开关电源-用于电源SiP的半桥MOSFET集成方案研究-KIA MOS管
随着电子技术的快速发展和终端应用场景更加苛刻，小型化电源的需求越来越迫切。实现小型化的有效方法之一是采用系统级封装（System in Package，SiP）设计。其理念是采用裸芯片，通过多芯片组装，最终形成具有完整电源功能的封装产品。相较基于分立封装器件的电源产品，电源SiP 的基板面积降至10%~20%，在性能、成本等方面也具有优势。
为提高大功率电源SiP 效率，一般将传统开关电源拓扑中的续流二极管同步MOSFET 取代形成如图1 所示的同步开关电源拓扑，2 个MOSFET Q1 和Q2 形成半桥结构。MOSFET 是影响电源效率、热环境等性能的关键器件。因此，半桥MOSFET 的集成方案需要全面论证，以满足SiP 封装尺寸、载流能力、热阻、工艺、组装维修等方面的需求。
本文讨论了同步开关电源拓扑中的半桥MOSFET的基板表面平铺、腔体设计、3D 堆叠等布局方法，以及键合丝、铜片夹扣等互连方式，通过对比不同方案的优缺点，为电源SiP 方案设计提供参考。
MOSFET裸芯片结构
功率开关MOSFET 有3 个端口，即漏极、源极和栅极。一般裸芯片的背面设计为漏极，正面是源极和栅极。源极和漏极的面积大，为大电流路径。正反两面根据实际应用溅射不同金属层。如图1 所示的半桥MOSFET 结构中，上管Q1 的源极与低边的MOSFET Q2的漏极互连在一起。
半桥MOSFET布局方法
基板表面平铺
半桥MOSFET 的平铺布局如图2 所示。为提高电源SiP 的散热性能，降低大电流路径的互连电阻，裸芯片背面的漏极通过锡膏烧焊到基板表面。正面的源极和栅极可通过键合丝或铜片夹扣连接到基板的焊盘上。两芯片的源漏通过基板的铜导带实现互连。由于在基板表面，芯片的组装维修都十分便利。
腔体设计
平铺布局要求基板表面和芯片间有安全距离。为减小封装面积，可以采取如图3 所示的腔体设计，即将基板的外层开放式开窗，将MOSFET 芯片烧焊在内层，基板键合焊盘仍在表面。受电源SiP 空间限制，腔体开窗面积对芯片的组装修改产生一定的影响。腔体设计节省了基板焊盘和芯片间的距离，有利于电源SiP 整体尺寸的减小。
3D堆叠
如图4 所示，半桥MOSFET 可采用纵向3D 堆叠减小封装面积。两芯片的源极、漏极及与基板导带的互连一般采用铜片夹扣。芯片与铜片间仍通过锡膏烧焊互连。3D 堆叠对组装要求高，芯片焊接偏移需控制严格，避免与栅极键合丝短路；并且芯片维修的便利性差。
引线键合工艺
引线键合以技术成熟、工艺简单、成本低廉、适用性强等特点而在电子工程互连中占据重要地位。由于铝丝/ 硅铝丝的导电能力强，价格低廉、延展性好，所以常用作MOSFET 的键合引线。
键合丝的材料和丝径影响MOSFET 的过流能力，表1 是常见的键合丝径及其过流能力。
铜片夹扣工艺
铜片夹扣键合是通过回流焊接的方式，将有特殊形状的铜片焊接于芯片上，实现2 个MOSFET 的源漏极和基板导带的互连。铜片的形状与芯片开窗尺寸和版图设计相关，避免与芯片栅极走线和键合丝短路。MOSFET 芯片表面需要溅射焊锡可浸润的金属材料，如钛镍金等，工艺比较复杂。
*25 A 为32 根45 μm 丝径的硅铝丝并联键合，20 A为8 根100 μm 丝径的铝丝并联键合
半桥MOSFET集成方案
