作者@@： 殷汉杰@@，英飞凌工业半导体@@
前言@@
目前随着科学技术@@和@@制造工艺的不断发展进步@@，半导体技术@@的发展日新月异@@。对于@@功率@@半导体器件而言@@，其制造工艺也同样是@@从平面工艺演变到沟槽工艺@@，功率@@密度越来越高@@。目前功率@@半导体器件不仅是@@单一的开关型器件如@@IGBT或@@MOSFET器件类型@@，也增加了如智能功率@@模块@@@@IPM等混合型功率@@器件类型@@@@。在@@IPM模块@@中既集成有功率@@器件@@，还集成了驱动器和@@控制电路@@IC，这样的功率@@半导体器件具有更高的集成度@@。这种混合集成型的功率@@半导体器件其封装@@结构和@@传统的单一功率@@半导体器件有一定的区别@@，因此其散热@@设计@@和@@热传播方式也有别于传统的功率@@半导体器件@@，会给使用者带来更大的热设计@@挑战@@。本文以英飞凌的@@CIPOS™ Nano IPM模块@@IMM100系列为@@例说明英飞凌创新型@@PQFN封装@@器件的热传播模型@@，并结合不同撒热条件下散热@@结果对比分析@@，给出@@PQFN封装@@在@@应用中的散热@@建议和@@器件钢网@@设计以及回流焊接温度参考曲线@@，以此希望可以给使用者提供此类器件的应用参考作用@@。
PQFN封装@@热传播模型@@
CIPOS™ Nano IPM模块@@IMM100系列采用英飞凌创新设计@@PQFN封装@@，在@@单个封装@@内集成了三相逆变电路@@、驱动电路和@@控制器@@MCU。其封装@@尺寸为@@@@12mm×12mm，厚度@@仅为@@@@0.9mm。图@@1为@@PQFN封装@@的@@IPM模块@@刨面图@@@@@@，从图@@@@1中可以看到三相逆变器@@MOSFET的漏极直接作为@@@@PQFN封装@@的@@管脚@@，其具有很小的热阻@@，使功率@@@@MOSFET产生的热量能够快速传递到@@PCB板@@焊盘铜皮@@。
图@@1.PQFN封装@@IPM刨面图@@@@
图@@2.PQFN封装@@IPM模块@@的底面图@@@@
图@@2是@@PQFN封装@@IPM模块@@的底面图@@@@。V+，Vs1， Vs2和@@Vs3是@@功率@@@@MOSFET主要散热@@途径@@，V-是@@IPM集成的驱动和@@控制芯片的主要散热@@途径@@@@。
图@@3.PQFN封装@@IPM模块@@焊接于@@PCB上的热传播示意图@@@@
图@@4.PQFN封装@@IPM模块@@热阻模型@@
图@@3给出@@了@@PQFN封装@@IPM模块@@焊接于@@PCB板@@上的热传播示意图@@@@@@，从图@@@@中可以看到@@IPM模块@@产生的热量主要传播途径是@@通过@@PCB板@@和@@铜皮进行传导@@，仅有很小部分的热量从@@IPM模块@@顶部传导到空气中@@。其原因是@@由于@@IPM模块@@的特殊封装@@结构@@，功率@@MOSFET芯片固定于金属框架上@@，金属框架底面直接作为@@@@IPM模块@@的管脚焊接于@@PCB的表贴焊盘上@@，因此从芯片到@@PCB板@@焊盘之间的热阻@@Rth(j-CB)比较小@@。相对应地从芯片到@@IPM顶部为@@塑封材料@@@@，其热阻相对较大@@@@，因此从芯片到@@壳的热阻@@Rth(j-CT)+相比@@Rth(j-CB)较大@@。
图@@4是@@PQFN封装@@IPM模块@@的热阻模型@@。根据@@前面分析@@IPM模块@@耗散的热量主要通过@@PCB板@@和@@铜皮传播@@，因此热耗散功率@@@@@@PD,B远大于@@PD,T，热耗散功率@@@@PD,T对于@@IPM温升的影响相对于@@@@PD,B来说可以忽略不计@@。
即@@PD,B>>PD,T，PD,T X Rth(j-CT)≈0
因此根据@@@@Rth(j-c)=(Tj-Tc)/PD，
可以得出@@Tj≈TC
也就是@@说可以粗略地认为@@@@IPM的壳温近似等于结温@@@@。根据@@此结论在@@实际应用中可以方便的估算大概的@@IPM结温@@，以此判断@@IPM是@@否工作于安全工作区@@。需要注意的是@@根据@@此结论估算出来的结温@@只是@@一个近似值@@，不是@@严格意义上的精确结温@@@@。
PQFN封装@@四种不同散热@@形式对比测试分析@@
根据@@PQFN封装@@的@@特点和@@实际应用场合@@，在@@实验室中采用四种不同应用场景进行热性能对比测试@@。第一种应用场景是@@采用常规@@FR-4材料@@PCB板@@（1.6mm厚度@@，双层板@@@@），IPM模块@@依赖@@PCB散热@@，无任何外加散热@@措施@@；第二种是@@在@@第一种应用场景基础上用一个@@9X9X5mm的小铝型材散热@@器粘贴在@@@@IPM模块@@的顶部辅助散热@@@@；第三种应用场景是@@在@@第一种基础上采用附加风扇强制风冷@@，风扇为@@@@12VDC/0.11A；第四种应用场景是@@用铝基板@@代替@@FR-4材质@@PCB板@@，铝基板@@厚度@@为@@@@1.6mm，铜皮为@@@@1oz。图@@5为@@四种不同应用场景的实物电路板@@示意图@@@@@@。
