(zhì)疑新的封裝形式在散熱能力上是否比原有的散熱方式更好；

二是之前生產(chǎn)線上的加工工藝不能滿足頂部散熱的安裝需求。在此需要解決的問題是，在同樣一個(gè)PCB板上焊接多個(gè)頂部散熱的芯片，怎樣才能保證這些頂部散熱的芯片的高度是一致的，利用同樣一個(gè)模具所加工出來的平面散熱片，怎樣才能均勻地貼在這些使用頂部散熱的芯片上，并且能夠保證它們之間的熱阻基本一致等等。

英飛凌與大客戶一起共同摸索，經(jīng)過近兩年的時(shí)間找到了一些行之有效的應(yīng)對(duì)辦法。一般頂部散熱接觸的電平是處理高壓的MOS管漏極,需要經(jīng)過安全可靠的隔離才能接觸外部設(shè)備,這一點(diǎn)與插件式封裝非常類似。

但如何將多個(gè)并聯(lián)，或者并排擺放的頂部散熱芯片里面的熱量均勻地散發(fā)出去呢？“目前最有效的方式就是用Gap Filler導(dǎo)熱膠均勻地把熱量傳導(dǎo)到頂部的散熱片里面去。在這里列出了不同導(dǎo)熱能力的導(dǎo)熱膠所產(chǎn)生的效果。在目前很多的應(yīng)用里面，要實(shí)現(xiàn)這種采用一個(gè)頂部平面的均勻散熱，最有效的方式就是用一層能夠適應(yīng)公差的導(dǎo)熱膠+隔離片，讓所有并排擺放的頂部散熱芯片的熱量能夠均勻地傳導(dǎo)到一個(gè)平面的散熱片上，這是目前業(yè)界共同接受的方法。而如果只需要對(duì)單獨(dú)一個(gè)頂部散熱芯片進(jìn)行散熱，則可以采用鎖螺絲、銅夾子甚至焊接等多種選擇。但是從加工的速度、制造的成本上來看，這種方法是最行之有效的?！背涛臐忉屨f。

三是需要做更多的驗(yàn)證。因?yàn)轫敳可嵝酒话闶遣粫?huì)用螺絲進(jìn)行固定的，而是使用一塊很大面積的平板散熱片與底層大面積的PCB板中間搭載多顆芯片。那么，這種情形下，它的抗震等級(jí)可不可靠，EMI問題嚴(yán)不嚴(yán)重等很多方面的相關(guān)問題，在推行之初，需要廠商做很多的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證目前采用的方案是否可行。

當(dāng)然，雖然問題很多，但程文濤感到欣慰的是，現(xiàn)在越來越多的廠商看到了TSC封裝的優(yōu)勢，大家都進(jìn)行了良性的互動(dòng)，“盡管挑戰(zhàn)是多方面的，但隨著產(chǎn)業(yè)鏈上下游共同分工配合，困難就會(huì)快速高效的被解決。”

結(jié)語

TSC封裝最為適合數(shù)據(jù)中心、通信基站、電動(dòng)汽車等需要產(chǎn)品具有體積小、重量輕、功率密度高、效率高等特性的應(yīng)用場景中。其實(shí)，在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)里面，英飛凌不是唯一一家做頂部散熱封裝技術(shù)的公司，不同的企業(yè)提出的頂部散熱封裝技術(shù)設(shè)計(jì)方案都有他們自己的設(shè)計(jì)和考慮，最終哪一個(gè)封裝會(huì)成為業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，還需要看廠商對(duì)終端應(yīng)用的理解，以及終端客戶的接受程度。