適用功率MOSFET封裝的選擇

2004年8月A版

　　隨著(zhù)個(gè)人計算機、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )及電信系統等很多最終設備的功率水平和功率密度的要求持續不斷提高，對組成電源管理系統的元部件的性能提出了越來(lái)越高的要求。直到最近，硅技術(shù)一直是提高電源管理系統性能的最重要因素。然而，過(guò)去數年中硅技術(shù)的改進(jìn)已經(jīng)將MOSFET的RDS(on)和功率半導體的發(fā)熱量降低到了相當低的水平，以至封裝限制了器件性能的提高。隨著(zhù)系統電流要求成指數性增加，市場(chǎng)上已經(jīng)出現了多種先進(jìn)的功率MOSFET封裝。流行的封裝形式包括：DPAK、SO-8、CopperStrap SO-8、PowerPak、LFPAK、 DirectFET、iPOWIR等。雖然這些技術(shù)提供了更多的設計自由度，但太多的選擇也使得人們大感困惑，特別是讓那些嵌入式電源的設計者無(wú)所適從，他們沒(méi)有很多資源來(lái)試驗所有這些不熟悉的器件。本文將對每種封裝進(jìn)行比較，強調各種嵌入式應用的性能差異，力圖使元器件的選擇變得更為簡(jiǎn)單。

新型封裝技術(shù)的需要

　　考慮到成本和尺寸方面的壓力，以及最近12V配電總線(xiàn)架構的采用，嵌入式的負載點(diǎn)(POL)DC/DC 電源正變得越來(lái)越流行。

　　由于具有尺寸小、外形薄、標準占用面積、性能不錯等特點(diǎn)，標準型焊線(xiàn)式SO-8多年以來(lái)一直是嵌入式POL電源的首選。然而，隨著(zhù)MOSFET硅技術(shù)的迅速發(fā)展，硅器件的RDS(on)開(kāi)始逼近亞mW水平，而標準的SO-8，由于裸片封裝電阻(DFPR)較大，已經(jīng)成為硅性能發(fā)揮的一個(gè)瓶頸。

　　焊線(xiàn)式SO-8的性能受到以下四個(gè)因素的嚴重限制：

封裝電阻

　　典型值1.6mW。在最新器件的總MOSFET RDS(on)中，約50%來(lái)自于封裝電阻。主要原因是內部源極通過(guò)焊線(xiàn)連接到引腳，如圖1(a)所示。

封裝電感

　　內部焊線(xiàn)的引線(xiàn)框封裝的柵極、源極和漏極連接處引入寄生電感。源極電感在電路中將會(huì )象圖2(a)那樣以共源電感形式出現，對MOSFET的開(kāi)關(guān)速度有著(zhù)最大的影響。由于沒(méi)有直接連接到電路裸片的源極，柵極驅動(dòng)電路和主電源通道分享同一電感。在電流開(kāi)關(guān)過(guò)程中，該電感將引入很大的Ldi/dt 效應，使器件的導通和關(guān)斷速度變慢。在開(kāi)關(guān)頻率很高的情況下，這一效應會(huì )大大影響性能。

結到PCB的熱阻

　　MOSFET的漏極與引線(xiàn)框固連在一起，而引線(xiàn)框又與塑料模塑在一起。耗散的功率必須側向傳導到漏極引線(xiàn)和PCB上，這是主要的熱傳導路徑。源極連接處到PCB的熱阻則更高。

結到外殼(封裝頂部)的熱阻

　　由于標準的SO-8采用塑料包封形式，故到封裝頂部的傳熱路徑很差。

　　SO-8封裝的種種限制對其電學(xué)和熱學(xué)性能有著(zhù)極大的影響。隨著(zhù)電流密度要求的提高，對尺寸大小與SO-8相近的新型封裝的需求也變得十分明顯。 圖1示出了若干種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的封裝形式。由于全面或部分突破了標準SO-8的上述4種主要限制，這些封裝形式的性能與SO-8相比都得到了某種程度的提高。

CopperStrap  SO-8技術(shù)

