【導讀】雲端互聯網服務、人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)和(he)加(jia)密(mi)貨(huo)幣(bi)相(xiang)繼(ji)出(chu)現(xian)
，推(tui)動(dong)全(quan)球(qiu)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)處(chu)理(li)能(neng)力(li)迅(xun)速(su)發(fa)展(zhan)。此(ci)外(wai)
，電(dian)力(li)和(he)房(fang)地(di)產(chan)價(jia)格(ge)持(chi)續(xu)攀(pan)升(sheng)
，這(zhe)一(yi)趨(qu)勢(shi)迫(po)切(qie)需(xu)要(yao)高(gao)效(xiao)緊(jin)湊(cou)的(de)服(fu)務(wu)器(qi)電(dian)源(yuan)。本(ben)文(wen)將(jiang)闡(chan)述(shu)如(ru)何(he)使(shi)用(yong)矽(gui)和(he)寬(kuan)禁(jin)帶(dai) (WBG) 開關來滿足電源設計要求。

為實現所需的高功率密度
，必須考慮以下三個主要方麵：

●   提高效率，為了保持特定體積下的總功率損失在接受範圍之內

，從而推動向新拓撲和新技術過渡；其中的成功示例就是從采用矽 (Si)實現的 經典升壓 PFC 到采用 GaN/SiC實現的 圖騰柱 PFC。

●   改進封裝和熱解決方案可將器件結點處熱能向散熱器和周圍環境耗散。小型 SMD 封裝是高密度轉換器的主要推動因素，對其而言，這更具挑戰性。

●   優you化hua係xi統tong設she計ji和he開kai關guan頻pin率lv，在zai滿man足zu效xiao率lv要yao求qiu或huo溫wen升sheng限xian製zhi下xia獲huo得de最zui高gao的de功gong率lv密mi度du。進jin而er促cu使shi開kai關guan頻pin率lv的de提ti升sheng，推tui動dong從cong傳chuan統tong封feng裝zhuang過guo渡du至zhi新xin型xing封feng裝zhuang和he熱re解jie決jue方fang案an。

通常情況下
，最先進的高效電源由圖騰柱無橋 PFC 級和 LLC 轉換器等諧振 DC-DC 級組成（見圖 1）。服務器電源的示例規格為 V_in = 180 V – 277 V，V_out = 48 V
，P_out = 3 kW。

圖1. 由圖騰柱 PFC 和 LLC DC-DC 轉換器組成的服務器電源

weilianghuaxiaolvyugonglvmiduzhijianxingnengquanheng
，caiyonglepaleituozuiyoufenxi。gaifangfaxitongkaolvbutongzhuanhuanqixitongshejizhongdesuoyoukeyongziyoudu。tongguocaiyongxiangxidexitonghezujianmoxing


，kequedingweiyupaleituoqianyandezuijiasheji。gaixiaolvjisuandejichuwei 50% 額定輸出功率

，包括 PFC 和 LLC 級損耗。

計算整個服務器電源係統的帕累托前沿，優化結果如圖 2 所示。該圖表明，對於中等功率密度 (~40 W/inch³ )，效率可接近 98.2%，而超過 80 W/inch³ 的設計，效率則低於 97.5%。從該圖得出的另一重要結論為：LLC 級的開關頻率越高，所需功率密度設計也越高。這些結論證實了封裝在高頻工況下實現高效的必要性。

圖2. 采用優化 LLC 級頻率的整個服務器電源的優化結果，展示效率與密度間的關係

SMPS 拓撲所用 SMD 封裝

英飛淩提供廣泛的底部散熱 (BSC) 和頂部散熱 (TSC) 封裝產品組合，可滿足高功率和高密度服務器 SMPS 應用的發展趨勢。本節討論並對比了與裝配、熱性能和電氣寄生參數等主題相關的不同封裝。

底部散熱和頂部散熱封裝的組裝實現

底部散熱 (BSC)

圖 3 和 4 所示為底部散熱和頂部散熱的主要散熱概念。在這兩種情況下，通常采用回流焊接工藝將 SMD 封裝安裝在 PCB 上。對於 BSC
，主要熱量從封裝底部的器件散熱器（外露焊盤）經 PCB 傳導至安裝在 PCB 另一側的外部散熱器。因此，使用基於 FR4 的 PCB 時，需要封裝下方穿過 PCB 的散熱過孔來傳熱。在 PCB 背麵，外部散熱器安裝在具有散熱過孔的區域。散熱器和 PCB 通過熱界麵材料 (TIM) 實現電氣隔離。通常情況下，厚度為 100-500 μm 的箔片用作 TIM

