用于電源SiP的半橋MOSFET集成方案研究

0   引言

隨著電子技術的快速發展和終端應用場景更加苛刻，小型化電源的需求越來越迫切。實現小型化的有效方法之一是采用系統級封裝（System in Package，SiP）設計。其理念是采用裸芯片，通過多芯片組裝，最終形成具有完整電源功能的封裝產品。相較基于分立封裝器件的電源產品，電源SiP 的基板面積降至10%~20%，在性能、成本等方面也具有優勢^[1]。

為提高大功率電源SiP 效率，一般將傳統開關電源拓撲中的續流二極管同步MOSFET 取代形成如圖1 所示的同步開關電源拓撲，2 個MOSFET Q₁ 和Q₂ 形成半橋結構。MOSFET 是影響電源效率、熱環境等性能的關鍵器件^[2]。因此，半橋MOSFET 的集成方案需要全面論證，以滿足SiP 封裝尺寸、載流能力、熱阻、工藝、組裝維修等方面的需求。

本文討論了同步開關電源拓撲中的半橋MOSFET的基板表面平鋪、腔體設計、3D 堆疊等布局方法，以及鍵合絲、銅片夾扣等互連方式，通過對比不同方案的優缺點，為電源SiP 方案設計提供參考。

1   MOSFET裸芯片結構

功率開關MOSFET 有3 個端口，即漏極、源極和柵極。一般裸芯片的背面設計為漏極，正面是源極和柵極。源極和漏極的面積大，為大電流路徑。正反兩面根據實際應用濺射不同金屬層。如圖1 所示的半橋MOSFET 結構中，上管Q1 的源極與低邊的MOSFET Q2的漏極互連在一起。

2   半橋MOSFET布局方法

2.1 基板表面平鋪

半橋MOSFET 的平鋪布局如圖2 所示。為提高電源SiP 的散熱性能，降低大電流路徑的互連電阻，裸芯片背面的漏極通過錫膏燒焊到基板表面。正面的源極和柵極可通過鍵合絲或銅片夾扣連接到基板的焊盤上[3]。兩芯片的源漏通過基板的銅導帶實現互連。由于在基板表面，芯片的組裝維修都十分便利。

2.2 腔體設計

平鋪布局要求基板表面和芯片間有安全距離。為減小封裝面積，可以采取如圖3 所示的腔體設計，即將基板的外層開放式開窗，將MOSFET 芯片燒焊在內層，基板鍵合焊盤仍在表面^[4]。受電源SiP 空間限制，腔體開窗面積對芯片的組裝修改產生一定的影響。腔體設計節省了基板焊盤和芯片間的距離，有利于電源SiP 整體尺寸的減小。

2.3 3D堆疊

如圖4 所示，半橋MOSFET 可采用縱向3D 堆疊減小封裝面積。兩芯片的源極、漏極及與基板導帶的互連一般采用銅片夾扣^[5]。芯片與銅片間仍通過錫膏燒焊互連。3D 堆疊對組裝要求高，芯片焊接偏移需控制嚴格，避免與柵極鍵合絲短路；并且芯片維修的便利性差。

3   互連工藝

3.1 引線鍵合工藝

引線鍵合以技術成熟、工藝簡單、成本低廉、適用性強等特點而在電子工程互連中占據重要地位[5]。由于鋁絲/ 硅鋁絲的導電能力強，價格低廉、延展性好，所以常用作MOSFET 的鍵合引線。

鍵合絲的材料和絲徑影響MOSFET 的過流能力，表1 是常見的鍵合絲徑及其過流能力。

3.2 銅片夾扣工藝

銅片夾扣鍵合是通過回流焊接的方式，將有特殊形狀的銅片焊接于芯片上，實現2 個MOSFET 的源漏極和基板導帶的互連。銅片的形狀與芯片開窗尺寸和版圖設計相關，避免與芯片柵極走線和鍵合絲短路。MOSFET 芯片表面需要濺射焊錫可浸潤的金屬材料，如鈦鎳金等，工藝比較復雜。

*25 A 為32 根45 μm 絲徑的硅鋁絲并聯鍵合，20 A為8 根100 μm 絲徑的鋁絲并聯鍵合

4   半橋MOSFET集成方案

在本節討論中，功率SiP 設計要求輸出電流達30 A；尺寸小于15 mm×15 mm，以滿足整機對電源小型化的需求。因此，選用的某型號MOSFET 裸芯片，其常溫下最大持續漏極電流為95 A，尺寸為4 mm×4 mm。通過討論不同布局和互連方式的優缺點，確定滿足電源SiP 要求的方案。