图@@5.四种不同应用场景的实物电路板@@示意图@@@@
基于上述四种不同应用场景@@，在@@实验室中对@@IMM101T-046M的输出相电流和@@其壳温进行了测试@@。测试时逆变器载频是@@@@10kHz，直流母线电压为@@@@300V。相应的根据@@所测数据绘制@@IPM输出相电流和@@相对壳温的关系曲线如图@@@@6所示@@。
从测试数据可以看出同样使用@@FR4材料@@的@@PCB板@@焊装此种@@PQFN封装@@的@@IPM模块@@时@@，额外增加顶部的散热@@器或@@冷却风扇也会对降低@@IPM壳温有很大帮助@@。虽然前文说明@@PQFN封装@@产生的热量主要从@@PCB板@@和@@铜皮传导出去@@，但是@@由于@@PQFN封装@@的@@IPM模块@@厚度@@仅为@@@@@@0.9mm，IPM顶部表面到硅片之间塑封材料@@厚度@@比较薄@@，根据@@前面结论可以近似认为@@@@IPM壳温和@@结温@@相同@@，因此当@@IPM顶部用散热@@器降温时也会对硅片温度有较明显的降低作用@@。当用冷却风扇降温时@@，在@@降低壳温同时也会降低@@IPM模块@@附近的铜皮温度@@，这样使@@IPM产生的热量更加迅速地从焊盘到铜皮传导出去@@，进一步降低硅片温度@@。
对比应用场景@@1和@@4的测试数据可以看出无任何额外附加散热@@措施时@@，在@@大致相同的@@IPM温升条件下@@，使用铝基板@@时@@@@IPM的输出电流能力大约增大一倍@@。在@@某些结构体积比较紧凑的应用场合可以增大@@IPM的应用功率@@密度@@。
图@@6.IPM输出相电流和@@相对壳温升的关系曲线@@
图@@7是@@在@@四种不同应用场景下测试时的红外温度图@@@@@@，在@@相同的@@300V直流母线电压和@@@@10kHz载频下测试所得@@。
图@@7.四种不同应用场景下测试时的红外温度图@@@@
PQFN封装@@钢网@@设计和@@回流焊接温度曲线建议@@
PQFN器件为@@表贴封装@@@@，因为@@其主要依赖表贴管脚通过@@PCB和@@铜皮散热@@@@，所以@@PQFN一些主要散热@@管脚的面积比较大@@@@，相应地在@@@@PCB板@@上的焊盘面积也比较大@@@@。这样会引起在@@回流焊接时大面积焊盘不可避免的出现空洞@@，过大比例的空洞会增加器件管脚和@@焊盘之间的热阻@@，降低热传导性能@@。在@@实际的批量焊接时一般要求焊接空洞率小于@@25%即@@可确保热阻性能要求@@。对于@@PCB焊盘设计时采取一些优化措施可以从设计的角度降低焊接空洞率@@，改善焊接质量@@。
措施一是@@把大焊盘的钢网@@分割成小块@@；
措施二是@@在@@分割成小块的钢网@@交叉空隙处放置@@0.3mm直径的过孔@@；
措施三是@@推荐使用@@0.127mm厚度@@的钢网@@@@，不推荐使用钢网@@厚度@@小于@@0.1mm或@@大于@@0.15mm。
图@@8是@@大焊盘钢网@@被分割成小块的示意图@@@@。通过采取以上几种设计改善措施@@，实际制作@@PCB并焊接@@PQFN器件后经过@@X光拍照统计焊接空洞率比较低@@。实验测试空洞率大约在@@@@15%左右@@。图@@9是@@推荐的@@@@PCB库@@188足彩外围@@app
设计图@@@@。图@@10给出@@了@@推荐的@@回流焊接温度曲线@@@@。基于此推荐焊接温度曲线@@，用户可以结合自己所用焊锡膏和@@焊接工艺流程调整焊接设备@@参数以便获得较低的焊接空洞率@@，改善焊接质量@@。
图@@8.大焊盘钢网@@分割成小块@@
图@@9.推荐的@@IMM101T系列器件@@PCB库@@188足彩外围@@app
图@@10.推荐的@@回流焊接温度曲线@@
总结@@
通过上述测试结果和@@分析说明可以看出对于@@这种创新型的@@PQFN封装@@形式的@@IPM模块@@在@@实际应用中和@@通用器件有一定的不同@@，由于其采用@@PCB和@@铜皮作为@@主要的散热@@方式@@，并且具有很小的封装@@尺寸@@，因此这种@@PQFN封装@@的@@IPM模块@@可以被应用于结构体积较小的应用场合中@@，比如像吹风机@@，空调室内机风扇@@，吊扇等应用@@。如果再采用额外附加的散热@@措施@@，如顶部粘贴散热@@器或@@采用冷却风扇都可以增加模块@@的电流输出能力@@，扩大@@PQFN封装@@IPM模块@@的应用功率@@范围@@。当采用铝基板@@代替@@FR-4材料@@PCB板@@时@@，IPM模块@@的电流输出能力可以增加大约一倍@@。