表面貼裝功率MOSFET封裝的演進

功率MOSFET不僅是一種普遍使用的電子元件，而且也代表著一個眾所周知的事實——硅技術的創(chuàng)新已經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出現在約20年之前，是為了滿足數據存儲行業(yè)對于電機驅動元件的需求而推出的。它占用更小的空間，穩(wěn)步縮小了磁盤驅動器的體積。上世紀90年代初，Siliconix和摩托羅拉相繼推出了SO-8功率MOSFET，后來若干年又出現了幾代更小封裝，包括TSSOP-8和TSOP-6。與此同時，這些器件的應用也在不斷增加，超出了數據存儲行業(yè)的范圍，其中包括筆記本電腦和移動電話，這些產品穩(wěn)步縮小了產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)能負載開關的重要角色，用來關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品，功率MOSFET的這種應用正在不斷擴展。

表面貼裝功率MOSFET技術的下一個重要進展是推出了芯片級器件。幾年前出現的這類器件是為了滿足飛速發(fā)展的便攜式電子產品小型化的需求。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對MOSFET電阻的影響，使這些器件更加有效。今天，Vishay Siliconix MICRO FOOT芯片級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組裝相同的工藝技術進行處理。小占位面積和熱路徑短的優(yōu)勢使芯片級MOSFET成為了空間受限的便攜式設備應用的一種非常理想的選擇，如電池組、PDA、手機和筆記本電腦。

MOSFET封裝最重要的問題一直是在熱設計方面。從可靠性的角度來看，這不僅是因為更低的工作溫度更加理想，而且還因為熱本身會通過自加熱過程給器件帶來導通損耗，這種高溫運行的功率MOSFET將比運行溫度較低的相同芯片產生更高的導通電阻。推出新一代更低導通電阻的芯片的部分很重要的原因是，這樣可以產生更少的熱量，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計的考慮因素，因為隨著更快的微處理器的發(fā)展，PC主板的總“熱預算”產生了大量的熱，而且因為功率半導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的改變，同樣有助于低電壓和非隔離式DC-DC轉換器的采用負載點（POL）實現方法，這已經成為為各種系統(tǒng)的微處理器及其他數字元件提供更低電壓調節(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，而且現在的電源空間分配必須采用POL轉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計提供好得多的散熱性能，但是在今天的應用當中，它們對可用的電路板空間來說實在是太過龐大了。

為了解決這個問題，MOSFET制造商推出了采用專門設計的封裝的器件，用來實現比傳統(tǒng)SO-8封裝更好的散熱，同時保持相同的小占位面積尺寸。一個例子是Vishay Siliconix PowerPAK，這是一種耐熱先進型封裝，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。因此，熱阻得到了顯著的改善。封裝厚度也減小了，可以實現高密度的DC-DC布局。

例如，在相同的SO-8占位面積（大約為30 mm2）內，現在有可能將結點到外殼熱阻從20℃/W降低到1.2℃/W，而結點到環(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的器件已經完成，實現了越來越小的封裝占位面積，如已經推出的PowerPAK型號就采用了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20世紀90年代，在功率MOSFET芯片和封裝改進的推動下，電池供電的設備出現了快速增長，目前還有數百萬臺服務器支持著網絡，功率MOSFET效率已經成為電源供電系統(tǒng)的一個非常重要的問題，這既涉及電路板空間（即使服務器空間也是有限的），也包括熱管理要求。所以，我們現在看到了用于這些系統(tǒng)的特別設計的功率MOSFET封裝都需要風扇進行冷卻。

其中最成功的和唯一一種被多家供應商選用的就是Vishay Siliconix PolarPAK，它是第一款用于業(yè)界的服務器、VRM模塊、圖形卡、POL轉換器和電源的大電流切換應用的塑料封裝雙面冷卻MOSFET封裝。PolarPAK的名稱來源于在MOSFET封裝上下表面進行冷卻的封裝能力。雖然其尺寸類似于標準SO-8封裝，但它卻有兩個熱路徑，如果采用來自風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。與標準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處理兩倍的電流。通過實現更高的散熱性能和降低與封裝有關的損耗，5.16 mm×6.15 mm的PolarPAK封裝有助于設計人員創(chuàng)建更小、更緊湊的電路設計，同時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封裝有助于實現更加纖巧的最終產品——以及一種旨在成為像高端筆記本電腦那樣重要的服務器集群設計。