近年來環(huán)保及節(jié)能的觀念逐漸受到重視，促進了各項新能源的開發(fā)、能源利用技術(shù)以及新型器件和設備的發(fā)展，而能源政策的推動更使得能源概念帶來的商機逐漸擴大。

為了使各種小尺寸、低成本、高功率密度的產(chǎn)品具備更高的能源轉(zhuǎn)換效率，電源轉(zhuǎn)換器的設計面臨著日益艱巨的挑戰(zhàn)。目前除使用各種新的轉(zhuǎn)換器拓撲與電源轉(zhuǎn)換技術(shù)來提高電源轉(zhuǎn)換效率之外，新型功率器件在高效能轉(zhuǎn)換器中所扮演的重要角色也不容忽視。其中，各種高效能功率MOSFET(以下稱功率半導體)目前已廣泛應用于各種電源轉(zhuǎn)換器中。本文將簡述功率半導體的技術(shù)發(fā)展方向，比較目前常用的封裝參數(shù)值，并簡述英飛凌科技的新型功率半導體─CanPAK的結(jié)構(gòu)，以及相比其它封裝所具有的優(yōu)越性。

功率半導體的技術(shù)發(fā)展背景

為了滿足上述高功率密度電源轉(zhuǎn)換器的需求，各種新型功率半導體的技術(shù)發(fā)展和研究在持續(xù)進行，目前主要的發(fā)展方向有兩個：一是晶粒(die)結(jié)構(gòu)；二是封裝結(jié)構(gòu)。其原因在于功率半導體的主要參數(shù)如導通電阻及轉(zhuǎn)換速度，取決于晶粒及外部封裝，因此要設計出特性較好的功率半導體，必須從這兩個方向著手。

在晶粒結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展方面，主要是通過新型的晶粒結(jié)構(gòu)或工藝技術(shù)達到以下兩個目標：(1)在相同的電壓阻隔能力下獲得最低的單位面積導通電阻，也即突破所謂的硅限制(Silicon limit)；(2)較快的轉(zhuǎn)換速度。而在封裝結(jié)構(gòu)的發(fā)展方面，主要是利用不同的封裝技術(shù)和引線方式達到降低封裝寄生電感值的目的。表1為各種封裝參數(shù)值(無晶粒)。

表1：無晶粒條件下的各種封裝參數(shù)值。

值得注意的是，不同封裝技術(shù)所存在的寄生電感值、電阻值及上層冷卻(top-side cooling)性能。其中，封裝寄生電感值不僅會影響功率半導體的轉(zhuǎn)換速度，同時會影響功率半導體導通過程中電流在包裝電感上所存儲的能量，因此，使用具有較大寄生電感的封裝的功率半導體，系統(tǒng)的效率會低于使用較低電感的封裝的功率半導體。

此外，由于功率半導體的等效導通電阻等于晶粒的導通電阻與封裝的寄生電阻之和，采用不同的封裝形式，功率半導體的最低導通電阻會有所不同，例如采用SO8封裝的功率半導體，在無晶粒的情況下，這種封裝形式的功率半導體最低導通電阻可達2.3mΩ。

傳統(tǒng)的封裝技術(shù)中，大多利用引線(wirebond)或引線框(lead frame)的方式，將晶粒所產(chǎn)生的熱引導至PCB，散播到空氣中，而其表面的黑色塑料封裝外殼與晶粒之間并未能緊密結(jié)合，其上層冷卻能力有限，即使外加散熱器，散熱效果也仍然有限。

CanPAK簡述

由于傳統(tǒng)封裝具有上述問題，英飛凌科技的CanPAK功率半導體應運而生，它具有雙層散熱能力，在CanPAK的結(jié)構(gòu)之中，晶粒本體與散熱蓋(can)之間以高導熱材質(zhì)接著，散熱蓋是以鎳制造而成，它與晶粒本體的接觸面上鍍有一層銀，因此可以快速地將晶粒本體上所產(chǎn)生的熱，通過散熱蓋傳遞至外加的散熱器或空氣中。

