作者：Leon Li、Jiming Li、Hao Zhang
頂部散熱TSC │ 頂部冷卻
頂部散熱封裝在保留與插件封裝等效散熱潛能的同時，還帶來了額外的好處，且不同的頂部散熱器件保持了相同的高度。
在電動車（EV）領域，OBC設計的一個關鍵目標是提升功率密度，因為更輕的產品能減輕車輛重量，從而有助於增加續航里程。從增加續航的角度來看：效率是實現這一目標的一個方面，這點SiC相較於Si來說，當然更具優勢；另一方面，元件封裝和散熱設計也有助於實現這一目標，尤其是在提升功率密度方面的作用越來越大。
為了協助業界從插件元件過渡到貼片元件，英飛凌開發了DDPAK和QDPAK封裝的SiC元件。這兩種封裝是頂部散熱（TSC: top-side cooling）元件。
這篇文章將講述這些器件的優勢。在業界探索未來潛在的各種可能性之前，本文將對DCB內置與外置的熱特性進行比較，同時講解晶片與引線框架的擴散焊技術。與傳統焊接技術相比，透過這種技術，可以降低厚度以及熱阻。
底部散熱 vs 頂部散熱
底部散熱
當前TO-247、TO-220的插件在許多應用中被廣泛使用，但其劣勢也相當明顯：生產成本高；焊接之前需要人工介入將元件插入PCB上。基於這些原因，插件元件正逐漸被貼片元件取代。貼片元件可以更高效地實現自動化生產，也有助於提升生產的可靠性。
貼片封裝的散熱方式通常有兩種：底部散熱或頂部散熱。這兩種封裝都可以用於自動拾放機器的自動化生產設備。D2PAK、DPAK的底部散熱元件，其熱傳導方向是從芯片向焊接元件的板子上傳導。基於這種熱傳導方向，頂部散熱具有先天的優勢，因為PCB無法承受非常高的溫度。相較於高溫的元件，PCB成為熱瓶頸，不得不通過增加過孔來提升導熱性能，如下圖1a所示。
增加過孔來提高散熱能力通常會犧牲PCB面積，並帶來PCB佈線的挑戰，這是過孔這種方式的缺點；另一種解決方案是使用鋁基板（IMS）的方法，IMS可以提高散熱能力，但比傳統FR4的PCB更昂貴。
圖 1. 底部冷卻 (BSC) 需要使用熱過孔或 IMS 板散熱
頂部散熱
對於頂部散熱器件，熱傳導的方向如下圖2所示：晶片產生的熱導向封裝的頂部，頂部Pad再導向散熱器。
圖2. 頂部散熱傳導路徑
透過這種方式，熱阻可以降低約35%，同時可以將元件與PCB進行熱解耦。這些大幅度的提升源自以下幾點：PCB設計變得簡單、靈活；PCB尺寸可以更小，功率密度更高，並降低了EMI的影響。由於熱特性的提升，不再需要多層板的堆疊，因此可以省去IMS子板與FR4母板之間的接插件連接。一塊FR4的板子可以安裝所有的元件，同時也減少了連接器的數量。
這個特性降低了BOM，最終整體系統成本也得以降低。除了提高散熱、增加載流能力外，TSC也有助於優化佈線設計，從而提升可靠性。由於驅動晶片等可以放置得更靠近功率元件，迴路的寄生電感會更低，閘級的震盪得以減少，降低了驅動風險，提升了開關管的性能。
英飛凌開發的DDPAK、QDPAK封裝被廣泛應用於許多功率元件上，包括CoolSiC™ G6肖特基二極管、新一代750V和1200V CoolSiC™ MOSFET，以及650V SI SJ CoolMOS™。相較於插件式THD元件，這些產品擁有近似的散熱能力空間，但電性能更為優越。DDPAK和QDPAK的高度統一為2.3mm，無論是高壓還是低壓元件。因此非常適合OBC和DCDC這類具有不同電壓等級的產品，尤其是不同電壓等級元件的高度統一，進一步簡化了散熱片的設計，降低成本。
頂部散熱TSC方案分析比較
