主板MOSFET的封裝技術(shù)圖解大全

主板MOSFET的封裝技術(shù)圖解大全

?主板的供電一直是廠商和用戶關(guān)注的焦點(diǎn)，視線從供電相數(shù)開始向MOSFET器件轉(zhuǎn)移。這是因?yàn)殡S著MOSFET技術(shù)的進(jìn)展，大電流、小封裝、低功耗的單芯片MOSFET以及多芯片DrMOS開始用在主板上，新的功率器件吸引了主板用戶的眼球。本文將對(duì)主板采用的MOSFET器件的封裝規(guī)格和封裝技術(shù)作簡(jiǎn)要介紹。

??? MOSFET芯片制作完成后，需要封裝才可以使用。所謂封裝就是給MOSFET芯片加一個(gè)外殼，這個(gè)外殼具有支撐、保護(hù)、冷卻的作用，同時(shí)還為芯片提供電氣連接和隔離，以便MOSFET器件與其它元件構(gòu)成完整的電路。

??? 芯片的材料、工藝是MOSFET性能品質(zhì)的決定性因素，MOSFET廠商自然注重芯片內(nèi)核結(jié)構(gòu)、密度以及工藝的改進(jìn)，以提高M(jìn)OSFET的性能。這些技術(shù)改進(jìn)將付出很高的成本。

??? 封裝技術(shù)也直接影響到芯片的性能和品質(zhì)，對(duì)同樣的芯片以不同形式的封裝，也能提高芯片的性能。所以芯片的封裝技術(shù)是非常重要的。

??? 以安裝在PCB的方式區(qū)分，功率MOSFET的封裝形式有插入式（Through Hole）和表面貼裝式（Surface Mount）二大類。插入式就是MOSFET的管腳穿過PCB的安裝孔焊接在PCB上。表面貼裝則是MOSFET的管腳及散熱法蘭焊接在PCB表面的焊盤上。

??? 常見的直插式封裝如雙列直插式封裝（DIP），晶體管外形封裝（TO），插針網(wǎng)格陣列封裝（PGA）等。

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??? 典型的表面貼裝式如晶體管外形封裝（D-PAK），小外形晶體管封裝（SOT），小外形封裝（SOP），方形扁平封裝（QFP），塑封有引線芯片載體（PLCC）等等。

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??? 電腦主機(jī)板一般不采用直插式封裝的MOSFET，本文不討論直插式封裝的MOSFET。

??? 一般來說，“芯片封裝”有2層含義，一個(gè)是封裝外形規(guī)格，一個(gè)是封裝技術(shù)。對(duì)于封裝外形規(guī)格來說，國際上有芯片封裝標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了統(tǒng)一的封裝形狀和尺寸。封裝技術(shù)是芯片廠商采用的封裝材料和技術(shù)工藝，各芯片廠商都有各自的技術(shù)，并為自己的技術(shù)注冊(cè)商標(biāo)名稱，所以有些封裝技術(shù)的商標(biāo)名稱不同，但其技術(shù)形式基本相同。我們先從標(biāo)準(zhǔn)的封裝外形規(guī)格說起。

??? 一、標(biāo)準(zhǔn)封裝規(guī)格

??? 1、TO封裝

??? TO（Transistor Out-line）的中文意思是“晶體管外形”。這是早期的封裝規(guī)格，例如TO-92，TO-92L，TO-220，TO-252等等都是插入式封裝設(shè)計(jì)。近年來表面貼裝市場(chǎng)需求量增大，TO封裝也進(jìn)展到表面貼裝式封裝。

??? TO252和TO263就是表面貼裝封裝。其中TO-252又稱之為D-PAK，TO-263又稱之為D2PAK。

??? D-PAK封裝的MOSFET有3個(gè)電極，柵極（G）、漏極（D）、源極（S）。其中漏極（D）的引腳被剪斷不用，而是使用背面的散熱板作漏極（D），直接焊接在PCB上，一方面用于輸出大電流，一方面通過PCB散熱。所以PCB的D-PAK焊盤有三處，漏極（D）焊盤較大。