在本节讨论中，功率SiP 设计要求输出电流达30 A；尺寸小于15 mm×15 mm，以满足整机对电源小型化的需求。因此，选用的某型号MOSFET 裸芯片，其常温下最大持续漏极电流为95 A，尺寸为4 mm×4 mm。通过讨论不同布局和互连方式的优缺点，确定满足电源SiP 要求的方案。
基板表面平铺键合方案
基板键合焊盘尺寸设计为4 mm×0.5 mm，满足源极多键合丝并联要求。键合焊盘和芯片烧焊焊盘的安全距离定为0.25 mm。则2 个MOSFET 的总封装面积约为38 mm2。键合丝有两种选择。选择1 是MOSFET 的源极和栅极采用相同的45 μm 丝径的硅铝丝。源极最多能键合32 根硅铝丝并联，由表1 知MOSFET 的安全电流达25 A。
选择2 是MOSFET 的栅极和源极分别采用45 μm 丝径的硅铝丝和100 μm 丝径的铝丝。源极最多能键合8 根铝丝并联，安全电流达到20 A。在基板表面平铺方案中，MOSFET 热量主要是通过漏极单面向基板传导。
基板表面平铺铜片夹扣方案
基板表面平铺铜片夹扣方案如图5 所示。MOSFET源极互连改为0.2 mm 厚度的铜扣，可承受164 A 电流。受MOSFET 的持续漏极电流限制，该方案的半桥MOSFET 的载流能力为95 A。铜扣在基板上的焊盘尺寸设计为4 mm×1.5 mm，则封装面积约为46 mm2。大面积铜片帮助MOSFET 的热量双面向基板传导，极大地降低了芯片的热阻。
腔体设计键合方案
在腔体设计中，为了组装和维修，开窗面积设计为4 mm×4.2 mm。该方案的键合设计同方案4.1，则需要37.6 mm2 的封装面积，安全电流为25 A（32 根45 μm丝径的硅铝丝并联）或20 A（8 根100 μm 丝径的铝丝并联）。
腔体设计铜片夹扣方案
该方案的铜扣互连设计同方案4.2，开窗设计同方案4.3，需要45.6 mm2 的封装面积，载流能力为95 A。和方案4.1 和4.2 对比，腔体设计对半桥MOSFET封装面积改善不多。但是可减小MOSFET 芯片与周围器件焊盘的距离，从而减小了电源SiP 整体封装尺寸。由于MOSFET 烧焊在基板内层，相对于基板表面平铺方案，散热性略差，可通过适当增加散热铺铜面积改善热阻。
3D堆叠铜片夹扣方案
3D 堆叠通过利用纵向空间提高封装效率。若铜扣在基板上的焊盘尺寸同方案4.2，该方案可将半桥MOSFET 的封装面积减小至30 mm2。两片铜扣使芯片双面散热，极大地降低了热阻。
方案对比
表2 概述了半桥MOSFET 不同集成方案的优缺点。基板表面平铺键合和腔体设计键合方案的工艺复杂度低，组装维修便利性好，但是无法满足电源SiP 输出电流的要求。基板表面铜片夹扣方案在热阻、工艺复杂度和组装维修便利性之间取得了较好的平衡，但是封装尺寸不利于电源SiP 的小型化设计。3D 堆叠铜片夹扣方案具有最小的封装面积和很好的导热性能，但是工艺复杂度高，组装维修便利性低。腔体设计铜片夹扣是相对折中的方案，可以满足电源SiP 设计要求。
结束语
本文讨论了半桥MOSFET 不同集成方案。为满足电源SiP 输出电流达30 A，尺寸小于15mm×15 mm 的要求，相对折中的方案是采用腔体设计铜片夹扣方案。该方案的载流能力达到了MOSFET 的最大持续漏极电流95 A；热阻低；因为节省了MOSFET 裸芯片与周围焊盘的距离，有利于电源SiP 的小型化。
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