　　CopperStrap是一種新型的互聯(lián)方法，它用覆蓋裸片表面的實(shí)心銅帶來(lái)取代源極與引線(xiàn)框間的焊線(xiàn)連接。圖1(b)示出了CopperStrap SO-8的結構，它的另一個(gè)商標名為PowerConnect。CopperStrap 在硅片和引線(xiàn)框及PCB板之間實(shí)現了一條更好的導熱、導電路徑。它使得熱阻下降了10%~20%，而且讓封裝帶來(lái)的源極連接電阻下降了60%。特別是通過(guò)用CopperStrap替換21根2密耳的金焊線(xiàn)(SO-8封裝所能容納的最高連線(xiàn)數)的辦法，將裸片的源電阻從1 mW降低到了 0.4mW。為了釋放銅帶和硅器件之間由于接觸溫度系數失配引起的熱應力，用充銀的樹(shù)脂來(lái)將銅帶粘接到鋁質(zhì)頂蓋金屬板上。銅帶的形狀和特征對熱循環(huán)條件下的應力分布好壞也有關(guān)鍵性影響。

　　CopperStrap在降低SO-8封裝的電阻方面前進(jìn)了一大步，而且其占用面積與傳統的SO-8也完全相同。事實(shí)上，如今已有如此多的低RDS(on) SO-8器件采用了CopperStrap技術(shù)，該技術(shù)本身現在已經(jīng)被認為是一種標準的SO-8。然而，CopperStrap的結到外殼頂部的熱阻、結到PCB的熱阻和源極電感等性能并未得到改善。隨著(zhù)人們不斷追求更大的電流，它的優(yōu)勢地位很快就會(huì )喪失。

PowerPak技術(shù)

　　SO-8最大的問(wèn)題在于其結到PCB的熱阻很高。過(guò)量的功率耗散使得硅片的溫度顯著(zhù)上升。封裝下一步的發(fā)展方向，自然是通過(guò)除去引線(xiàn)框下方的塑封混合物以及讓引線(xiàn)框金屬結構直接與PCB接觸來(lái)改善裸片PCB之間的熱接觸。引線(xiàn)框下面變成大面積的漏極接觸，并焊接到PCB上。它提供了大得多的接觸面積，把熱量從裸片上導走。這種結構還有一個(gè)附帶的好處，即可以制成更薄的器件，因為塑封材料的消除降低了其厚度。這種封裝技術(shù)的一個(gè)實(shí)例如圖1(c)所示出。PowerPak這種封裝實(shí)現形式的占用面積與SO-8保持一致，但其厚度約為1mm。PowerPak仍然保留了CopperStrap技術(shù)，將到源極的接觸電阻保持在很低水平上。這項技術(shù)與MLP、 LFPAK、 SuperSO-8、 WPAK、 PowerFlat和Bottomless SO-8等技術(shù)保持兼容。

　　PowerPak大大減小了結到PCB的熱阻，從而實(shí)現到母板的高效率傳熱。不過(guò)，由于電流方面的需求迅速提高，母板將出現熱飽和，因此不以母板來(lái)吸熱的要求將越來(lái)越多。通過(guò)散熱器實(shí)現頂端冷卻將日益流行。

DirectFET技術(shù)

　　DirectFET 是一種革命性的概念，它實(shí)質(zhì)上同時(shí)消除了上述SO-8的4種限制。圖1(d)示出DirectFET封裝用于一個(gè)MOSFET裸片的情形。硅片安裝在銅外殼上。封裝底部特別設計的帶有源極和柵極焊盤(pán)的裸片，焊盤(pán)可以直接焊接到PCB上。這種銅“罐子”形成了從芯片的另一側到電路板的漏極連接。該封裝形式避免了傳統的引線(xiàn)框和焊線(xiàn)，兩者正是封裝電阻的主要來(lái)源，而且消除了限制大多數SMT封裝溫度性能的塑料封裝。

　　這種配置最大限度提高了源極和柵極焊盤(pán)與PCB間的接觸面積，從而保證了極高的電學(xué)和熱學(xué)效率。銅“罐子”漏極接觸還為熱量的耗散提供了另一條途徑，形成極為有效的散熱器結構。DirectFET封裝中基本沒(méi)有源極電感，MOSFET源極的充分連接亦形成了驅動(dòng)電路到柵極和源極的連接，而且在大電流路徑上沒(méi)有任何PCB雜散電感的影響，如圖2(b)所示。因此，DirectFET的高頻開(kāi)關(guān)特性極為出色。

