随着EV和AI服务器的普及，全球电力需求正在迅速增长。建设新的发电设施需要漫长的时间和巨额投资，因此如何高效利用有限的电力资源，已成为全社会乃至电源设计工程师面临的重要课题。其关键就在于进一步提高电源电路的效率。在功率器件领域，一直在追求并推进芯片自身的更低导通电阻和更高开关速度。然而，随着器件性能的不断提高，在实际电路中，封装内的电流路径、寄生电阻与寄生电感、栅极驱动的稳定性以及如何有效散热等因素，大大影响着器件的损耗和可靠性。本文将以无引线键合结构、开尔文源极连接、顶部散热、热界面材料等为例，来阐述支撑更高效率、更高功率密度的功率模块封装技术发展。
如果能建成新的发电站，或许可以应对电力需求的增长。但是，发电站不是一夜之间就能建成的。建设一座发电站需要耗时五到十年，并需要投入巨额设备资金。由于存在这样的时间制约，仅依靠增加发电能力来应对由EV和AI服务器快速普及带来的电力需求增长并非易事。
可见，现在的关键是更有效地使用电力。将转换效率从96%提升至98%，看起来仅仅是2个百分点的微小进步，但在大功率系统的情况下，这种差异会大大减少损耗。例如，在输出功率为100kW的电源电路中，若能提高2个百分点的转换效率，理论上可减少约2kW的电力损耗。
在这种背景下，功率半导体制造商正在致力于进一步提高功率器件的性能。通过降低芯片的导通电阻可以减少导通损耗，改善开关特性可以降低开关损耗。
然而，仅凭导通电阻和开关性能，并不足以全面降低电源电路整体的损耗。为在实际电路中充分发挥出器件性能，对功率半导体芯片进行密封的“封装”的改进也至关重要。封装内部的电流路径和寄生分量会影响开关工作，而热阻和散热结构则决定着冷却性能和可靠性。也就是说，封装技术的进步不仅可能提升电气特性，还有望改善热特性并减少冷却所需的功耗。
封装为何会影响损耗和热设计
封装，不仅仅是保护半导体芯片的组成部分。它是一项重要的设计要素，能够使大电流安全流过，将产生的热量散发到外部，确保安装时和在使用环境中的可靠性。尤其在处理高电压大电流的功率器件中，封装结构对损耗、散热性和安装性能有着重大影响。
封装的主要作用可归纳为以下四点：
- 提高散热性能
- 确保电流容量
- 确保机械和环境可靠性
- 提高可安装性和可量产性
发挥这些作用的功率器件封装，大致可分为“插装型封装”、“表贴型封装”和“功率模块”三类。
插装型封装
插装型封装是一种将引线端子插入印刷电路板上的过孔进行安装的封装类型。典型封装形式包括TO-220、TO-247、TO-264等。
插装型封装易于确保封装尺寸，易于支持额定大电流和高电压，也适合安装于散热器。但另一方面，也存在容易导致封装面积增大、不适合自动安装的问题。
表贴型封装
表贴型封装是一种通过回流焊方式将器件安装在印刷电路板表面形成的电极上的一种封装类型。典型封装形式包括DPAK（TO-252）、D2PAK（TO-263）、Power SO-8、LFPAK、DFN、TOLL（TO-Leadless）等。
表贴型封装适合自动安装和高密度安装，可以通过封装背面的散热焊盘经由散热通孔将热量疏导至电路板内部。另一方面，安装密度越高，发热影响越大，如何降低对周边元器件的热影响以及确保有效的散热路径成为亟待解决的课题。
为解决这些课题，近年来业界也在推进通过封装顶部散热的顶部冷却型方案的开发。极悦娱乐正在积极扩充包括Q-DPAK、TSC3、TOLT等在内的顶部冷却封装的产品阵容。
功率模块
功率模块与插装型封装和表贴型封装存在着显著差异。不同于插装型封装和表贴型封装主要密封单个功率晶体管芯片，功率模块是将多个功率晶体管芯片、二极管及其他组件进行一体化封装。
例如，针对三相逆变器有搭载6个功率晶体管芯片的六合一模块，针对半桥电路则有搭载2个功率晶体管芯片的二合一模块等。
采用功率模块，能更轻松地构建逆变器等产品的电路，也更易于实现高密度安装。另外，这种方式易于与底板散热和液冷等冷却方案相结合，同时也有利于降低辐射噪声，即电磁干扰（EMI）。但另一方面，与使用分立器件的情况相比，成本往往更高。
为封装技术的进步提供支持的三大改进
