如何提高LFPAK封装系列芯片的功率和密度

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.RDS（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RDS（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RDS（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Rth（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，RDS（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）

　　LFPAK88

　　D²PAK

　　晶圆技术

　　汽车级T9 40V

　　汽车级T9 40V

　　产品型号

　　BUK7S0R7-40H

　　BUK761R2-40H

　　体积x*y*z mm³

　　8mm* 8mm*1.7mm =108.8mm³

　　10.3mm*15.8mm*4.5mm=732.3mm³

　　功率I²R = W

　　（425A）² * 0.7mΩ = 126.4W

　　（120A）² * 1.2mΩ = 17.3W

　　功率密度W/mm³

　　126.4/108.8 = 1.16 W/mm³

　　17.3/732.3 = 0.024 W/mm³

　　LFPAK88与D²PAK比较

　　功率密度提高48倍

　　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。