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??? 2、SOT封裝
??? SOT（Small Out-Line Transistor）小外形晶體管封裝。這種封裝就是貼片型小功率晶體管封裝，比TO封裝體積小，一般用于小功率MOSFET。常見的規(guī)格有：

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??? 主板上常用四端引腳的SOT-89 MOSFET。

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??? 3、SOP封裝

??? SOP（Small Out-Line Package）的中文意思是“小外形封裝”。SOP是表面貼裝型封裝之一，引腳從封裝兩側(cè)引出呈海鷗翼狀(L 字形)。材料有塑料和陶瓷兩種。SOP也叫SOL 和DFP。SOP封裝標(biāo)準(zhǔn)有SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28等等，SOP后面的數(shù)字表示引腳數(shù)。MOSFET的SOP封裝多數(shù)采用SOP-8規(guī)格，業(yè)界往往把“P”省略，叫SO（Small Out-Line ）。

??? SO-8采用塑料封裝，沒有散熱底板，散熱不良，一般用于小功率MOSFET。

??? SO-8是PHILIP公司首先開發(fā)的，以后逐漸派生出TSOP（薄小外形封裝）、VSOP（甚小外形封裝）、 SSOP（縮小型SOP）、TSSOP（薄的縮小型SOP）等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。

??? 這些派生的幾種封裝規(guī)格中，TSOP和TSSOP常用于MOSFET封裝。

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??? 5、QFN-56封裝

??? QFN（Quad Flat Non-leaded package）是表面貼裝型封裝之一，中文叫做四邊無引線扁平封裝，是一種焊盤尺寸小、體積小、以塑料作為密封材料的新興表面貼裝芯片封裝技術(shù)。現(xiàn)在多稱為LCC。QFN是日本電子機(jī)械工業(yè)會(huì)規(guī)定的名稱。封裝四邊配置有電極接點(diǎn)，由于無引線，貼裝占有面積比QFP小，高度比QFP低。這種封裝也稱為LCC、PCLC、P－LCC等。QFN本來用于集成電路的封裝，MOSFET不會(huì)采用的。Intel提出的整合驅(qū)動(dòng)與MOSFET的DrMOS采用QFN-56封裝，56是指在芯片背面有56個(gè)連接Pin。

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??? 二、最新封裝形式

??? 由于CPU的低電壓、大電流的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)MOSFET提出輸出電流大，導(dǎo)通電阻低，發(fā)熱量低散熱快，體積小的要求。MOSFET廠商除了改進(jìn)芯片生產(chǎn)技術(shù)和工藝外，也不斷改進(jìn)封裝技術(shù)，在與標(biāo)準(zhǔn)外形規(guī)格兼容的基礎(chǔ)上，提出新的封裝外形，并為自己研發(fā)的新封裝注冊(cè)商標(biāo)名稱。

??? 下面分別介紹主要MOSFET廠商最新的封裝形式。

??? 1、瑞薩（RENESAS）的WPAK、LFPAK和LFPAK-I 封裝

??? WPAK是瑞薩開發(fā)的一種高熱輻射封裝，通過仿D-PAK封裝那樣把芯片散熱板焊接在主板上，通過主板散熱，使小形封裝的WPAK也可以達(dá)到D-PAK的輸出電流。WPAK-D2封裝了高/低2顆MOSFET，減小布線電感。

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??? LFPAK和LFPAK-I是瑞薩開發(fā)的另外2種與SO-8兼容的小形封裝。LFPAK類似D-PAK比D-PAK體積小。LFPAK-i是將散熱板向上，通過散熱片散熱。

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??? 2、威世（Vishay）的Power-PAK和Polar-PAK封裝

??? Power-PAK是威世公司注冊(cè)的MOSFET封裝名稱。Power-PAK包括有Power-PAK1212-8、Power-PAK SO-8兩種規(guī)格。Polar PAK是雙面散熱的小形封裝。
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??? 3、安森美（Onsemi）的SO-8和WDFN8扁平引腳（ Flat Lead）封裝

