英飞凌为车载充电器应用顶侧冷却开发未来解决方案

最大限度地提高功率密度是电动汽车车载充电器（OBC）设计师的一个重要目标，较轻的充电器可以减轻汽车整体重量，从而有助于扩大续航里程。而提高效率则是实现该目标的关键，众所周知，在这方面碳化硅（SiC）器件具有比硅器件更大的优势。提高效率的其它重要因素还包括器件封装和冷却，这些因素不太为业界所重视，但在实现更高功率密度的OBC设计方面发挥着越来越重要作用。
 
为了帮助设计师从通孔技术顺利过渡到表面安装技术，英飞凌开发了双DPAK（DDPAK）和四DPAK（QDPAK）SiC器件，这些器件采用顶部冷却（TSC），以提供与通孔器件类似的热性能，但具有均匀封装高度的额外优势。本文回顾了这些器件的热优势，讨论了这种创新封装技术的未来应用潜力，对封装上与封装内直接铜连接（DCB）器件的热性能进行了概念比较，并展示了引线框芯片封装如何能够使用扩散焊接（diffusion soldering）进行管芯连接，这种方式的优点是比传统焊接更薄，并具有更优越的热性能。
 
顶部冷却优于底部冷却

尽管TO-247和TO-220等通孔器件（THD）封装仍被广泛用于许多场景，但它们却带来了制造成本较高等缺点，并且在被焊接到印刷电路板（PCB）的下侧之前需要手动插入到印刷电路板。由于这些原因，THD越来越多地被表面安装器件（SMD）所取代，SMD的放置可以实现自动化，并具有更高的产出率和更高的可靠性。
 
SMD封装以两种方式散热：底部冷却（BSC）或顶部冷却。虽然BSC和TSC封装都可以使用自动拾取和安装设备进行组装。D2PAK和DPAK等BSC封装器件是将管芯产生的热量向下传导至PCB板安装器件的底部，相比之下，TSC具有一些优势。这是因为PCB并没有针对非常高的热传导进行优化，会针对BSC器件产生较大的实质性热障，意味着需要额外的热过孔来使多余的热量安全消散（图1a）。
 
这种方法的一个负面后果是，它会使PCB布线更具挑战性，因为PCB板的较大面积被用于布置散热元件。绝缘金属基板（IMS）板（图1b）可以改进BSC器件的热性能，但这些器件比传统FR4 PCB更加昂贵。
 

  
图1：底部冷却需要使用热孔或IPS板进行散热。

 
在TSC器件中，半导体管芯产生的热量被提取到封装顶部，封装有一个裸露焊盘，冷板（散热器）连接在焊盘上，如图2所示。
 

图2：采用顶部冷却的半导体器件。

 
使用这种方式，热阻可降低35%，并且散热通路与PCB上的电连接互不影响。这一点意义重大，因为它使PCB设计更简单、更灵活，并能够实现更小的PCB面积、更高的功率密度和更低的电磁干扰（EMI）等额外好处。此外，由于热性能得到改善，因此不需要进行PCB板堆叠，也不必将FR4和IMS板组合在一起，单个FR4就足以容纳所有组件，并且只需要更少量的连接器。
 
这些特性可减少总体物料清单（BOM），从而最终降低总体系统成本。除了改进的热和功率性能外，TSC技术还能够提供优化的功率回路设计，从而提高可靠性。由于驱动器可以放置在离电源开关很近的地方，实现上述设计完全可能。驱动器开关的低杂散电感还能够减少环路寄生信号影响，这意味着栅极上的振铃更少，性能更高，故障风险更低。
 
英飞凌为许多功率器件开发了DDPAK和QDPAK SMD封装，包括CoolSiCTMG6肖特基二极管系列、与650V SI SJ CoolMOSTM配合的新型750V和1200V SiC MOSFET系列。这些新器件具有基本类似的热性能，但电气性能却优于THD器件。具有高电压和低电压选项的QDPAK和DDPAK SMD TSC封装的标准高度为2.3 mm，这意味着可以使用具有相同高度的组件来设计车载充电器（OBC）和DC-DC转换器等完整应用。与基于3D冷却系统的现有解决方案相比，降低了冷却成本。
 
