簡介
安森美（onsemi）為強(qiáng)化其先進(jìn)封裝的電源產(chǎn)品組合，推出了兩款面向汽車與工業(yè)高壓（HV）應(yīng)用的頂部散熱封裝——T2PAK和BPAK。這兩款封裝專為應(yīng)對嚴(yán)苛工況而設(shè)計，與通過印刷電路板（PCB）散熱的傳統(tǒng)底部散熱封裝（如D2PAK和TOLL）不同，T2PAK與BPAK采用頂部散熱結(jié)構(gòu)，通過直接接觸外部散熱器實(shí)現(xiàn)高效熱傳導(dǎo)，顯著提升散熱性能。

其中，T2PAK憑借頂部散熱與無引線設(shè)計的雙重優(yōu)勢，不僅消除了傳統(tǒng)長引線，還構(gòu)建出比D2PAK或TO封裝更緊湊的電流回路，從而大幅降低雜散電感。這一優(yōu)化帶來了更優(yōu)異的開關(guān)特性、更低的電壓過沖以及更出色的電磁兼容性（EMC），使其成為高效率、高密度電源設(shè)計的理想選擇。

此次技術(shù)突破有效提升了功率密度，更好地滿足了高性能應(yīng)用日益增長的需求。安森美首批采用該新型封裝的產(chǎn)品包括九款基于Elite-SiC平臺的碳化硅（SiC）MOSFET。

表1. 安森美T2PAK車規(guī)級認(rèn)證產(chǎn)品

表2. 安森美T2PAK工業(yè)級認(rèn)證產(chǎn)品

本應(yīng)用筆記面向從事車載充電機(jī)（OBC）、高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器及工業(yè)開關(guān)電源（SMPS）設(shè)計的硬件，重點(diǎn)介紹T2PAK封裝的貼裝及其熱性能的高效利用。內(nèi)容涵蓋以下方面：T2PAK封裝詳解——全面說明封裝結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)；焊接注意事項(xiàng)——闡述實(shí)現(xiàn)可靠電氣連接的關(guān)鍵焊接注意事項(xiàng)；濕度敏感等級（MSL）要求——明確器件在處理與存儲過程中的防潮防護(hù)規(guī)范；器件貼裝指南——提供器件貼裝的最佳實(shí)踐建議。

在換流回路設(shè)計建議部分中，探討了T2PAK器件的換流回路設(shè)計要點(diǎn)。熱性能分析部分則分析了其熱性能，這對于確保器件在工作條件下的可靠性至關(guān)重要，并在文檔結(jié)尾進(jìn)行了總結(jié)。

附圖方面，圖1a與圖1b分別展示了封裝的底部與頂部視圖，圖2為引腳配置圖。其中在圖1b中，各引腳定義如下：引腳1為柵極，引腳2為Kelvin引腳，引腳3至7為源極，漏極引腳則標(biāo)記為D。

圖1.T2PAK封裝視圖

圖2.SiC MOSFET T2PAK引腳定義

圖3.T2PAK封裝機(jī)械輪廓圖

T2PAK封裝詳解
T2PAK封裝輪廓詳見圖3所示。其中，圖3a與圖3b分別為封裝頂視圖與側(cè)視圖；細(xì)節(jié)A進(jìn)一步展示了引腳尺寸，對應(yīng)側(cè)視圖（圖3c）、正視圖（圖3d）與后視圖（圖3e）；底視圖見圖3f。所有相關(guān)尺寸標(biāo)注于圖3g和圖3h。封裝主體尺寸約為11.80mm×14.00mm×3.63mm（D×E×A），含引腳的整體平面尺寸為18.50mm×14mm（H×H1）。

T2PAK與D2PAK（TO-263）均為高功率表面貼裝封裝，適用于緊湊型PCB布局下的高效熱管理。二者電氣焊盤占位相似，但熱結(jié)構(gòu)設(shè)計存在明顯區(qū)別：D2PAK采用底部散熱，依靠外露漏極焊盤將熱量傳導(dǎo)至PCB銅層，并通過過孔傳導(dǎo)至內(nèi)部或背面的銅層；而T2PAK則通過集成通孔散熱引腳實(shí)現(xiàn)頂部散熱，可直接連接外部散熱器或金屬外殼。這種設(shè)計提供了更高效、可控的散熱機(jī)制，尤其適合PCB自身散熱受限或具備強(qiáng)制風(fēng)冷的應(yīng)用場景。

