用于電源SiP的半橋MOSFET集成方案研究

唐光慶 曾鑫 馮志斌 康丙寅

摘要：系統級封裝（SysteminPackage，SiP）設計理念是實現電源小型化的有效方法之一。然而，SiP空間有限，功率開關MOSFET的集成封裝方案對電源性能影響大。本文討論同步開關電源拓撲中的半橋MOSFET的不同布局方法，包括基板表面平鋪、腔體設計、3D堆疊等;以及不同的電源互連方式，包括鍵合、銅片夾扣等。從封裝尺寸、載流能力、熱阻、工藝復雜度、組裝維修等方面，對比了不同方案的優缺點，為電源SiP的設計提供參考。

關鍵詞：系統級封裝;腔體;3D堆疊;鍵合;銅片夾扣

0引言

隨著電子技術的快速發展和終端應用場景更加苛刻，小型化電源的需求越來越迫切。實現小型化的有效方法之一是采用系統級封裝（System in Package，SiP）設計。其理念是采用裸芯片，通過多芯片組裝，最終形成具有完整電源功能的封裝產品。相較基于分立封裝器件的電源產品，電源SiP的基板面積降至10%～20%，在性能、成本等方面也具有優勢[1]。

為提高大功率電源SiP效率，一般將傳統開關電源拓撲中的續流二極管同步MOSFET取代形成如圖1所示的同步開關電源拓撲，2個MOSFETQ1和Q2形成半橋結構。MOSFET是影響電源效率、熱環境等性能的關鍵器件[2]。因此，半橋MOSFET的集成方案需要全面論證，以滿足SiP封裝尺寸、載流能力、熱阻、工藝、組裝維修等方面的需求。

本文討論了同步開關電源拓撲中的半橋MOSFET的基板表面平鋪、腔體設計、3D堆疊等布局方法，以及鍵合絲、銅片夾扣等互連方式，通過對比不同方案的優缺點，為電源SiP方案設計提供參考。

1MOSFET裸芯片結構

功率開關MOSFET有3個端口，即漏極、源極和柵極。一般裸芯片的背面設計為漏極，正面是源極和柵極。源極和漏極的面積大，為大電流路徑。正反兩面根據實際應用濺射不同金屬層。如圖1所示的半橋MOSFET結構中，上管Q1的源極與低邊的MOSFETQ2的漏極互連在一起。

2半橋MOSFET布局方法

2.1基板表面平鋪

半橋MOSFET的平鋪布局如圖2所示。為提高電源SiP的散熱性能，降低大電流路徑的互連電阻，裸芯片背面的漏極通過錫膏燒焊到基板表面。正面的源極和柵極可通過鍵合絲或銅片夾扣連接到基板的焊盤上[3]。兩芯片的源漏通過基板的銅導帶實現互連。由于在基板表面，芯片的組裝維修都十分便利。

2.2腔體設計

平鋪布局要求基板表面和芯片間有安全距離。為減小封裝面積，可以采取如圖3所示的腔體設計，即將基板的外層開放式開窗，將MOSFET芯片燒焊在內層，基板鍵合焊盤仍在表面[4]。受電源SiP空間限制，腔體開窗面積對芯片的組裝修改產生一定的影響。腔體設計節省了基板焊盤和芯片間的距離，有利于電源SiP整體尺寸的減小。

2.33D堆疊

如圖4所示，半橋MOSFET可采用縱向3D堆疊減小封裝面積。兩芯片的源極、漏極及與基板導帶的互連一般采用銅片夾扣[5]。芯片與銅片間仍通過錫膏燒焊互連。3D堆疊對組裝要求高，芯片焊接偏移需控制嚴格，避免與柵極鍵合絲短路;并且芯片維修的便利性差。

3互連工藝

3.1引線鍵合工藝

引線鍵合以技術成熟、工藝簡單、成本低廉、適用性強等特點而在電子工程互連中占據重要地位[5]。由于鋁絲/硅鋁絲的導電能力強，價格低廉、延展性好，所以常用作MOSFET的鍵合引線。

鍵合絲的材料和絲徑影響MOSFET的過流能力，表1是常見的鍵合絲徑及其過流能力。

3.2銅片夾扣工藝

銅片夾扣鍵合是通過回流焊接的方式，將有特殊形狀的銅片焊接于芯片上，實現2個MOSFET的源漏極和基板導帶的互連。銅片的形狀與芯片開窗尺寸和版圖設計相關，避免與芯片柵極走線和鍵合絲短路。MOSFET芯片表面需要濺射焊錫可浸潤的金屬材料，如鈦鎳金等，工藝比較復雜。