探索TSC的未来潜力

通过使用Al2O3衬底作为TSC隔离的直接铜连接，将导致出现目前TSC器件的一个附加特性。直接铜连接可能位于器件封装内部，如图3所示。这种方法的一个限制是需要芯片互连进行适应，需要厚度约为50μm的管芯连接。此外，器件热性能也会受到DCB热性能限制。
 

图3：TSC隔离目前可通过使用封装内DCB实现。

 
英飞凌提出了一种创新的封装上DCB（DCB-on-package）来实现TSC的方式，其中半导体管芯保持直接连接到引线框架，这种方式可提供多个热性能优势。
 
首先，将管芯直接连接到封装内的引线框可提供额外的散热能力。其次，在封装上连接DCB可消除芯片互连和再分配的适应性。最后，由于不再使用传统焊接，而是通过扩散焊接用于管芯连接，这样做优势明显，可使管芯连接材料的厚度从大约50μm显著减小到仅大约1.2μm。
 

图4：使用封装上的DCB实现TSC隔离。

 
扩散焊接对管芯连接的好处

由于SiC具有非常高性能，SiC管芯通常非常小（通常只有几mm²）。使用传统的焊料将如此小的管芯附接到封装需要良好的工艺控制，因为焊料滴的表面能量会导致管芯倾斜，并且这种影响随后会阻碍引线接合工艺。
 
因为焊料在与基板接触之前不会熔化，通过使用扩散焊接可以避免这种复杂情况出现。这种方法还允许在单个引线框上组装多个管芯，因为后面的加热步骤不会影响初始管芯的放置精度。由于焊料不会发生重熔，所以不会出现表面张力引起的管芯位移。此外，该技术允许优化器件尺寸，因为焊料挤出较少，可实现更高的封装密度。如图4所示，由于扩散焊料优异的材料特性和更小的接合线厚度，减少器件的焊料量能够显著改善热传导性能。
 

图5：使用传统焊料（a）和扩散焊料（b）的管芯连接横截面，扩散焊接减小了接合线厚度。在传统焊料（a）中，焊料不均匀，导致管芯倾斜。

 
测量表明，与使用传统焊料相比，肖特基二极管结和封装引线框之间的热阻降低了约40%（参见图6）。这种热性能的显著提高意味着对于给定芯片面积，可以提高最大静态电流额定值，从而允许更高的最大功耗。
 

图6：不同占空比下瞬态热阻（ZthjC）与脉冲长度（tp）的关系曲线。常规焊料的数据用红色表示，扩散焊料的数据以绿色表示。

 
热模拟结果

为了评估上述新封装架构的性能，英飞凌对4mm2和14mm2大小SiC管芯进行了理论仿真，比较了封装内DCB与封装上DCB方法的热性能与所施加电流脉冲关系。图7和图8中的时间分辨仿真表明，封装上DCB与封装内DCB相比，会提供更好的热性能，使其能够承受更大电流（最大和/或脉冲）。
 

图7：14mm2 SiC管芯封装内DCB与封装上DCB的热性能模拟。
 

图8： 4mm²SiC管芯封装内DCB与封装上DCB的热性能模拟。

 
结论

功率密度最大化是电动汽车OBC设计师的一个重要目标，而器件封装和冷却机制对于实现这一目标则越来越重要。为了满足OBC设计师的要求，英飞凌已经在提供具有统一高度的器件，例如TSC DDPAK和QDPAK封装器件，包括CoolSiC™G6 肖特基二极管，750V、1200V CoolSiCTM MOSFET和650V Si SJ CoolMOSTM等产品。
 
虽然这些器件旨在满足当前的设计要求，但英飞凌也一直在展望未来，寻求进一步改进TSC的新方法。本文探讨了封装上DCB的创新概念，并给出了仿真结果，表明这种技术有潜力实现更紧凑、更灵活，并具有更高热性能的器件。