，在理想狀態下具有良好的熱導納 λ。理想情況下，這會使整個係統具有低熱阻抗 Z_thja。

圖3.采用底部冷卻的示例解決方案

PCB 具有一定厚度，受電路設計所需銅層數量和散熱過孔密度限製的影響。因此，與器件散熱器提供的傳熱麵積相比，通過 PCB 傳熱的有效截麵積更小
，這是第一個瓶頸。第二個瓶頸是 TIM，其熱導納比器件散熱器和外部散熱器低得多。

在某些情況下
，用絕緣金屬基板 (IMS) 替換基於 FR4 的基板，可在不超過器件或 PCB 最高溫度的情況下獲得更高的熱流量。特別是對於單層 PCB 設計，既不需要散熱過孔，也不需要額外 TIM。由於電路板的鋁基用作散熱器，因此無需外部散熱器。然而，盡管降低了 Zthja，但板上溫度循環 (TCoB) 次數也減少了
，特別是無引腳 SMD 封裝，比如無引腳 TO 封裝(TOLL) 或 ThinPAK

，這是因為基於 FR4 的 PCB 非常柔軟
，而基於 IMS 的 PCB 更為剛硬。

頂部散熱(TSC)

在 TSC 封裝中，封裝頂部的器件散熱器通過 TIM 直接與外部散熱器相連（圖 4）。在這種情況下
，沒有熱量通過 PCB 和散熱過孔
，因此
，這部分熱阻不會體現在總熱阻中。因而可提高導熱性和封裝的最高功耗。

此外，TSC 封裝的另一優點是 PCB 對麵的空閑區域可用於布置其他器件，例如柵極驅動器和無源元件，封裝體正下方還具有信號布線空間。

圖4.采用頂部冷卻的示例解決方案

為獲得良好熱接觸

，在 TSC 器件上，建議將散熱器安裝在TSC器件上時施加一定的力。對於具有托腳高差為正的帶引腳 SMD 封裝（圖 5 左），該力和其他溫度循環引起的力均被封裝引腳吸收
，如果使用 QDPAK^[6]
，TCoB 循環可達 2000 次，非常不錯。

對於托腳高差為負的封裝（圖 5 右），為避免係統可靠性問題，PCB 設計需要考慮其他因素
，可能會增加係統設計和製造的工作量和複雜性。負托腳高差具有降低 Z_thja 的優勢，因為其降低了封裝高度公差，進而減小了 TIM 的厚度。然而

，考慮 PCB 翹曲等其他公差時
，特別是對於較大的 PCB 尺寸和多個功率器件共用散熱器的情況
，負封裝托腳高差的熱優勢不再那麼重要。

圖5.標準正封裝托腳本體高差（左）和負封裝托腳本體高差（右）。封裝體下方的銅焊盤有利於作為高度確定的機械支撐，對於負托腳本體高差

，電路板可靠性非常高 [2]

對於常見散熱器方法，圖 6 示意性顯示了器件和散熱器之間的 TIM 堆疊，在本例中由絕緣箔和間隙填充物組成。間隙填充物用於補償器件、散熱器和 PCB 的de相xiang關guan製zhi造zao公gong差cha。僅jin使shi用yong間jian隙xi填tian充chong物wu進jin行xing傳chuan熱re時shi，必bi須xu確que保bao器qi件jian與yu外wai部bu散san熱re器qi之zhi間jian的de可ke靠kao絕jue緣yuan。此ci外wai
，間jian隙xi填tian充chong材cai料liao必bi須xu滿man足zu必bi要yao擊ji穿chuan等deng級ji
，PCB 裝配過程中，還需防止氣孔和封閉顆粒進入間隙填充物。一般而言，潔淨的 PCB 組裝製造環境可降低係統製造過程中因汙染而導致的係統故障風險。

圖6.外部散熱器與器件之間的電隔離箔和間隙填充物

為進一步降低 TSC 的 Z_thja 和動態功耗，可選擇部署中間散熱片
，如圖 7 所示。該附加散熱器的熱容量可在一定時間（幾秒鍾）內儲存額外熱量，然後再傳導至公共散熱器和環境中。根據係統設計的不同，為改進係統 Z_thja，也可取消公共散熱器和 TIM，其中，中間散熱片為主要散熱器，由風扇氣流直接冷卻。

圖7.單器件散熱片安裝 [6]

