IC封裝：五個關鍵設計考慮因素

作者：Majeed Ahmad，特約編輯

為了提供更多功能，芯片變得越來越大，相反，封裝需要以更緊湊的形式容納這些更大的裸片尺寸。這不可避免地需要新的封裝技術選項，以提高系統效率并降低制造成本。

封裝創新的場所包括更廣泛的電流和電壓額定值、散熱、故障保護機制等。本文列出了工程師在評估其半導體器件的封裝技術特性時需要考慮的關鍵因素。

讓我們從通常的疑點開始：緊湊的封裝尺寸。

1. 更小的占位面積 IC 封裝現在有望節省電路板空間，幫助創建更堅固的設計，并通過消除一些外部組件來降低 PCB 組裝成本。因此，像 D 2 PAK 7這樣的 IC 封裝技術正在被優化，以在相同的占位面積和引腳排列中容納最多 20% 的面積增加的芯片。

新的封裝設計還提供可互換的引出線選項，以最大限度地提高占地面積并創造更高水平的設計靈活性。然后是帶有內聯或之字形引線的封裝，這有助于優化電路板空間和所需的引腳分離。

一些用于電池供電設計的新封裝也正在開發中，其閾值電壓為邏輯電平。它允許他們直接從微控制器驅動功率元件，如金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)。這反過來又節省了電路板空間。

2. 功率密度電機驅動器、太陽能逆變器和電源等產品對功率芯片和模塊的需求不斷增長，這推動了在不增加封裝尺寸的情況下提高功率密度的需求。

設計人員如何在保持封裝穩健性和可靠性的同時提高功率密度？首先，封裝可以具有更大的引線框面積，從而容納更大的功率芯片，如絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。它還可以降低封裝的熱阻，從而有利于改善散熱。

以意法半導體的新型系統級封裝 (SiP) 為例，它在一個封裝中集成了四個功率 MOSFET，比同類電路小 60%（圖 1）。PWD13F60 封裝集成了用于功率 MOSFET 的柵極驅動器、用于高端驅動的自舉二極管、交叉傳導保護和欠壓鎖定。

圖 1：意法半導體的 SiP 解決方案針對工業電機驅動、燈鎮流器、電源、轉換器和逆變器。

關斷電路保護電源開關，欠壓鎖定可防止低電壓故障。同樣，自舉二極管減少了材料清單 (BOM) 并簡化了電路板布局。

它顯示了封裝的選擇對于最大限度地提高能源效率和適應廣泛的供應范圍至關重要。在這里，還值得一提的是，封裝的功率密度與熱條件的改善息息相關。

3. 熱效率封裝的熱行為本質上與其可靠性相關，因為像 IGBT 這樣的組件在較低溫度下運行會減少組件上的應力。熱特性也會影響散熱器的尺寸，因為較低的溫度會轉化為較小的散熱器。此外，較低的冷卻要求為設計人員提供了更高的功率密度增加余量。

圖 2：英飛凌的功率模塊封裝采用熱界面材料 (TOM)。

有些封裝保留了封裝的占位面積和高效的底部設計，同時將頂部源電極暴露為散熱場所。這會導致更高的額定電流，進而導致更高的功率密度和更小的封裝尺寸。

4. 散熱用于在封裝內部創建隔離的傳統方法通常昂貴且難以處理。此外，它們在管理 IGBT 等高功率密度組件的散熱方面也存在很大不足。

因此英飛凌推出了一種封裝技術，稱為 Trenchstop Advanced Isolation。這家德國芯片制造商聲稱 Trenchstop 封裝技術可以替代全絕緣封裝 (FullPAK) 以及標準隔離箔。英飛凌將新封裝用于空調的功率因數校正 (PFC)、不間斷電源 (UPS) 和電源轉換器等應用。