【導讀】云端互聯(lián)網(wǎng)服務、人工智能和加密貨幣相繼出現(xiàn)，推動全球數(shù)據(jù)中心處理能力迅速發(fā)展。此外，電力和房地產(chǎn)價格持續(xù)攀升，這一趨勢迫切需要高效緊湊的服務器電源。本文將闡述如何使用硅和寬禁帶 (WBG) 開關來滿足電源設計要求。
為實現(xiàn)所需的高功率密度，必須考慮以下三個主要方面：
● 提高效率，為了保持特定體積下的總功率損失在接受范圍之內(nèi)，從而推動向新拓撲和新技術(shù)過渡；其中的成功示例就是從采用硅 (Si)實現(xiàn)的 經(jīng)典升壓 PFC 到采用 GaN/SiC實現(xiàn)的 圖騰柱 PFC。
● 改進封裝和熱解決方案可將器件結(jié)點處熱能向散熱器和周圍環(huán)境耗散。小型 SMD 封裝是高密度轉(zhuǎn)換器的主要推動因素，對其而言，這更具挑戰(zhàn)性。
● 優(yōu)化系統(tǒng)設計和開關頻率，在滿足效率要求或溫升限制下獲得最高的功率密度。進而促使開關頻率的提升，推動從傳統(tǒng)封裝過渡至新型封裝和熱解決方案。
通常情況下，最先進的高效電源由圖騰柱無橋 PFC 級和 LLC 轉(zhuǎn)換器等諧振 DC-DC 級組成（見圖 1）。服務器電源的示例規(guī)格為 Vin = 180 V – 277 V，Vout = 48 V，Pout = 3 kW。
圖1. 由圖騰柱 PFC 和 LLC DC-DC 轉(zhuǎn)換器組成的服務器電源
為量化效率與功率密度之間性能權(quán)衡，采用了帕累托最優(yōu)分析。該方法系統(tǒng)考慮不同轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)設計中的所有可用自由度。通過采用詳細的系統(tǒng)和組件模型，可確定位于帕累托前沿的最佳設計。該效率計算的基礎為 50% 額定輸出功率，包括 PFC 和 LLC 級損耗。
計算整個服務器電源系統(tǒng)的帕累托前沿，優(yōu)化結(jié)果如圖 2 所示。該圖表明，對于中等功率密度 (~40 W/inch3 )，效率可接近 98.2%，而超過 80 W/inch3 的設計，效率則低于 97.5%。從該圖得出的另一重要結(jié)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(jié)論證實了封裝在高頻工況下實現(xiàn)高效的必要性。
圖2. 采用優(yōu)化 LLC 級頻率的整個服務器電源的優(yōu)化結(jié)果，展示效率與密度間的關系
SMPS 拓撲所用 SMD 封裝
英飛凌提供廣泛的底部散熱 (BSC) 和頂部散熱 (TSC) 封裝產(chǎn)品組合，可滿足高功率和高密度服務器 SMPS 應用的發(fā)展趨勢。本節(jié)討論并對比了與裝配、熱性能和電氣寄生參數(shù)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(xiàn)
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。對于 BSC，主要熱量從封裝底部的器件散熱器（外露焊盤）經(jīng) PCB 傳導至安裝在 PCB 另一側(cè)的外部散熱器。因此，使用基于 FR4 的 PCB 時，需要封裝下方穿過 PCB 的散熱過孔來傳熱。在 PCB 背面，外部散熱器安裝在具有散熱過孔的區(qū)域。散熱器和 PCB 通過熱界面材料 (TIM) 實現(xiàn)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(tài)下具有良好的熱導納 λ。理想情況下，這會使整個系統(tǒng)具有低熱阻抗 Zthja。
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(shù)量和散熱過孔密度限制的影響。因此，與器件散熱器提供的傳熱面積相比，通過 PCB 傳熱的有效截面積更小，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) 替換基于 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。特別是對于單層 PCB 設計，既不需要散熱過孔，也不需要額外 TIM。由于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(huán) (TCoB) 次數(shù)也減少了，特別是無引腳 SMD 封裝，比如無引腳 TO 封裝(TOLL) 或 ThinPAK，這是因為基于 FR4 的 PCB 非常柔軟，而基于 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(xiàn)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(yōu)點是 PCB 對面的空閑區(qū)域可用于布置其他器件，例如柵極驅(qū)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。對于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(huán)引起的力均被封裝引腳吸收，如果使用 QDPAK[6]，TCoB 循環(huán)可達 2000 次，非常不錯。
對于托腳高差為負的封裝（圖 5 右），為避免系統(tǒng)可靠性問題，PCB 設計需要考慮其他因素，可能會增加系統(tǒng)設計和制造的工作量和復雜性。負托腳高差具有降低 Zthja 的優(yōu)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，特別是對于較大的 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(yōu)勢不再那么重要。
