功率半導(dǎo)體科普：MOSFET

01

認(rèn)識(shí)功率器件

1.1 功率半導(dǎo)體器件在工業(yè) 、消費(fèi) 、軍事等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用 ，具有很高的戰(zhàn)略地位，下面我們從一張圖看功率器件的全貌：

1.2 功率半導(dǎo)體器件又可根據(jù)對(duì)電路信號(hào)的控程度分為全型 、半控型及不可；或按驅(qū)動(dòng)電路信號(hào) 性質(zhì)分為電壓驅(qū)動(dòng)型 、電流驅(qū)動(dòng)型等劃分類別 電流驅(qū)動(dòng)型等劃分類別 電流驅(qū)動(dòng)型等劃分類別 。

1.3 不同功率半導(dǎo)體器件 ，其承受電壓 、電流容量 、阻抗能力 、體積大小等特性也會(huì)不同 ，實(shí)際使用中 ， 需要根據(jù)不同領(lǐng)域 、不同需求來(lái)選用合適的器件。

1.4 半導(dǎo)體行業(yè)從誕生至今 ，先后經(jīng)歷了三代材料的變更程 ，截至目前 ，功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域仍主要采 用以 Si 為代表的第一半導(dǎo)體材料 。

1.5 匯總下半控型和全控型功率器件的特性

02

認(rèn)識(shí)MOSFET

2.1 MOS管具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好；制造工藝簡(jiǎn)單、輻射強(qiáng)，因而通常被用于放大電路或開關(guān)電路；

（1）主要選型參數(shù)：漏源電壓VDS（耐壓），ID 連續(xù)漏電流，RDS（on） 導(dǎo)通電阻，Ciss 輸入電容（結(jié)電容），品質(zhì)因數(shù)FOM=Ron * Qg等。

（2）根據(jù)不同的工藝又分為

Trench MOS：溝槽型MOS，主要低壓領(lǐng)域100V內(nèi)；SGT （Split Gate）MOS：分裂柵MOS，主要中低壓領(lǐng)域200V內(nèi)；SJ MOS：超結(jié)MOS，主要在高壓領(lǐng)域 600-800V；

在開關(guān)電源中，如漏極開路電路，漏極原封不動(dòng)地接負(fù)載，叫開路漏極，開路漏極電路中不管負(fù)載接多高的電壓，都能夠接通和關(guān)斷負(fù)載電流。是理想的模擬開關(guān)器件。這就是MOS管做開關(guān)器件的原理（詳細(xì)請(qǐng)關(guān)注作者其他MOS詳解）。

2.2 從市場(chǎng)份額看，MOSFET幾乎都集中在國(guó)際大廠手中，其中英飛凌2015年收購(gòu)了IR（美國(guó)國(guó)際整流器公司）成為行業(yè)龍頭，安森美也在2016年9月完成對(duì)仙童半導(dǎo)體的收購(gòu)后，市占率躍升至第二，然后銷售排名分別是瑞薩、東芝、萬(wàn)國(guó)、ST、威世、安世、美格納等等；

與活躍于中國(guó)大陸的國(guó)際廠商相比，國(guó)產(chǎn)企業(yè)優(yōu)勢(shì)不明顯，但這不能說(shuō)國(guó)產(chǎn)沒(méi)有機(jī)會(huì)，中國(guó)大陸是世界上產(chǎn)業(yè)鏈最齊全的經(jīng)濟(jì)活躍區(qū)，在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域活躍著一批本土制造企業(yè)，目前已基本完成產(chǎn)業(yè)鏈布局，且處于快速發(fā)展中；特別是MOSFET領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)在中低壓領(lǐng)域替換進(jìn)口品牌潛力最大，且部分國(guó)產(chǎn)、如士蘭、華潤(rùn)微（中航）、吉林華微等都在努力進(jìn)入世界排名；

03

主流MOS管品牌

3.1 MOS管分為幾大系列：美系、日系、韓系、國(guó)產(chǎn)。

美系：英飛凌、IR，仙童，安森美，ST，TI ，PI，AOS美國(guó)萬(wàn)代半導(dǎo)體等；

日系：東芝，瑞薩，ROHM羅姆等；

韓系：美格納，KEC，AUK，森名浩，信安，KIA

國(guó)產(chǎn)：吉林華微電子股份有限公司，揚(yáng)州揚(yáng)杰電子科技股份有限公司，

杭州士蘭微電子股份有限公司，華潤(rùn)微電子（重慶）有限公司，無(wú)錫新潔能，西安后裔，深圳銳俊半導(dǎo)體，無(wú)錫華潤(rùn)華晶微電子有限公司，江蘇東晨電子科技有限公司（前身東光微），東微半導(dǎo)體，威兆半導(dǎo)體，蘇州硅能，無(wú)錫市芯途半導(dǎo)體有限公司

國(guó)產(chǎn)臺(tái)系：ANPEC，CET，友順UTC

04

MOS管封裝分類

按照安裝在PCB板上的方式來(lái)劃分，MOS管封裝主要有兩大類：插入式（Through Hole）和表面貼裝式（Surface Mount）。

插入式就是MOSFET的管腳穿過(guò)PCB板的安裝孔并焊接在PCB板上。常見的插入式封裝有：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）三種樣式。