上述結(jié)構(gòu)差異帶來了可量化的熱性能提升。以32mΩ器件為例，T2PAK的結(jié)殼熱阻為0.7℃/W，優(yōu)于D2PAK的0.75℃/W。在12mΩ這類低阻值、高電流器件中，優(yōu)勢更為明顯：T2PAK熱阻為0.3℃/W，而對應(yīng)D2PAK為0.35℃/W。這主要得益于T2PAK可將熱量直接導(dǎo)向散熱器，從而突破PCB的散熱瓶頸。因此，該封裝尤其適用于對散熱要求嚴(yán)苛或需更高熱裕量的場合，如汽車功率模塊、工業(yè)驅(qū)動器及高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器。

圖4.推薦的PCB焊盤布局

圖5.無鉛焊料加熱曲線[2]

圖4所示為T2PAK推薦的PCB焊盤布局。在封裝頂視圖中，引腳定義如下：右下角為引腳1（柵極），引腳2為開爾文源極（用于驅(qū)動參考電位），引腳3至7為源極連接。漏極則通過延伸的大型漏極焊片實(shí)現(xiàn)電氣連接，該焊片與封裝頂部中央的外露漏極焊盤相連，共同構(gòu)成主散熱區(qū)域。

焊接注意事項(xiàng)
表面貼裝電路板的布局與尺寸設(shè)計，是確保與半導(dǎo)體封裝形成可靠焊接界面的關(guān)鍵。精確匹配的焊盤幾何形狀有助于在回流焊接過程中實(shí)現(xiàn)封裝的自對準(zhǔn)效果。T2PAK封裝的推薦焊盤布局如圖4所示。該器件引腳采用無鉛鍍錫處理，在PCB焊盤上具備優(yōu)異的可焊性。

為確保焊接過程的熱性能和機(jī)械可靠性，T2PAK器件必須在回流前進(jìn)行充分預(yù)熱。預(yù)熱能有效減少熱沖擊、降低封裝應(yīng)力，這對發(fā)熱量大的功率半導(dǎo)體尤為重要。根據(jù)安森美焊接指南[2]，預(yù)熱階段與峰值焊接階段的溫差不應(yīng)超過100℃，過渡期間的最大溫度梯度需限制在5℃/s。此外，峰值溫度不應(yīng)超過260℃，且焊接溫度超過245℃的時間不得超過10秒。建議焊接后進(jìn)行漸進(jìn)式冷卻，以防止因快速熱脹冷縮導(dǎo)致的潛在機(jī)械故障。這些工藝對保持T2PAK封裝器件的結(jié)點(diǎn)完整性及長期可靠性至關(guān)重要。

當(dāng)焊料熔點(diǎn)高于器件額定溫度。整個器件被加熱至高溫時，若未能在短時間內(nèi)完成焊接，可能導(dǎo)致器件損壞。因此，應(yīng)嚴(yán)格遵守以下工藝規(guī)范以最大限度降低熱應(yīng)力對器件的影響：
·焊接前應(yīng)對器件進(jìn)行預(yù)熱。
·預(yù)熱與焊接時的溫差應(yīng)控制在100℃以內(nèi)。未經(jīng)預(yù)熱直接焊接會造成過度的熱沖擊和應(yīng)力，導(dǎo)致器件損壞。
·預(yù)熱及焊接過程中，引腳與封裝溫度不得超過260℃（器件最高額定溫度）。采用紅外加熱回流焊工藝時，溫差上限為10℃。
·焊接溫度超過245℃的持續(xù)時間不超過10秒。
·從預(yù)熱轉(zhuǎn)入焊接時，最大溫度上升梯度應(yīng)不超過5℃/s。

