封裝是連接芯片和外部電路的橋梁,封裝技術(shù)對(duì)芯片性能的影響主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面:
提升系統(tǒng)性能:隨著摩爾定律迭代速度放緩,先進(jìn)封裝技術(shù)成為提升系統(tǒng)性能的另一發(fā)展主軸。通過(guò)集成化封裝,可以在不縮小制程節(jié)點(diǎn)的背景下,僅通過(guò)改進(jìn)封裝方式就能提升芯片性能。
提高信號(hào)傳輸效率和穩(wěn)定性:封裝技術(shù)能夠保護(hù)芯片免受環(huán)境因素的影響,同時(shí)提高信號(hào)傳輸效率和穩(wěn)定性,這對(duì)于芯片性能的穩(wěn)定發(fā)揮至關(guān)重要。
增強(qiáng)芯片性能:封裝技術(shù)通過(guò)提高集成度來(lái)滿足現(xiàn)代電子設(shè)備功能日益復(fù)雜的需求。一方面,增加單個(gè)芯片的功能密度;另一方面,通過(guò)系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)等技術(shù)將多個(gè)不同功能的芯片集成在一起,形成一個(gè)完整的系統(tǒng),從而增強(qiáng)芯片性能。
降低信號(hào)傳輸延遲:高性能封裝工藝發(fā)展包括提高芯片的電氣性能,例如降低信號(hào)傳輸延遲、提高信號(hào)完整性等。通過(guò)采用先進(jìn)的封裝技術(shù),如倒裝芯片(Flip - Chip)技術(shù)和球柵陣列封裝(BGA)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)更短的電氣連接路徑,從而減少信號(hào)傳輸過(guò)程中的延遲和損耗。
改善散熱性能:隨著芯片的集成度和性能的提高,芯片產(chǎn)生的熱量也越來(lái)越多。新型的封裝技術(shù)注重改善散熱性能,例如采用散熱性能更好的封裝材料、優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)以增加散熱路徑等,這對(duì)于維持芯片性能和可靠性至關(guān)重要。
三維封裝(3D封裝):三維封裝技術(shù)通過(guò)堆疊不同的芯片層,可以在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的集成度和性能,這對(duì)于提升芯片性能和實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能具有重要意義。
保護(hù)芯片免受損害:封裝材料可以保護(hù)芯片免受微粒、濕氣和機(jī)械力等外界因素對(duì)它的損害,同時(shí)也增強(qiáng)了散熱。
隨著技術(shù)的發(fā)展,多樣性的應(yīng)用需求創(chuàng)造了一系列的封裝媒介和封裝工藝。
以下是一些常見(jiàn)的功率芯片封裝類型:
TO封裝:包括TO-220和TO-247等,這些是分立式封裝,廣泛應(yīng)用于小功率范圍,需要焊接到印刷電路板上。由于功率損耗相對(duì)較低,散熱要求不高,這種封裝設(shè)計(jì)通常不采用內(nèi)部絕緣,每個(gè)封裝中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)。
模塊層疊結(jié)構(gòu):包括TO-247單管封裝及模塊封裝,外殼、芯片、端子和鍵合線是其主要組成部分。
翻轉(zhuǎn)貼片封裝:阿肯色大學(xué)團(tuán)隊(duì)借鑒BGA的封裝技術(shù),提出了一種單管的翻轉(zhuǎn)貼片封裝技術(shù),可以有效減小雜散電感值,將其大小控制在5nH以下。
DBC+PCB混合封裝:這種封裝方式結(jié)合了兩種成熟工藝的優(yōu)勢(shì),易于制作,可實(shí)現(xiàn)低雜散電感以及更小的體積。
SKiN封裝:由Semikron公司利用SKiN封裝技術(shù)制作的1200V/400A的SiC模塊,采用柔性PCB板取代鍵合線實(shí)現(xiàn)芯片的上下表面電氣連接,模塊內(nèi)部回路寄生電感僅有1.5nH。
DLB、Cu-Clip、SiPLIT封裝:這些封裝技術(shù)通過(guò)平面互連的方式實(shí)現(xiàn)芯片正面的連接,減小電流回路,進(jìn)而減小雜散電感、電阻,還擁有更出色的溫度循環(huán)特性以及可靠性。
在不同領(lǐng)域,不同產(chǎn)品又各有特點(diǎn),舉例幾個(gè)在功率芯片中最常用的封裝規(guī)格:
TO-220/220F:這是一種分立式封裝,廣泛應(yīng)用于小功率范圍。TO-220F是全塑封裝,裝到散熱器上時(shí)不必加絕緣墊;而TO-220帶金屬片與中間腳相連,裝散熱器時(shí)要加絕緣墊。
TO-251:這種封裝產(chǎn)品主要是為了降低成本和縮小產(chǎn)品體積,主要應(yīng)用于中壓大電流60A以下、高壓7A以下的環(huán)境中。
TO-92:這種封裝只有低壓MOS管(電流10A以下、耐壓值60V以下)和高壓1N60/65在使用,目的是降低成本。
TO-252(D-PAK):這是一種塑封貼片封裝,常用于功率晶體管、穩(wěn)壓芯片的封裝,是目前主流封裝之一。采用該封裝方式的MOSFET有3個(gè)電極,柵極(G)、漏極(D)、源極(S)。其中漏極(D)的引腳被剪斷不用,而是使用背面的散熱板作漏極(D),直接焊接在PCB上,一方面用于輸出大電流,一方面通過(guò)PCB散熱。
TO-263(D2PAK):這是TO-220的一個(gè)變種,主要是為了提高生產(chǎn)效率和散熱而設(shè)計(jì),支持極高的電流和電壓,在150A以下、30V以上的中壓大電流MOS管中較為多見(jiàn)。