AI電源液冷化對貼片三極管封裝形式的新要求

文章出處：平尚科技責任編輯：平尚科技發表時間：2025-12-17

　　?在AI服務器電源從傳統風冷轉向高效液冷的技術浪潮中，核心功率器件的工作環境和散熱邏輯正發生根本性變化。貼片三極管，作為電源模塊中關鍵的開關與驅動元件，其封裝設計已不再僅僅關乎電氣連接，而是演變為一個集成熱管理、環境適應性與可靠性的系統工程。平尚科技基于在工業級液冷應用領域的實踐發現，適應液冷化趨勢的新型封裝，需要直面三大核心挑戰：極低的熱阻路徑、與冷卻介質的長期兼容性，以及抵抗冷熱循環應力的機械穩健性。

AI服務器電源

傳熱路徑的重塑：從“向上散熱”到“向下導熱”
在風冷時代，三極管的散熱主要依靠封裝上表面向空氣的熱對流與輻射。常見的SOT-23、SOT-223等封裝，其熱阻參數（如RθJA，結到環境的熱阻）設計通常圍繞這一路徑優化。然而，在液冷系統中，最高效的散熱路徑是通過芯片底部和引腳，將熱量垂直傳導至PCB，再由PCB內的導熱過孔傳遞至底部的液冷冷板。這就要求貼片三極管的封裝設計優先優化結到外殼（RθJC）和結到板（RθJB）的熱阻。

貼片三極管的封裝設計

為此，采用大面積裸露焊盤（Exposed Pad）的封裝，如DFN（雙邊扁平無引線）、QFN（四邊扁平無引線）等，成為更優選擇。以平尚科技推薦用于中等功率開關應用的DFN5x6封裝為例，其底部的金屬焊盤直接焊接在PCB的散熱焊盤上，創造了極低的熱阻通道。通過優化內部引線框架和芯片貼裝材料（如采用高導熱燒結銀膠而非傳統焊料），可將RθJC降至10°C/W以下，使得芯片產生的熱量能高效導入冷板，從而在同等功率下，芯片結溫（Tj）相比傳統封裝可降低20°C以上，顯著提升了可靠性裕度和潛在的電流輸出能力。

封裝材料的考驗：耐濕、抗腐蝕與長期密封
液冷環境，特別是浸沒式或冷板可能存在冷凝的場景，對封裝材料的可靠性構成了嚴峻挑戰。冷卻液蒸汽或可能的微量滲漏，會長期包圍元器件。傳統的環氧樹脂模塑料（EMC）若吸濕率偏高，在高溫下可能導致內部金屬引線腐蝕或產生“爆米花”效應（分層開裂）。

平尚科技

平尚科技在工業級產品上，會優先選用具有低吸濕率和高玻璃化轉變溫度（Tg）的先進封裝材料。同時，對于功率型三極管，其裸露的金屬散熱面（如DFN的底部焊盤）可能需要額外的涂層保護，如鍍鎳或采用其他耐腐蝕處理，以防止在特定冷卻液化學環境下的氧化或電化學腐蝕。這種對材料細節的關注，確保了貼片三極管在高溫高濕的液冷機柜微環境中，仍能維持長達數年的穩定絕緣和機械強度。

結構強度與互聯可靠性：應對熱應力循環
液冷系統雖然整體溫度更均勻，但在啟停、負載突變或冷卻液流量調整時，功率器件仍會經歷快速的熱循環。封裝內部不同材料（硅芯片、焊料、銅引線框架、環氧樹脂）之間熱膨脹系數（CTE）的差異，會在交變熱應力下產生剪切力，長期可能導致焊點疲勞、引線鍵合點斷裂或內部界面分層。

功率開關貼片三極管

為提升可靠性，新型封裝在結構上持續進化。例如，采用銅夾帶（Clip Bonding）替代傳統的金線鍵合來連接芯片頂部電極和引腳。銅夾的橫截面積遠大于金線，不僅大幅降低了導通電阻和寄生電感，其機械強度也更好，抗熱疲勞能力顯著增強。此外，先進的塑封料與芯片鈍化層之間的粘附性也經過特別優化，以抵抗界面分層的產生。通過這些設計，國內領先的封裝技術已能使貼片三極管承受-55°C至+150°C的極端溫度循環超過1000次，而關鍵電參數（如飽和壓降VCE(sat)）的漂移仍能控制在5%以內，完全滿足液冷AI電源對長期可靠性的苛刻要求。

AI電源的液冷化趨勢，正在倒逼貼片三極管封裝技術從“電氣載體”向“熱-機-電一體化集成載體”深刻演進。平尚科技通過采納和推廣以底部高效導熱、材料環境耐候和內部互聯強化為核心的新型封裝方案，助力國產電源設計駕馭液冷環境。這不僅是封裝形式的物理變更，更是設計哲學上從“適應環境”到“協同環境”的升級，為AI算力底座的持續高效運行，奠定了堅實的器件級基礎。

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