T2PAK封裝專為通過回流焊工藝將芯片貼裝到PCB上而設(shè)計，其熱性能符合IPC/JEDEC J-STD-020E [1]標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的回流焊溫度曲線要求。詳細(xì)的推薦回流焊溫度曲線可參考安森美應(yīng)用筆記SOLDERRM [2]（見圖5）。

T2PAK封裝兼容錫鉛（Sn-Pb）和無鉛（Pb-Free）焊接工藝，但兩種工藝需采用不同的熱溫度曲線。Sn-Pb焊接采用熔點(diǎn)較低的共晶合金焊料（183℃），而Pb-Free焊接（通常使用SAC305合金）則需要更高的液相線溫度（217℃）及高達(dá)245℃的峰值回流溫度。根據(jù)焊接指南，兩種工藝均建議預(yù)熱溫度范圍（Tsmin至Tsmax）為：Sn-Pb為100-150℃，無鉛焊料為150-200℃，預(yù)熱時間為60-120秒。升溫速率不得超過3℃/s，液相線以上停留時間應(yīng)維持在60-150秒。T2PAK封裝的峰值本體溫度需達(dá)245℃，并在峰值溫度5℃范圍內(nèi)保持30秒。降溫速率應(yīng)控制在6℃/s，從環(huán)境溫度到峰值溫度的總耗時不得超過6分鐘。合理預(yù)熱與溫度控制至關(guān)重要，尤其對無鉛工藝而言，可最大限度降低熱應(yīng)力并確保焊點(diǎn)可靠性。

表3. 根據(jù)[2]的分類回流曲線

表3列出了回流焊工藝各階段的推薦參數(shù)值。盡管實(shí)際溫度曲線可能因設(shè)備類型和工藝條件而異，該曲線可作為可靠的初始參考，并應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整——包括PCB的尺寸與厚度、元件密度與類型、所用焊膏特性以及襯底材料等因素。制定焊接溫度曲線時，建議首先采用焊膏制造商提供的基準(zhǔn)曲線，并確保所有裝配元件的溫度與時間限制均得到滿足。目前主流的回流焊設(shè)備包括紅外（IR）加熱爐、強(qiáng)制對流爐和氣相焊接系統(tǒng)，其中強(qiáng)制對流爐憑借其優(yōu)異的熱均勻性，能均勻加熱整個PCB板，使元件受熱更一致，特別適用于功率器件的高可靠性焊接。在雙面PCB裝配中，T2PAK器件應(yīng)安排最后焊接，因其底部焊點(diǎn)在二次回流過程中會再次熔融，易導(dǎo)致移位或脫落。對于返修操作，建議采用局部加熱方式進(jìn)行定點(diǎn)回流，避免整板二次回流[2]。

以下說明適用于表3[2]：
·所有溫度均指封裝中心溫度，測量位置為封裝本體在回流焊接過程中朝上的表面（例如live bug，引腳朝下）。若元件采用非標(biāo)準(zhǔn)live bug方向（即dead bug，引腳朝上）進(jìn)行回流，其TP溫度與“l(fā)ive bug”方向TP值的偏差應(yīng)在±2K范圍內(nèi)，且仍需滿足TC溫度要求；否則需調(diào)整回流曲線以確保符合TC規(guī)范。為精確測量實(shí)際封裝本體峰值溫度，請參照J(rèn)EP140[3]推薦的熱電偶使用規(guī)范。
·本文檔中的回流溫度曲線僅用于分類或預(yù)處理，并不直接規(guī)定實(shí)際PCB裝配的回流工藝參數(shù)。實(shí)際的板級裝配回流曲線應(yīng)根據(jù)具體工藝需求和電路板設(shè)計來制定，且不得超出表3中所列的參數(shù)限值。例如，若TC=260℃。時間tP=30秒，則對供應(yīng)商和用戶分別具有如下要求：
-對供應(yīng)商而言：峰值溫度不低于260℃，且高于255℃的時間應(yīng)不少于30秒。
-對用戶而言：峰值溫度不得超過260℃，且高于255℃的時間不得超過30秒。
·測試負(fù)載中的所有元件均須滿足分類溫度曲線要求。
·依據(jù)J-STD-020、JESD22-A112（已廢止）、IPC-SM-786（已廢止）歷史版本流程或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行濕度敏感性分級的表面貼裝器件，若無變更等級或提高峰值溫度等級的需求，無需按當(dāng)前修訂版重新分級。
·表面貼裝器件：不建議采用波峰焊工藝。

