通过封装解决问题

作者：Alexander Craig

Alexander Craig
飞兆半导体
用于汽车动力传动系统和引擎控制的功率半导体器件必须能够承受恶劣的环境。对于半导体 IC 来说，最高结温Tjmax是关键因素。阻断能力、 栅极阈值电压及其他重要的特性参数均受Tjmax所限制。超过Tjmax是大部分失效的主要原因。
除了设计功率器件的功率处理能力外，通常还需要在功率器件增添保护功能。这些智能功率器件不仅可以保护器件，而且能够监控加载情况，并将资料及加载状态反馈到计算机中。这些智能功率系统已经成为当今汽车应用不可或缺的部分。智能功率系统还需要能同时处理功率和数据。在某些情况下，数据处理非常复杂，利用专为信号处理而优化的硅制造工艺来实现器件的智能功能，以及利用专为功率器件而优化的不同硅制造工艺来实现器件的功率功能，将更具成本效益。器件的功率和控制功能可以分开封装，但缺点是会占用额外的电路板面积。随着电子产品趋向更小型化发展，必须将单独、优化的硅制造工艺集成到单一的更小型封装中，才能够提供所需的功率处理、裸片互连、功率和信号连接，以至裸片基板隔离及物理支撑和环境保护能力。本文所介绍的新型封装和封装技术正提供了解决方案。

所有半导体封装在半导体产品中都发挥着一些主要作用，例如将信号、功率和电路板上的接地线与裸片连接起来。由硅片产生的热量会从硅片传导到电路板或周围环境中。封装能提供物理支撑和一层环境保护外壳。对功率半导体而言，把热量从硅片传送至散热器的能力是封装最重要的功能之一；而大电流和高电压的处理也同样重要。对信号处理IC来说，其电流和电压的幅值较功率器件低，所产生的热量一般也较少，但外部器件的信号和连接通常却相当多。
所有的半导体封装都由多个元件组成。在最简单的形式中，这些元素包括半导体芯片本身,机械头-对功率器件来说一般是铜制；以及把芯片粘接到机械头的方法，对功率器件而言通常是焊锡，对信号处理IC而言则是环氧树脂。在较复杂的情况下，封装必须连接和安装在合适的散热器上。如果需要较为新颖的封装将芯片与封装（如氧化铝或氧化铍）在电气上进行绝缘，连接元件的数目便会增加，并反过来影响热阻抗RqJC和 ZqJC。热阻抗ZqJC是封装系统中所有元素热阻抗的代数总和，并假设器件已安装在无极限的散热器上。无极限散热器的定义为不管半导体器件的功耗是多少，都能够保持恒定温度为25℃。
从功率器件的角度来看，结温Tj是最重要的因素。大部分失效的原因都是因为Tj过高。下面的式（1） 总结了这一点。
ΔT= Rth {(Von× Ion)+ (∫V(t) × I(t) dt) f }              (1)
ΔT是指在无极限散热器一定范围内高出器件内部温度的度数。对车辆来说，无极限散热器是不断进入的空气，而用于车辆设计的内部温度标准值是122oF (50℃)。但空气会通过散热器用来冷却引擎。一般来说，电子模组的无极限散热器温度高得多。利用最先进的设计，入口模组冷却空气的温度可高达105℃。表1所示为汽车设计中常见的温度概念。电路板温度通常高达135℃。对最先进的汽车动力传动系统设计中的功率器件来说，无极限散热器是指在模组散热器上对流105℃的空气。
在许多汽车应用中，功率器件必须在能量吸收模式下工作，如式1中(∫ V(t) × I(t) dt)f所示。对于象负载突降这样的故障情况，芯片必须在给定的开始结温处吸收单个脉冲的能量。通常设备的散热性能都不太好，而对这类能量脉冲，散热并不重要。因此，这些情况的问题在于没有散热器的封装中，功耗是多少？为了解答这个问题，可通过三种方法测量芯片尺寸为142×163 mil IGBT的 ZqJC。第一种方法是将TO-220封装的器件安装在水冷却散热器上。第二个方法是将TO-220封装的器件悬挂及包围在1立方英尺的空气箱中。第三个是将IGBT芯片用环氧树脂粘接并把引线压焊在八分一平方英寸的FR-4电路板上；该芯片和电路板也会悬挂并包围在1立方英尺的空气箱中。图1所示为观察到的数据，并统一为10秒的测试时间。
注意对工作周期低于500微秒的单脉冲而言，器件封装的响应时间太长而不能有效地消除产生的热量。在大约20微秒以下，由于封装会吸收产生的所有热量，故器件不需为这些单脉冲进行散热。只有在脉冲重复及脉冲持续时间超过封装的热时间常数时，才需要进行散热。而每个芯片尺寸和类型都会有不同的特性和限制。
在许多汽车应用中，功率器件如点火IGBT和螺线管驱动器必须长时间在能量吸收模式下工作。如果这种能量吸收是长期持续的，那么就需要设计热系统来将芯片的热量导出，确保结温Tj维持在安全的工作区域。因此，举例说，除了其他部分的功率损耗 (如传导损耗) 在公式1中由 (Von× Ion) 代表外，器件在40Hz下30mJ脉冲的功耗为1.2W (∫V(t) × I(t) dt f )。芯片大小、机械头、芯片粘接都需要优化以便热量流向正确设计的PCB和散热器中。
图1所示为双集成螺旋管驱动器的内部结构，具有优化的芯片尺寸和所需的机械头芯片粘接，能提供低RqJC。该智能功率器件采用PQFN封装，具有3个引脚座和5个芯片。这种多芯片的封装能在芯片基板之间提供隔离，并为功率芯片提供低热阻，以及能够相互连接两个独立的智能功率器件。在这器件中，两个控制芯片各有12个互连端点，每个都采用小型金键合线，能将控制芯片尺寸减至最小。控制IC将利用非传导性芯片粘合剂从功率芯片中隔离出来。功率器件使用厚铝键合线处理电流，并通过焊接芯片粘接提高散热效率。由于功率芯片与引脚座焊接，引脚座又与电路板焊接，因此能将功率芯片到散热表面的热阻抗降至最低。使用多芯片智能功率技术，应选配最高效的功率硅片，以便在占位面积 (电路板空间)允许的范围实现最多的智能功率功能，并采用RDS(ON) 最低的 MOSFET实现最小的功耗。

