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開關電源-用于電源SiP的半橋MOSFET集成方案研究-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2022-02-25 

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開關電源-用于電源SiP的半橋MOSFET集成方案研究-KIA MOS管


隨著電子技術的快速發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勢。


為提高大功率電源SiP 效率,一般將傳統開關電源拓撲中的續流二極管同步MOSFET 取代形成如圖1 所示的同步開關電源拓撲,2 個MOSFET Q1 和Q2 形成半橋結構。MOSFET 是影響電源效率、熱環境等性能的關鍵器件。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。


電源SiP 半橋MOSFET


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缺點,為電源SiP 方案設計提供參考。


MOSFET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MOSFET Q2的漏極互連在一起。


半橋MOSFET布局方法

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。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。


電源SiP 半橋MOSFET


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。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。


電源SiP 半橋MOSFET


3D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。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。


電源SiP 半橋MOSFET


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。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。

電源SiP 半橋MOSFET


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。


電源SiP 半橋MOSFET


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


半橋MOSFET集成方案

在本節討論中,功率SiP 設計要求輸出電流達30 A;尺寸小于15 mm×15 mm,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,其常溫下最大持續漏極電流為95 A,尺寸為4 mm×4 mm。通過討論不同布局和互連方式的優缺點,確定滿足電源SiP 要求的方案。


基板表面平鋪鍵合方案

基板鍵合焊盤尺寸設計為4 mm×0.5 mm,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0.25 mm。則2 個MOSFET 的總封裝面積約為38 mm2。鍵合絲有兩種選擇。選擇1 是MOSFET 的源極和柵極采用相同的45 μm 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25 A。


選擇2 是MOSFET 的柵極和源極分別采用45 μm 絲徑的硅鋁絲和100 μm 絲徑的鋁絲。源極最多能鍵合8 根鋁絲并聯,安全電流達到20 A。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。


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


電源SiP 半橋MOSFET


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


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45.6 mm2 的封裝面積,載流能力為95 A。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。


3D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30 mm2。兩片銅扣使芯片雙面散熱,極大地降低了熱阻。


方案對比

表2 概述了半橋MOSFET 不同集成方案的優缺點。基板表面平鋪鍵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。基板表面銅片夾扣方案在熱阻、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。


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30 A,尺寸小于15mm×15 mm 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 的最大持續漏極電流95 A;熱阻低;因為節省了MOSFET 裸芯片與周圍焊盤的距離,有利于電源SiP 的小型化。




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