器件封裝的案例
功率器件封裝結構熱設計綜述
華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室
原位 | DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.230136
摘要：半導體技術的進步使得芯片的尺寸得以不斷縮小，倒逼著封裝技術的發展和進步，也由此產生了各種各樣的封裝 形式。當前功率器件的設計和發展具有低電感、高散熱和高絕緣能力的屬性特征，器件封裝上呈現出模塊化、多功能化 和體積緊湊化的發展趨勢。為實現封裝器件低電感設計，器件封裝結構更加緊湊，而芯片電壓等級和封裝模塊的功率密度持續提高，給封裝絕緣和器件散熱帶來挑戰。在有限的封 裝空間內，如何把芯片的耗散熱及時高效的釋放到外界環境中以降低芯片結溫及器件內部各封裝材料的工作溫度，已成 為當前功率器件封裝設計階段需要考慮的重要問題之一。本文聚焦于功率器件封裝結構的散熱方面，針對功率半導體器件在散熱路徑方面的結構設計進行歸納總結。通過對國內外 功率器件封裝結構設計的綜述，梳理了功率器件封裝結構設計過程中在散熱方面的考慮及封裝散熱特點，并根據功率器 件散熱特點對功率器件封裝結構類型進行了分類。最后，基于降低封裝結構散熱熱阻、提高器件散熱能力的目的，從高導熱封裝材料和連接工藝、芯片面接觸連接、增加散熱路徑 以及縮短散熱路程四個方面對功率器件封裝結構設計在散熱方面未來的發展趨勢進行了展望。
展開 【知識分享】26. orcad中單個器件的PCB封裝應該怎么處理呢？
orcad中單個器件的PCB封裝應該怎么處理呢？
答：第一步，雙擊需要匹配的元器件，編輯改元器件的屬性；
第二步，在彈出的元器件的屬性中，點擊Pivot菜單，可以對屬性框進行橫向的或者是豎向的顯示；
第三步，找到PCB Footprint那一欄，填入該元器件需要匹配的PCB封裝名稱，即可完成對改器件的PCB封裝匹配，如圖3-46所示；
圖3-46元器件單個PCB封裝匹配示意圖
第四步，對于IC類的器件，由于它的封裝是固定的，我們再創建原理圖庫封裝的時候，就把該元器件PCB封裝名稱填上，這樣后期就不用再匹配PCB封裝了， 如圖3-47所示。
圖3-47元器件封裝庫封裝名稱匹配示意圖
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展開 【知識分享】27. orcad中怎么批量對元器件的PCB封裝進行匹配？
orcad中怎么批量對元器件的PCB封裝進行匹配？
答：第一步，切換到原理圖目錄頁，選中原理圖根目錄或者是其中某一頁的原理圖，點擊右鍵，編輯器件屬性，如圖3-48所示；
圖3-48 編輯元器件屬性示意圖
第二步，打開器件的屬性框，找到PCB Footprint這一欄，批量填入元器件的封裝即可，這樣原理圖中所有的器件封裝都匹配了，如圖3-49所示：
圖3-49 編輯元器件屬性示意圖
第三步，對于所有的封裝，我們可以在原理圖繪制頁面進行顯示，操作如下：任意打開一頁原理圖頁面，框選所有的元器件，點擊右鍵 ，選擇編輯屬性Edit-Properties，如圖3-50所示，選擇PCB Footprint這一欄，點擊右鍵，選擇Display選項，在彈出的界面中選擇Value Only，如圖3-51所示，即可將封裝名稱顯示在原理圖頁面上。
圖3-50 編輯整頁元器件屬性示意圖
圖3-51 顯示原理圖封裝示意圖
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展開 17種元器件PCB封裝圖鑒
元器件封裝的構建是PCB設計中的一個重要環節，小小的一個錯誤很可能導致整個板子都不能工作以及工期的嚴重延誤。
常規器件的封裝庫一般CAD工具都有自帶，也可以從器件原廠的設計文檔、參考設計源圖中獲取。
17種常用元器件的PCB封裝圖匯總
元器件封裝的構建是PCB設計中的一個重要環節，小小的一個錯誤很可能導致整個板子都不能工作以及工期的嚴重延誤。
常規器件的封裝庫一般CAD工具都有自帶，也可以從器件原廠的設計文檔、參考設計源圖中獲取。
【知識分享】61. Orcad導網表出現有交換屬性錯誤，應該怎么處理呢？
圖3-160 PinGroup示意圖
除了我們上面這樣直接進入器件的屬性編輯以外呢，還有另外一種方法，就是通過編輯封裝庫的方法去更改，然后更新封裝即可，具體操作的步驟如下：
第一步，首先在封裝庫找那個帶有Pin組屬性的元器件，選中該器件，點擊鼠標右鍵選擇split Part，如圖3-161所示；
圖3-161 編輯封裝屬性示意圖
第二步，執行上述的命令以后，會彈出如圖3-162所示的界面，我們在封裝編輯界面中，將PinGroup刪除，然后保存退出；
圖3-162 PinGroup示意圖
