要提高功率密度，除改進晶圓技術之外，還要提升封裝性能

汽車和工業應用都需要不斷提高功率密度。例如，為了提高安全性，新的汽車動力轉向設計現在要求雙冗余電路，這意味著要在相同空間內容納雙倍的元器件。再舉一個例子，在服務器群中，每平方米都要耗費一定成本，用戶通常每18個月要求相同電源封裝中的輸出功率翻倍。如果分立式半導體供應商要應對這一挑戰，不能僅專注于改進晶圓技術，還必須努力提升封裝性能。

總部位于荷蘭的安世半導體是分立器件、MOSFET器件、模擬和邏輯集成電路領域的領導者，該公司率先在-功率封裝（LFPAK無損封裝）內部采用了全銅夾片芯片貼裝技術，目的是實現多種技術優勢（電流能力、RDSon、熱特性等）。

專為提高功率密度設計的LFPAK封裝系列

LFPAK封裝系列用于提高功率密度。其主要特點是在封裝內部使用了全銅夾片，在外部使用了鷗翼引腳。安世半導體在2002年率先推出LFPAK56封裝 - 它是一款功率SO8封裝(5mm x 6mm)，設計用于替代體積更大的DPAK封裝。現在，該公司提供了一系列不同尺寸的封裝，包含單雙通道MOSFET配置，可涵蓋眾多不同應用。最近，安世半導體發布了LFPAK88，這是一款8mm x 8mm封裝，針對較高功率的應用而設計，可取代體積更大的D2PAK和D2PAK-7封裝。

圖1：LFPAK分立式MOSFET封裝系列

夾片粘合封裝與焊線封裝：功率密度優勢

LFPAK器件的體積小于老式D2PAK和D2PAK-7器件，同時實現了功率密度的明顯提升。

圖2：LFPAK88的占位面積小于D2PAK

上圖顯示了LFPAK88的相對占位面積大小，與D2PAK器件相比減小了60%；另外LFPAK88器件的高度更低，因而總體積減小了86%。

LFPAK88之所以能夠實現性能和功率密度的提升，是因為它采用了銅夾片封裝技術，取代了D2PAK和D2PAK7等封裝采用的老式焊線技術。

圖3：與使用焊線連接的D2PAK與使用銅夾片技術的LFPAK88

銅夾片技術的性能優勢包括：

1.電流(Amp)

·        焊線是一個制約因素，它決定了器件能夠處理的電流大小。在使用D2PAK封裝的情況下，使用的焊線的最大直徑為500μm（由于連接的T型柱尺寸）。

·         使用最新Trench 9超級結40V晶圓，安世半導體能夠放入D2PAK封裝的最大晶圓電流額定值為120A。但是，對于體積更小的LFPAK88封裝，由于不受焊線制約，安世半導體目前能夠放入該封裝的最大晶圓電流額定值為425A。隨著公司以后發布更大晶圓的產品，此電流額定值還會提高。[注：這些值來自于測量而并非理論]

2.R_DS(on) [以m?為單位]

·         在D2PAK中使用的三條500μm直徑的焊線增加了MOSFET的總RDS(on)值。

·         例如，在上述兩個器件中使用相同的Trench 9 40V技術平臺，安世半導體目前能夠放入D2PAK的最大晶圓的RDS(on)值為1.2m?。如果使用體積更小的夾片粘合LFPAK88封裝，該值可減少至 0.7m?，這要歸功于它沒有焊線電阻。[注：0.55m?的LFPAK88器件正在T9平臺上開發]。

3.寄生源極電感 (nH)

·         在每個開關事件中，必須解決寄生源極電感問題，因為它會降低效率。在需要高頻率開關的應用中，例如在DC/DC轉換器中，這種效率損失會產生很大影響。

源極焊線還會增加總寄生源極電感，再加上D2PAK的長引腳，電感值達到5nH。相比之下，由于LFPAK88沒有源極焊線，而且只使用很小的鷗翼引腳，因而電感值僅為1nH。

4.電流/熱量的熱點

·         當高電流通過器件時，它會集中在焊線連接到晶圓的瓶頸處。這些電流熱點可能導致散熱/質量問題。

·         使用LFPAK88，頂部的銅夾片覆蓋了更大區域，因此不會產生熱點。

圖4：D2PAK和LFPAK88的電流密度仿真以及焊線上的熱點

5.熱阻R_th(j-mb) (K/W)

·         與老式封裝相比，LFPAK88具有良好的熱性能。例如，如果我們計算從晶圓到封裝底部連接至印刷電路板處（從結到貼裝基底）的熱阻，熱阻值越低越好。

·         D2PAK中的最大芯片的熱阻為0.43K/W；LFPAK88的熱阻為0.35K/W。

·         更低的熱阻值主要歸功于傳熱路線更短，漏極銅夾片更薄（LFPAK88的厚度為0.5mm，D2PAK的厚度為1.3mm）

圖5： LFPAK88較薄的漏極散熱片和D2PAK的對比

功率密度 >1W/mm3

尺寸更小，電流能力更高，R_DS(on)值更低，這些優勢結合在一起，使功率密度得以提高，正如表中所總結（使用相同技術平臺來提供相近的性能）

結論

總而言之，要提高功率密度，不僅需要晶圓技術的改進，還必須利用新的封裝技術，充分發揮分立式MOSFET的潛能。LFPAK全銅夾片封裝系列增強了晶圓的性能表現，能夠幫助我們減小占位面積，提高功率輸出。