4.1 基板表面平鋪鍵合方案

基板鍵合焊盤尺寸設計為4 mm×0.5 mm，滿足源極多鍵合絲并聯要求。鍵合焊盤和芯片燒焊焊盤的安全距離定為0.25 mm。則2 個MOSFET 的總封裝面積約為38 mm²。鍵合絲有兩種選擇。選擇1 是MOSFET 的源極和柵極采用相同的45 μm 絲徑的硅鋁絲。源極最多能鍵合32 根硅鋁絲并聯，由表1 知MOSFET 的安全電流達25 A。選擇2 是MOSFET 的柵極和源極分別采用45 μm 絲徑的硅鋁絲和100 μm 絲徑的鋁絲。源極最多能鍵合8 根鋁絲并聯，安全電流達到20 A。在基板表面平鋪方案中，MOSFET 熱量主要是通過漏極單面向基板傳導。

4.2 基板表面平鋪銅片夾扣方案

基板表面平鋪銅片夾扣方案如圖5 所示。MOSFET源極互連改為0.2 mm 厚度的銅扣，可承受164 A 電流。受MOSFET 的持續漏極電流限制，該方案的半橋MOSFET 的載流能力為95 A。銅扣在基板上的焊盤尺寸設計為4 mm×1.5 mm，則封裝面積約為46 mm²。大面積銅片幫助MOSFET 的熱量雙面向基板傳導，極大地降低了芯片的熱阻。

圖5 基板表面平鋪銅片夾扣方案示意圖^[5]

4.3 腔體設計鍵合方案

在腔體設計中，為了組裝和維修，開窗面積設計為4 mm×4.2 mm。該方案的鍵合設計同方案4.1，則需要37.6 mm² 的封裝面積，安全電流為25 A（32 根45 μm絲徑的硅鋁絲并聯）或20 A（8 根100 μm 絲徑的鋁絲并聯）。

4.4 腔體設計銅片夾扣方案

該方案的銅扣互連設計同方案4.2，開窗設計同方案4.3，需要45.6 mm2 的封裝面積，載流能力為95 A。和方案4.1 和4.2 對比，腔體設計對半橋MOSFET封裝面積改善不多。但是可減小MOSFET 芯片與周圍器件焊盤的距離，從而減小了電源SiP 整體封裝尺寸。由于MOSFET 燒焊在基板內層，相對于基板表面平鋪方案，散熱性略差，可通過適當增加散熱鋪銅面積改善熱阻。

4.5 3D堆疊銅片夾扣方案

3D 堆疊通過利用縱向空間提高封裝效率。若銅扣在基板上的焊盤尺寸同方案4.2，該方案可將半橋MOSFET 的封裝面積減小至30 mm²。兩片銅扣使芯片雙面散熱，極大地降低了熱阻。

4.6 方案對比

表2 概述了半橋MOSFET 不同集成方案的優缺點?；灞砻嫫戒佹I合和腔體設計鍵合方案的工藝復雜度低，組裝維修便利性好，但是無法滿足電源SiP 輸出電流的要求。基板表面銅片夾扣方案在熱阻、工藝復雜度和組裝維修便利性之間取得了較好的平衡，但是封裝尺寸不利于電源SiP 的小型化設計。3D 堆疊銅片夾扣方案具有最小的封裝面積和很好的導熱性能，但是工藝復雜度高，組裝維修便利性低。腔體設計銅片夾扣是相對折中的方案，可以滿足電源SiP 設計要求。

5   結束語

本文討論了半橋MOSFET 不同集成方案。為滿足電源SiP 輸出電流達30 A，尺寸小于15mm×15 mm 的要求，相對折中的方案是采用腔體設計銅片夾扣方案。該方案的載流能力達到了MOSFET 的最大持續漏極電流95 A；熱阻低；因為節省了MOSFET 裸芯片與周圍焊盤的距離，有利于電源SiP 的小型化。

參考文獻：

[1] 李揚.SiP系統級封裝設計仿真技術[J].電子技術應用,2017,43(7):47-50,54.

[2] 陳帥,郗小鵬,張勇.同步BUCK變換器中MOSFET選型應用研究[J].單片機與嵌入式系統應用,2019(11):75-77,81.

[3] 王其超,季睿,姚佳.一種應用于GaN功放的高壓電源調制器設計[J].工業控制計算機,2021,34(6):134-135.

[4] 李揚.3D設計技術在SiP中的應用[J].電子技術應用,2018,44(9):39-43.

[5] 霍炎,吳建忠.銅片夾扣鍵合QFN功率器件封裝技術[J].電子與封裝,2018,18(7):1-6.

[6] 陳宏仕.MOSFET 器件引線鍵合技術[J]. 電子與封裝,2010,10(7):1-3.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年12月期）