图1  双集成螺旋管驱动器的内部结构。

采用多芯片智能功率技术能在功率硅片和控制硅片之间实现卓越的电气隔离，并抑制其热传导性，使得产品更坚固可靠，尤其是在恶劣的电气环境下。这是因为硅片之间存在着距离，控制硅片不会像功率器件那样经受剧烈的温度变化，而且控制芯片和功率芯片之间的平均温差仅为2℃左右，并可在需要时对控制芯片执行热关断电路。
功率芯片中的电流通常都需要监控来检测故障情况。较低的RDS(ON)值意味着在开关上检测的电压降较低，因此在测量方法中出现的任何噪声都会影响测量的精确性。减小噪声和提高加载条件的检测精度对汽车模组设计来说都是重要的考虑因素。单封装中的多芯片设计可在低电压降和小电流下实现更精确的测量。由于功率和信号接地不是共用同一条电路，因此多芯片智能功率器件可使用开尔文法来测量电压。
其他类型的封装也可用来进行多芯片封装。多年来，IGBT和PIN二极管一直采用TO-247、TO-263和 TO-220之类的标准分立封装。智能功率器件通常要求多于标准的3引脚封装，以便与周围的电路通信。例如，标准TO-220就增加了3根引脚，使其拥有6根引脚以供集成高压功率开关稳压器使用。FSDM07652R结合了抗雪崩的senseFET和一个电流模式PWM控制模块。该PWM控制器包括集成式的固定频率振荡器、欠压锁定电路、脉冲前沿消隐电路 (LEB)、优化栅级驱动电路、内部软启动电路，以及采用温度补偿的精确电流源以实现回路补偿和自保护电路，也可设计其他包含独特模组的封装来整合功率和控制功能。