插入式封裝

表面貼裝則是MOSFET的管腳及散熱法蘭焊接在PCB板表面的焊盤上。典型表面貼裝式封裝有：晶體管外形（D-PAK）、小外形晶體管（SOT）、小外形封裝（SOP）、方形扁平式封裝（QFP）、塑封有引線芯片載體（PLCC）等。

表面貼裝式封裝

隨著技術(shù)的發(fā)展，目前主板、顯卡等的PCB板采用直插式封裝方式的越來(lái)越少，更多地選用了表面貼裝式封裝方式。

1、雙列直插式封裝（DIP）

DIP封裝有兩排引腳，需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上，其派生方式為SDIP（Shrink DIP），即緊縮雙入線封裝，較DIP的針腳密度高6倍。

DIP封裝結(jié)構(gòu)形式有：多層陶瓷雙列直插式DIP、單層陶瓷雙列直插式DIP、引線框架式DIP（含玻璃陶瓷封接式、塑料包封結(jié)構(gòu)式、陶瓷低熔玻璃封裝式）等。DIP封裝的特點(diǎn)是可以很方便地實(shí)現(xiàn)PCB板的穿孔焊接，和主板有很好的兼容性。

但由于其封裝面積和厚度都比較大，而且引腳在插拔過(guò)程中很容易被損壞，可靠性較差;同時(shí)由于受工藝的影響，引腳一般都不超過(guò)100個(gè)，因此在電子產(chǎn)業(yè)高度集成化過(guò)程中，DIP封裝逐漸退出了歷史舞臺(tái)。

2、晶體管外形封裝（TO）

屬于早期的封裝規(guī)格，例如TO-3P、TO-247、TO-92、TO-92L、TO-220、TO-220F、TO-251等都是插入式封裝設(shè)計(jì)。

TO-3P/247：是中高壓、大電流MOS管常用的封裝形式，產(chǎn)品具有耐壓高、抗擊穿能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

TO-220/220F：TO-220F是全塑封裝，裝到散熱器上時(shí)不必加絕緣墊;TO-220帶金屬片與中間腳相連，裝散熱器時(shí)要加絕緣墊。這兩種封裝樣式的MOS管外觀差不多，可以互換使用。

TO-251：該封裝產(chǎn)品主要是為了降低成本和縮小產(chǎn)品體積，主要應(yīng)用于中壓大電流60A以下、高壓7N以下環(huán)境中。

TO-92：該封裝只有低壓MOS管（電流10A以下、耐壓值60V以下）和高壓1N60/65在采用，目的是降低成本。

近年來(lái)，由于插入式封裝工藝焊接成本高、散熱性能也不如貼片式產(chǎn)品，使得表面貼裝市場(chǎng)需求量不斷增大，也使得TO封裝發(fā)展到表面貼裝式封裝。TO-252（又稱之為D-PAK）和TO-263（D2PAK）就是表面貼裝封裝。

TO封裝產(chǎn)品外觀

TO252/D-PAK是一種塑封貼片封裝，常用于功率晶體管、穩(wěn)壓芯片的封裝，是目前主流封裝之一。

采用該封裝方式的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(guò)PCB散熱;所以PCB的D-PAK焊盤有三處，漏極（D）焊盤較大。其封裝規(guī)范如下：

TO-252/D-PAK封裝尺寸規(guī)格

TO-263是TO-220的一個(gè)變種，主要是為了提高生產(chǎn)效率和散熱而設(shè)計(jì)，支持極高的電流和電壓，在150A以下、30V以上的中壓大電流MOS管中較為多見。

除了D2PAK（TO-263AB）之外，還包括TO263-2、TO263-3、TO263-5、TO263-7等樣式，與TO-263為從屬關(guān)系，主要是引出腳數(shù)量和距離不同。

TO-263/D2PAK封裝尺寸規(guī)格

3、插針網(wǎng)格陣列封裝（PGA）

PGA（Pin Grid Array Package）芯片內(nèi)外有多個(gè)方陣形的插針，每個(gè)方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列，根據(jù)管腳數(shù)目的多少，可以圍成2～5圈。安裝時(shí)，將芯片插入專門的PGA插座即可，具有插拔方便且可靠性高的優(yōu)勢(shì)，能適應(yīng)更高的頻率。

PGA封裝樣式

其芯片基板多數(shù)為陶瓷材質(zhì)，也有部分采用特制的塑料樹脂來(lái)做基板，在工藝上，引腳中心距通常為2.54mm，引腳數(shù)從64到447不等。

這種封裝的特點(diǎn)是，封裝面積（體積）越小，能夠承受的功耗（性能）就越低，反之則越高。這種封裝形式芯片在早期比較多見，且多用于CPU等大功耗產(chǎn)品的封裝，如英特爾的80486、Pentium均采用此封裝樣式;不大為MOS管廠家所采納。

4、小外形晶體管封裝（SOT）

SOT（Small Out-Line Transistor）是貼片型小功率晶體管封裝，主要有SOT23、SOT89、SOT143、SOT25（即SOT23-5）等，又衍生出SOT323、SOT363/SOT26（即SOT23-6）等類型，體積比TO封裝小。

