滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器 SMPS 發(fā)展趨勢(shì)需求的封裝和熱解決方案

云端互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、人工智能和加密貨幣相繼出現(xiàn)，推動(dòng)全球數(shù)據(jù)中心處理能力迅速發(fā)展。此外，電力和房地產(chǎn)價(jià)格持續(xù)攀升，這一趨勢(shì)迫切需要高效緊湊的服務(wù)器電源。本文將闡述如何使用硅和寬禁帶 (WBG) 開(kāi)關(guān)來(lái)滿(mǎn)足電源設(shè)計(jì)要求。

為實(shí)現(xiàn)所需的高功率密度，必須考慮以下三個(gè)主要方面：

●   提高效率，為了保持特定體積下的總功率損失在接受范圍之內(nèi)，從而推動(dòng)向新拓?fù)浜托录夹g(shù)過(guò)渡；其中的成功示例就是從采用硅 (Si)實(shí)現(xiàn)的 經(jīng)典升壓 PFC 到采用 GaN/SiC實(shí)現(xiàn)的 圖騰柱 PFC。

●   改進(jìn)封裝和熱解決方案可將器件結(jié)點(diǎn)處熱能向散熱器和周?chē)h(huán)境耗散。小型 SMD 封裝是高密度轉(zhuǎn)換器的主要推動(dòng)因素，對(duì)其而言，這更具挑戰(zhàn)性。

●   優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)關(guān)頻率，在滿(mǎn)足效率要求或溫升限制下獲得最高的功率密度。進(jìn)而促使開(kāi)關(guān)頻率的提升，推動(dòng)從傳統(tǒng)封裝過(guò)渡至新型封裝和熱解決方案。

通常情況下，最先進(jìn)的高效電源由圖騰柱無(wú)橋 PFC 級(jí)和 LLC 轉(zhuǎn)換器等諧振 DC-DC 級(jí)組成（見(jiàn)圖 1）。服務(wù)器電源的示例規(guī)格為 Vin = 180 V – 277 V，Vout = 48 V，Pout = 3 kW。

圖1. 由圖騰柱 PFC 和 LLC DC-DC 轉(zhuǎn)換器組成的服務(wù)器電源

為量化效率與功率密度之間性能權(quán)衡，采用了帕累托最優(yōu)分析。該方法系統(tǒng)考慮不同轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的所有可用自由度。通過(guò)采用詳細(xì)的系統(tǒng)和組件模型，可確定位于帕累托前沿的最佳設(shè)計(jì)。該效率計(jì)算的基礎(chǔ)為 50% 額定輸出功率，包括 PFC 和 LLC 級(jí)損耗。

計(jì)算整個(gè)服務(wù)器電源系統(tǒng)的帕累托前沿，優(yōu)化結(jié)果如圖 2 所示。該圖表明，對(duì)于中等功率密度 (~40 W/inch3 )，效率可接近 98.2%，而超過(guò) 80 W/inch3 的設(shè)計(jì)，效率則低于 97.5%。從該圖得出的另一重要結(jié)論為：LLC 級(jí)的開(kāi)關(guān)頻率越高，所需功率密度設(shè)計(jì)也越高。這些結(jié)論證實(shí)了封裝在高頻工況下實(shí)現(xiàn)高效的必要性。

圖2. 采用優(yōu)化 LLC 級(jí)頻率的整個(gè)服務(wù)器電源的優(yōu)化結(jié)果，展示效率與密度間的關(guān)系

SMPS 拓?fù)渌?SMD 封裝

英飛凌提供廣泛的底部散熱 (BSC) 和頂部散熱 (TSC) 封裝產(chǎn)品組合，可滿(mǎn)足高功率和高密度服務(wù)器 SMPS 應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。本節(jié)討論并對(duì)比了與裝配、熱性能和電氣寄生參數(shù)等主題相關(guān)的不同封裝。

底部散熱和頂部散熱封裝的組裝實(shí)現(xiàn)

底部散熱 (BSC)