基於目前的 TSC 器件，未來額外的一個特性是使用 Al2O3 基板的 DCB（直接銅鍵）作為 TSC 的絕緣。如圖 3 所示，DCB 可以安裝在器件封裝內部（DCB-in-package）。這種方法的一個限制是需要對晶片互連進行必要的調整，並需要約 50μm 的晶片焊接層厚度。此外，器件的熱性能還受到 DCB 性能的限制。
圖3. DCB封裝中的絕緣
另一種新型的 DCB 在封裝外部（DCB-on-package）的 TSC 實施方案中，晶片與引線框架保持直接連接。這會帶來一些潛在的熱方面優勢。
首先，將晶片直接連接到封裝內的引線框架可以提供額外的散熱能力。其次，在封裝上連接 DCB 將消除晶片互連和再分佈的適配性。最後，晶片連接可採用擴散焊接，而不是傳統的軟焊，這將帶來顯著的優勢，包括可將晶片連接材料的厚度從約 50μm 大幅減少到僅約 1.2μm。
圖4. DCB-on-package絕緣
擴散焊的優勢
由於 SiC 的寬能隙特性，SiC 晶片通常非常小（通常只有幾平方毫米）。使用傳統焊料將如此小的晶片連接到封裝上需要一個良好控制的過程，因為焊料的表面可能會導致晶片傾斜，而這會影響焊線鍵合的製程。
使用擴散焊接可以避免這一複雜問題，因為焊料在與基底接觸之前不會熔化。這種方法還允許在單個引線框架上組裝多個晶片，因為隨後的加熱步驟不會影響最初晶片的放置精度。這是因為焊料不會再次熔化，因此不會出現由表面張力驅動的晶片位移。此外，這種技術還能優化元件尺寸，因為焊料擠出較少，從而提高了封裝密度。如圖 5 所示，由於擴散焊料具有優異的材料特性，且結合層厚度減少，因此可顯著改善熱傳導。
圖 5. 使用 (a) 傳統焊料和 (b) 擴散焊料進行晶片連接的橫截面圖。擴散焊接減少了結合層的厚度。在（a）中，焊料分佈不均，導致晶片傾斜。
測量結果顯示，與使用傳統焊料相比，晶片與封裝引線框架之間的熱阻降低了約 40%（圖 6）。熱性能的顯著改善意味著在固定晶片面積的情況下，最大靜態額定電流可以增加，從而允許更高的耗散功率。
圖6. 不同占空比的瞬態熱阻 (ZthjC) 與脈衝長度 (tp) 的關係。綠色是傳統焊料的數據，紅色顯示的是擴散焊的數據。
熱模擬結果
為了評估所提議的新型封裝結構的性能，英飛凌在 4mm² 和 14mm² 的理論 SiC 晶片上進行了模擬，比較了 DCB-in-Package 與 DCB-on-Package 在響應外加電流脈衝時的熱性能。圖 7 和圖 8 的模擬顯示，DCB-on-Package 的熱性能比 DCB-in-Package 更好，可以承受更大的電流（穩態電流和脈衝電流）。
圖 7. 14mm² SiC 晶片的 DCB-in-package 與 DCB-on-package 熱性能比較
圖8. 4mm² SiC 晶片的 DCB-in-package 與 DCB-on-package 熱性能比較
總結
最大化功率密度是電動車（EV）中OBC設計的主要目標，而元件封裝和散熱性能對於實現這一目標的重要性日益增加。英飛凌為滿足OBC設計需求，提供了高度統一的頂部散熱QDPAK封裝器件，包括750V、1200V CoolSiCTM MOSFET和650V Si SJ CoolMOSTM。
在滿足當前設計需求的同時，英飛凌也不斷展望未來，尋找進一步改進頂部散熱TSC的新方法。本文探討了用戶可外置DCB的創新概念，並介紹了模擬結果，這些結果顯示，封裝上的DCB有可能實現更緊湊、更靈活的設計，從而提供更高水平的熱性能。
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