表面貼裝功率MOSFET封裝的演進(jìn)

功率MOSFET不僅是一種普遍使用的電子元件，而且也代表著一個(gè)眾所周知的事實(shí)——硅技術(shù)的創(chuàng)新已經(jīng)與滿足市場需求的表面貼裝封裝的創(chuàng)新形影不離。

第一款SO-8封裝的表面貼裝功率MOSFET出現(xiàn)在約20年之前，是為了滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)行業(yè)對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)元件的需求而推出的。它占用更小的空間，穩(wěn)步縮小了磁盤驅(qū)動(dòng)器的體積。上世紀(jì)90年代初，Siliconix和摩托羅拉相繼推出了SO-8功率MOSFET，后來若干年又出現(xiàn)了幾代更小封裝，包括TSSOP-8和TSOP-6。與此同時(shí)，這些器件的應(yīng)用也在不斷增加，超出了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)行業(yè)的范圍，其中包括筆記本電腦和移動(dòng)電話，這些產(chǎn)品穩(wěn)步縮小了產(chǎn)品體積并贏得了更多的功能。在這類系統(tǒng)中，功率MOSFET開始扮演節(jié)能負(fù)載開關(guān)的重要角色，用來關(guān)閉不需要使用的顯示器或鍵盤背光等功能。隨著越來越多的功能加入了便攜式電子產(chǎn)品，功率MOSFET的這種應(yīng)用正在不斷擴(kuò)展。

表面貼裝功率MOSFET技術(shù)的下一個(gè)重要進(jìn)展是推出了芯片級(jí)器件。幾年前出現(xiàn)的這類器件是為了滿足飛速發(fā)展的便攜式電子產(chǎn)品小型化的需求。使用塑料封裝不僅可以節(jié)省空間，而且還有助于消除封裝寄生效應(yīng)對(duì)MOSFET電阻的影響，使這些器件更加有效。今天，Vishay Siliconix MICRO FOOT芯片級(jí)MOSFET的尺寸范圍從2.4 mm×1.6 mm到1.2 mm×1.0 mm，高度低至0.59 mm。與之相比，非常小尺寸的TSOP-6塑料封裝為3.05 mm×2.85 mm，高度則為1 mm，也就是Vishay器件的大約七倍多，厚度則達(dá)到了兩倍。目前，MICRO FOOT MOSFET可以采用與用于封裝表面貼裝器件的量產(chǎn)組裝相同的工藝技術(shù)進(jìn)行處理。小占位面積和熱路徑短的優(yōu)勢(shì)使芯片級(jí)MOSFET成為了空間受限的便攜式設(shè)備應(yīng)用的一種非常理想的選擇，如電池組、PDA、手機(jī)和筆記本電腦。

MOSFET封裝最重要的問題一直是在熱設(shè)計(jì)方面。從可靠性的角度來看，這不僅是因?yàn)楦偷墓ぷ鳒囟雀永硐?，而且還因?yàn)闊岜旧頃?huì)通過自加熱過程給器件帶來導(dǎo)通損耗，這種高溫運(yùn)行的功率MOSFET將比運(yùn)行溫度較低的相同芯片產(chǎn)生更高的導(dǎo)通電阻。推出新一代更低導(dǎo)通電阻的芯片的部分很重要的原因是，這樣可以產(chǎn)生更少的熱量，而這些熱量可能需要通過封裝散掉。

功率MOSFET的散熱性能已開始成為設(shè)計(jì)的考慮因素，因?yàn)殡S著更快的微處理器的發(fā)展，PC主板的總“熱預(yù)算”產(chǎn)生了大量的熱，而且因?yàn)楣β拾雽?dǎo)體器件必須能夠處理成比例降低的工作電壓及增加的電流。包括引入的一條中間總線電壓軌等電源架構(gòu)的改變，同樣有助于低電壓和非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的采用負(fù)載點(diǎn)（POL）實(shí)現(xiàn)方法，這已經(jīng)成為為各種系統(tǒng)的微處理器及其他數(shù)字元件提供更低電壓調(diào)節(jié)的一種必需，其中包括筆記本電腦。這意味著可供MOSFET使用的范圍在減少，而且現(xiàn)在的電源空間分配必須采用POL轉(zhuǎn)換器和中間總線軌功率模塊。傳統(tǒng)上較大的功率MOSFET封裝，如DPAK可比其小外形同類設(shè)計(jì)提供好得多的散熱性能，但是在今天的應(yīng)用當(dāng)中，它們對(duì)可用的電路板空間來說實(shí)在是太過龐大了。