SOT封裝類型

SOT23是常用的三極管封裝形式，有3條翼形引腳，分別為集電極、發(fā)射極和基極，分別列于元件長(zhǎng)邊兩側(cè)，其中，發(fā)射極和基極在同一側(cè)，常見于小功率晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管和帶電阻網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合晶體管，強(qiáng)度好，但可焊性差，外形如下圖（a）所示。

SOT89具有3條短引腳，分布在晶體管的一側(cè)，另外一側(cè)為金屬散熱片，與基極相連，以增加散熱能力，常見于硅功率表面組裝晶體管，適用于較高功率的場(chǎng)合，外形如下圖（b）所示。

SOT143具有4條翼形短引腳，從兩側(cè)引出，引腳中寬度偏大的一端為集電極，這類封裝常見于高頻晶體管，外形如下圖（c）所示。

SOT252屬于大功率晶體管，3條引腳從一側(cè)引出，中間一條引腳較短，為集電極，與另一端較大的引腳相連，該引腳為散熱作用的銅片，外形如下圖（d）所示。

常見SOT封裝外形比較

主板上常用四端引腳的SOT-89 MOSFET。其規(guī)格尺寸如下：

SOT-89 MOSFET尺寸規(guī)格（單位：mm）

5、小外形封裝（SOP）

SOP（Small Out-Line Package）是表面貼裝型封裝之一，也稱之為SOL或DFP，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封裝標(biāo)準(zhǔn)有SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28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，簡(jiǎn)寫為SO（Small Out-Line）。

SOP-8封裝尺寸

SO-8為PHILIP公司率先開發(fā)，采用塑料封裝，沒(méi)有散熱底板，散熱不良，一般用于小功率MOSFET。

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;其中TSOP和TSSOP常用于MOSFET封裝。

常用于MOS管的SOP派生規(guī)格

6、方形扁平式封裝（QFP）

QFP（Plastic Quad Flat Package）封裝的芯片引腳之間距離很小，管腳很細(xì)，一般在大規(guī)?；虺笮?a target="_blank">集成電路中采用，其引腳數(shù)一般在100個(gè)以上。

用這種形式封裝的芯片必須采用SMT表面安裝技術(shù)將芯片與主板焊接起來(lái)。該封裝方式具有四大特點(diǎn)：

①適用于SMD表面安裝技術(shù)在PCB電路板上安裝布線;

②適合高頻使用;

③操作方便，可靠性高;

④芯片面積與封裝面積之間的比值較小。

與PGA封裝方式一樣，該封裝方式將芯片包裹在塑封體內(nèi)，無(wú)法將芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)導(dǎo)出，制約了MOSFET性能的提升;而且塑封本身增加了器件尺寸，不符合半導(dǎo)體向輕、薄、短、小方向發(fā)展的要求;另外，此類封裝方式是基于單顆芯片進(jìn)行，存在生產(chǎn)效率低、封裝成本高的問(wèn)題。

因此，QFP更適于微處理器/門陳列等數(shù)字邏輯LSI電路采用，也適于VTR信號(hào)處理、音響信號(hào)處理等模擬LSI電路產(chǎn)品封裝。

7、四邊無(wú)引線扁平封裝（QFN）

QFN（Quad Flat Non-leaded package）封裝四邊配置有電極接點(diǎn)，由于無(wú)引線，貼裝表現(xiàn)出面積比QFP小、高度比QFP低的特點(diǎn);其中陶瓷QFN也稱為L(zhǎng)CC（Leadless Chip Carriers），采用玻璃環(huán)氧樹脂印刷基板基材的低成本塑料QFN則稱為塑料LCC、PCLC、P-LCC等。

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)。

QFN主要用于集成電路封裝，MOSFET不會(huì)采用。不過(guò)因Intel提出整合驅(qū)動(dòng)與MOSFET方案，而推出了采用QFN-56封裝（“56”指芯片背面有56個(gè)連接Pin）的DrMOS。

需要說(shuō)明的是，QFN封裝與超薄小外形封裝（TSSOP）具有相同的外引線配置，而其尺寸卻比TSSOP的小62%。根據(jù)QFN建模數(shù)據(jù)，其熱性能比TSSOP封裝提高了55%，電性能（電感和電容）比TSSOP封裝分別提高了60%和30%。最大的缺點(diǎn)則是返修難度高。

采用QFN-56封裝的DrMOS

傳統(tǒng)的分立式DC/DC降壓開關(guān)電源無(wú)法滿足對(duì)更高功耗密度的要求，也不能解決高開關(guān)頻率下的寄生參數(shù)影響問(wèn)題。

隨著技術(shù)的革新與進(jìn)步，把驅(qū)動(dòng)器和MOSFET整合在一起，構(gòu)建多芯片模塊已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)，這種整合方式同時(shí)可以節(jié)省相當(dāng)可觀的空間從而提升功耗密度，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)器和MOS管的優(yōu)化提高電能效率和優(yōu)質(zhì)DC電流，這就是整合驅(qū)動(dòng)IC的DrMOS。

