基于云的計算、人工智能和區(qū)塊鏈等行業(yè)的快速增長極大地提高了全球?qū)?shù)據(jù)中心處理能力的需求，再加上不斷上漲的電力和占地成本，這些驅(qū)動了對用于服務(wù)器市場的既節(jié)省電力又節(jié)省空間的高效開關(guān)電源（SMPS）的需求。本文將分析在采用硅和寬帶隙（WBG）開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的服務(wù)器電源中，封裝在滿足功率和密度要求方面所起的重要作用，還將簡要介紹服務(wù)器SMPS的應(yīng)用和發(fā)展趨勢，然后會討論組件的實現(xiàn)、熱性能以及在高頻運行中使用Infineon低寄生電感表面貼裝器件（SMD）封裝的優(yōu)勢。

(資料圖片僅供參考)

服務(wù)器電源拓?fù)浼軜?gòu)

當(dāng)代高效電源通常使用圖騰柱級來實現(xiàn)無橋功率因數(shù)校正（PFC），然后使用LLC電路實現(xiàn)諧振DC-DC轉(zhuǎn)換器（參見圖1）。服務(wù)器電源的典型規(guī)格為Vin=180～277V，Vout=48V，Pout=3kW。

Figure 1

圖1

帕累托優(yōu)化（Pareto optimization）可以用來幫助理解在轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中如何實現(xiàn)工作效率和功率密度之間的權(quán)衡。當(dāng)考慮不同的設(shè)計變量時，這種方法采用較為詳細(xì)的系統(tǒng)和組件模型，效率按50%額定輸出功率時計算，并考慮PFC和LLC級的損耗。完整服務(wù)器電源系統(tǒng)的帕累托優(yōu)化計算結(jié)果如圖2所示。其中表明，中等功率密度（~40W/inch3）電源的效率可達(dá)98.2%，而更高密度設(shè)計（大于80W/inch3）的效率略低，最高為97.5%。一個非常有趣的觀察結(jié)果是，在更高密度設(shè)計中，LLC級需要增大開關(guān)頻率，這證實了在支持這種高密度設(shè)計時對于封裝的要求。

圖2：Pareto優(yōu)化顯示服務(wù)器電源中具有最佳LLC級頻率的效率與功率密度之間關(guān)系。

SMPS封裝

Infineon能夠提供全面的封裝組合，使用底側(cè)冷卻（BSC）或頂側(cè)冷卻（TSC）來滿足更高密度服務(wù)器SMPS的要求，其中SMD封裝通常使用典型的回流焊工藝安裝在PCB上。每種封裝類型的性能可以在組件、熱性能和寄生電效應(yīng)等項目下進(jìn)行比較。

對于底側(cè)冷卻（參見圖3），熱量從封裝底部散熱器（裸露焊盤）通過PCB引導(dǎo)到安裝在板對面的外部散熱器。這意味著當(dāng)使用基于FR4的板時，需要熱過孔（通過下面的PCB）來進(jìn)行熱傳遞。在板的底部，外部散熱器安裝在熱過孔上方區(qū)域。散熱器和PCB使用熱介面材料（TIM）進(jìn)行電氣隔離。為了降低系統(tǒng)熱阻抗，通常使用具有良好熱導(dǎo)納（thermal admittance）且厚度在100～500μm范圍的箔作為熱介面材料，以降低結(jié)到環(huán)境的瞬態(tài)熱阻（Zthja）。

圖3：使用底側(cè)冷卻（BSC）的SMD器件示意圖。

然而，底側(cè)冷卻有兩個方面的局限。首先，PCB的厚度取決于電路板設(shè)計所需的銅層數(shù)量和熱過孔密度限制。由此，用于通過PCB進(jìn)行熱傳遞的有效橫截面積相對于散熱器的尺寸會減小。其次，熱介面材料的熱導(dǎo)納比設(shè)備散熱器和外部散熱器低很多，因此它不能消散如此多熱量。在某些情況下，用絕緣金屬基板（IMS）代替基于FR4的基板可以在不超過器件最高工作溫度或PCB溫度的情況下實現(xiàn)更好的熱流。對于單層IMS PCB設(shè)計，既不需要熱過孔，也不需要額外的TIM，并且可以通過使用PCB板的鋁芯作為散熱器，從而不再需要外部散熱器。但是，雖然這減少了Zthja，但它降低了PCB板上溫度循環(huán)次數(shù)（TCoB），尤其是對于TO-leadless（TOLL）或ThinPAK等無引線SMD封裝。這是因為基于IMS的PCB比基于FR4的PCB柔性更小。

對于TSC封裝（參見圖4），設(shè)備散熱片位于封裝頂部，并通過TIM與外部散熱片直接連接（見圖4）。在這里，沒有熱量通過PCB和熱過孔，這意味著它們對總熱阻沒有貢獻(xiàn)。這提高了整體導(dǎo)熱性，并允許更高的封裝最大功耗。TSC的另一個優(yōu)點是，它能夠釋放PCB側(cè)對面的空間，可留作布局柵極驅(qū)動器或無源元件等其他設(shè)備，這些空間也可以用于在封裝體下方布局信號鏈路。