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于作為高度確定的機械支撐，對于負托腳本體高差，電路板可靠性非常高 [2]
對于常見散熱器方法，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。間隙填充物用于補償器件、散熱器和 PCB 的相關制造公差。僅使用間隙填充物進行傳熱時，必須確保器件與外部散熱器之間的可靠絕緣。此外，間隙填充材料必須滿足必要擊穿等級，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，潔凈的 PCB 組裝制造環(huán)境可降低系統(tǒng)制造過程中因污染而導致的系統(tǒng)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 Zthja 和動態(tài)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（幾秒鐘）內(nèi)儲存額外熱量，然后再傳導至公共散熱器和環(huán)境中。根據(jù)系統(tǒng)設計的不同，為改進系統(tǒng) Zthja，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，考慮了基于 FR4 的 PCB 設計和強制風冷。假設不同封裝內(nèi)的相同一芯片器件具有的功耗相同。在基于 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面積非常接近。DDPAK 避開了上節(jié)所述“散熱過孔”限制。該圖還表明，頂部散熱封裝能夠?qū)崿F(xiàn)與通孔器件 (THD) 相當?shù)?Zthja 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(xiàn)良好 Zthja 結(jié)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 Zthja 比 THD 更低。
圖8.強制對流下多封裝的典型瞬態(tài)抗結(jié)-環(huán)境熱阻 (Zthja)
高頻操作中的低寄生電感優(yōu)勢。
圖 9 所示為封裝源極電感 (LSc) 對“導通”瞬態(tài)的影響。LSc 從 0 增加至 4 nH。漏極電流 (di/dt) 升高導致 LscSc 上的感生壓降，柵極驅(qū)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(tài)的機制相同，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(jié)（左）和損耗（右）
通過使用單獨的源極檢測引腳（開爾文源極）來控制柵極（圖 10，右），可消除上述 LSc 的負面影響，從而有效降低開關損耗。通過使用源極檢測連接來驅(qū)動柵極，LSc 位于柵極驅(qū)動環(huán)路之外。因此，其感應電壓峰值不會反饋到驅(qū)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 LSc 對柵極驅(qū)動和開關速度的負面影響。但是，LSc 仍會增加環(huán)路總電感，這是一個關鍵參數(shù)，會導致快速開關應用（例如帶有WBG 開關的服務器 SMPS）產(chǎn)生振蕩。因此，即使采用開爾文源極引腳封裝，封裝 LSc 也是越低越好。更多細節(jié)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(qū)動環(huán)路比較
總結(jié)
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面的重要性，特別是對于硅和寬禁帶 (WBG) 開關器件。
首先，簡要介紹了服務器 SMPS 的應用和發(fā)展趨勢，然后討論了 SMD 封裝的裝配實現(xiàn)、熱性能以及高頻操作中的低寄生電感優(yōu)勢。
下表 1 總結(jié)了用于服務器 SMPS 中的英飛凌 SMD 封裝產(chǎn)品組合，并比較其主要參數(shù)。
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(nèi)器件具有相近 RDS(ON)。
英飛凌開關電源 (SMPS) 設計解決方案可滿足日益嚴苛的服務器和數(shù)據(jù)中心需求，如需了解更多信息，請單擊此處。此外，還可了解我們的全系列創(chuàng)新電源技術(shù)（Si、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. 英飛凌科技，“英飛凌雙排歐翼式引腳封裝的電路板組裝建議”，Rev. 5.0，2020 年
3. 英飛凌科技，“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. 英飛凌科技，“TOLL 與 TOLT”，應用說明，Z8F80127016，2022 年
5. 英飛凌科技，“適用于高壓應用的創(chuàng)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(qū)動器和開關動態(tài)”，應用說明 v1.0，AN_1909_PL52_1911_173913，2020 年
作者：
Daniel H?lzl，英飛凌科技封裝概念工程師
Sam Abdel-Rahman，英飛凌科技系統(tǒng)架構(gòu)服務器/數(shù)據(jù)中心 SMPS
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