瑞薩第2代DrMOS

經(jīng)過(guò)QFN-56無(wú)腳封裝，讓DrMOS熱阻抗很低;借助內(nèi)部引線鍵合以及銅夾帶設(shè)計(jì)，可最大程度減少外部PCB布線，從而降低電感和電阻。

另外，采用的深溝道硅（trench silicon）MOSFET工藝，還能顯著降低傳導(dǎo)、開關(guān)和柵極電荷損耗;并能兼容多種控制器，可實(shí)現(xiàn)不同的工作模式，支持主動(dòng)相變換模式APS（Auto Phase Switching）。

除了QFN封裝外，雙邊扁平無(wú)引腳封裝（DFN）也是一種新的電子封裝工藝，在安森美的各種元器件中得到了廣泛采用，與QFN相比，DFN少了兩邊的引出電極。

8、塑封有引線芯片載體（PLCC）

PLCC（Plastic Quad Flat Package）外形呈正方形，尺寸比DIP封裝小得多，有32個(gè)引腳，四周都有管腳，引腳從封裝的四個(gè)側(cè)面引出，呈丁字形，是塑料制品。

其引腳中心距1.27mm，引腳數(shù)從18到84不等，J形引腳不易變形，比QFP容易操作，但焊接后的外觀檢查較為困難。PLCC封裝適合用SMT表面安裝技術(shù)在PCB上安裝布線，具有外形尺寸小、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

PLCC封裝是比較常見，用于邏輯LSI、DLD（或程邏輯器件）等電路，主板BIOS常采用的這種封裝形式，不過(guò)目前在MOS管中較少見。

PLCC封裝樣式

主流企業(yè)的封裝與改進(jìn)

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。

1、瑞薩（RENESAS）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(guò)仿D-PAK封裝那樣把芯片散熱板焊接在主板上，通過(guò)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。

瑞薩WPAK封裝尺寸

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，但比D-PAK體積小。LFPAK-i是將散熱板向上，通過(guò)散熱片散熱。

瑞薩 LFPAK和LFPAK-I封裝

2、威世（Vishay）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。

威世Power-PAK1212-8封裝

威世Power-PAK SO-8封裝

Polar PAK是雙面散熱的小形封裝，也是威世核心封裝技術(shù)之一。Polar PAK與普通的so-8封裝相同，其在封裝的上、下兩面均設(shè)計(jì)了散熱點(diǎn)，封裝內(nèi)部不易蓄熱，能夠?qū)⒐ぷ麟娏鞯碾娏髅芏忍岣咧罶O-8的2倍。目前威世已向意法半導(dǎo)體公司提供Polar PAK技術(shù)授權(quán)。

威世Polar PAK封裝

3、安森美（Onsemi）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板卡采用。安森美新近推出的NVMx和NVTx功率MOSFET就采用了緊湊型DFN5（SO-8FL）和WDFN8封裝，可最大限度地降低導(dǎo)通損耗，另外還具有低QG和電容，可將驅(qū)動(dòng)器損耗降到最低的特性。

安森美SO-8扁平引腳封裝

安森美WDFN8封裝

4、恩智浦（NXP）LFPAK和QLPAK封裝

恩智浦（原Philps）對(duì)SO-8封裝技術(shù)改進(jìn)為L(zhǎng)FPAK和QLPAK。其中LFPAK被認(rèn)為是世界上高度可靠的功率SO-8封裝;而QLPAK具有體積小、散熱效率更高的特點(diǎn)，與普通SO-8相比，QLPAK占用PCB板的面積為6*5mm，同時(shí)熱阻為1.5k/W。

恩智浦LFPAK封裝

恩智浦QLPAK封裝

5、意法（ST）半導(dǎo)體PowerSO-8封裝

意法半導(dǎo)體功率MOSFET芯片封裝技術(shù)有SO-8、PowerSO-8、PowerFLAT、DirectFET、PolarPAK等，其中PowerSO-8正是SO-8的改進(jìn)版，此外還有PowerSO-10、PowerSO-20、TO-220FP、H2PAK-2等封裝。

意法半導(dǎo)體Power SO-8封裝

6、飛兆（Fairchild）半導(dǎo)體Power 56封裝

Power 56是Farichild的專用稱呼，正式名稱為DFN 5×6。其封裝面積跟常用的TSOP-8不相上下，而薄型封裝又節(jié)約元件凈空高度，底部Thermal-Pad設(shè)計(jì)降低了熱阻，因此很多功率器件廠商都部署了DFN 5×6。

Fairchild Power 56封裝

7、國(guó)際整流器（IR）Direct FET封裝

Direct FET能在SO-8或更小占位面積上，提供高效的上部散熱，適用于計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、電信和消費(fèi)電子設(shè)備的AC-DC及DC-DC功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。與標(biāo)準(zhǔn)塑料分立封裝相比，DirectFET的金屬罐構(gòu)造具有雙面散熱功能，因而可有效將高頻DC-DC降壓式轉(zhuǎn)換器的電流處理能力增加一倍。

Direct FET封裝屬于反裝型，漏極（D）的散熱板朝上，并覆蓋金屬外殼，通過(guò)金屬外殼散熱。Direct FET封裝極大地改善了散熱，并且占用空間更小，散熱良好。

