电源模块封装技术，太热了

头像

电子工程世界

2024-07-31 07:00发布于云南电子工程世界官方账号

对电源行业来说，模块化无疑是大势所趋。把FET、控制器、电感器和无源器件集成在单个3D封装中的模块，不仅拥有更好的体积，还能拥有更高的功率密度、更高的可靠性、减少EMI。可以说，做好电源模块的前提，是有好的封装技术。
最近一段时间内，AI大模型和汽车的火热，导致算力激增。每增加一分算力，就要增加一分电源设施，电源模块无疑是数据中心和车载的主流之选。
这引发了模拟厂商的集体押注，不断推陈出新，其中就诞生了一些全新的封装技术。
付斌｜作者
电子工程世界（ID：EEWorldbbs）｜出品

市场激增，封装火了


对电源模块来说，封装至关重要。有多重要？Yole的数据会告诉你，用于电源模块封装的材料成本在模块总成本中占比约为30%。
Yole数据显示，电源模块的市场将从2023年的80亿美元增长到2029年的160亿美元，年复合增长率达到12.1%。
其中，电源模块的封装成本完全取决于封装材料（如芯片贴装和陶瓷衬底材料）和封装尺寸。2023年这一市场规模约为23亿美元，其中电源模块封装材料的成本在模块总成本中占比约为30％。2023年～2029年间，该市场将以11%的年复合整长率增长，至2029年可达43亿美元。

 TI：推出创新型MagPack封装技术


前两天， 德州仪器（TI）最近推出了专有的3D封装成型工艺——MagPack集成磁性元件封装技术，并以此推出六款电源模块，使得这些新产品拥有更高的功率密度，有效减少电磁干扰（EMI），同时拥有比竞品模块缩小23%的尺寸。
MagPack技术源自于TI内部研发中心Kilby Labs，他们花费将近十年才研发出这项全新的电源模块技术。
图片 
根据官网介绍，该技术有四个特性：
其一，更高的功率密度和更小的尺寸。比如说，6A的TPSM82866A、TPSM82866C 和 TPSM82816 是市面上最小的6A电源模块。
其二，效率高，热性能好。MagPack技术中使用的电感器与硅芯片匹配，以减少直流和交流损耗。MagPack采用的电感器专为硅芯片量身定制，可最大限度地减少直流和交流电流损耗。将这两个电路部件与高性能、高导电性的MagPack器件相结合，可以有效且高效地散发电源模块的热量。比如说，TPSM82866的外壳比前几代产品效率提高了 4%，热阻降低了17%，安全工作区 [SOA] 提高了10°C。
其三，快速上市。基于MagPack的器件集成了电感器，电感器通常是电源设计中选择和采购最具挑战性的组件。由于其体积小、高度和与其它电路的干扰，在PCB上放置部件和布线非常具有挑战性。使用电感器的电源模块解决了这些问题，而MagPack中使用的电感器进一步缓解了这些困难。
其四，降低EMI。配备MagPack的电源模块具有屏蔽功能。所有组件，包括芯片、电感器和开关节点，都包含在屏蔽封装中。该解决方案可实现更小的模块尺寸和高效的信号路由，从而减小电源模块和整个系统内噪声信号路径的长度和尺寸。

 英飞凌：Easy模块系列最大的封装


英飞凌本身的电源模块产品线非常丰富，包括EasyPACK的IGBT、Si和SiC协同的HybridPACK模块、T-PAK模块等。
最近一段时间内，英飞凌推的比较新的封装技术是EasyPACK 4B封装。
继成功打造EASY 3B之后，英飞凌又开发出了EasyPACK 4B封装，进一步提升了EASY封装的性能和功率等级。EasyPACK 4B首发功率模块F3L600R10W4S7F_H11，以光伏组串式逆变器为目标应用，功率高达352kW，输出功率比上一代提升约40%。
随着 F3L600R10W4S7F_C22引线型的推出，EasyPACK 4B现在是Easy Power Module 系列中最大的封装，具有三个DCB基板。尽管如此，它仍然具有无底板设计、12毫米高、PressFit引脚和灵活的引出线等等。
与其他 Easy软件包一样，它在基于平台的解决方案中提供了灵活性。该封装扩展了EasyPACK 3B压紧概念以确保低热阻 (Rth) 并提高稳健性和质量。与现有的Easy系列成员一样，新的EasyPACK 4B优化了杂散电感以减少设计工作量。