*25A為32根45μm絲徑的硅鋁絲并聯鍵合，20A為8根100μm絲徑的鋁絲并聯鍵合

4半橋MOSFET集成方案

在本節討論中，功率SiP設計要求輸出電流達30A;尺寸小于15mm×15mm，以滿足整機對電源小型化的需求。因此，選用的某型號MOSFET裸芯片，其常溫下最大持續漏極電流為95A，尺寸為4mm×4mm。通過討論不同布局和互連方式的優缺點，確定滿足電源SiP要求的方案。

4.1基板表面平鋪鍵合方案

基板鍵合焊盤尺寸設計為4mm×0.5mm，滿足源極多鍵合絲并聯要求。鍵合焊盤和芯片燒焊焊盤的安全距離定為0.25mm。則2個MOSFET的總封裝面積約為38mm2。鍵合絲有兩種選擇。選擇1是MOSFET的源極和柵極采用相同的45μm絲徑的硅鋁絲。源極最多能鍵合32根硅鋁絲并聯，由表1知MOSFET的安全電流達25A。選擇2是MOSFET的柵極和源極分別采用45μm絲徑的硅鋁絲和100μm絲徑的鋁絲。源極最多能鍵合8根鋁絲并聯，安全電流達到20A。

在基板表面平鋪方案中，MOSFET熱量主要是通過漏極單面向基板傳導。

4.2基板表面平鋪銅片夾扣方案

基板表面平鋪銅片夾扣方案如圖5所示。MOSFET源極互連改為0.2mm厚度的銅扣，可承受164A電流。受MOSFET的持續漏極電流限制，該方案的半橋MOSFET的載流能力為95A。銅扣在基板上的焊盤尺寸設計為4mm×1.5mm，則封裝面積約為46mm2。大面積銅片幫助MOSFET的熱量雙面向基板傳導，極大地降低了芯片的熱阻。

4.3腔體設計鍵合方案

在腔體設計中，為了組裝和維修，開窗面積設計為4mm×4.2mm。該方案的鍵合設計同方案4.1，則需要37.6mm2的封裝面積，安全電流為25A（32根45μm絲徑的硅鋁絲并聯）或20A（8根100μm絲徑的鋁絲并聯）。

4.4腔體設計銅片夾扣方案

該方案的銅扣互連設計同方案4.2，開窗設計同方案4.3，需要45.6mm2的封裝面積，載流能力為95A。

和方案4.1和4.2對比，腔體設計對半橋MOSFET封裝面積改善不多。但是可減小MOSFET芯片與周圍器件焊盤的距離，從而減小了電源SiP整體封裝尺寸。

由于MOSFET燒焊在基板內層，相對于基板表面平鋪方案，散熱性略差，可通過適當增加散熱鋪銅面積改善熱阻。

4.53D堆疊銅片夾扣方案

3D堆疊通過利用縱向空間提高封裝效率。若銅扣在基板上的焊盤尺寸同方案4.2，該方案可將半橋MOSFET的封裝面積減小至30mm2。兩片銅扣使芯片雙面散熱，極大地降低了熱阻。

4.6方案對比

表2概述了半橋MOSFET不同集成方案的優缺點。基板表面平鋪鍵合和腔體設計鍵合方案的工藝復雜度低，組裝維修便利性好，但是無法滿足電源SiP輸出電流的要求。基板表面銅片夾扣方案在熱阻、工藝復雜度和組裝維修便利性之間取得了較好的平衡，但是封裝尺寸不利于電源SiP的小型化設計。3D堆疊銅片夾扣方案具有最小的封裝面積和很好的導熱性能，但是工藝復雜度高，組裝維修便利性低。腔體設計銅片夾扣是相對折中的方案，可以滿足電源SiP設計要求。

5結束語

本文討論了半橋MOSFET不同集成方案。為滿足電源SiP輸出電流達30A，尺寸小于15mm×15mm的要求，相對折中的方案是采用腔體設計銅片夾扣方案。該方案的載流能力達到了MOSFET的最大持續漏極電流95A;熱阻低;因為節省了MOSFET裸芯片與周圍焊盤的距離，有利于電源SiP的小型化。

參考文獻：

[1]李揚.SiP系統級封裝設計仿真技術[J].電子技術應用，2017，43（7）：47-50，54.

[2]陳帥，郗小鵬，張勇.同步BUCK變換器中MOSFET選型應用研究[J].單片機與嵌入式系統應用，2019（11）：75-77，81.

[3]王其超，季睿，姚佳.一種應用于GaN功放的高壓電源調制器設計[J].工業控制計算機，2021，34（6）：134-135.

[4]李揚.3D設計技術在SiP中的應用[J].電子技術應用，2018，44（9）：39-43.

[5]霍炎，吳建忠.銅片夾扣鍵合QFN功率器件封裝技術[J].電子與封裝，2018，18（7）：1-6.

[6]陳宏仕.MOSFET器件引線鍵合技術[J].電子與封裝，2010，10（7）：1-3.