MOSFET的封装技术图解大全

./MOSFET的封装技术图解大全主板MOSFET的封装技术图解大全主板的供电一直是厂商和用户关注的焦点,视线从供电相数开始向MOSFET器件转移。这是因为随着MOSFET技术的进展,大电流、小封装、低功耗的单芯片MOSFET以及多芯片DrMOS开始用在主板上,新的功率器件吸引了主板用户的眼球。本文将对主板采用的MOSFET器件的封装规格和封装技术作简要介绍。

MOSFET芯片制作完成后,需要封装才可以使用。所谓封装就是给MOSFET芯片加一个外壳,这个外壳具有支撑、保护、冷却的作用,同时还为芯片提供电气连接和隔离,以便MOSFET器件与其它元件构成完整的电路。

芯片的材料、工艺是MOSFET性能品质的决定性因素,MOSFET厂商自然注重芯片核结构、密度以及工艺的改进,以提高MOSFET的性能。这些技术改进将付出很高的成本。

封装技术也直接影响到芯片的性能和品质,对同样的芯片以不同形式的封装,也能提高芯片的性能。所以芯片的封装技术是非常重要的。

以安装在PCB的方式区分,功率MOSFET的封装形式有插入式〔ThroughHole和表面贴装式〔SurfaceMount二大类。插入式就是MOSFET的管脚穿过PCB的安装孔焊接在PCB上。表面贴裝则是MOSFET的管脚及散热法兰焊接在PCB表面的焊盘上。

常见的直插式封装如双列直插式封装〔DIP,晶体管外形封装〔TO,插针网格阵列封装〔PGA等。

典型的表面贴装式如晶体管外形封装〔D-PAK,小外形晶体管封装〔SOT,小外形封装〔SOP,方形扁平封装〔QFP,塑封有引线芯片载体〔PLCC等等。电脑主机板一般不采用直插式封装的MOSFET,本文不讨论直插式封装的MOSFET。

一般来说,"芯片封装"有2层含义,一个是封装外形规格,一个是封装技术。对于封装外形规格来说,国际上有芯片封装标准,规定了统一的封装形状和尺寸。封装技术是芯片厂商采用的封装材料和技术工艺,各芯片厂商都有各自的技术,并为自己的技术注册商标名称,所以有些封装技术的商标名称不同,但其技术形式基本相同。我们先从标准的封装外形规格说起。

一、标准封装规格

1、TO封装

TO〔TransistorOut-line的中文意思是"晶体管外形"。这是早期的封装规格,例如TO-92,TO-92L,TO-220,TO-252等等都是插入式封装设计。近年来表面贴装市场需求量增大,TO封装也进展到表面贴装式封装。

TO252和TO263就是表面贴装封装。其中TO-252又称之为D-PAK,TO-263又称之为D2PAK。

D-PAK封装的MOSFET有3个电极,栅极〔G、漏极〔D、源极〔S。其中漏极〔D的引脚被剪断不用,而是使用背面的散热板作漏极〔D,直接焊接在PCB上,一方面用于输出大电流,一方面通过PCB散热。所以PCB的D-PAK焊盘有三处,漏极〔D焊盘较大。

2、SOT封装

SOT〔SmallOut-LineTransistor小外形晶体管封装。这种封装就是贴片型小功率晶体管封装,比TO封装体积小,一般用于小功率MOSFET。常见的规格有：

主板上常用四端引脚的SOT-89MOSFET。

3、SOP封装

SOP〔SmallOut-LinePackage的中文意思是"小外形封装"。SOP是表面贴装型封装之一,引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状<L字形>。材料有塑料和瓷两种。SOP也叫SOL和DFP。SOP封装标准有SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28等等,SOP后面的数字表示引脚数。MOSFET的SOP封装多数采用SOP-8规格,业界往往把"P"省略,叫SO〔SmallOut-Line。

