高集成度功率電路的熱設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

前言

目前隨著科學(xué)技術(shù)和制造工藝的不斷發(fā)展進(jìn)步，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展日新月異。對(duì)于功率半導(dǎo)體器件而言，其制造工藝也同樣是從平面工藝演變到溝槽工藝，功率密度越來(lái)越高。目前功率半導(dǎo)體器件不僅是單一的開關(guān)型器件如IGBT或MOSFET器件類型，也增加了如智能功率模塊IPM等混合型功率器件類型。在IPM模塊中既集成有功率器件，還集成了驅(qū)動(dòng)器和控制電路IC，這樣的功率半導(dǎo)體器件具有更高的集成度。這種混合集成型的功率半導(dǎo)體器件其封裝結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的單一功率半導(dǎo)體器件有一定的區(qū)別，因此其散熱設(shè)計(jì)和熱傳播方式也有別于傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體器件，會(huì)給使用者帶來(lái)更大的熱設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文以英飛凌的CIPOS Nano IPM模塊IMM100系列為例說(shuō)明英飛凌創(chuàng)新型PQFN封裝器件的熱傳播模型，并結(jié)合不同撒熱條件下散熱結(jié)果對(duì)比分析，給出PQFN封裝在應(yīng)用中的散熱建議和器件鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)以及回流焊接溫度參考曲線，以此希望可以給使用者提供此類器件的應(yīng)用參考作用。

PQFN封裝熱傳播模型

CIPOS Nano IPM模塊IMM100系列采用英飛凌創(chuàng)新設(shè)計(jì)PQFN封裝，在單個(gè)封裝內(nèi)集成了三相逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路和控制器MCU。其封裝尺寸為12mm×12mm，厚度僅為0.9mm。圖1為PQFN封裝的IPM模塊刨面圖，從圖1中可以看到三相逆變器MOSFET的漏極直接作為PQFN封裝的管腳，其具有很小的熱阻，使功率MOSFET產(chǎn)生的熱量能夠快速傳遞到PCB板焊盤銅皮。

圖1.PQFN封裝IPM刨面圖

圖2.PQFN封裝IPM模塊的底面圖

圖2是PQFN封裝IPM模塊的底面圖。V+，Vs1， Vs2和Vs3是功率MOSFET主要散熱途徑，V-是IPM集成的驅(qū)動(dòng)和控制芯片的主要散熱途徑。

圖3.PQFN封裝IPM模塊焊接于PCB上的熱傳播示意圖

圖4.PQFN封裝IPM模塊熱阻模型

圖3給出了PQFN封裝IPM模塊焊接于PCB板上的熱傳播示意圖，從圖中可以看到IPM模塊產(chǎn)生的熱量主要傳播途徑是通過(guò)PCB板和銅皮進(jìn)行傳導(dǎo)，僅有很小部分的熱量從IPM模塊頂部傳導(dǎo)到空氣中。其原因是由于IPM模塊的特殊封裝結(jié)構(gòu)，功率MOSFET芯片固定于金屬框架上，金屬框架底面直接作為IPM模塊的管腳焊接于PCB的表貼焊盤上，因此從芯片到PCB板焊盤之間的熱阻Rth(j-CB)比較小。相對(duì)應(yīng)地從芯片到IPM頂部為塑封材料，其熱阻相對(duì)較大，因此從芯片到殼的熱阻Rth(j-CT)+相比Rth(j-CB)較大。

圖4是PQFN封裝IPM模塊的熱阻模型。根據(jù)前面分析IPM模塊耗散的熱量主要通過(guò)PCB板和銅皮傳播，因此熱耗散功率PD,B遠(yuǎn)大于PD,T，熱耗散功率PD,T對(duì)于IPM溫升的影響相對(duì)于PD,B來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)。

即PD,B>>PD,T，PD,T X Rth(j-CT)≈0

因此根據(jù)Rth(j-c)=(Tj-Tc)/PD，

可以得出Tj≈TC

也就是說(shuō)可以粗略地認(rèn)為IPM的殼溫近似等于結(jié)溫。根據(jù)此結(jié)論在實(shí)際應(yīng)用中可以方便的估算大概的IPM結(jié)溫，以此判斷IPM是否工作于安全工作區(qū)。需要注意的是根據(jù)此結(jié)論估算出來(lái)的結(jié)溫只是一個(gè)近似值，不是嚴(yán)格意義上的精確結(jié)溫。

PQFN封裝四種不同散熱形式

對(duì)比測(cè)試分析

根據(jù)PQFN封裝的特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，在實(shí)驗(yàn)室中采用四種不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行熱性能對(duì)比測(cè)試。第一種應(yīng)用場(chǎng)景是采用常規(guī)FR-4材料PCB板（1.6mm厚度，雙層板），IPM模塊依賴PCB散熱，無(wú)任何外加散熱措施；第二種是在第一種應(yīng)用場(chǎng)景基礎(chǔ)上用一個(gè)9X9X5mm的小鋁型材散熱器粘貼在IPM模塊的頂部輔助散熱；第三種應(yīng)用場(chǎng)景是在第一種基礎(chǔ)上采用附加風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷，風(fēng)扇為12VDC/0.11A；第四種應(yīng)用場(chǎng)景是用鋁基板代替FR-4材質(zhì)PCB板，鋁基板厚度為1.6mm，銅皮為1oz。圖5為四種不同應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)物電路板示意圖。