圖4：使用頂側(cè)冷卻（TSC）的SMD器件示意圖。

為了提供良好的熱介面，建議在將散熱器連接到TSC設(shè)備時施加一定程度的力。對于具有正向托起高度（positive stand-off）引線SMD封裝（圖5），該力以及由其它溫度循環(huán)引起的力都會被封裝引線吸收，從而使QDPAK器件能夠進(jìn)行大量的TCoB循環(huán)。然而，對于負(fù)向托起高度封裝，必須避免可能增加設(shè)計和制造復(fù)雜性的系統(tǒng)可靠性問題。此外，由于降低了封裝高度公差（這允許使用更薄的熱介面材料），負(fù)向托起高度封裝具有較低Zthja的優(yōu)點。然而，當(dāng)考慮到PCB翹曲等其他公差，尤其是對于使用標(biāo)準(zhǔn)散熱器的具有多個功率器件的較大PCB，負(fù)向托起高度封裝優(yōu)勢已經(jīng)變得不那么重要。

圖5：正向封裝托起高度（左）和負(fù)向封裝托起高度（右）。

圖6所示為一個常見散熱器布局方法的示意圖，其中TIM（由絕緣箔和間隙填充物組成）堆疊在器件和散熱器之間，其中間隙填充物用于補(bǔ)償制造公差。這種熱傳遞方法必須確保器件和外部散熱器之間的可靠電絕緣。此外，間隙填充材料必須符合必要的擊穿等級要求，并且在PCB組裝過程中防止間隙填充物出現(xiàn)氣孔或封入顆粒，這一點也很重要。清潔的制造環(huán)境有助于減少系統(tǒng)組裝過程中引入的污染物，并降低由此導(dǎo)致的系統(tǒng)故障風(fēng)險。

圖6：外部散熱器和器件之間的電氣隔離箔和間隙填充物。

為了進(jìn)一步降低Zthja和通過TSC的動態(tài)功耗，建議使用直接焊在封裝散熱器上的中間散熱器（參見圖7）。這種附加散熱器的熱容量可以儲存更多的熱量（持續(xù)時間長達(dá)幾秒），然后將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)散熱器和外部環(huán)境中。若要實現(xiàn)更低的Zthja，在均熱板（heat spreader）作為主散熱器，并且可以使用風(fēng)扇強(qiáng)制氣流直接冷卻的情況下，可以移除標(biāo)準(zhǔn)散熱器和TIM。

圖7：單器件均熱板安裝。

散熱性能

圖8所示為安裝在具有強(qiáng)制空氣冷卻、基于FR4 PCB上的各種THD、BSC SMD和TSC SMD封裝Zthja的時間變化曲線。所有封裝內(nèi)部都包含相同的器件類型，假設(shè)其功耗相同?？梢钥闯?，盡管兩種封裝的有效冷卻面積相同，DDPAK（TSC封裝）的Zthja比TO263（BSC封裝）低60%，這是因為DDPAK避免了使用先前討論的“熱過孔”要求。該圖表明頂側(cè)冷卻封裝可以實現(xiàn)與通孔器件（THD）相當(dāng)?shù)腪thja值，還可以看出，使用具有等效高熱導(dǎo)納（λ）的隔離材料薄層是實現(xiàn)良好Zthja的關(guān)鍵。此外，使用間隙填充物和隔離箔（λ甚至更高）可以使TSC封裝提供甚至低于THD的Zthja值。

圖8：具有強(qiáng)制對流冷卻的各種封裝典型瞬態(tài)熱阻結(jié)到環(huán)境值。（Zthja）

在高頻運行中低電感封裝優(yōu)勢

圖9展示了封裝源極電感（LSc）從0增加到4 nH時，其對導(dǎo)通瞬態(tài)的影響。漏極電流（di/dt）的上升導(dǎo)致LSc兩端的感應(yīng)電壓下降。這種效應(yīng)降低了柵極驅(qū)動電壓和柵極電流，這意味著電壓瞬態(tài)需要更長時間，并且損耗增大。同樣的機(jī)制反過來適用于關(guān)斷瞬態(tài)。

圖9：封裝源極電感對開關(guān)的影響（左）和由此產(chǎn)生的損耗（右）。

LSc的負(fù)面影響可以通過使用單獨的源極感應(yīng)引腳（開爾文源）來消除，以減少開關(guān)損耗（參見圖10）。使用源極感應(yīng)連接來驅(qū)動開關(guān)器件的柵極，LSc可被放置在柵極驅(qū)動環(huán)路之外。因此，感應(yīng)電壓峰值不會反饋到驅(qū)動電路，這與使用單個源極連接的標(biāo)準(zhǔn)配置不同。然而，需要注意的是，盡管Kelvin源極封裝解決了LSc對柵極驅(qū)動和開關(guān)速度的負(fù)面影響，但它仍然增加了環(huán)路總電感，這是一個非常關(guān)鍵參數(shù)，會導(dǎo)致快速開關(guān)應(yīng)用中的振鈴，采用寬帶隙（WBG）開關(guān)器件的服務(wù)器SMPS即是一例。因此，即便使用開爾文源極，也應(yīng)盡量減小LSc。

圖10：帶開爾文源極的標(biāo)準(zhǔn)3端子封裝（左）和4端子封裝（右）柵極驅(qū)動回路比較。

總結(jié)

本文以數(shù)據(jù)中心服務(wù)器應(yīng)用為例，分析了功率半導(dǎo)體封裝在滿足開關(guān)模式電源功率密度要求方面可能產(chǎn)生的重大影響，討論了各種不同類型SMD封裝，以及相應(yīng)的組裝實現(xiàn)和熱性能，列舉了在高頻應(yīng)用中選擇具有低寄生電感封裝的優(yōu)勢。下表1中總結(jié)了Infineon針對服務(wù)器SMPS應(yīng)用的SMD封裝組合，并比較了它們的主要參數(shù)。

表1：服務(wù)器應(yīng)用中SMD BSC和TSC封裝概述。為了評估封裝電感，假設(shè)封裝內(nèi)部器件都具有類似的RDS（ON）值。

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