封装技术是功率半导体突破的关键！带你深度了解顶部散热封装

顶部散热封装技术是功率半导体在面临成本上升、尺寸缩小受限等情况下，实现研发突破的关键技术，它通过在芯片顶部增加散热结构，有效提升了散热效率，降低了系统成本，并推动了功率半导体向更高功率密度、更小体积的方向发展。

封装是功率半导体演进的突破口

• 半导体技术演进与成本挑战：过去十几年，半导体技术演进主要体现在晶圆部分，芯片设计追求更低导通阻抗和更小尺寸，从28纳米不断向极限工艺挑战。然而，每个工艺节点进步都伴随着天文数字般的成本上升，促使人们探索其他选择，更高级的封装技术成为突破研发瓶颈的关键之一。
• 功率半导体的特殊性：功率半导体虽也强调在晶圆上存放更多晶胞，但对尺寸要求远大于CPU和GPU，一般接近上百纳米，芯片尺寸进一步缩小空间有限。因此，封装技术成为推进功率半导体研发进展的突破口。
• 封装技术对硅基和宽禁带半导体的重要性：以硅基功率半导体为例，高压超结硅功率器件的FOM值已基本达到物理极限，要继续降低导通阻抗或实现更高能效，封装技术是发挥硅功率极致的必经之路。同时，宽禁带半导体SiC/GaN也需要新的封装技术。

插件封装技术VS顶部散热封装技术

• 插件封装技术的历史地位与局限：十年前，千瓦及以上大功率应用以插件封装技术为主导，它能最大限度利用外加散热片高效散热。但随着物联网、5G、云计算等技术发展，下游厂商对设备功率密度要求越来越高，插件封装技术无法满足需求，其固有局限如人工成本高、锁螺丝工艺复杂难自动化、空间占用面积大等逐渐凸显。
• 贴片封装的散热问题：贴片化是从插件封装走向更高功率散热的第一步，一般贴片封装靠芯片底部与PCB接触散热，需耗费较大PCB铜箔面积，否则会在芯片底部形成热点，给PCB带来压力。
• 底部散热封装的瓶颈：目前业界常用的FR4材质PCB最高温度上限约110度，在更高功率设计中，底部散热封装无法均匀散出更多热量，散热方式走到瓶颈。
• 顶部散热封装技术的优势

  散热效率提升：英飞凌研发的顶部散热技术，通过在顶部增加薄散热片，使PCB温度与芯片结温相分离，在相同电路板温度条件下，功率耗散增加约20%，降低电路板温度，延长系统使用寿命。

  器件高度一致性要求与成本降低：贴片顶部散热封装技术要求器件高度一致，以便散热片均匀散热，这能有效降低成本。英飞凌定义的封装厚度为2.3毫米，希望使其成为业界通行做法。

  均匀散热的实现方式：实现顶部平面均匀散热最有效的方式是用一层能适应公差的导热胶+隔离片，将并排摆放的顶部散热芯片热量传导到一个平面散热片上。若对单独芯片散热，可采用锁螺丝、铜夹子或焊接等方式，但从加工速度和制造成本考虑，导热胶方法最有效，其中Gap Filler导热胶效果最佳。

英飞凌的顶部散热封装技术

• QDPAK和DDPAK封装技术的由来与特点：英飞凌的QDPAK和DDPAK顶部散热（TSC）封装技术前身是DPAK（TO252封装），QDPAK相当于4个DPAK并排，DDPAK相当于两个DPAK并排。这两大技术高度优化了生产工艺，减少装配过程步骤，简化自动化制造流程，降低下游厂商装配及整体系统成本。在效能表现上，其散热能力与电源领域常用的TO220和TO247对等。
• 顶部散热封装技术的功率覆盖范围与应用价值：顶部散热方式覆盖功率段范围广泛，英飞凌提供的顶部带铜箔的顶部散热封装在功率约200 - 300W的应用场景中开始凸显价值，可取消独立散热片或替代插件器件；功率在1000W时，顶部带裸铜的顶部散热封装是必选项。
• 典型应用场景

  5G或通信领域：基站采用无风扇设计，靠密闭金属外壳散热，顶部带裸铜的顶部散热方式能有效均匀传导热量到外壳，几乎是必备选择。

  数据中心：人类对数据需求增长近似指数级，对电源转换效率和机房设备安装数量提出更高要求，头部企业积极采用顶部散热封装技术。

  新能源汽车：为满足电动汽车设计要求，业界在增加功率半导体能效同时减少PCB面积占用，对功率密度要求高，顶部散热能帮助工程师为电池动力部分留出更多空间。

结束语

英飞凌并非唯一做顶部散热封装技术的公司，随着友商发现封装技术发展趋势，做顶部散热封装技术的公司越来越多。英飞凌从与第一家客户推广顶部散热技术到整个行业普遍接受，共花了3年时间，这既有英飞凌的贡献，也有整个功率半导体产业链的共同努力。统一的标准是促成大面积推广和应用的关键，标准先行、规范引领是规模应用的必要前提。

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