源極底置封裝提升電源供應器之功率密度

功率晶體技術(shù)的積極發(fā)展，對于交換式電源供應器的高效率及小型化做出具體貢獻，功率晶體在晶粒(die)上的發(fā)展技術(shù)發(fā)展著(zhù)重在有效降低單位面積的導通電阻及寄生電容，以持續不斷地降低導通電阻及提升切換速度，用以有效減少導通損耗及切換損耗，使電源供應器在維持相同的切換頻率下具有較高的效率，或操作在更高頻的條件之下，能夠達到相同的效率要求；另一方面，功率晶體的封裝技術(shù)發(fā)展除了有效減少封裝的寄生電阻及寄生電感，并且能夠通過(guò)不同的技術(shù)，如擴散式焊接(diffusion soldering)實(shí)現降低熱阻(thermal resistance)，或采用能夠實(shí)現雙面散熱(Double sided cooling)的引線(xiàn)連接，進(jìn)而提升功率晶體的散熱能力及封裝小型化。

傳統的功率晶體晶粒的結構，如圖一(a)所示，閘極(Gate)及源極(Source)位于同一平面，而汲極(Drain)位于另一平面，因此，功率晶體封裝方式會(huì )將晶體的的汲極焊接在較大面積的導線(xiàn)架上，而閘極與源極利用引線(xiàn)及夾具連接到封裝的接點(diǎn)，如圖一(b)所示，傳統的封裝方式設計考量緣自考量晶粒的結構以及功率晶體汲極為主要發(fā)熱源的元件層級(component level)考量，而非依照功率晶體實(shí)際應用條件所采用的系統層級(system level)考量。

(a) 

(b)

圖一  (a)功率晶體晶粒結構及(b)傳統功率晶體的封裝連接方式

何謂系統層級考量，例如在降壓型轉換器中，輸入電壓的正電壓及地回路都是具有大面積的銅箔，除了具有電磁屏蔽及減少大電流造成的導通損耗外，更可以拿來(lái)做為轉換器功率晶體的散熱之用，對上管功率晶體而言，若采用傳統的封裝，汲極端點(diǎn)的熱可以透過(guò)正電壓端的大面積銅箔散熱；而下管(Low side)功率晶體的汲極，不僅是熱源也是高頻切換點(diǎn)，無(wú)法采用大面積銅箔進(jìn)行散熱；但是對于下管功率晶體而言，若采用源極底置(source down)的封裝，就可以利用源極連接的大面積地回路來(lái)散熱，除了兼具系統效能，更能有效降低功率晶體的溫度。因此，新式源極底置的封裝，就是為了系統層級考量而設計出來(lái)的封裝。

圖二  系統層級的功率晶體封裝設計考量

如圖三所示，為傳統汲極底置(Drain down)封裝與新式源極底置封裝的示意圖，其中傳統汲極底置封裝的連接方式，功率晶體的晶粒置于導線(xiàn)架(leadframe)之上，導線(xiàn)架直接與功率晶體的汲極相連接，而功率晶體的閘極與源極，分別通過(guò)引線(xiàn)及夾具，連接到封裝接點(diǎn)；而新式的源極底置封裝具有不同的方式，以相反的晶粒放置方式，將源極及閘極以直接連接的方式相連到導線(xiàn)架及閘極封裝，并利用夾具連接晶粒的汲極其及封裝接點(diǎn)。

圖三  傳統封裝與新式源極底置封裝的示意圖

如表一所示，為傳統汲極底置與新式源極底置封裝的參數比較，透過(guò)封裝內連接方式的改變，新式源極底置的封裝能夠有效減少功率晶體的寄生電阻及寄生電感，封裝的寄生電阻從224μΩ減少到140μΩ，而寄生電感從0.44nH減少到0.29nH，可以預期在新式源極底置封裝的功率晶體上，切換過(guò)程時(shí)來(lái)自寄生電感產(chǎn)生的電壓尖波可以被減小，更重要的是熱阻值從1.8℃/W大幅降到1.4℃/W，熱阻值的降低，不僅提高了功率晶體的散熱能力，能夠大幅提高功率晶體的電流能力以外，零件能夠被使用于更高電流的電路，更重要的是，單位面積封裝的零件具有更高的電流及功率處理能力，對于提高電源轉換裝置的功率密度，能夠發(fā)揮更大的效用。