圖 3 和 4 所示為底部散熱和頂部散熱的主要散熱概念。在這兩種情況下，通常采用回流焊接工藝將 SMD 封裝安裝在 PCB 上。對(duì)于 BSC，主要熱量從封裝底部的器件散熱器（外露焊盤(pán)）經(jīng) PCB 傳導(dǎo)至安裝在 PCB 另一側(cè)的外部散熱器。因此，使用基于 FR4 的 PCB 時(shí)，需要封裝下方穿過(guò) PCB 的散熱過(guò)孔來(lái)傳熱。在 PCB 背面，外部散熱器安裝在具有散熱過(guò)孔的區(qū)域。散熱器和 PCB 通過(guò)熱界面材料 (TIM) 實(shí)現(xiàn)電氣隔離。通常情況下，厚度為 100-500 μm 的箔片用作 TIM，在理想狀態(tài)下具有良好的熱導(dǎo)納 λ。理想情況下，這會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)具有低熱阻抗 Zthja。

圖3.采用底部冷卻的示例解決方案

PCB 具有一定厚度，受電路設(shè)計(jì)所需銅層數(shù)量和散熱過(guò)孔密度限制的影響。因此，與器件散熱器提供的傳熱面積相比，通過(guò) PCB 傳熱的有效截面積更小，這是第一個(gè)瓶頸。第二個(gè)瓶頸是 TIM，其熱導(dǎo)納比器件散熱器和外部散熱器低得多。

在某些情況下，用絕緣金屬基板 (IMS) 替換基于 FR4 的基板，可在不超過(guò)器件或 PCB 最高溫度的情況下獲得更高的熱流量。特別是對(duì)于單層 PCB 設(shè)計(jì)，既不需要散熱過(guò)孔，也不需要額外 TIM。由于電路板的鋁基用作散熱器，因此無(wú)需外部散熱器。然而，盡管降低了 Zthja，但板上溫度循環(huán) (TCoB) 次數(shù)也減少了，特別是無(wú)引腳 SMD 封裝，比如無(wú)引腳 TO 封裝(TOLL) 或 ThinPAK，這是因?yàn)榛?FR4 的 PCB 非常柔軟，而基于 IMS 的 PCB 更為剛硬。

頂部散熱(TSC)

在 TSC 封裝中，封裝頂部的器件散熱器通過(guò) TIM 直接與外部散熱器相連（圖 4）。在這種情況下，沒(méi)有熱量通過(guò) PCB 和散熱過(guò)孔，因此，這部分熱阻不會(huì)體現(xiàn)在總熱阻中。因而可提高導(dǎo)熱性和封裝的最高功耗。

此外，TSC 封裝的另一優(yōu)點(diǎn)是 PCB 對(duì)面的空閑區(qū)域可用于布置其他器件，例如柵極驅(qū)動(dòng)器和無(wú)源元件，封裝體正下方還具有信號(hào)布線(xiàn)空間。

圖4.采用頂部冷卻的示例解決方案

為獲得良好熱接觸，在 TSC 器件上，建議將散熱器安裝在TSC器件上時(shí)施加一定的力。對(duì)于具有托腳高差為正的帶引腳 SMD 封裝（圖 5 左），該力和其他溫度循環(huán)引起的力均被封裝引腳吸收，如果使用 QDPAK[6]，TCoB 循環(huán)可達(dá) 2000 次，非常不錯(cuò)。

對(duì)于托腳高差為負(fù)的封裝（圖 5 右），為避免系統(tǒng)可靠性問(wèn)題，PCB 設(shè)計(jì)需要考慮其他因素，可能會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的工作量和復(fù)雜性。負(fù)托腳高差具有降低 Zthja 的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠浣档土朔庋b高度公差，進(jìn)而減小了 TIM 的厚度。然而，考慮 PCB 翹曲等其他公差時(shí)，特別是對(duì)于較大的 PCB 尺寸和多個(gè)功率器件共用散熱器的情況，負(fù)封裝托腳高差的熱優(yōu)勢(shì)不再那么重要。