國(guó)際整流器Direct FET封裝

IR Direct FET封裝系列部分產(chǎn)品規(guī)格

內(nèi)部封裝改進(jìn)方向

除了外部封裝，基于電子制造對(duì)MOS管的需求的變化，內(nèi)部封裝技術(shù)也在不斷得到改進(jìn)，這主要從三個(gè)方面進(jìn)行：改進(jìn)封裝內(nèi)部的互連技術(shù)、增加漏極散熱板、改變散熱的熱傳導(dǎo)方向。

1、封裝內(nèi)部的互連技術(shù)

TO、D-PAK、SOT、SOP等采用焊線式的內(nèi)部互連封裝技術(shù)，當(dāng)CPU或GPU供電發(fā)展到低電壓、大電流時(shí)代，焊線式的SO-8封裝就受到了封裝電阻、封裝電感、PN結(jié)到PCB和外殼熱阻等因素的限制。

SO-8內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)

這四種限制對(duì)其電學(xué)和熱學(xué)性能有著極大的影響。隨著電流密度的提高，MOSFET廠商在采用SO-8尺寸規(guī)格時(shí)，同步對(duì)焊線互連形式進(jìn)行了改進(jìn)，用金屬帶、或金屬夾板代替焊線，以降低封裝電阻、電感和熱阻。

標(biāo)準(zhǔn)型SO-8與無(wú)導(dǎo)線SO-8封裝對(duì)比

國(guó)際整流器（IR）的改進(jìn)技術(shù)稱之為Copper Strap;威世（Vishay）稱之為Power Connect技術(shù);飛兆半導(dǎo)體則叫做Wireless Package。新技術(shù)采用銅帶取代焊線后，熱阻降低了10-20%，源極至封裝的電阻降低了61%。

國(guó)際整流器的Copper Strap技術(shù)

威世的Power Connect技術(shù)

飛兆半導(dǎo)體的Wirless Package技術(shù)

2、增加漏極散熱板

標(biāo)準(zhǔn)的SO-8封裝采用塑料將芯片包圍，低熱阻的熱傳導(dǎo)通路只是芯片到PCB的引腳。而底部緊貼PCB的塑料外殼是熱的不良導(dǎo)體，故而影響了漏極的散熱。

技術(shù)改進(jìn)就是要除去引線框下方的塑封化合物，方法是讓引線框金屬結(jié)構(gòu)直接或加一層金屬板與PCB接觸，并焊接到PCB焊盤上，這樣就提供了更多的散熱接觸面積，把熱量從芯片上帶走;同時(shí)也可以制成更薄的器件。

威世Power-PAK技術(shù)

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都采用了此散熱技術(shù)。

3、改變散熱的熱傳導(dǎo)方向

Power-PAK的封裝雖然顯著減小了芯片到PCB的熱阻，但當(dāng)電流需求繼續(xù)增大時(shí)，PCB同時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱飽和現(xiàn)象。所以散熱技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)就是改變散熱方向，讓芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱器而不是PCB。

瑞薩LFPAK-i封裝

瑞薩的LFPAK-I封裝、國(guó)際整流器的Direct FET封裝均是這種散熱技術(shù)的典型代表。

總結(jié)

未來(lái)，隨著電子制造業(yè)繼續(xù)朝著超薄、小型化、低電壓、大電流方向的發(fā)展，MOS管的外形及內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之改變，以更好適應(yīng)制造業(yè)的發(fā)展需求。另外，為降低電子制造商的選用門檻，MOS管向模塊化、系統(tǒng)級(jí)封裝方向發(fā)展的趨勢(shì)也將越來(lái)越明顯，產(chǎn)品將從性能、成本等多維度協(xié)調(diào)發(fā)展。

而封裝作為MOS管選型的重要參考因素之一，不同的電子產(chǎn)品有不同的電性要求，不同的安裝環(huán)境也需要匹配的尺寸規(guī)格來(lái)滿足。實(shí)際選用中，應(yīng)在大原則下，根據(jù)實(shí)際需求情況來(lái)做抉擇。

有些電子系統(tǒng)受制于PCB的尺寸和內(nèi)部的高度，如通信系統(tǒng)的模塊電源由于高度的限制通常采用DFN5*6、DFN3*3的封裝;在有些ACDC的電源中，使用超薄設(shè)計(jì)或由于外殼的限制，適于裝配TO220封裝的功率MOS管，此時(shí)引腳可直接插到根部，而不適于使用TO247封裝的產(chǎn)品;也有些超薄設(shè)計(jì)需要將器件管腳折彎平放，這會(huì)加大MOS管選用的復(fù)雜度。