第三步，這個封裝更新好以后，進入到Design Cache里面，對該封裝進行更新即可，如圖3-163所示，Update Cache，對原理圖的封裝進行更新，這樣更新完成以后， 添加的Pin 組也被刪除了，這樣在輸出Allegro第一方網表的時候，就不會出交換屬性的錯誤了。
圖3-163 更新器件封裝示意圖
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展開 【知識分享】41.Orcad輸出網表出現“Pin number missing”的錯誤，應該怎么處理呢？理呢？
解決的辦法如下所示：
第一步，找到管腳缺失的器件P3，然后選中P3這個器件，點擊右鍵，選擇Edit Part屬性，進行元器件封裝屬性的編輯，如圖3-80所示；
圖3-80 設編輯器件封裝示意圖
第二步，進入到器件封裝屬性編輯界面以后，雙擊器件管腳，如圖3-81所示，可以看到此測試點沒有填寫Number，所以會報錯，我們對照規格書，將正確的Pin Number填上，如圖3-82所示；
圖3-81 器件管腳編號缺失示意圖
圖3-82 將器件管腳編號補齊示意圖
第三步，關閉掉封裝編輯界面，在彈出的界面中選擇Update All，則原理圖中所有使用這個原理圖封裝的器件就都全部更新，這個器件的Pin number missing問題就得以解決了。
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展開 Flotherm熱仿真器件建模方法--集總參數法
幾年后，隨著器件封裝技術的發展及仿真軟件自身的發展，Flotherm公司推薦熱設計工程師們在設置器件屬性的時候將塑料封裝的器件設置為5W/m-k，而陶瓷封裝的器件設置為15W/m-k。
首先，集中參數法塊模型（Lumped Block）是最早出現的，它就是把器件看成單一材料的3D實體塊。
對于一些列的數據來說，我們最實用的數據就是器件的尺寸，這是由生產商根據需求進行設計的。器件封裝技術發展到現在，根據不同的封裝類型及封裝尺寸，不同廠家的器件基本都遵循了通用的封裝規格，只是內部的構造有所不同。
在現實中，一個器件不同位置的溫度是不一樣的。結（die）的溫度最高，而封裝的四周邊角溫度則最低。器件一般都會被要求工作在一個指定的最高結溫或殼溫下。那么我們如何能通過塊模型來獲取器件的溫度分布情況呢？答案是否定的，塊模型無法準確的獲得器件自身的溫度分布情況。即使你知道結的準確位置也沒有用，因為你不知道內部熱流的流動情況。因此，在使用塊模型時，你只需要把他當做一個物性一致的發熱塊即可，它不能非常準確的預測器件自身的溫度分布，但相對于整個系統來說，這個器件（無論詳細模型還是塊模型）發熱引起的系統熱流場是基本一致的。
然而在Flotherm軟件在8.1版后，提供了各種不同封裝類型的導熱系數庫（Typical Lumped Packages），在我們使用塊模型時可以根據器件的不同封裝類型來應用不同的材料屬性。這些值是Flotherm公司根據不同封裝器件的構造特點，使用集中參數法并參考JEDEC標準環境下的測試結果綜合考慮而獲得的。相對之前的兩種設置方式，其精確度有了進一步的提高。
表1 Typical Lumped Packages庫中各種器件
然而，使用這種模型精確度究竟如何呢？
展開 【知識分享】42.Orcad輸出網表出現“Value contains return”的錯誤，應該怎么處理呢？
解決的辦法如下所示：
第一步，錯誤的描述是這個器件的封裝名稱中含有回車鍵，所以在檢查的時候不容易看出，需要將這個回車刪除即可；
第二步，找到報錯的器件U11,雙擊這個器件，編輯器件屬性，找到PCB Footprint這一欄，刪除掉封裝名名稱后面的空格，如圖3-83所示，保存，則器件封裝屬性包含回車的問題就解決了。
圖3-83 去除器件封裝欄中的回車鍵示意圖
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【知識分享】43.Orcad輸出網表出現“PCB Footprint missing”的錯誤，應該怎么處理呢？
解決的辦法如下所示：
第一步，錯誤描述是封裝PCB Footprint的缺失，缺失的器件是U3，含義就是U3這個器件在繪制原理圖時沒有做封裝的匹配，這一欄是空的；
第二步，在原理圖中找到U3這個器件，雙擊該器件，編輯器件屬性，找到PCB Footprint這一欄，如圖3-84所示，這一欄是空著的，所以在輸出網表時會報錯，原理圖的每一個器件必須匹配一個封裝名稱才可以；
圖3-84 U3器件封裝缺失示意圖
第三步，在PCB Footprint這一欄中填寫上U3這個器件對應的封裝名稱，保存下，如圖3-85所示，這個“PCB Footprint missing”的錯誤就解決了。
圖3-85 U3器件封裝填寫示意圖