 ST：稳健的ACEPack封装技术


ACEPack是最能代表ST（意法半导体）的封装技术，它是经常长期验证的稳健的技术，包括硅IGBT和SiC MOSFET电源模块。
尤其是在去年推出的各种常用桥式拓扑的ACEPACK SMIT 封装功率半导体器件。与传统 TO型封装相比，意法半导体先进的ACEPACK SMIT 封装能够简化组装工序，提高模块的功率密度。
意法半导体的 ACEPACK SMIT贴装封装，顶部绝缘散热，使用直接键合铜 （DBC）贴片技术，实现高效的封装顶部冷却。在ACEPACK SMIT 封装顶面有4.6 cm2 裸露金属表面，可以轻松地贴装平面散热器，从而节省空间，实现扁平化设计，最大限度地提高散热效率，在高功率下实现更高的可靠性。可以使用自动化生产线设备安装模块和散热器，从而节省人工生产流程并提高生产率。
此封装极大的提高了功率密度，顶面绝缘散热面的面积是32.7mm x 22.5mm，引脚间的爬电距离达到6.6mm，能耐受绝缘电压为4500Vrms，且封装的寄生电感电容也极低。

 ADI：特色的微型模块


ADI的电源模块也有很多类型，比如超低噪声的、超薄的、带监控的、大电流的、多路输出可以并联的模块。
其中，µModule (微型模块) 产品是ADI电源产品的一大特色，µModule（微型模块）稳压器和DC-DC电源产品是完整的系统级封装 (SiP)电源管理解决方案，在紧凑的表面贴装LGA封装中集成了DC-DC控制器、功率晶体管、输入和输出电容、补偿组件以及电感。
µModule电源产品支持降压、降压-升压、电池充电器、隔离式转换器和LED驱动器等功能。µModule电源产品是高度集成的解决方案，每个器件都可提供PCB Gerber文件，在满足时间和空间限制的同时，具有高效率、高可靠性。一些产品还提供符合EN 55022 B类标准的低EMI解决方案。
以大电流电源模块为例，随着功率密度的要求越来越高，为了输出大电流，此前需要很多个模块并联起来才能实现。比如2010年，ADI需要12片LTM4601才可以做到100A。为此，在ADI的不断探索下，2018年LTM4700问世，只需1片就能做到100A。接着2021年，LTM4681的发布就做到了在22mm×15mm的面积之内，输出单路125A或四路31.25A的电流。
图片 

MPS：倒装封装Mesh Connect

MPS（芯源系统）一直都很推自己的电源模块产品，他们认为，为了尽可能给客户提供更简单、更易用、更可靠性的产品，MPS把目光投向电源模块开发。通过这种方法，不但能压缩客户硬件开发周期，还能减少PCB设计中反复迭代而产生的研发资源浪费。

MPS的技术和其他不同的地方在于工艺和封装：工艺方面，使用的是公司创始人Michael Hsing独创的BCD工艺，目前已经做到了第五代；封装方面，采用的是封装工艺是“Mesh Connect”，倒装封装的形式。通过晶圆球焊接可以减少成本，并完全消除导通电阻，不会有寄生电感影响开关速度，而且可靠性和散热性都更好。
所谓倒装封装，指的是在不使用接合线的情况下，使用铜凸点和焊料将芯片粘接至金属引线，从而可通过引线将热量从芯片传导至PCB。通过将较大的铜区域连接至承载较大电流的引线，可优化热性能。在电机驱动器IC上，通常电源、接地和输出引脚均连接至铜区域。
根据其官网介绍，MPS的模块相比分立方案，最高能够节省高达70%的电路板空间。
图片 

Vicor：面向AI的ChiP封装

封装一直是Vicor的独特差异化技术，自公司成立以来一直是其核心竞争力。1984 年，Vicor由其封装而得名的模块化砖型 DC-DC 转换器组件推出，而后不断推出新技术。

2015 年，Vicor进一步在控制系统、拓扑、组件和材料等方面改进，使VI Chip封装得以重新设计，新封装命名为转换器级封装 (ChiP)，其构造和制造方法在 Vicor 以及电源模块制造行业开创了新天地。
ChiP封装因其双面组件装配以及从固定尺寸的面板切割而著名，类似于从晶圆片制造切割硅芯片。ChiP 封装最新创新正在实现一些新的高增长应用。
ChiP封装实现的产品，最具代表性的是AI应用，其中处理器电流强度已超过1000A。在这些应用中，PCB 铜箔电源层的配电损耗已成为一个占主导地位的损耗项，并制约着性能。
不止如此，Vicor还将ChiP多层堆栈，形成垂直供电的结构，进一步缩小电路板并降低基板功耗，从而可提高处理器性能。
图片 


参考文献

· END ·






欢迎将我们设为“星标”，这样才能第一时间收到推送消息。

和电子工程师们面对面交流经验