05

如何選取MOSFET

一位工程師曾經(jīng)對(duì)我講，他從來(lái)不看MOSFET數(shù)據(jù)表的第一頁(yè)，因?yàn)椤皩?shí)用”的信息只在第二頁(yè)以后才出現(xiàn)。事實(shí)上，MOSFET數(shù)據(jù)表上的每一頁(yè)都包含有對(duì)設(shè)計(jì)者非常有價(jià)值的信息。但人們不是總能搞得清楚該如何解讀制造商提供的數(shù)據(jù)。本文概括了一些MOSFET的關(guān)鍵指標(biāo)，這些指標(biāo)在數(shù)據(jù)表上是如何表述的，以及你理解這些指標(biāo)所要用到的清晰圖片。像大多數(shù)電子器件一樣，MOSFET也受到工作溫度的影響。所以很重要的一點(diǎn)是了解測(cè)試條件，所提到的指標(biāo)是在這些條件下應(yīng)用的。還有很關(guān)鍵的一點(diǎn)是弄明白你在“產(chǎn)品簡(jiǎn)介”里看到的這些指標(biāo)是“最大”或是“典型”值，因?yàn)橛行?shù)據(jù)表并沒(méi)有說(shuō)清楚。

電壓等級(jí)

確定MOSFET的首要特性是其漏源電壓VDS，或“漏源擊穿電壓”，這是在柵極短路到源極，漏極電流在250μA情況下，MOSFET所能承受的保證不損壞的最高電壓。VDS也被稱為“25℃下的絕對(duì)最高電壓”，但是一定要記住，這個(gè)絕對(duì)電壓與溫度有關(guān)，而且數(shù)據(jù)表里通常有一個(gè)“VDS溫度系數(shù)”。你還要明白，最高VDS是直流電壓加上可能在電路里存在的任何電壓尖峰和紋波。例如，如果你在電壓30V并帶有100mV、5ns尖峰的電源里使用30V器件，電壓就會(huì)超過(guò)器件的絕對(duì)最高限值，器件可能會(huì)進(jìn)入雪崩模式。在這種情況下，MOSFET的可靠性沒(méi)法得到保證。

在高溫下，溫度系數(shù)會(huì)顯著改變擊穿電壓。例如，一些600V電壓等級(jí)的N溝道MOSFET的溫度系數(shù)是正的，在接近最高結(jié)溫時(shí)，溫度系數(shù)會(huì)讓這些MOSFET變得象650V MOSFET。很多MOSFET用戶的設(shè)計(jì)規(guī)則要求10%～20%的降額因子。在一些設(shè)計(jì)里，考慮到實(shí)際的擊穿電壓比25℃下的額定數(shù)值要高5%~10%，會(huì)在實(shí)際設(shè)計(jì)中增加相應(yīng)的有用設(shè)計(jì)裕量，對(duì)設(shè)計(jì)是很有利的。

對(duì)正確選擇MOSFET同樣重要的是理解在導(dǎo)通過(guò)程中柵源電壓VGS的作用。這個(gè)電壓是在給定的最大RDS（on）條件下，能夠確保MOSFET完全導(dǎo)通的電壓。這就是為什么導(dǎo)通電阻總是與VGS水平關(guān)聯(lián)在一起的原因，而且也是只有在這個(gè)電壓下才能保證器件導(dǎo)通。一個(gè)重要的設(shè)計(jì)結(jié)果是，你不能用比用于達(dá)到RDS（on）額定值的最低VGS還要低的電壓，來(lái)使MOSFET完全導(dǎo)通。例如，用3.3V微控制器驅(qū)動(dòng)MOSFET完全導(dǎo)通，你需要用在VGS= 2.5V或更低條件下能夠?qū)ǖ腗OSFET。

導(dǎo)通電阻，柵極電荷，以及“優(yōu)值系數(shù)”

MOSFET的導(dǎo)通電阻總是在一個(gè)或多個(gè)柵源電壓條件下確定的。最大RDS（on）限值可以比典型數(shù)值高20%～50%。RDS（on）最大限值通常指的25℃結(jié)溫下的數(shù)值，而在更高的溫度下，RDS（on）可以增加30%～150%，如圖1所示。由于RDS（on）隨溫度而變，而且不能保證最小的電阻值，根據(jù)RDS（on）來(lái)檢測(cè)電流不是很準(zhǔn)確的方法。

圖1 RDS（on）在最高工作溫度的30%～150%這個(gè)范圍內(nèi)隨溫度增加而增加

導(dǎo)通電阻對(duì)N溝道和P溝道MOSFET都是十分重要的。在開關(guān)電源中，Qg是用在開關(guān)電源里的N溝道MOSFET的關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)镼g會(huì)影響開關(guān)損耗。這些損耗有兩個(gè)方面影響：一個(gè)是影響MOSFET導(dǎo)通和關(guān)閉的轉(zhuǎn)換時(shí)間；另一個(gè)是每次開關(guān)過(guò)程中對(duì)柵極電容充電所需的能量。要牢記的一點(diǎn)是，Qg取決于柵源電壓，即使用更低的Vgs可以減少開關(guān)損耗。

作為一種快速比較準(zhǔn)備用在開關(guān)應(yīng)用里MOSFET的方式，設(shè)計(jì)者經(jīng)常使用一個(gè)單數(shù)公式，公式包括表示傳導(dǎo)損耗RDS（on）及表示開關(guān)損耗的Qg：RDS（on） xQg。這個(gè)“優(yōu)值系數(shù)”（FOM）總結(jié)了器件的性能，可以用典型值或最大值來(lái)比較MOSFET。要保證在器件中進(jìn)行準(zhǔn)確的比較，你需要確定用于RDS（on） 和Qg的是相同的VGS，在公示里典型值和最大值沒(méi)有碰巧混在一起。較低的FOM能讓你在開關(guān)應(yīng)用里獲得更好的性能，但是不能保證這一點(diǎn)。只有在實(shí)際的電路里才能獲得最好的比較結(jié)果，在某些情況下可能需要針對(duì)每個(gè)MOSFET對(duì)電路進(jìn)行微調(diào)。