圖1: (a)CanPAK的截面圖；(b)CanPAK的俯視圖及底視圖。

圖1為CanPAK的截面圖、俯視及底視圖。由圖中可知，相比其它傳統(tǒng)的封裝方式，CanPAK的優(yōu)點在于功率半導體上的柵、源極，都是由晶粒本體直接與PCB連接，并不通過任何的引線或引線框，這樣可以減少源極端寄生電感，提高最大轉(zhuǎn)換速度并降低寄生電感所存儲的能量，漏極通過散熱蓋與PCB連接，由于晶粒本體與散熱蓋之間的熱阻值遠低于其它傳統(tǒng)的各種封裝，因此，CanPAK中通過散熱蓋傳遞出去的熱能大幅增加，可有效降低功率半導體的晶粒的溫度，達到系統(tǒng)高效率的目標。

CanPAK系列產(chǎn)品的優(yōu)越性除了封裝本身極小的寄生電感及電阻以外，主要是基于其良好的雙層導熱效果，因此以下本文將以熱阻模型來介紹CanPAK雙層冷卻能力特性，并以實際數(shù)據(jù)比較CanPAK與SuperSO8的散熱能力。

圖2: (a)在無散熱器條件下CanPAK的熱流示意圖；(b)在有散熱器條件下CanPAK的熱流示意圖；(c)有散熱器條件下的熱阻模型示意圖。

圖2為CanPAK在無散熱器及有散熱器條件下的熱流示意圖和等效熱阻模型示意圖。圖中，R1、R2及R3分別代表晶粒接面與PCB間、晶粒接面與散熱蓋間，以及散熱蓋與PCB間的熱阻。而晶粒接面到外在環(huán)境(ambient)的熱阻，則由上層及下層熱阻分流等效，類似電路系統(tǒng)中兩個電阻并聯(lián)分流。

其中，上層熱阻由三個部份組成：晶粒接面-散熱蓋的熱阻、導熱介質(zhì)(TIM)的熱阻及散熱器的熱阻，以下式表示之：

下層熱阻值由三個部份組成：晶粒接面-電極(主要是源極)的熱阻及PCB的熱阻，以下式表示之：

因此，CanPAK結(jié)合散熱器的整體散熱系統(tǒng)的等效熱阻表示如下式：

表2為一簡單的熱分流運算結(jié)果，假設晶體接面溫度為125℃，環(huán)境溫度為25℃的條件下，晶粒接面的功率損耗為2.4W，依照實際的熱阻條件，可知分別有58.8%及41.2%的熱通過PCB及上層散熱器傳導到環(huán)境之中。

CanPAK效能比較

除上述數(shù)值分析外，以下將通過實驗比較CanPAK與目前被大幅采用的SuperSO8封裝在散熱能力上的差異。圖3(a)為本項實驗所使用的PCB。其中，散熱器的規(guī)格如圖3(b)右上角所示。

圖3: (a)CanPAK與SSO8熱阻測試PCB；(b)熱阻測試結(jié)果。

圖3(b)中的四條曲線由上至下分別為：(1)無散熱器的CanPAK；(2)無散熱器的SSO8；(3)有散熱器的SSO8；(4)有散熱器的CanPAK。此項實驗結(jié)果比較了各種風冷條件下，兩種封裝在有散熱器和無散熱器兩種情況下的整體熱阻表現(xiàn)。其中在無風冷條件下，CanPAK使用散熱器時，熱阻的改善幅度約為43%(70→40K/W)，遠遠大于SSO8的28%(63→45K/W)；此外由圖中四條曲線可知，使用散熱器提高功率半導體的散熱面積能夠大幅改善其熱阻值及散熱能力。

本文著重在于說明CanPAK此項封裝技術(shù)的優(yōu)越性，但對功率半導體整體表現(xiàn)而言，晶粒的優(yōu)越特性更是不可或缺。目前為了滿足市場需求，英飛凌科技所推出的CanPAK系列產(chǎn)品，晶粒技術(shù)采用了OptiMOS 2技術(shù)，以30V的最大耐壓作為第一階段新產(chǎn)品的設計，以適用于筆記本電腦、服務器及顯示卡中多相式轉(zhuǎn)換器電源，2008年5月后推出以采用OptiMOS 2技術(shù)為主的25V產(chǎn)品，2009年底將陸續(xù)推出導通電阻及轉(zhuǎn)換速度性能更優(yōu)越的新一代OptiMOS 3技術(shù)，推出25V~250V的CanPAK系列產(chǎn)品，以滿足市場上各種電源轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品應用及高性能需求。

作者：張家瑞，資深應用工程師，臺灣英飛凌科技股份有限公司