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展開 【知識分享】40.Orcad輸出網表出現“Duplicate Pin Name”的錯誤，應該怎么處理呢？
解決的辦法如下所示：
第一步，找到報錯的器件U22，然后選中U22這個器件，點擊右鍵，選擇Edit Part屬性，進行元器件封裝屬性的編輯，如圖3-76所示；
圖3-76 編輯器件封裝屬性示意圖
第二步，進入到封裝器件編輯界面以后，我們可以看到錯誤所標識的就是有幾個管腳的名稱是一致的，都是GND，系統判定這種就是Duplicate Pin Name，所以我們需要將這種修改為不一樣的名稱；
第三步，這種顯而易見是GND網絡，是電源網絡，Orcad系統判定的依據就是除了電源管腳以外的管腳一律不準管腳名稱一致，所以我們將這幾個GND管腳的管腳屬性改為電源屬性即可，雙擊管腳，編輯屬性，將Type改為Power，勾選上Pin Visible，將管腳名稱顯示，如圖3-77所示；
圖3-77 修改電源屬性管腳示意圖
第四步，針對于不是電源屬性的，出現此類報錯的，我們同樣的編輯管腳屬性，在每一個管腳名稱加上1、2、3、4…，依次遞增，來區分管腳名稱，比如NC1、NC2、NC3等；
第五步，將管腳名稱一致的都按上述方法修改完成以后，點擊右鍵關閉封裝編輯頁面，如圖3-78所示，在彈出的界面中選擇Update All，這原理圖中所有使用這個原理圖封裝的器件就都全部更新了，如圖3-79所示，這個Duplicate Pin Name的問題也就解決了。
圖3-78 關閉封裝編輯示意圖
圖3-79 設置更新所有封裝示意圖
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技術分享｜英飛凌高效散熱管理的器件封裝方案
這種情況不允許使用強制風冷式散熱，因此，散熱管理通常是將大功率元器件產生的熱量傳導至電動汽車內的冷卻液。
一般來說，大功率SMD元器件的導熱路徑是從功率器件向下傳導至PCB，PCB則鍵合在散熱板上。這種方式被稱為“底部散熱”（BSC）。
在散熱任務艱巨的應用中，可以將功率器件貼裝在絕緣金屬基板（IMS）上，這樣做可以優化散熱性能，因為絕緣金屬基板的導熱性優于帶散熱通孔的FR4。然而，底部散熱方法總是要在散熱性能與電路板空間利用率之間謀求折衷。
通過創新封裝，英飛凌研制出適用于功率分立器件和功率IC的頂部散熱（TSC）技術。這項技術有許多優點，所有這些優點都能讓車載充電器設計和其他類似應用受益。
底部散熱通常將散熱板安裝到PCB/IMS底部進行散熱。這樣就有一個面不能放置元件，因而使功率密度降低一半。半導體器件與PCB鍵合在一起散熱，意味著它們將在相同溫度下工作。FR4的Tg低于許多現代功率器件的工作溫度，這限制了這些器件充分發揮其潛力。
TSC允許將元器件放置在電路板的兩個面
從而使功率密度翻番
通過將散熱板鍵合在功率元器件的頂部，這些問題迎刃而解，不僅兩面都可以放置元器件，而且WBG器件能夠在其整個工作溫度范圍內運行。
雖然IMS的散熱性能優于FR4，但它也加劇了復雜度。事實上，許多IMS解決方案都變成多板裝配，即，IMS僅用于功率器件，FR4則用于驅動器和無源器件。這令設計和制造變得極為復雜。
展開 熱設計之JEDEC標準應用局限性探討---Tips 4
JEDEC標準中測量元器件熱阻方法是基于一塊4in*4in的電路板，裝一個測試器件，采用標準環境測試；由此導致的問題：JEDEC中PCB為雙層板，含有足夠的銅，可以將來自封裝底部的熱量快速擴散，由此夸大了元器件封裝向下至PCB熱路徑的重要性，相比之下，任何對封裝頂部熱路徑的改進都是微不足道的，因此在進行器件級散熱設計時需充分考慮元器件封裝實際特性及應用環境，不要完全依賴于JEDEC標準測試結果。
---后期熱設計課程會有相關內容的擴展，歡迎提前關注。
覺得有所小小幫助，留個贊再走唄，爭取定期更新一些小方法、小技巧。
展開 9種常見的元器件封裝技術，你知道幾個？
（PLCC封裝）
PLCC封裝方式，外形呈正方形，32腳封裝，四周都有管腳，外形尺寸比DIP封裝小得多。PLCC封裝適合用SMT表面安裝技術在PCB上安裝布線，具有外形尺寸小、可靠性高的優點。
4、TQFP封裝
TQFP是英文“Thin Quad Flat Package”的縮寫，即薄塑封四角扁平封裝。四邊扁平封裝工藝能有效利用空間，從而降低對印刷電路板空間大小的要求。
（TQFP封裝）
由于縮小了高度和體積，這種封裝工藝非常適合對空間要求較高的應用，如PCMCIA卡和網絡器件。幾乎所有ALTERA的CPLD/FPGA都有TQFP封裝。
5、PQFP封裝
PQFP是英文“Plastic Quad Flat Package”的縮寫，即塑封四角扁平封裝。
展開 PPT | 車規級功率器件封裝及可靠性
PPT | 車規級功率器件封裝及可靠性