額定電流和功率耗散

基于不同的測(cè)試條件，大多數(shù)MOSFET在數(shù)據(jù)表里都有一個(gè)或多個(gè)的連續(xù)漏極電流。你要仔細(xì)看看數(shù)據(jù)表，搞清楚這個(gè)額定值是在指定的外殼溫度下（比如TC = 25℃），或是環(huán)境溫度（比如TA = 25℃）。這些數(shù)值當(dāng)中哪些是最相關(guān)將取決于器件的特性和應(yīng)用（見圖2）。

圖2 全部絕對(duì)最大電流和功率數(shù)值都是真實(shí)的數(shù)據(jù)

對(duì)于用在手持設(shè)備里的小型表面貼裝器件，關(guān)聯(lián)度最高的電流等級(jí)可能是在70℃環(huán)境溫度下的電流，對(duì)于有散熱片和強(qiáng)制風(fēng)冷的大型設(shè)備，在TA = 25℃下的電流等級(jí)可能更接近實(shí)際情況。對(duì)于某些器件來(lái)說(shuō)，管芯在其最高結(jié)溫下能夠處理的電流要高于封裝所限定的電流水平，在一些數(shù)據(jù)表，這種“管芯限定”的電流等級(jí)是對(duì)“封裝限定”電流等級(jí)的額外補(bǔ)充信息，可以讓你了解管芯的魯棒性。

對(duì)于連續(xù)的功率耗散也要考慮類似的情況，功耗耗散不僅取決于溫度，而且取決于導(dǎo)通時(shí)間。設(shè)想一個(gè)器件在TA= 70℃情況下，以PD=4W連續(xù)工作10秒鐘。構(gòu)成“連續(xù)”時(shí)間周期的因素會(huì)根據(jù)MOSFET封裝而變化，所以你要使用數(shù)據(jù)表里的標(biāo)準(zhǔn)化熱瞬態(tài)阻抗圖，看經(jīng)過(guò)10秒、100秒或10分鐘后的功率耗散是什么樣的。如圖3所示，這個(gè)專用器件經(jīng)過(guò)10秒脈沖后的熱阻系數(shù)大約是0.33，這意味著經(jīng)過(guò)大約10分鐘后，一旦封裝達(dá)到熱飽和，器件的散熱能力只有1.33W而不是4W，盡管在良好冷卻的情況下器件的散熱能力可以達(dá)到2W左右。

圖3 MOSFET在施加功率脈沖情況下的熱阻

實(shí)際上，我們可以把MOSFET選型分成四個(gè)步驟。

第一步：選用N溝道還是P溝道

為設(shè)計(jì)選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)MOSFET接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOSFET，這是出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOSFET連接到總線及負(fù)載接地時(shí)，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET，這也是出于對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)的考慮。

要選擇適合應(yīng)用的器件，必須確定驅(qū)動(dòng)器件所需的電壓，以及在設(shè)計(jì)中最簡(jiǎn)易執(zhí)行的方法。下一步是確定所需的額定電壓，或者器件所能承受的最大電壓。額定電壓越大，器件的成本就越高。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，額定電壓應(yīng)當(dāng)大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護(hù)，使MOSFET不會(huì)失效。就選擇MOSFET而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大電壓會(huì)隨溫度而變化這點(diǎn)十分重要。設(shè)計(jì)人員必須在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)測(cè)試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個(gè)變化范圍，確保電路不會(huì)失效。設(shè)計(jì)工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guān)電子設(shè)備（如電機(jī)或變壓器）誘發(fā)的電壓瞬變。不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源為20～30V、85～220VAC應(yīng)用為450～600V。

第二步：確定額定電流

第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結(jié)構(gòu)而定，該額定電流應(yīng)是負(fù)載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設(shè)計(jì)人員必須確保所選的MOSFET能承受這個(gè)額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí)。兩個(gè)考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，MOSFET處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電流連續(xù)通過(guò)器件。脈沖尖峰是指有大量電涌（或尖峰電流）流過(guò)器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個(gè)最大電流的器件便可。

選好額定電流后，還必須計(jì)算導(dǎo)通損耗。在實(shí)際情況下，MOSFET并不是理想的器件，因?yàn)樵趯?dǎo)電過(guò)程中會(huì)有電能損耗，這稱之為導(dǎo)通損耗。MOSFET在“導(dǎo)通”時(shí)就像一個(gè)可變電阻，由器件的RDS（ON）所確定，并隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS（ON）計(jì)算，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化。對(duì)MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS（ON）就會(huì)越?。环粗甊DS（ON）就會(huì)越高。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。對(duì)便攜式設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，采用較低的電壓比較容易（較為普遍），而對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)，可采用較高的電壓。注意RDS（ON）電阻會(huì)隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS（ON）電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

