底部散熱

當下TO-247, TO-220的插件在許多應用中廣泛使用，同時劣勢也明顯：生產成本高; 焊接之前需要人工介入將裝置插入PCB上。基於這些原因，插件元件正在被貼片元件越來越多取代。貼片元件可以更有效率地實現自動化生產，也利於提高生產的可靠性。

貼片封裝的散熱方式通常有2種：底部散熱或頂部散熱。這2種封裝都可用在自動拾放機器的自動化生產設備。 D2PAK, DPAK的底部散熱器件，熱傳導的方向是自晶片向焊接元件的板子傳導。基於這種熱傳導方向，頂部散熱具有先決的優勢，因為PCB並不能承受非常高的溫度，相對於溫度高的裝置，PCB成為熱瓶頸，不得不透過增加過孔去增加導熱特性，如下圖1a所示。

增加過孔提高散熱能力通常會犧牲PCB面積，會帶來PCB走線挑戰，這是過孔這種方式的弊端；另一種解決方案是用鋁基板（IMS）的方法，IMS可以提高散熱能力，但是比傳統FR4的PCB貴。

頂部散熱

對於頂部散熱元件，熱傳導的方向如下圖2所示：晶片產生的熱導引封裝的頂部，頂部Pad再導向散熱器。

通過這種方式，熱阻可以降低約35%， 同時可以將元件與PCB進行熱解耦。這些大幅度的提升源自於以下幾點：PCB設計變的簡單，靈活；PCB尺寸可以更小，功率密度更高，降低了EMI影響。由於熱特性的提高，不再需要多層板的堆疊，因此可以省去IMS子板與FR4母版之間的接插件連接。一塊FR4的板子可以安裝所有的裝置，同時也降低了連接器的數量。

這個特性降低了BOM, 最終總的系統成本也得以降低。除了提升散熱，增加載流能力外，TSC也有利於優化走線設計，進而提升可靠性。因為驅動晶片等可以放置得離功率元件更近，迴路的寄生電感會更低，閘級的震盪得以降低，降低了驅動風險，提升了開關管的性能。

英飛凌開發的DDPAK, QDPAK封裝用在許多功率元件上，包括了CoolSiC™G6蕭特基二極體，新一代的750V和1200V CoolSiCTM MOSFET, 以及650V SI SJ CoolMOSTM 。相對於插件THD裝置，這些產品有近似的散熱能力空間，但電氣性能更優。 DDPAK和QDPAK的高度統一為2.3mm, 不論是高壓還是低壓元件。所以適合OBC和DCDC這樣有不同電壓等級的產品，尤其是不同電壓等級元件的高度統一，從而使散熱片設計更簡單，便宜。

基於目前 TSC 元件，未來額外的一個特性是使用 Al2O3 基板的DCB（直接銅鍵）做 TSC的絕緣。如圖 3 所示，DCB 可以安裝在元件封裝內部（DCB-in-package）。這種方法的一個限制是需要對晶片互連進行必要的調整，需要厚度約 50μm 的晶片焊接層厚度。此外，元件的熱性能也受到 DCB 性能的限制。

另一種新型 DCB 在封裝外部（DCB-on-package） 的TSC 實施方案，其中晶片與引線框架保持直接連接。這會帶來一些潛在熱方面的優勢。

首先，將晶片直接連接到封裝內的引線框架可提供額外的散熱能力。其次，在封裝上連接 DCB 將消除晶片互連和再分佈的適配性。最後，晶片連接可採用擴散焊接，而不是傳統的軟焊，這將帶來顯著的優勢，包括可將晶片連接材料的厚度從約 50μm 大幅減少到僅約 1.2μm。

由於 SiC 的寬能隙特性，SiC 晶片通常非常小（通常只有幾平方毫米）。使用傳統焊料將如此小的晶片連接到封裝上需要一個良好控制的過程，因為焊滴的表面可能會導致晶片傾斜，而這會影響焊線鍵合的過程。

使用擴散焊接可以避免這一複雜問題，因為焊料在與基底接觸之前不會熔化。這種方法還允許在單一引線框架上組裝多個晶片，因為隨後的加熱步驟不會影響最初晶片的放置精度。這是因為焊料不會再熔化，因此不會出現由表面張力驅動的晶片位移。此外，這種技術還能優化裝置尺寸，因為焊料擠出較少，從而提高了封裝密度。如圖 5 所示，由於擴散焊料具有優異的材料特性，且結合層厚度減少，因此可顯著改善熱傳導。

測量結果表明，與使用傳統焊料相比，晶片和封裝引線框架之間的熱阻降低了約 40%（圖 6）。熱性能的顯著改善意味著在固定晶片面積的情況下，最大靜態額定電流可以增加，從而允許更高的耗散功率。