先进的封装设计促进了更小、更高效的半导体

当前，半导体与集成电路技术的飞速发展，催生出尺寸愈发微小、集成度不断提升的电路。随之而来的挑战是，如何为这些新一代器件提供高效的封装方案，并实现其在模拟与数字领域之间的互联互通。

这绝非一项简单的任务，毕竟当下市场中的各类电子产品与设备，对应着繁杂多样的需求与技术指标。新电路的研发工作持续推进，现有电路也在不断迭代升级，这通常意味着封装设计需要同步进行重新开发。

例如，新型器件采用堆叠芯片架构，将低成本逻辑电路、闪存以及高精度电压测量模块集成一体。这种设计取代了长期以来在印刷电路板（PCB）上通过物理方式连接分立电路的传统方案，因此也对封装的重新设计提出了要求。

封装设计的重要性

如今，封装类型的丰富程度令人惊叹（见图 1）。市面上存在数十种独特的封装设计，每种设计均针对特定的电气、机械或散热指标进行定制化开发。

1. 图中所示为采用 2.3mm×3mm MagPack 封装的 TPSM8286A 6A 降压转换器，整体方案尺寸仅为 28 mm²。

在从微观到宏观的复杂系统中，模拟与数字技术的深度融合，凸显出封装设计日益重要的地位。这种集成往往需要创新型的封装设计方案，不仅要实现对芯片的有效保护，还需保障每一路信号的完整性、电源分配的高效性，以及芯片在实际应用环境中的性能可靠性。

封装内部的革新

过去，封装仅仅是一个套在芯片外部的简单金属或塑料外壳，而这样的时代早已一去不返。如今的封装是结构复杂的设计载体，承担着将模拟芯片及其他半导体元件与 PCB 板相连接的关键作用。以一款典型的功率器件封装为例，其内部就集成了多项功能模块，帮助实现空间、时间与成本的节约。

以 Texas Instruments 的 TPSM8286x 系列产品为例进行剖析。该系列模块之所以能实现卓越性能，核心原因在于其将磁性元件封装与模拟元件进行了高度集成。这种集成设计不仅提升了功率密度与转换效率，还实现了温度的降低，同时最大限度地缩减了电路板占用空间，降低了系统的功率损耗。

面向未来的封装技术

在电路设计流程中，争夺电路板空间已成为一项关键考量因素。当下，市场对于系统小型化、低成本化的要求达到了前所未有的高度。

随着半导体技术的不断进步与数字领域的深度融合，芯片尺寸将持续缩小。因此，封装方案需要在各方面实现更高效率，同时保证性能不打折扣甚至更优，还要兼顾成本控制与尺寸缩减的需求。

聚焦高功率应用领域，直到不久前，相关设计通常还在采用分立场效应晶体管（FET）与调节器，搭配外置控制器的方案。这类设计的互连技术一般采用金线键合工艺，以此降低电气阻抗。但随着黄金价格的飙升（其他材料也出现了类似的价格波动情况），金线键合的成本劣势逐渐凸显。为此，设计人员开始着手重新设计封装，使其能够兼容铜线键合工艺。

基于同样的技术发展思路，一项前沿工艺应运而生 —— 采用铜夹技术的垂直场效应晶体管（vFET）设计。该技术在实现封装尺寸缩减的同时，保障甚至提升了器件的功率性能。

类似的技术突破还有 CMOS 与双极型工艺在单一芯片上的集成，这一成果推动了集成控制器的高性能场效应晶体管的研发进程。

然而，要实现这类器件的稳定应用，需要在封装与 PCB 板之间建立低阻抗的连接通路。设计人员通过研发特殊的低阻抗铜凸点技术解决了这一难题，该技术能够实现封装与 PCB 板电源电路之间的近距离连接。

同样值得关注的是氮化镓（GaN）基智能功率模块（IPM）的技术演进（见图 2），这类产品已经从绝缘栅双极晶体管（IGBT）基智能功率模块方案，升级迭代为氮化镓基智能功率模块方案。正如图 2 所展示的，通过封装技术的重新设计，新一代氮化镓基产品在保持 250W 输出功率性能的前提下，实现了电路板占用空间缩减 65% 的显著突破。

2. 将DRV7308 GaN IPM电路板与250瓦绝缘栅双极晶体管溶液进行比较。

驱动器件微型化发展

在提升器件功能、降低成本与功耗的同时实现微型化，这一市场需求正催生各类创新封装设计方案，而这些方案在短短几年前还属于无法实现的构想。

当下的微型化技术，已经让许多以往难以甚至无法开发的集成器件成为现实。隔离技术就是一个典型案例。微型化进程中，器件互连引线之间的间距不断缩小，这一直是隔离技术面临的一大挑战 —— 引线间距过小容易产生电弧通路及其他干扰问题。

针对这一问题，业界给出的解决方案之一是采用磁隔离技术（见图 3）。该技术的核心目标是通过气隙之外的其他方式，解决引线间的干扰问题。随着封装尺寸的持续缩小，传统气隙方案的隔离效果已无法满足需求。因此，为了在狭小的封装空间内同时实现信号与电源的稳定传输，封装设计中引入了磁隔离技术，以此避免信号或电源受到干扰而出现性能异常。

3. 磁隔离用于可靠地通过隔离屏障传递功率和信号。

集成化：封装技术的核心竞争力

将模拟与数字电路集成在单一封装之内，这一技术突破为行业创造了全新的发展机遇。例如，将天线集成于封装内部的设计，使得超小型传感器能够被部署在汽车门把手等空间受限的位置，拓展了传感器的应用场景。

在高功率应用领域，面向汽车行业的器件将场效应晶体管与快速开关硅基栅极驱动器集成一体。这款集成模块为汽车设计人员提供了一种简化的解决方案，帮助他们以更低的成本、更短的时间，将开关、控制器与保护技术集成到具备增强散热性能的单芯片封装之中。

结论

本文带读者初步领略了封装领域的部分创新成果与面临的挑战。如今，封装在整个设计流程中已经占据了当之无愧的重要地位。它不再仅仅是芯片的 “容身之所”，更成为了提升器件性能、降低成本、缩减电路板占用空间的关键环节，与电路及器件性能紧密关联、相辅相成。