现代电源的先进封装方法

日期:2018-07-02
 

封装创新将大大改善冷却和热管理
作者:Stefan Preimel,概念和用工程,英凌科技
 
无论是技术创新还是应用,所有现代技术都有一个共同点:它们依赖于可靠、小型和高性能的电源,以便能够满足其功能和规范。随着终端产品变得越来越复杂,电源的设计参数变得越来越具有挑战性,在更小的空间中通常需要更多功率和更高效率——并且随着能源成本的增加,效率成为每个电源设计者的关注。
电源拓扑已经发展和改进了很多年,现在的重点转向半导体器件,这对于现代开关电源(SMPS)的操作和性能如此重要。已经作出重大投资来开发开关更有效和更快的器件,帮助SMPS设计工程师达到他们的目标。
然而,开关MOSFET的封装仍然落后于主流技术,许多器件还保留了通孔器件(THD),这带来了优点和缺点。
在这篇技术文章中,英飞凌将深入研究SMPS应用的半导体封装,并讨论热管理的改进和对实现现代SMPS所需性能做出重大贡献的封装。
为了满足现代SMPS设计者的共同目标,包括快速开关、高效率、减小尺寸和重量和最小化总拥有成本(TCO),半导体材料一直是重大开发活动的主题。最新的超结(SJ)MOSFET技术与改进的CoolSiC™肖特基二极管技术相结合,通过降低导通电阻、改善栅极电荷和减少损耗,在现代硬和软的应用中解决了这些挑战。
尽管半导体材料进步了,直到最近,最常用的功率器件封装是THD类型,如TO-220和TO-247。然而,这些封装类型有一些明显的缺点,特别是在现代SMPS中。长引线导致寄生电感降低了开关速度,这意味着相关磁性元件更大和更昂贵。而且,几乎印刷电路板(PCB)上所有其它元件都是表面贴装器件(SMD),这些THD元件需要一个特殊的工艺步骤,去适应PCB并进行焊接,从而增加了生产的复杂性和成本。
尽管目前可用的SMD器件有所有优点,如较短引线和易于生产处理,但在冷却方面仍然存在一些缺点。目前,SMD器件通常通过与PCB接触,或者通过它们的主体或元件引线来冷却。这仍然是诸如功率因数校正(PFC)电路等应用的主要挑战之一,并且是TO-220和TO-247仍在用于高功率SMPS应用的最常见封装类型的主要原因。
 
SMD的顶侧冷却
在热量增加时,传统SMD封装散热到印刷电路板有一些优点,当然一个封装可以向其顶面分散热量,这将有更好的表现,因为它是与物理作用。
英飞凌新的双DPAK(DDPAK)是功率器件表面安装封装,提供顶侧冷却的最新例子。该封装概念为高功率、高电压、高可靠性的应用提供了优化方案,适用于MOSFET和SiC二极管,为电力系统集成带来了新的方向。

1DDPAK技术结合SMD 封装的顶部冷却
 
最常见的是,DDPAK提供了五个用于漏极电流的连接,三个源连接和一个用于栅极参考电势的源感连接,以及用于标准栅极驱动的单个连接。虽然用传统THD可能这种4引脚方法,并将允许更加干净的驱动信号,以减少应用的开关损耗,但THD器件空间限制仍然是一个问题。
这进一步提高了引线电感,减少了50%的SMD大小。DDPAK小于TO-220封装,从而节省空间并允许更大的功率密度。通过半导体结和外壳之间的热耦合进一步改善了18%。
 

2DDPAKTO-220提供了显著的尺寸和性能改进
 
更薄的外形也与现代产品设计高度兼容,允许设计更薄的最终产品。由于DDPAK的主体与PCB表面不直接接触(之间大约有150μm),给设计者提供了进一步的好处和灵活性。

3:将DDPAKPCB分离为设计者提供了优势和灵活性
 
许多产品安全标准,特别是电源标准,如保险商实验室(UL)的标准,规定了在操作过程中基于FR4的PCB可以达到的最高温度。当半导体器件(例如MOSFET、SiC二极管)与PCB直接接触时,该规则限制半导体的温度,从而限制SMPS的性能。
安装在PCB上的常规SMD封装的一个挑战是,由于两种材料的热膨胀系数(CTE)不同,器件/封装和PCB本身的热膨胀率不同。IPC9701定义了一个特定测试(称为板上温度循环(TCOB)),以解决这个问题。
由于DDPAK上的引线是兼容的,它们具有一定弹簧样质量,并且充当DDPAK和PCB之间的缓冲区。这一创新完全消除了CTE相关的失效模式,包括焊点疲劳和由于应力引起的内部缺陷。事实上,当在DDPAK上进行超过2000个周期的TCOB测试时,没有出现故障,表明质量水平满足汽车标准,甚至工业产品。
 
DDPAK散热
虽然DDPAK热效率非常高,但对于几乎所有实际应用,需要某种形式的散热附着到顶部侧,以帮助热能远离半导体结并进入周围环境。
 

4:将散热片连接到DDPAK器件的几种选项
 
要使用的实际散热器选择取决于几个因素,尽管要消耗的热能和设计中的可用空间通常是最重要的两个因素。DDPAK设计提供了几个选项将散热片贴附在封装上,包括使用夹、推杆、粘合剂甚至直接焊接。最终选择将取决于设计的需要和适合生产过程的要求。由于没有散热器表面或封装表面可以100%平整,这是一个很好的做法,包括某种形式的热垫或热膏,以确保DDPAK和散热器之间良好的热接触。
 
一个真实的例子:1600 W Titanium服务器电源
为了说明DDPAK器件的性能,我们将考虑一个1600 W Titanium服务器电源,这是一个苛刻的现实应用。

5:挑战Titanium服务器电源规范
 
基本硬件结构包括输入滤波器、AC/DC转换级、控制/偏置板和DC/DC级。作为典型服务器电源,强制空气冷却是通过内置风扇提供的。这就引导了包含DDPAK器件的电源板上的气流。
 

61600 W服务器电源演示设置的基本布局
 
子卡包含一个完整PFC和半桥LLC级,用230 VAC输入提供高达1600W功率。图6展示了在50%负载下满足效率80 PLUS® Titanium标准要求的总体设计,并且在10%、20%和100%的其他临界负载点超过了它们。
 
总结
设计SMPS是一项具有挑战性的工作,随着应用在每次迭代中对功率密度和效率的要求越来越高,要求也越来越苛刻。虽然半导体材料有了显著的进步,但在功率相关应用中,该技术还没有跟上THD的最新进展。
然而,英飞凌的DDPAK的出现给市场带来了一种新的概念,满足了即使是最苛刻的应用的需要。由于顶侧冷却而提高了热性能,并且由于寄生电感降低了50%,所以提高了开关速度。
此外,创新的机械设计不仅将模块与PCB分离,还包括消除与CTE相关的潜在故障的兼容腿。
随着与最新硅技术结合,如CoolMOS™ G7和CoolSiC™ G6,DDPAK为市场领先的SMPS在开关器件提供了重要的一步。
DDPAK顶侧冷却封装更详细的技术数据以及专门应用笔记,将在英飞凌网站上提供。
 
 
www.infineon.com
 
 
 

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