技術(shù)對(duì)器件的特性有著重大影響，因?yàn)橛行┘夹g(shù)在提高最大VDS時(shí)往往會(huì)使RDS（ON）增大。對(duì)于這樣的技術(shù)，如果打算降低VDS和RDS（ON），那么就得增加晶片尺寸，從而增加與之配套的封裝尺寸及相關(guān)的開發(fā)成本。業(yè)界現(xiàn)有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術(shù)，其中最主要的是溝道和電荷平衡技術(shù)。

在溝道技術(shù)中，晶片中嵌入了一個(gè)深溝，通常是為低電壓預(yù)留的，用于降低導(dǎo)通電阻RDS（ON）。為了減少最大VDS對(duì)RDS（ON）的影響，開發(fā)過(guò)程中采用了外延生長(zhǎng)柱/蝕刻柱工藝。例如，飛兆半導(dǎo)體開發(fā)了稱為SuperFET的技術(shù)，針對(duì)RDS（ON）的降低而增加了額外的制造步驟。

這種對(duì)RDS（ON）的關(guān)注十分重要，因?yàn)楫?dāng)標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的擊穿電壓升高時(shí)，RDS（ON）會(huì)隨之呈指數(shù)級(jí)增加，并且導(dǎo)致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS（ON）與晶片尺寸間的指數(shù)關(guān)系變成了線性關(guān)系。這樣，SuperFET器件便可在小晶片尺寸，甚至在擊穿電壓達(dá)到600V的情況下，實(shí)現(xiàn)理想的低RDS（ON）。結(jié)果是晶片尺寸可減小達(dá)35%。而對(duì)于最終用戶來(lái)說(shuō)，這意味著封裝尺寸的大幅減小。

第三步：確定熱要求

選擇MOSFET的下一步是計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對(duì)最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會(huì)失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測(cè)量數(shù)據(jù)；比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。

器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積（結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+［熱阻×功率耗散］）。根據(jù)這個(gè)方程可解出系統(tǒng)的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS（ON）。由于設(shè)計(jì)人員已確定將要通過(guò)器件的最大電流，因此可以計(jì)算出不同溫度下的RDS（ON）。值得注意的是，在處理簡(jiǎn)單熱模型時(shí)，設(shè)計(jì)人員還必須考慮半導(dǎo)體結(jié)/器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量；即要求印刷電路板和封裝不會(huì)立即升溫。

雪崩擊穿是指半導(dǎo)體器件上的反向電壓超過(guò)最大值，并形成強(qiáng)電場(chǎng)使器件內(nèi)電流增加。該電流將耗散功率，使器件的溫度升高，而且有可能損壞器件。半導(dǎo)體公司都會(huì)對(duì)器件進(jìn)行雪崩測(cè)試，計(jì)算其雪崩電壓，或?qū)ζ骷姆€(wěn)健性進(jìn)行測(cè)試。計(jì)算額定雪崩電壓有兩種方法；一是統(tǒng)計(jì)法，另一是熱計(jì)算。而熱計(jì)算因?yàn)檩^為實(shí)用而得到廣泛采用。不少公司都有提供其器件測(cè)試的詳情，如飛兆半導(dǎo)體提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”（ Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild網(wǎng)站去下載）。除計(jì)算外，技術(shù)對(duì)雪崩效應(yīng)也有很大影響。例如，晶片尺寸的增加會(huì)提高抗雪崩能力，最終提高器件的穩(wěn)健性。對(duì)最終用戶而言，這意味著要在系統(tǒng)中采用更大的封裝件。

第四步：決定開關(guān)性能

選擇MOSFET的最后一步是決定MOSFET的開關(guān)性能。影響開關(guān)性能的參數(shù)有很多，但最重要的是柵極/漏極、柵極/ 源極及漏極/源極電容。這些電容會(huì)在器件中產(chǎn)生開關(guān)損耗，因?yàn)樵诿看伍_關(guān)時(shí)都要對(duì)它們充電。MOSFET的開關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。為計(jì)算開關(guān)過(guò)程中器件的總損耗，設(shè)計(jì)人員必須計(jì)算開通過(guò)程中的損耗（Eon）和關(guān)閉過(guò)程中的損耗（Eoff）。MOSFET開關(guān)的總功率可用如下方程表達(dá)：Psw=（Eon+Eoff）×開關(guān)頻率。而柵極電荷（Qgd）對(duì)開關(guān)性能的影響最大。

基于開關(guān)性能的重要性，新的技術(shù)正在不斷開發(fā)以解決這個(gè)開關(guān)問(wèn)題。芯片尺寸的增加會(huì)加大柵極電荷；而這會(huì)使器件尺寸增大。為了減少開關(guān)損耗，新的技術(shù)如溝道厚底氧化已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生，旨在減少柵極電荷。舉例說(shuō)，SuperFET這種新技術(shù)就可通過(guò)降低RDS（ON）和柵極電荷（Qg），最大限度地減少傳導(dǎo)損耗和提高開關(guān)性能。這樣，MOSFET就能應(yīng)對(duì)開關(guān)過(guò)程中的高速電壓瞬變（dv/dt）和電流瞬變（di/dt），甚至可在更高的開關(guān)頻率下可靠地工作。

審核編輯 ：李倩