表一  傳統汲極底置與新式源極底置封裝的參數比較

例如在Intel CRPS(Common Redundant Power Supply)架構下伺服器的標準機構寬度為73.5mm，考慮12V電壓輸出的CRPS伺服器輸出端使用的Oring-FET，可以使用25V汲極底置5x6封裝的功率晶體，其導通電阻最低可達0.45mΩ，然而當機構寬度減少至60mm時(shí)，PCB可以使用的寬度減少了20%，如果維持原來(lái)的輸出電流規格不變，此時(shí)采用較小封裝的功率晶體就成為一個(gè)可行的解決方案，25V源極底置3x3封裝的功率晶體，其導通電阻最低可達0.65mΩ，可以滿(mǎn)足在新機構規格的寬度要求。如圖四所示。

圖四  在伺服器電源寬度減少下，輸出Oring-FET封裝的選用

大電流輸出的電源供應器為提高效率采用功率晶體做為同步整流電路，減少大電流輸出所帶來(lái)的導通損耗是必要的設計考量。位于變壓器次級側的同步整流電路大多會(huì )采用變壓器中心抽頭(Center tap)結合功率電晶體來(lái)實(shí)現，針對同步整流功率晶體，相較于通孔 (through hole) 封裝而言，采用表面接著(zhù)(Surface mount)封裝的優(yōu)勢，除了縮小封裝的體積外，更可以減少封裝引腳所帶來(lái)的寄生電感，進(jìn)而降低功率晶體切換過(guò)程中的電壓尖波。此外，為解決表面接著(zhù)封裝功率晶體的溫度問(wèn)題而使用的散熱片連接方式，傳統上有兩種方式：其一，在功率晶體之上使用散熱片，通過(guò)功率晶體上方的塑膠外殼做熱的傳導，如圖五(a)所示；其二，散熱片與功率晶體汲極相連的PCB銅箔焊接連接，提高功率晶體的熱容量及傳導能力，如圖五(b)所示。上述的第一種方法，受限于功率晶體上方的熱阻值偏高，即使加了散熱片，其散熱效果并不明顯；第二種方法，散熱片分別直接接在兩功率晶體的汲極，這兩個(gè)位置是連接變壓器兩端，在電路當中具有不同電位的兩高頻電位切換點(diǎn)，因此電氣隔離的考量使這個(gè)方法只能應用在較無(wú)空間限制的應用之中，如PC電源供應器之中。

圖五  傳統同步整流功率晶體的散熱方式(a) 在功率晶體上使用散熱片(b)在PCB上使用散熱片

重新檢視交換式電源供應器中變壓器結合同步整流電路的連接方式，如圖六所示，無(wú)論是具有中心抽頭的同步整流電路，或是在單端輸出的同步整流及飛輪功率晶體，其源極端都是兩兩相連，并且直接連接于輸出的地回路之上，地回路大多數情況會(huì )采用大面積的銅箔，或是額外使用銅片達成滿(mǎn)足大電流的需求，源極底置的功率晶體封裝非常適用于此種類(lèi)型的電路結構，除了從系統結構上可以有效利用地回路的銅箔面積來(lái)做散熱，汲極面積的減少亦可以相對降低高頻切換點(diǎn)所造成的共模雜訊干擾。

在電源供應器的同步整流電路中，針對源極底置封裝的功率晶體，其零件布局概念如圖七，可以采用小板讓同步整流功率晶體以大面積銅箔在源極相連，甚或焊接額外的銅片到輸出的地電位，而其汲極可以分別在透過(guò)電源主板與變壓器相連。

圖六   電源供應器同步整流電路結構(a)LLC轉換器(b)全橋相移式轉換器(c)順向式轉換器

圖七  源極底置封裝功率晶體零件布局概念

源極底置封裝的功率晶體不同于傳統零件層級考量，是依照系統層級考量所設計出來(lái)的新式封裝，相較于汲極底置的封裝而言，不僅僅減少了寄生電阻及寄生電感能夠減少導通電阻及切換時(shí)產(chǎn)生的電壓尖波。此外，熱阻的降低，能夠大幅提高功率晶體的熱容量及電流能力，在實(shí)際應用時(shí)，在降壓型轉換器中可分別采用汲極底置及源極底置的功率晶體來(lái)達到更好的系統轉換效率及熱傳導；而在同步整流中，可以全部采用源極底置的功率晶體，配合小卡結合源極互連的零件布局及更好的散熱效果，達到更好的轉換效率。