①

②

③

④

圖5.四種不同應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)物電路板示意圖

基于上述四種不同應(yīng)用場(chǎng)景，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)IMM101T-046M的輸出相電流和其殼溫進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試時(shí)逆變器載頻是10kHz，直流母線電壓為300V。相應(yīng)的根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)繪制IPM輸出相電流和相對(duì)殼溫的關(guān)系曲線如圖6所示。

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出同樣使用FR4材料的PCB板焊裝此種PQFN封裝的IPM模塊時(shí)，額外增加頂部的散熱器或冷卻風(fēng)扇也會(huì)對(duì)降低IPM殼溫有很大幫助。雖然前文說(shuō)明PQFN封裝產(chǎn)生的熱量主要從PCB板和銅皮傳導(dǎo)出去，但是由于PQFN封裝的IPM模塊厚度僅為0.9mm，IPM頂部表面到硅片之間塑封材料厚度比較薄，根據(jù)前面結(jié)論可以近似認(rèn)為IPM殼溫和結(jié)溫相同，因此當(dāng)IPM頂部用散熱器降溫時(shí)也會(huì)對(duì)硅片溫度有較明顯的降低作用。當(dāng)用冷卻風(fēng)扇降溫時(shí)，在降低殼溫同時(shí)也會(huì)降低IPM模塊附近的銅皮溫度，這樣使IPM產(chǎn)生的熱量更加迅速地從焊盤到銅皮傳導(dǎo)出去，進(jìn)一步降低硅片溫度。

對(duì)比應(yīng)用場(chǎng)景1和4的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出無(wú)任何額外附加散熱措施時(shí)，在大致相同的IPM溫升條件下，使用鋁基板時(shí)IPM的輸出電流能力大約增大一倍。在某些結(jié)構(gòu)體積比較緊湊的應(yīng)用場(chǎng)合可以增大IPM的應(yīng)用功率密度。

圖6.IPM輸出相電流和相對(duì)殼溫升的關(guān)系曲線

圖7是在四種不同應(yīng)用場(chǎng)景下測(cè)試時(shí)的紅外溫度圖，在相同的300V直流母線電壓和10kHz載頻下測(cè)試所得。

圖7.四種不同應(yīng)用場(chǎng)景下測(cè)試時(shí)的紅外溫度圖

PQFN封裝鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)

和回流焊接溫度曲線建議

PQFN器件為表貼封裝，因?yàn)槠渲饕蕾嚤碣N管腳通過(guò)PCB和銅皮散熱，所以PQFN一些主要散熱管腳的面積比較大，相應(yīng)地在PCB板上的焊盤面積也比較大。這樣會(huì)引起在回流焊接時(shí)大面積焊盤不可避免的出現(xiàn)空洞，過(guò)大比例的空洞會(huì)增加器件管腳和焊盤之間的熱阻，降低熱傳導(dǎo)性能。在實(shí)際的批量焊接時(shí)一般要求焊接空洞率小于25%即可確保熱阻性能要求。對(duì)于PCB焊盤設(shè)計(jì)時(shí)采取一些優(yōu)化措施可以從設(shè)計(jì)的角度降低焊接空洞率，改善焊接質(zhì)量。

措施一是把大焊盤的鋼網(wǎng)分割成小塊；

措施二是在分割成小塊的鋼網(wǎng)交叉空隙處放置0.3mm直徑的過(guò)孔；

措施三是推薦使用0.127mm厚度的鋼網(wǎng)，不推薦使用鋼網(wǎng)厚度小于0.1mm或大于0.15mm。

圖8是大焊盤鋼網(wǎng)被分割成小塊的示意圖。通過(guò)采取以上幾種設(shè)計(jì)改善措施，實(shí)際制作PCB并焊接PQFN器件后經(jīng)過(guò)X光拍照統(tǒng)計(jì)焊接空洞率比較低。實(shí)驗(yàn)測(cè)試空洞率大約在15%左右。圖9是推薦的PCB庫(kù)元件設(shè)計(jì)圖。圖10給出了推薦的回流焊接溫度曲線?；诖送扑]焊接溫度曲線，用戶可以結(jié)合自己所用焊錫膏和焊接工藝流程調(diào)整焊接設(shè)備參數(shù)以便獲得較低的焊接空洞率，改善焊接質(zhì)量。

圖8.大焊盤鋼網(wǎng)分割成小塊

圖9.推薦的IMM101T系列器件PCB庫(kù)元件

圖10.推薦的回流焊接溫度曲線

總結(jié)

通過(guò)上述測(cè)試結(jié)果和分析說(shuō)明可以看出對(duì)于這種創(chuàng)新型的PQFN封裝形式的IPM模塊在實(shí)際應(yīng)用中和通用器件有一定的不同，由于其采用PCB和銅皮作為主要的散熱方式，并且具有很小的封裝尺寸，因此這種PQFN封裝的IPM模塊可以被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)體積較小的應(yīng)用場(chǎng)合中，比如像吹風(fēng)機(jī)，空調(diào)室內(nèi)機(jī)風(fēng)扇，吊扇等應(yīng)用。如果再采用額外附加的散熱措施，如頂部粘貼散熱器或采用冷卻風(fēng)扇都可以增加模塊的電流輸出能力，擴(kuò)大PQFN封裝IPM模塊的應(yīng)用功率范圍。當(dāng)采用鋁基板代替FR-4材料PCB板時(shí)，IPM模塊的電流輸出能力可以增加大約一倍。