圖5.標(biāo)準(zhǔn)正封裝托腳本體高差（左）和負(fù)封裝托腳本體高差（右）。封裝體下方的銅焊盤(pán)有利于作為高度確定的機(jī)械支撐，對(duì)于負(fù)托腳本體高差，電路板可靠性非常高 [2]

對(duì)于常見(jiàn)散熱器方法，圖 6 示意性顯示了器件和散熱器之間的 TIM 堆疊，在本例中由絕緣箔和間隙填充物組成。間隙填充物用于補(bǔ)償器件、散熱器和 PCB 的相關(guān)制造公差。僅使用間隙填充物進(jìn)行傳熱時(shí)，必須確保器件與外部散熱器之間的可靠絕緣。此外，間隙填充材料必須滿(mǎn)足必要擊穿等級(jí)，PCB 裝配過(guò)程中，還需防止氣孔和封閉顆粒進(jìn)入間隙填充物。一般而言，潔凈的 PCB 組裝制造環(huán)境可降低系統(tǒng)制造過(guò)程中因污染而導(dǎo)致的系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)。

圖6.外部散熱器與器件之間的電隔離箔和間隙填充物

為進(jìn)一步降低 TSC 的 Zthja 和動(dòng)態(tài)功耗，可選擇部署中間散熱片，如圖 7 所示。該附加散熱器的熱容量可在一定時(shí)間（幾秒鐘）內(nèi)儲(chǔ)存額外熱量，然后再傳導(dǎo)至公共散熱器和環(huán)境中。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同，為改進(jìn)系統(tǒng) Zthja，也可取消公共散熱器和 TIM，其中，中間散熱片為主要散熱器，由風(fēng)扇氣流直接冷卻。

圖7.單器件散熱片安裝 [6]

熱性能

圖 8 顯示了所選 THD、BSC SMD 和 TSC SMD 封裝的 Zthja 時(shí)間相關(guān)圖表，考慮了基于 FR4 的 PCB 設(shè)計(jì)和強(qiáng)制風(fēng)冷。假設(shè)不同封裝內(nèi)的相同一芯片器件具有的功耗相同。在基于 FR4 的 PCB 上比較 DDPAK（TSC 封裝）與 TO263（BSC 封裝），DDPAK 的 Zhtja 降低了 60%，盡管這兩種封裝的有效散熱面積非常接近。DDPAK 避開(kāi)了上節(jié)所述“散熱過(guò)孔”限制。該圖還表明，頂部散熱封裝能夠?qū)崿F(xiàn)與通孔器件 (THD) 相當(dāng)?shù)?Zthja 值。

圖例表明，使用具有相當(dāng)高熱導(dǎo)納 (λ) 的薄層隔離材料是實(shí)現(xiàn)良好 Zthja 結(jié)果的關(guān)鍵。除此之外，使用具有更高 λ 的間隙填充物和隔離箔，將使所示 TSC 封裝的 Zthja 比 THD 更低。

圖8.強(qiáng)制對(duì)流下多封裝的典型瞬態(tài)抗結(jié)-環(huán)境熱阻 (Zthja)

高頻操作中的低寄生電感優(yōu)勢(shì)。

圖 9 所示為封裝源極電感 (LSc) 對(duì)“導(dǎo)通”瞬態(tài)的影響。LSc 從 0 增加至 4 nH。漏極電流 (di/dt) 升高導(dǎo)致 LscSc 上的感生壓降，柵極驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)減去該電壓值，從而降低柵極電流。因此，電壓瞬變時(shí)間延長(zhǎng)，損耗增加?！瓣P(guān)斷”瞬態(tài)的機(jī)制相同，但方式相反。