??? 安美森半導(dǎo)體開發(fā)了2種扁平引腳的MOSFET，其中SO-8兼容的扁平引腳被很多主板采用。

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??? 4、菲利普（Philps）的LFPAK和QLPAK封裝

??? 首先開發(fā)SO-8的菲利普也有改進(jìn)SO-8的新封裝技術(shù)，就是LFPAK和QLPAK。

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??? 5、意法（ST）半導(dǎo)體的PowerSO-8封裝

??? 法意半導(dǎo)體的SO-8改進(jìn)技術(shù)叫做Power SO-8。

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??? 6、飛兆（Fairchild）半導(dǎo)體的Power 56封裝

??? 飛兆半導(dǎo)體的SO-8改進(jìn)技術(shù)叫做Power 56。

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??? 6、國際整流器（IR）的Direct FET封裝

??? Direct FET封裝屬于反裝型的，漏極（D）的散熱板朝上，并覆蓋金屬外殼，通過金屬外殼散熱。

??? 三、內(nèi)部封裝技術(shù)

??? 前面介紹的最新封裝形式都是MOSFET的外部封裝。這些最新封裝還包括內(nèi)部封裝技術(shù)的改進(jìn)，盡管這些新封裝技術(shù)的商標(biāo)名稱多種多樣，其內(nèi)部封裝技術(shù)改進(jìn)主要有三方面：一是改進(jìn)封裝內(nèi)部的互連技術(shù)，二是增加漏極散熱板，三是改變散熱的熱傳導(dǎo)方向。

??? 1、封裝內(nèi)部的互連技術(shù)

??? 早期的標(biāo)準(zhǔn)封裝，包括TO，D-PAK、SOT、SOP，多采用焊線式的內(nèi)部互連，在CPU核心電壓較高，電流較小時(shí)期，這種封裝可以滿足需求。當(dāng)CPU供電進(jìn)展到低電壓、大電流時(shí)代，焊線式封裝就難以滿足了。以標(biāo)準(zhǔn)焊線式SO-8為例，作為小功率MOSFET封裝，發(fā)熱量很小，對(duì)芯片的散熱設(shè)計(jì)沒有特別要求。主板的局部小功率供電（風(fēng)扇調(diào)速）多采用這種SO-8的MOSFET。但用于現(xiàn)代的CPU供電就不能勝任了。這是由于焊線式SO-8的性能受到封裝電阻、封裝電感、PN結(jié)到PCB和外殼的熱阻等四個(gè)因素的限制。
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??? 封裝電阻

??? MOSFET在導(dǎo)通時(shí)存在電阻（RDS(on)），這個(gè)電阻包括芯片內(nèi)PN結(jié)電阻和焊線電阻，其中焊線電阻占50%。RDS(on)是影響MOSFET性能的重要因素。

??? 封裝電感

??? 內(nèi)部焊線的引線框封裝的柵極、源極和漏極連接處會(huì)引入寄生電感。源極電感在電路中將會(huì)以共源電感形式出現(xiàn)，對(duì)MOSFET的開關(guān)速度有著重大影響。

??? 芯片PN結(jié)到PCB的熱阻

??? 芯片的漏極粘合在引線框上,引線框被塑封殼包圍，塑料是熱的不良導(dǎo)體。漏極的熱傳導(dǎo)路徑是芯片→引線框→引腳→PCB，這么長的路徑必然是高熱阻。至于源極的熱傳導(dǎo)還要經(jīng)過焊線到PCB，熱阻更高。

