功率模块封装的演进——仅导通电阻无法全面评估损耗，抑制寄生分量和发热量也至关重要
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。
· 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。
· 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。
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。
· 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。
· 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。