　　接入電路后的測試結果表明，一個(gè)DirectFET結構在不帶頂部冷卻的情況下，可以輕松的取代兩個(gè)并聯(lián)的SO-8封裝，有時(shí)能替代2個(gè)并聯(lián)的PowerPAK。在有散熱器固接到其銅外殼的情況下，使用DirectFET可減少并聯(lián)MOSFET的必要性。DirectFET是一種完美的封裝形式，在這種封裝形式中，硅片再次成為MOSFET性能進(jìn)一步提高的限制因素。幾種封裝性能的比較一覽表見(jiàn)表1。

iPOWIR技術(shù)

　　隨著(zhù)封裝和硅技術(shù)的進(jìn)步，功率MOSFET已經(jīng)能跟上迅速上升的電流需求。然而，對于嵌入式POL變換器來(lái)說(shuō)，設計的努力也沒(méi)有變得更容易，事實(shí)上，為了獲得必要的電氣和熱性能，布線(xiàn)和元器件的選擇變得如此之關(guān)鍵，以至于任何失策都將導致可靠性方面的問(wèn)題。嵌入式電源的可測性只局限于DC參數，這也產(chǎn)生對可靠性更多的關(guān)注。

　　iPOWIR技術(shù)可簡(jiǎn)化設計問(wèn)題。通過(guò)添加少數幾個(gè)外接元件，即可在一次布線(xiàn)迭代中完成大電流電源的設計。iPOWIR器件將硅片以及所有的有源、無(wú)源器件集成到一起，在生產(chǎn)中作為大開(kāi)關(guān)電源形式完成測試。除了DC參數外，還以功率損耗或者效率來(lái)作為測試限制條件。把它們作為電源而不是共封裝器件的iPOWIR技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了嵌入式POL電源的設計，以更低的成本實(shí)現了與功能齊備的電源模塊相當的可靠性。例如一種雙路iPOWIR器件(iP1202)可產(chǎn)生每路15A的電流輸出，而其輸出組合在一起(2相方案)便可獲得高達30A的輸出。

選擇恰當的封裝形式

　　以最便宜的元件來(lái)滿(mǎn)足電學(xué)和熱學(xué)要求是眾人所共同追求的目標。然而，處在進(jìn)化鏈最底層的SO-8卻并不一定是最便宜的。常見(jiàn)的一種情況是，一個(gè)SO-8器件中裸片的尺寸必須足夠大，以補償其較大的封裝電阻和高的結溫。例如，DirectFET MOSFET可將部件的數目或者功率損耗降到很低的水平，以至于系統設計比很多SO-8實(shí)現方案還便宜。除了在性能方面帶來(lái)很多確實(shí)好處之外，通過(guò)使用先進(jìn)的封裝來(lái)降低結溫Tj也有利于整個(gè)系統的可靠性。結溫每降低10℃，MTBF大約可以提高1倍。

　　無(wú)論何時(shí)，只要有必要將2個(gè)或更多器件并聯(lián)起來(lái)以滿(mǎn)足效率或溫度方面要求的話(huà)，就可以考慮采用處在進(jìn)化鏈更高一級的器件形式，以求減少元器件的數目。在大開(kāi)關(guān)電源中采取并聯(lián)MOSFET器件的方式并不始終有效，它可能對電路的雜散阻抗和器件的變化很敏感。用單個(gè)器件來(lái)完成任務(wù)的成本更低、也更為可靠。

　　2相方案一般可以提供比單相設計更低的輸出電壓紋波和更好的瞬態(tài)響應特性。不過(guò)為了解決一般熱或效率問(wèn)題而引入更多的相位并不是最佳的解決方案。采用更好的封裝、讓相位的數量保持在2個(gè)左右往往可以提供成本經(jīng)濟性最好的解決方案。只要允許采用頂端冷卻方式，就應該優(yōu)先考慮DirectFET封裝形式。與增加MOSFET器件數量或更多并聯(lián)等做法相比，添加一個(gè)散熱器的成本往往更為低廉。

　　對于那些對分立式板上設計不感興趣的設計者來(lái)說(shuō)，iPOWIR為他們提供了在成本和性能方面極好的折衷。