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AI电源液冷化对贴片三极管封装形式的新要求
文章出处：平尚科技
责任编辑：平尚科技
发表时间：2025-12-17
在AI服务器电源从传统风冷转向高效液冷的技术浪潮中，核心功率器件的工作环境和散热逻辑正发生根本性变化。贴片三极管，作为电源模块中关键的开关与驱动元件，其封装设计已不再仅仅关乎电气连接，而是演变为一个集成热管理、环境适应性与可靠性的系统工程。平尚科技基于在工业级液冷应用领域的实践发现，适应液冷化趋势的新型封装，需要直面三大核心挑战：极低的热阻路径、与冷却介质的长期兼容性，以及抵抗冷热循环应力的机械稳健性。
传热路径的重塑：从“向上散热”到“向下导热”在风冷时代，三极管的散热主要依靠封装上表面向空气的热对流与辐射。常见的SOT-23、SOT-223等封装，其热阻参数（如RθJA，结到环境的热阻）设计通常围绕这一路径优化。然而，在液冷系统中，最高效的散热路径是通过芯片底部和引脚，将热量垂直传导至PCB，再由PCB内的导热过孔传递至底部的液冷冷板。这就要求贴片三极管的封装设计优先优化结到外壳（RθJC） 和结到板（RθJB）的热阻。
为此，采用大面积裸露焊盘（Exposed Pad）的封装，如DFN（双边扁平无引线）、QFN（四边扁平无引线）等，成为更优选择。以平尚科技推荐用于中等功率开关应用的DFN5x6封装为例，其底部的金属焊盘直接焊接在PCB的散热焊盘上，创造了极低的热阻通道。通过优化内部引线框架和芯片贴装材料（如采用高导热烧结银胶而非传统焊料），可将RθJC降至10°C/W以下，使得芯片产生的热量能高效导入冷板，从而在同等功率下，芯片结温（Tj）相比传统封装可降低20°C以上，显著提升了可靠性裕度和潜在的电流输出能力。封装材料的考验：耐湿、抗腐蚀与长期密封液冷环境，特别是浸没式或冷板可能存在冷凝的场景，对封装材料的可靠性构成了严峻挑战。冷却液蒸汽或可能的微量渗漏，会长期包围元器件。传统的环氧树脂模塑料（EMC）若吸湿率偏高，在高温下可能导致内部金属引线腐蚀或产生“爆米花”效应（分层开裂）。
平尚科技在工业级产品上，会优先选用具有低吸湿率和高玻璃化转变温度（Tg） 的先进封装材料。同时，对于功率型三极管，其裸露的金属散热面（如DFN的底部焊盘）可能需要额外的涂层保护，如镀镍或采用其他耐腐蚀处理，以防止在特定冷却液化学环境下的氧化或电化学腐蚀。这种对材料细节的关注，确保了贴片三极管在高温高湿的液冷机柜微环境中，仍能维持长达数年的稳定绝缘和机械强度。结构强度与互联可靠性：应对热应力循环液冷系统虽然整体温度更均匀，但在启停、负载突变或冷却液流量调整时，功率器件仍会经历快速的热循环。封装内部不同材料（硅芯片、焊料、铜引线框架、环氧树脂）之间热膨胀系数（CTE）的差异，会在交变热应力下产生剪切力，长期可能导致焊点疲劳、引线键合点断裂或内部界面分层。
为提升可靠性，新型封装在结构上持续进化。例如，采用铜夹带（Clip Bonding） 替代传统的金线键合来连接芯片顶部电极和引脚。铜夹的横截面积远大于金线，不仅大幅降低了导通电阻和寄生电感，其机械强度也更好，抗热疲劳能力显著增强。此外，先进的塑封料与芯片钝化层之间的粘附性也经过特别优化，以抵抗界面分层的产生。通过这些设计，国内领先的封装技术已能使贴片三极管承受-55°C至+150°C的极端温度循环超过1000次，而关键电参数（如饱和压降VCE(sat)）的漂移仍能控制在5%以内，完全满足液冷AI电源对长期可靠性的苛刻要求。AI电源的液冷化趋势，正在倒逼贴片三极管封装技术从“电气载体”向“热-机-电一体化集成载体”深刻演进。平尚科技通过采纳和推广以底部高效导热、材料环境耐候和内部互联强化为核心的新型封装方案，助力国产电源设计驾驭液冷环境。这不仅是封装形式的物理变更，更是设计哲学上从“适应环境”到“协同环境”的升级，为AI算力底座的持续高效运行，奠定了坚实的器件级基础。