濕度敏感等級
根據(jù)JEDEC J-STD-033[4]和J-STD-020標(biāo)準(zhǔn)，T2PAK產(chǎn)品被歸類為濕度敏感等級1（MSL1）。因此，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，該產(chǎn)品無需干燥包裝且無明確的保質(zhì)期限制，從而簡化了存儲和操作要求。

器件貼裝
為實(shí)現(xiàn)最佳性能，頂部散熱器件除需遵循指定的焊接安裝溫度要求外，還需與冷板或散熱器建立高效的熱連接。結(jié)殼熱阻（RθJC）取決于芯片尺寸、厚度、裸片粘貼和銅引線框架等因素，已在數(shù)據(jù)手冊中嚴(yán)格規(guī)定并明確標(biāo)注，但整體散熱性能仍高度依賴于連接外露焊盤與散熱器的堆疊結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)高效熱連接的關(guān)鍵在于界面材料的選擇，通常稱為熱界面材料（Thermal Interface Material, TIM）。選用合適的TIM，并實(shí)施精確且可重復(fù)的涂覆工藝，是優(yōu)化散熱性能、確保器件級和板級可靠性以及增強(qiáng)電氣絕緣安全性的核心要素。為提出有效解決方案并展示界面評估流程，本研究已對三種可選方案進(jìn)行了探討。

圖6.液態(tài)間隙填充材料

大多數(shù)液態(tài)間隙填充材料（Liquid Gap Fillers，見圖6）具有相對較低的粘度，能夠很好地貼合外露焊盤與散熱器之間的接觸面。此類TIM材料的最終厚度和形態(tài)主要由封裝與散熱器之間施加的裝配壓力決定（由PCB施加的壓力），并可通過螺釘或彈簧針等夾持系統(tǒng)調(diào)節(jié)散熱器與PCB之間的距離來進(jìn)行精確控制。在采用液態(tài)間隙填充材料時，需綜合考慮以下幾個關(guān)鍵因素：

1.導(dǎo)熱界面材料（TIM）的特性
評估和驗(yàn)證TIM材料的隔熱性能至關(guān)重要。間隙填充材料是封裝散熱焊盤（高電壓）與散熱器（接地）之間唯一的絕緣介質(zhì)。根據(jù)材料不同，為承受相應(yīng)電壓所需的最小厚度通常在500μm至1mm之間。
市售液態(tài)間隙填充材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍為1.6W/(m·K)至9W/(m·K)，安森美建議采用的測試值應(yīng)高于5W/(m·K)。
2.最佳涂覆量
為確保最佳絕緣性能而過度涂覆TIM，會以犧牲熱性能為代價。更多細(xì)節(jié)請參見熱仿真和熱測試部分所提供的數(shù)據(jù)。
3.固化過程中的收縮
需要注意的是，間隙填充材料在必要的固化過程中可能會發(fā)生收縮。

平衡這些方面對于實(shí)現(xiàn)所需的電氣絕緣，同時保持最佳的熱性能至關(guān)重要。

預(yù)成型間隙填充墊（Pre-Formed Gap Filler Pad）提供了另一種解決方案。在此方案中，厚度通過設(shè)計得到保證。然而，整體裝配成本可能會增加，并且控制散熱器與PCB之間距離的關(guān)鍵環(huán)節(jié)可能更具挑戰(zhàn)性：預(yù)切割的導(dǎo)熱墊雖然能保證厚度一致，但由于其預(yù)設(shè)的形狀，無法像液態(tài)材料那樣與周邊結(jié)構(gòu)緊密貼合。