??? 芯片PN結(jié)到外殼(封裝頂部)的熱阻

??? 由于標(biāo)準(zhǔn)的SO-8采用塑料包封,芯片到封裝頂部的傳熱路徑很差。

??? 上述四種限制對(duì)其電學(xué)和熱學(xué)性能有著極大的影響。隨著電流密度要求的提高,MOSFET廠商采用SO-8的尺寸規(guī)格，同時(shí)對(duì)焊線互連形式進(jìn)行改進(jìn)，用金屬帶、或金屬夾板代替焊線，降低封裝電阻、電感和熱阻。
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??? 國際整流器（IR）稱之為Copper Strap技術(shù)，威世（Vishay）稱之為Power Connect 技術(shù)，還有稱之為Wireless Package。
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??? 據(jù)國際半導(dǎo)體報(bào)道，用銅帶取代焊線后，熱阻降低了10-20%，源極至封裝的電阻降低了61%。特別一提的是用銅帶替換14根2-mil金線，芯片源極電阻從1.1 m??降到 0.11 m?。
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??? 2、漏極散熱板

??? 標(biāo)準(zhǔn)SO-8封裝采用塑料把芯片全部包圍，低熱阻的熱傳導(dǎo)通路只是芯片到PCB的引腳。底部緊貼PCB的是塑料外殼。塑料是熱的不良導(dǎo)體，影響漏極的散熱。封裝的散熱改進(jìn)自然是除去引線框下方的塑封混合物，讓引線框金屬結(jié)構(gòu)直接（或者加一層金屬板）與PCB接觸,并焊接到PCB焊盤上。它提供了大得多的接觸面積,把熱量從芯片上導(dǎo)走。這種結(jié)構(gòu)還有一個(gè)附帶的好處,即可以制成更薄的器件,因?yàn)樗芊獠牧系南档土似浜穸取?/P>

??? 威世的Power-PAK，法意半導(dǎo)體的Power SO-8，安美森半導(dǎo)體的SO-8 Flat Lead，瑞薩的WPAK、LFPAK，飛兆半導(dǎo)體的Power 56和Bottomless Package都采用這種散熱技術(shù)。

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??? 3、改變散熱的熱傳導(dǎo)方向

??? Power-PAK封裝顯著減小了芯片到PCB的熱阻，實(shí)現(xiàn)芯片到PCB的高效率傳熱。不過，當(dāng)電流的需求繼續(xù)增大時(shí)，PCB也將出現(xiàn)熱飽和，因此散熱技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)是改變散熱方向，讓芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱器而不是PCB。

??? 瑞薩的LFPAK-I 封裝，國際整流器的Direct FET封裝就是這種散熱技術(shù)。

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??? 四、整合驅(qū)動(dòng)IC的DrMOS

??? 傳統(tǒng)的主板供電電路采用分立式的DC/DC降壓開關(guān)電源，分立式方案無法滿足對(duì)更高功率密度的要求，也不能解決較高開關(guān)頻率下的寄生參數(shù)影響問題。隨著封裝、硅技術(shù)和集成技術(shù)的進(jìn)步，把驅(qū)動(dòng)器和MOSFET整合在一起，構(gòu)建多芯片模塊（MCM）已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。。與分立式方案相比，多芯片模塊可以節(jié)省相當(dāng)可觀的空間并提高功率密度，通過對(duì)驅(qū)動(dòng)器和MOSFET的優(yōu)化提高電能轉(zhuǎn)換效率以及優(yōu)質(zhì)的DC電流。這就是稱之為DrMOS的新一代供電器件。

??? DrMOS的主要特點(diǎn)是：

??? - 采用QFN56無腳封裝，熱阻抗很低。
??? - 采用內(nèi)部引線鍵合以及銅夾帶設(shè)計(jì)，盡量減少外部PCB布線，從而降低電感和電阻。
??? - 采用先進(jìn)的深溝道硅(trench silicon)MOSFET工藝，顯著降低傳導(dǎo)、開關(guān)和柵極電荷損耗。
??? - 兼容多種控制器，可實(shí)現(xiàn)不同的工作模式，支持APS（Auto Phase Switching）。

??? - 針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)的高度優(yōu)化。

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??? 五、MOSFET發(fā)展趨勢(shì)

??? 伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展對(duì)MOSFET的要求，MOSFET封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是性能方面高輸出、高密度、高頻率、高效率，體積方面是更趨向小形化。

??? 下圖是瑞薩提供的低壓MOSFET封裝發(fā)展趨勢(shì)圖。