圖9.封裝源極電感對(duì)開(kāi)關(guān)“導(dǎo)通”的影響示例：波形細(xì)節(jié)（左）和損耗（右）

通過(guò)使用單獨(dú)的源極檢測(cè)引腳（開(kāi)爾文源極）來(lái)控制柵極（圖 10，右），可消除上述 LSc 的負(fù)面影響，從而有效降低開(kāi)關(guān)損耗。通過(guò)使用源極檢測(cè)連接來(lái)驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O，LSc 位于柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路之外。因此，其感應(yīng)電壓峰值不會(huì)反饋到驅(qū)動(dòng)電路，這與僅有一個(gè)源極連接的標(biāo)準(zhǔn)配置（圖 10，左）不同。

需特別關(guān)注的是，開(kāi)爾文源極引腳封裝解決了 LSc 對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)速度的負(fù)面影響。但是，LSc 仍會(huì)增加環(huán)路總電感，這是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，會(huì)導(dǎo)致快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用（例如帶有WBG 開(kāi)關(guān)的服務(wù)器 SMPS）產(chǎn)生振蕩。因此，即使采用開(kāi)爾文源極引腳封裝，封裝 LSc 也是越低越好。更多細(xì)節(jié)見(jiàn)參考應(yīng)用說(shuō)明 [7]。

圖10.標(biāo)準(zhǔn) 3 端封裝（左）和采用開(kāi)爾文源極的 4 端封裝（右）的柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路比較

總結(jié)

本文討論了功率半導(dǎo)體封裝在滿(mǎn)足服務(wù)器電源的功率和密度要求方面的重要性，特別是對(duì)于硅和寬禁帶 (WBG) 開(kāi)關(guān)器件。

首先，簡(jiǎn)要介紹了服務(wù)器 SMPS 的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)，然后討論了 SMD 封裝的裝配實(shí)現(xiàn)、熱性能以及高頻操作中的低寄生電感優(yōu)勢(shì)。

下表 1 總結(jié)了用于服務(wù)器 SMPS 中的英飛凌 SMD 封裝產(chǎn)品組合，并比較其主要參數(shù)。

Table1 服務(wù)器應(yīng)用的 SMD BSC 和 TSC 封裝概覽。

為評(píng)估封裝電感，假設(shè)封裝內(nèi)器件具有相近 RDS(ON)。

英飛凌開(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 設(shè)計(jì)解決方案可滿(mǎn)足日益嚴(yán)苛的服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心需求，如需了解更多信息，請(qǐng)單擊此處。此外，還可了解我們的全系列創(chuàng)新電源技術(shù)（Si、SiC 和 GaN）。

參考資料

1. S. Preimel，“600 V CoolMOS? G7 和 650 V CoolSiC? G6 采用新型頂部散熱封裝 – DDPAK”，應(yīng)用說(shuō)明，AN_1802_PL52_1803，2018 年

2. 英飛凌科技，“英飛凌雙排歐翼式引腳封裝的電路板組裝建議”，Rev. 5.0，2020 年

3. 英飛凌科技，“頂部散熱型帶引腳 TO (TOLT) 封裝汽車(chē)功率 MOSFET”，應(yīng)用說(shuō)明 v1.1，Z8F80044621，2021 年

4. 英飛凌科技，“TOLL 與 TOLT”，應(yīng)用說(shuō)明，Z8F80127016，2022 年

5. 英飛凌科技，“適用于高壓應(yīng)用的創(chuàng)新頂部散熱封裝解決方案”，應(yīng)用說(shuō)明 v1.0，AN_2101_PL52_2103_112902，2021 年

6. S. Preimel，“600 V CoolMOS CFD7 采用新型頂部散熱封裝 – QDPAK”。應(yīng)用說(shuō)明，AN_1802_PL52_1803_120439，2018 年

7. B. Zojer，“CoolMOS? 柵極驅(qū)動(dòng)器和開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)”，應(yīng)用說(shuō)明 v1.0，AN_1909_PL52_1911_173913，2020 年

作者：

Daniel H?lzl，英飛凌科技封裝概念工程師

Sam Abdel-Rahman，英飛凌科技系統(tǒng)架構(gòu)服務(wù)器/數(shù)據(jù)中心 SMPS