圖7.預(yù)成型間隙填充墊

圖8.陶瓷絕緣體

可在疊層結(jié)構(gòu)中引入如氧化鋁（Al2O3）或氮化鋁（AlN）等材料，以提供穩(wěn)定可靠的絕緣性能，尤其當(dāng)與厚度為250–500μm的較薄液態(tài)間隙填充材料結(jié)合使用時效果更佳。盡管這種熱疊層結(jié)構(gòu)通常被視為最可靠的絕緣方案，但與方案1相比，其成本顯著增加，而在導(dǎo)熱性能方面并未帶來實(shí)質(zhì)性提升。

換流回路設(shè)計建議
在硬件設(shè)計中，換流回路是一個關(guān)鍵考量因素，尤其在高速開關(guān)應(yīng)用中更為重要。減小該回路中的寄生電感可直接降低開關(guān)損耗，并提升系統(tǒng)整體效率。
頂部散熱封裝（如T2PAK）在此方面相比底部散熱封裝具有明顯優(yōu)勢。其熱設(shè)計允許更靈活的電氣布線，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊、更優(yōu)化的換流回路。

圖9.硬件設(shè)計中的換流回路建議

如圖9所示，通過將兩個T2PAK器件并排布置，即可實(shí)現(xiàn)半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：
·DC+連接到器件1的漏極；
·器件1的源極連接到器件2的漏極；
·器件2的源極再連接至DC?。

為構(gòu)成完整的換流回路，回流路徑可通過PCB底層布線，并與頂層安裝的器件平行走線。通過過孔將頂層與底層互連，從而形成緊湊的回路結(jié)構(gòu)。這種布局有助于實(shí)現(xiàn)磁通量抵消，顯著降低寄生電感。在雙脈沖測試（Double Pulse Test, DPT）中，該布局實(shí)現(xiàn)了僅9nH的回路電感，充分驗(yàn)證了其有效性。

相比之下，底部散熱封裝依賴PCB底層銅箔進(jìn)行散熱，這限制了底層電氣布線。此限制使得難以構(gòu)建緊湊的換流回路，往往導(dǎo)致走線路徑更長、寄生電感更高。由于底層必須專用于散熱——通常需通過大量熱過孔和大面積覆銅實(shí)現(xiàn)——將回流路徑緊鄰電源回路布線變得不切實(shí)際。這會削弱磁通量抵消效果，增加回路電感，從而對開關(guān)性能產(chǎn)生不利影響。

熱性能
總體而言，頂部散熱封裝相比傳統(tǒng)表面貼裝器件（SMD）具有更優(yōu)的熱性能，因?yàn)樗軌蛑苯訌耐饴兜慕饘俸副P（MOSFET的漏極、IGBT的集電極、整流器的陰極）導(dǎo)出熱量，避免了底部散熱封裝中PCB材料造成的熱阻。如前所述，要充分發(fā)揮其散熱優(yōu)勢，必須精心設(shè)計功率器件所處的散熱系統(tǒng)。

T2PAK封裝憑借其頂部散熱特性，通過直接接觸散熱器或冷板，突破了TO-263-7等底部散熱表面貼裝封裝中PCB熱傳導(dǎo)的局限性?；谵D(zhuǎn)換器的研究[7]表明，在器件頂部集成銅散熱片可將TIM熱阻從0.85K/W降至0.05K/W，顯著降低器件溫度，并使功率處理能力幾乎翻倍。同樣，針對碳化硅（SiC）表面貼裝器件的研究[8]也證明，用實(shí)心銅柱替代傳統(tǒng)導(dǎo)熱過孔可將散熱能力從13.2W提升至36.4W，凸顯了消除散熱瓶頸的重要性。

盡管這些方案能有效降低PCB熱阻，但因需增加額外的制造工序而成本較高。相比之下，頂面散熱的T2PAK封裝可直接通過器件頂部高效散熱，無需額外的高成本制造工藝。這些研究結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了T2PAK散熱設(shè)計的有效性：通過優(yōu)化TIM壓縮量、機(jī)械夾緊結(jié)構(gòu)及選配均熱器，即可在緊湊型高功率應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)低結(jié)殼熱阻（Rth(j-f)）和高效散熱。

