裸芯片效能最大化：散热、布局与可靠性验证

Central Semiconductor（隶属AEM集团）新产品开发经理Nick Perosino近期开展线上研讨会，探讨了裸芯片散热优化、芯片定制外形、军标认证，以及目前多数工程师尚未普及使用裸芯片的原因。

问：标准封装器件与经过优化的裸芯片组件，热阻实际差距有多大？

答：裸芯片本身存在理论热阻上限，也就是硅本体极限热阻，典型值约为0.5℃/W。传统封装器件的热阻表现，始终会高于这一数值。

一款采用标准TO-220封装、引脚框架焊盘为9毫米铜银材质、搭配两根12密耳键合线的器件，其结到环境热阻约为120℃/W，结到外壳热阻为5℃/W。

而采用相同9毫米腔体的镍金混合封装裸芯片方案，顶部改用可伐合金夹片替代键合线，且正反两面均使用共晶焊料，最终结到环境热阻可降至10℃/W，结到外壳热阻达到0.5℃/W，完全消除了组装结构带来的热阻影响。

图1左侧为半导体厂商量产的标准TO-220器件结构，采用两根12密耳载流键合线，通过焊料固定在9毫米铜银引脚框架焊盘上。该芯片尺寸约150×110密耳，结到环境热阻约120℃/W，结到外壳热阻约5℃/W。右侧为裸芯片镍金混合封装结构，腔体尺寸同样为9毫米，顶部采用可伐合金夹片实现互联，不再使用键合线，器件正反两面均使用预制共晶焊料，芯片有效键合区域约178密耳。该方案结到环境热阻为10℃/W，结到外壳热阻低至0.5℃/W，彻底规避了组装结构带来的热损耗。

热阻差异对电流承载能力的影响十分显著。沿用上述案例中的40伏MOSFET裸芯片，在硅本体极限条件下，额定电流可达105.4安培。若将其封装后整体热阻为35℃/W，额定电流会骤降至12.6安培；热阻升至64℃/W时，电流进一步降至9.3安培。芯片本身并未改变，差异仅来自组装方式。如今电源转换效率提升、功耗优化已是行业重中之重，这类性能损耗往往难以接受。

问：优化热阻的主流组装工艺有哪些？

答：主要有三大方向。第一，增大底部焊盘或引脚框架的面积，也就是芯片背部的金属接触区域。

第二，优化顶部接触面积，可采用带状键合或夹片焊接工艺。市面通用器件大多使用键合线，但这种方式并非热阻优化的理想选择。带状键合性能优于传统键合线，而焊料夹片连接则效果更佳。这类工艺不仅增大接触面积、形成良好欧姆接触、降低等效电阻，还能避免键合线弧度与柱状结构带来的寄生电感。

第三是选材优化。芯片贴装可选用普通焊料、共晶钎料、共晶焊料、银浆或导电银胶。量产通用器件普遍使用导电银胶，其成本低、易实现自动化生产，能够满足基础使用需求。但在工业、航空航天、国防、医疗等高可靠性混合封装场景中，银胶并非最优解。使用裸芯片则可以灵活选用各类材料：共晶焊料更适配高温工况。丰富的材料选择，能为设计提供最大灵活性。

问：对多数项目而言，定制芯片布局是否具备可行性？

答：这是一个容易被忽视但切实可行的方案。企业可向芯片原厂提出需求，定制芯片布局。当然，这类定制一般适用于长期研发项目，成本会高于直接使用标准裸芯片。但对于关键任务设备、高可靠性场景，或是综合收益远高于投入的项目，芯片定制都是可行选项。

曾有一位客户的安装基座为三角结构，不愿额外加装配件来固定封装器件，我们便专门设计出三角形大电流肖特基芯片，完美适配安装空间。还有客户需要将芯片倒装贴装在基板上，对应的整流二极管就采用平面结构设计，并做背部绝缘处理，可直接贴装后再涂覆三防涂层。裸芯片的结构改造虽并非无限自由，但可实现的定制化方案十分丰富。

图2 MIL-PRF-38534军规性能标准要求。

问：高可靠性场景下，裸芯片有哪些可靠性认证方案？

答：裸芯片执行MIL-PRF-38534军用性能标准。业内主流检测流程分为H级与K级，其中K级标准更为严苛。检测项目包含热气流测试、温度循环测试、颗粒撞击噪声检测、老化测试、细检漏、X射线检测、扫描电镜分析、键合线拉力测试、芯片剪切测试等多项内容。

企业还可根据应用需求定制加严筛选方案，在标准流程基础上增减检测项目。针对关键任务设备、航空航天及国防类产品，可通过全套严苛测试保障裸芯片性能稳定，这和封装器件选用符合MIL-PRF-19500标准的JAN、JANTX等级产品是同一个道理。

问：结合你的经验，目前裸芯片普及最大的阻碍是什么？

答：首先是固有认知问题。大家采购元器件时，习惯直接选用成品封装器件，这也是校园学习、职场工作中形成的固有使用习惯。裸芯片应用尚属于较新的技术方向。

从技术层面来看，工程师普遍心存顾虑，主要因为裸芯片对操作环境要求更高。成品封装器件耐操作性强，从编带取出后可随意取用；但裸芯片必须精细操作。理想情况下，裸芯片需在洁净室或通风橱内作业，并且要使用真空吸笔完成拾取与贴装。不过目前市面上已有成熟的手动、半自动及全自动配套设备，硬件条件完全可以满足。

在我看来，一方面裸芯片的优势尚未被行业广泛熟知，另一方面，操作人员需要重新学习管控流程与质量规范，这也让不少人望而却步。但如今，成品器件的使用便利性，与裸芯片在小型化、高性能上的优势差距正在逐步缩小，裸芯片的操作难度持续降低，性能提升空间也十分可观。