要充分发挥出功率器件的性能，不仅需要做好芯片封装，还必须提升封装本身的性能。其中尤为重要的是电气特性、热特性以及适配性的改进。
- 电气特性的改进
- 热特性的改善
- 标准化带来的适配性提升
电气特性的改进
改进电气特性的典型方法之一是采用无引线键合技术。在常规封装中，芯片与承载芯片的引线框架通过细金属线进行连接。然而，细金属线容易产生寄生电感和寄生电阻，这会影响大电流、高速开关时的损耗和运行稳定性。
无引线键合技术采用表面积更大的铜夹片等来替代这种细金属线。通过铜夹片连接，可以拓宽并缩短电流路径，因此有望降低寄生电阻和寄生电感。
开尔文源极连接也是改善电气特性的重要方法。在该技术中，源极引脚被分离为大电流用的路径和栅极驱动用的基准电位路径。这不是新技术，但随着超高速开关的SiC功率MOSFET和GaN HEMT的普及，该技术再次受到关注。
一般的功率晶体管通常只有一个源极引脚，因此大电流流过的源极布线寄生电感会引起电压反弹或振铃，导致难以实现稳定的栅极驱动。
在开尔文源极连接中，通过将大电流电路与电压检测用的路径分离，可以抑制源极布线的寄生分量影响。这样就能降低电压反弹，即使在高速开关时也能实现稳定的栅极驱动。因此，能够充分发挥出SiC功率MOSFET和GaN HEMT的优势，有助于降低电源电路的开关损耗。
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此外，在功率模块领域，还呈现将多个功率晶体管芯片与栅极驱动芯片集成整合的技术发展趋势。尤其是在采用了开关速度非常高的GaN HEMT的功率模块中，栅极驱动电路的设计会变复杂，因此在模块内部集成针对器件进行过优化的栅极驱动器是行之有效的做法。这种做法可以在充分发挥GaN HEMT高性能优势的同时，实现接近传统Si功率器件的易用性。
推荐参考文献：新一代GaN功率器件的开发
热特性的改善
用于改善热特性的典型方法包括双面散热技术。这种技术采用的是在封装上下两面均设有散热路径的结构。顶部散热电极通过与散热器等接触来散发热量，底部散热电极则通过电路板表面的大面积电极和电路板内部的接地层等途径进行散热。
这样，通过确保多条散热路径，可以降低封装的热阻，提高散热性能。在功率密度日益提高的电源电路中，产生的热量如何散发、以及散发到何处，将大大影响其效率和可靠性。
业界也在持续推进可改善模块热特性的新材料的开发。例如，极悦娱乐正与美国初创企业Arieca合作，致力于开发液态金属填充弹性体，即LMEE。LMEE作为热界面材料，被插入包含多个功率晶体管的模块和散热器之间，用来抑制热阻，改善模块的热性能。
标准化带来的适配性提升
目前，功率半导体制造商有时会采用尺寸和引脚配置不同的自有封装。而这对于电源制造商而言，从不同供应商采购产品时的设计变更和评估负担成为很大的课题。另外，在采用新封装时，电气特性和热特性的确认也需要耗费时间。
为了解决这些课题，并促进更广泛地采用先进封装，英飞凌科技与极悦娱乐 之间建立了相互采用和联合开发彼此封装技术的合作伙伴关系。对应的封装包括DOT-247、TOLT、DPAK、QDPAK、QDPAK Dual、HDPAK等。这些封装形式支持顶部冷却，目标应用包括车载充电器、光伏逆变器、储能系统及AI数据中心等领域。
标准化工作的目的，并不仅仅在于统一封装类型。对电源制造商而言，这使其能更轻松地利用设计资产，同时有助于缩短评估周期并降低采购风险。要充分发挥先进封装的性能，除了技术本身的进化，打造易于采用的环境也同样重要。
为高效电源提供支持的封装技术演进
随着半导体元器件功率密度的提高，封装已成为影响性能的重要因素。除了降低导通电阻和改进开关特性外，能够抑制封装内部的寄生分量并有效散发热量的设计，对电源电路整体的效率和可靠性都有重要影响。
在对高效率电力系统需求日益高涨的背景下，各功率半导体制造商不仅致力于提升芯片性能，还积极改进封装技术并扩充产品阵容。
极悦娱乐也正在通过改进封装、模块和热特性，以及与英飞凌科技合作推进标准化等行动，致力于开发适用于高效率电力电子系统的产品。