測試設(shè)置與方法
被測器件（DUT）為一款NVT2016N065M3S碳化硅（SiC）MOSFET，通過T-Global TG-A6200[6]導(dǎo)熱墊片直接安裝在冷板上。該導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)為6.2W/m·K，厚度為1mm，可確保器件與冷板之間高效傳熱。
為實(shí)現(xiàn)精確測量結(jié)溫，MOSFET封裝經(jīng)激光去蓋處理，暴露出內(nèi)部的硅裸芯。隨后，將熱電偶直接固定在裸芯表面以實(shí)時采集溫度數(shù)據(jù)。傳感器安裝完成后，使用MG Chemicals 832HT-A[5]高溫環(huán)氧樹脂重新密封封裝，以保持器件的機(jī)械完整性和熱特性。

圖10.實(shí)驗(yàn)測試裝置

·圖10a展示了K型熱電偶連接至裸露芯片表面的情形。
·圖10b顯示了被測器件在冷板上的完整裝配結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)熱界面材料層。

精確施加扭矩至關(guān)重要，因?yàn)樗苯佑绊懡佑|壓力，進(jìn)而影響界面熱阻。實(shí)驗(yàn)中施加了0.3Nm的扭矩，以實(shí)現(xiàn)高效的熱傳導(dǎo)。

冷板采用50/50的水-乙二醇（WEG）混合液進(jìn)行主動冷卻，循環(huán)流速為6.0升/分鐘，并保持恒定溫度20℃。為在器件內(nèi)部產(chǎn)生熱量，對SiC MOSFET的體二極管施加正向偏壓。通過20A電流源使電流流經(jīng)二極管，并測量對應(yīng)的壓降(VSD)。電流與電壓的乘積即為功耗，通過分析裸芯至冷板的溫升數(shù)據(jù)，據(jù)此計算結(jié)-殼熱阻。

儀器與測量：
·電流源 ：Keysight E36234（20A）
·電壓與溫度測量：Keithley DMM6500
·溫度傳感器：TEWA TTS-5KC3-BZ NTC熱敏電阻（5kΩ，B=3977K），因其高靈敏度與電氣隔離特性而選用

測量結(jié)果
T2PAK封裝器件的裸芯面積為11.9mm2，展現(xiàn)出優(yōu)異的熱性能。在扭矩設(shè)定為0.3Nm時，結(jié)到殼的熱阻（Rth(jf)）測得為1.06K/W，公差為±0.08K/W。當(dāng)扭矩增加至0.35Nm時，熱阻降低至0.93K/W，公差同樣為±0.08K/W。這表明更高的扭矩設(shè)置可增大熱接觸，從而降低熱阻。

這些結(jié)果突顯了機(jī)械夾緊力與熱阻之間的強(qiáng)相關(guān)性。扭矩從0.3Nm增至0.35Nm，使Rth(jf)改善幅度達(dá)12%，主要?dú)w因于TIM材料被更充分壓縮，以及熱接觸阻力降低。

盡管TG-A6200 TIM材料在受壓時能保持穩(wěn)定的導(dǎo)熱系數(shù)，但其厚度會隨壓縮顯著減小。這種厚度的降低縮短了器件與冷板之間的熱傳導(dǎo)路徑，直接提升了熱傳遞效率。研究證實(shí)，即使扭矩僅小幅增加，也能帶來熱性能的顯著改善。

T2PAK封裝為高功率應(yīng)用提供了極具競爭力的散熱解決方案。盡管其裸芯面積小于BPAK封裝，卻展現(xiàn)出更優(yōu)異的熱性能。這得益于更大的頂部散熱接觸面積以及對高夾緊力的良好兼容性，使其特別適用于高熱負(fù)荷場景。在搭配高性能導(dǎo)熱界面材料（TIM）并精確控制裝配扭矩的條件下，T2PAK可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)較低的結(jié)到環(huán)境熱阻（Rth(j-f)），成為散熱受限設(shè)計中的理想選擇。本研究進(jìn)一步驗(yàn)證了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、界面材料選型與測量精度在實(shí)現(xiàn)最佳散熱性能中的關(guān)鍵作用。

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審核編輯 黃宇