封装是连接芯片和外部电路的桥梁,封装技术对芯片性能的影响主要体现在几个方面:
提升系统性能:随着摩尔定律迭代速度放缓,先进封装技术成为提升系统性能的另一发展主轴。通过集成化封装,可以在不缩小制程节点的背景下,仅通过改进封装方式就能提升芯片性能。
提高信号传输效率和稳定性:封装技术能够保护芯片免受环境因素的影响,同时提高信号传输效率和稳定性,这对于芯片性能的稳定发挥至关重要。
增强芯片性能:封装技术通过提高集成度来满足现代电子设备功能日益复杂的需求。一方面,增加单个芯片的功能密度;另一方面,通过系统级封装(SiP)等技术将多个不同功能的芯片集成在一起,形成一个完整的系统,从而增强芯片性能。
降低信号传输延迟:高性能封装工艺发展包括提高芯片的电气性能,例如降低信号传输延迟、提高信号完整性等。通过采用先进的封装技术,如倒装芯片(Flip - Chip)技术和球栅阵列封装(BGA)技术,可以实现更短的电气连接路径,从而减少信号传输过程中的延迟和损耗。
改善散热性能:随着芯片的集成度和性能的提高,芯片产生的热量也越来越多。新型的封装技术注重改善散热性能,例如采用散热性能更好的封装材料、优化封装结构以增加散热路径等,这对于维持芯片性能和可靠性至关重要。
三维封装(3D封装):三维封装技术通过堆叠不同的芯片层,可以在有限的空间内实现更高的集成度和性能,这对于提升芯片性能和实现更复杂的功能具有重要意义。
保护芯片免受损害:封装材料可以保护芯片免受微粒、湿气和机械力等外界因素对它的损害,同时也增强了散热。
随着技术的发展,多样性的应用需求创造了一系列的封装媒介和封装工艺。
以下是一些常见的功率芯片封装类型:
TO封装:包括TO-220和TO-247等,这些是分立式封装,广泛应用于小功率范围,需要焊接到印刷电路板上。由于功率损耗相对较低,散热要求不高,这种封装设计通常不采用内部绝缘,每个封装中只有一个开关。
模块层叠结构:包括TO-247单管封装及模块封装,外壳、芯片、端子和键合线是其主要组成部分。
翻转贴片封装:阿肯色大学团队借鉴BGA的封装技术,提出了一种单管的翻转贴片封装技术,可以有效减小杂散电感值,将其大小控制在5nH以下。
DBC+PCB混合封装:这种封装方式结合了两种成熟工艺的优势,易于制作,可实现低杂散电感以及更小的体积。
SKiN封装:由Semikron公司利用SKiN封装技术制作的1200V/400A的SiC模块,采用柔性PCB板取代键合线实现芯片的上下表面电气连接,模块内部回路寄生电感仅有1.5nH。
DLB、Cu-Clip、SiPLIT封装:这些封装技术通过平面互连的方式实现芯片正面的连接,减小电流回路,进而减小杂散电感、电阻,还拥有更出色的温度循环特性以及可靠性。
在不同领域,不同产品又各有特点,举例几个在功率芯片中最常用的封装规格:
TO-220/220F:这是一种分立式封装,广泛应用于小功率范围。TO-220F是全塑封装,装到散热器上时不必加绝缘垫;而TO-220带金属片与中间脚相连,装散热器时要加绝缘垫。
TO-251:这种封装产品主要是为了降低成本和缩小产品体积,主要应用于中压大电流60A以下、高压7A以下的环境中。
TO-92:这种封装只有低压MOS管(电流10A以下、耐压值60V以下)和高压1N60/65在使用,目的是降低成本。
TO-252(D-PAK):这是一种塑封贴片封装,常用于功率晶体管、稳压芯片的封装,是目前主流封装之一。采用该封装方式的MOSFET有3个电极,栅极(G)、漏极(D)、源极(S)。其中漏极(D)的引脚被剪断不用,而是使用背面的散热板作漏极(D),直接焊接在PCB上,一方面用于输出大电流,一方面通过PCB散热。
TO-263(D2PAK):这是TO-220的一个变种,主要是为了提高生产效率和散热而设计,支持极高的电流和电压,在150A以下、30V以上的中压大电流MOS管中较为多见。