熱性能

圖 8 顯示了所選 THD、BSC SMD 和 TSC SMD 封裝的 Zthja 時間相關圖表，考慮了基於 FR4 的 PCB 設計和強製風冷。假設不同封裝內的相同一芯片器件具有的功耗相同。在基於 FR4 的 PCB 上比較 DDPAK（TSC 封裝）與 TO263（BSC 封裝）
，DDPAK 的 Zhtja 降低了 60%
，盡管這兩種封裝的有效散熱麵積非常接近。DDPAK 避開了上節所述“散熱過孔”限製。該圖還表明，頂部散熱封裝能夠實現與通孔器件 (THD) 相當的 Z_thja 值。

圖例表明，使用具有相當高熱導納 (λ) 的薄層隔離材料是實現良好 Z_thja 結果的關鍵。除此之外，使用具有更高 λ 的間隙填充物和隔離箔，將使所示 TSC 封裝的 Z_thja 比 THD 更低。

圖8.強製對流下多封裝的典型瞬態抗結-環境熱阻 (Z_thja)

高頻操作中的低寄生電感優勢。

圖 9 所示為封裝源極電感 (L_Sc) 對“導通”瞬態的影響。L_Sc 從 0 增加至 4 nH。漏極電流 (di/dt) 升高導致 Lsc_Sc 上的感生壓降
，柵極驅動電壓會減去該電壓值，從而降低柵極電流。因此，電壓瞬變時間延長
，損耗增加。“關斷”瞬態的機製相同，但方式相反。

圖9.封裝源極電感對開關“導通”的影響示例：波形細節（左）和損耗（右）

通過使用單獨的源極檢測引腳（開爾文源極）來控製柵極（圖 10，右），可消除上述 L_Sc 的負麵影響，從而有效降低開關損耗。通過使用源極檢測連接來驅動柵極，L_Sc 位於柵極驅動環路之外。因此
，其感應電壓峰值不會反饋到驅動電路，這與僅有一個源極連接的標準配置（圖 10，左）不同。

需特別關注的是
，開爾文源極引腳封裝解決了 L_Sc 對柵極驅動和開關速度的負麵影響。但是
，L_Sc 仍會增加環路總電感，這是一個關鍵參數，會導致快速開關應用（例如帶有WBG 開關的服務器 SMPS）產生振蕩。因此，即使采用開爾文源極引腳封裝，封裝 L_Sc 也是越低越好。更多細節見參考應用說明 ^[7]。

圖10.標準 3 端封裝（左）和采用開爾文源極的 4 端封裝（右）的柵極驅動環路比較

總結

本文討論了功率半導體封裝在滿足服務器電源的功率和密度要求方麵的重要性，特別是對於矽和寬禁帶 (WBG) 開關器件。

首先

，簡要介紹了服務器 SMPS 的應用和發展趨勢，然後討論了 SMD 封裝的裝配實現
、熱性能以及高頻操作中的低寄生電感優勢。

下表 1 總結了用於服務器 SMPS 中的英飛淩 SMD 封裝產品組合，並比較其主要參數。

Table1 服務器應用的 SMD BSC 和 TSC 封裝概覽。

為評估封裝電感，假設封裝內器件具有相近 RDS(ON)。

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、SiC 和 GaN）。

參考資料

1. S. Preimel
，“600 V CoolMOS™ G7 和 650 V CoolSiC™ G6 采用新型頂部散熱封裝 – DDPAK”，應用說明，AN_1802_PL52_1803
，2018 年

2. 英飛淩科技，“英飛淩雙排歐翼式引腳封裝的電路板組裝建議”
，Rev. 5.0
，2020 年

3. 英飛淩科技，“頂部散熱型帶引腳 TO (TOLT) 封裝汽車功率 MOSFET”，應用說明 v1.1，Z8F80044621
，2021 年

4. 英飛淩科技
，“TOLL 與 TOLT”，應用說明

，Z8F80127016
，2022 年

5. 英飛淩科技，“適用於高壓應用的創新頂部散熱封裝解決方案”，應用說明 v1.0
，AN_2101_PL52_2103_112902，2021 年

6. S. Preimel，“600 V CoolMOS CFD7 采用新型頂部散熱封裝 – QDPAK”。應用說明
，AN_1802_PL52_1803_120439
，2018 年

7. B. Zojer，“CoolMOS™ 柵極驅動器和開關動態”，應用說明 v1.0，AN_1909_PL52_1911_173913，2020 年

作者：

Daniel Hölzl，英飛淩科技封裝概念工程師

Sam Abdel-Rahman，英飛淩科技係統架構服務器/數據中心 SMPS

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