為了解決這個(gè)問題，MOSFET制造商推出了采用專門設(shè)計(jì)的封裝的器件，用來實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)SO-8封裝更好的散熱，同時(shí)保持相同的小占位面積尺寸。一個(gè)例子是Vishay Siliconix PowerPAK，這是一種耐熱先進(jìn)型封裝，其中的主要熱路徑不再只是通過引線——引線已去除——而是通過大面積的銅焊點(diǎn)。因此，熱阻得到了顯著的改善。封裝厚度也減小了，可以實(shí)現(xiàn)高密度的DC-DC布局。

例如，在相同的SO-8占位面積（大約為30 mm2）內(nèi)，現(xiàn)在有可能將結(jié)點(diǎn)到外殼熱阻從20℃/W降低到1.2℃/W，而結(jié)點(diǎn)到環(huán)境熱阻可以從80℃/W降低到50℃/W，不僅等于或好于同等尺寸SOIC-8的散熱性能，而且還好于較大的DPAK。同理，第一次采用PowerPAK SO-8和PowerPAK 1212-8的器件已經(jīng)完成，實(shí)現(xiàn)了越來越小的封裝占位面積，如已經(jīng)推出的PowerPAK型號(hào)就采用了SC-70（2.05 mm×2.05 mm）和SC-75（1.6 mm×1.6 mm）封裝。

表1 各種功率MOSFET封裝類型的功耗

整個(gè)20世紀(jì)90年代，在功率MOSFET芯片和封裝改進(jìn)的推動(dòng)下，電池供電的設(shè)備出現(xiàn)了快速增長，目前還有數(shù)百萬臺(tái)服務(wù)器支持著網(wǎng)絡(luò)，功率MOSFET效率已經(jīng)成為電源供電系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的問題，這既涉及電路板空間（即使服務(wù)器空間也是有限的），也包括熱管理要求。所以，我們現(xiàn)在看到了用于這些系統(tǒng)的特別設(shè)計(jì)的功率MOSFET封裝都需要風(fēng)扇進(jìn)行冷卻。

其中最成功的和唯一一種被多家供應(yīng)商選用的就是Vishay Siliconix PolarPAK，它是第一款用于業(yè)界的服務(wù)器、VRM模塊、圖形卡、POL轉(zhuǎn)換器和電源的大電流切換應(yīng)用的塑料封裝雙面冷卻MOSFET封裝。PolarPAK的名稱來源于在MOSFET封裝上下表面進(jìn)行冷卻的封裝能力。雖然其尺寸類似于標(biāo)準(zhǔn)SO-8封裝，但它卻有兩個(gè)熱路徑，如果采用來自風(fēng)扇的氣流或附加的散熱器，PolarPAK功率MOSFET就可以處理高得多的電流。暴露的引線框更有益于散熱，而硅片芯則是完全封入的；這意味著不管封裝封入的片芯尺寸如何變化，都可以使用相同的電路板布局。與標(biāo)準(zhǔn)SO-8封裝相比，PolarPAK封裝的散熱效率非常高，以至于它可以在相同的占位面積尺寸內(nèi)處理兩倍的電流。通過實(shí)現(xiàn)更高的散熱性能和降低與封裝有關(guān)的損耗，5.16 mm×6.15 mm的PolarPAK封裝有助于設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建更小、更緊湊的電路設(shè)計(jì)，同時(shí)可以使用更少的元件。利用高度為SO-8一半的僅為0.8 mm的高度尺寸，Vishay Siliconix PolarPAK封裝有助于實(shí)現(xiàn)更加纖巧的最終產(chǎn)品——以及一種旨在成為像高端筆記本電腦那樣重要的服務(wù)器集群設(shè)計(jì)。