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        用于電源SiP的半橋MOSFET集成方案研究

        2021-01-15 05:50:40唐光慶曾鑫馮志斌康丙寅
        電子產品世界 2021年12期
        關鍵詞:平鋪銅片腔體

        唐光慶 曾鑫 馮志斌 康丙寅

        摘要:系統(tǒng)級封裝(SysteminPackage,SiP)設計理念是實現電源小型化的有效方法之一。然而,SiP空間有限,功率開關MOSFET的集成封裝方案對電源性能影響大。本文討論同步開關電源拓撲中的半橋MOSFET的不同布局方法,包括基板表面平鋪、腔體設計、3D堆疊等;以及不同的電源互連方式,包括鍵合、銅片夾扣等。從封裝尺寸、載流能力、熱阻、工藝復雜度、組裝維修等方面,對比了不同方案的優(yōu)缺點,為電源SiP的設計提供參考。

        關鍵詞:系統(tǒng)級封裝;腔體;3D堆疊;鍵合;銅片夾扣

        0引言

        隨著電子技術的快速發(fā)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(tǒng)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(yōu)勢[1]。

        為提高大功率電源SiP效率,一般將傳統(tǒng)開關電源拓撲中的續(xù)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MOSFETQ1和Q2形成半橋結構。MOSFET是影響電源效率、熱環(huán)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(yōu)缺點,為電源SiP方案設計提供參考。

        1MOSFET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MOSFETQ2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(jié)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。

        2.33D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。

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

        4半橋MOSFET集成方案

        在本節(jié)討論中,功率SiP設計要求輸出電流達30A;尺寸小于15mm×15mm,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(xù)漏極電流為95A,尺寸為4mm×4mm。通過討論不同布局和互連方式的優(yōu)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4mm×0.5mm,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0.25mm。則2個MOSFET的總封裝面積約為38mm2。鍵合絲有兩種選擇。選擇1是MOSFET的源極和柵極采用相同的45μm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25A。選擇2是MOSFET的柵極和源極分別采用45μm絲徑的硅鋁絲和100μm絲徑的鋁絲。源極最多能鍵合8根鋁絲并聯,安全電流達到20A。

        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0.2mm厚度的銅扣,可承受164A電流。受MOSFET的持續(xù)漏極電流限制,該方案的半橋MOSFET的載流能力為95A。銅扣在基板上的焊盤尺寸設計為4mm×1.5mm,則封裝面積約為46mm2。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。

        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4mm×4.2mm。該方案的鍵合設計同方案4.1,則需要37.6mm2的封裝面積,安全電流為25A(32根45μm絲徑的硅鋁絲并聯)或20A(8根100μm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45.6mm2的封裝面積,載流能力為95A。

        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。

        4.53D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30mm2。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(yōu)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?;灞砻驺~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30A,尺寸小于15mm×15mm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(xù)漏極電流95A;熱阻低;因為節(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(yè)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.

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