SO-8采用塑料封装,没有散热底板,散热不良,一般用于小功率MOSFET。

SO-8是PHILIP公司首先开发的,以后逐渐派生出TSOP〔薄小外形封装、VSOP〔甚小外形封装、SSOP〔缩小型SOP、TSSOP〔薄的缩小型SOP等标准规格。

这些派生的几种封装规格中,TSOP和TSSOP常用于MOSFET封装。

5、QFN-56封装

QFN〔QuadFlatNon-leadedpackage是表面贴装型封装之一,中文叫做四边无引线扁平封装,是一种焊盘尺寸小、体积小、以塑料作为密封材料的新兴表面贴装芯片封装技术。现在多称为LCC。QFN是日本电子机械工业会规定的名称。封装四边配置有电极接点,由于无引线,贴装占有面积比QFP小,高度比QFP低。这种封装也称为LCC、PCLC、P－LCC等。QFN本来用于集成电路的封装,MOSFET不会采用的。Intel提出的整合驱动与MOSFET的DrMOS采用QFN-56封装,56是指在芯片背面有56个连接Pin。

二、最新封装形式

由于CPU的低电压、大电流的发展趋势,对MOSFET提出输出电流大,导通电阻低,发热量低散热快,体积小的要求。MOSFET厂商除了改进芯片生产技术和工艺外,也不断改进封装技术,在与标准外形规格兼容的基础上,提出新的封装外形,并为自己研发的新封装注册商标名称。

下面分别介绍主要MOSFET厂商最新的封装形式。

1、瑞萨〔RENESAS的WPAK、LFPAK和LFPAK-I封装

WPAK是瑞萨开发的一种高热辐射封装,通过仿D-PAK封装那样把芯片散热板焊接在主板上,通过主板散热,使小形封装的WPAK也可以达到D-PAK的输出电流。WPAK-D2封装了高/低2颗MOSFET,减小布线电感。

LFPAK和LFPAK-I是瑞萨开发的另外2种与SO-8兼容的小形封装。LFPAK类似D-PAK比D-PAK体积小。LFPAK-i是将散热板向上,通过散热片散热。

2、威世〔Vishay的Power-PAK和Polar-PAK封装

Power-PAK是威世公司注册的MOSFET封装名称。Power-PAK包括有Power-PAK1212-8、Power-PAKSO-8两种规格。PolarPAK是双面散热的小形封装。

3、安森美〔Onsemi的SO-8和WDFN8扁平引脚〔FlatLead封装

安美森半导体开发了2种扁平引脚的MOSFET,其中SO-8兼容的扁平引脚被很多主板采用。

4、菲利普〔Philps的LFPAK和QLPAK封装

首先开发SO-8的菲利普也有改进SO-8的新封装技术,就是LFPAK和QLPAK。

5、意法〔ST半导体的PowerSO-8封装

法意半导体的SO-8改进技术叫做PowerSO-8。

6、飞兆〔Fairchild半导体的Power56封装

飞兆半导体的SO-8改进技术叫做Power56。

6、国际整流器〔IR的DirectFET封装

DirectFET封装属于反装型的,漏极〔D的散热板朝上,并覆盖金属外壳,通过金属外壳散热。

三、部封装技术

前面介绍的最新封装形式都是MOSFET的外部封装。这些最新封装还包括部封装技术的改进,尽管这些新封装技术的商标名称多种多样,其部封装技术改进主要有三方面：一是改进封装部的互连技术,二是增加漏极散热板,三是改变散热的热传导方向。

1、封装部的互连技术

早期的标准封装,包括TO,D-PAK、SOT、SOP,多采用焊线式的部互连,在CPU核心电压较高,电流较小时期,这种封装可以满足需求。当CPU供电进展到低电压、大电流时代,焊线式封装就难以满足了。以标准焊线式SO-8为例,作为小功率MOSFET封装,发热量很小,对芯片的散热设计没有特别要求。主板的局部小功率供电〔风扇调速多采用这种SO-8的MOSFET。但用于现代的CPU供电就不能胜任了。这是由于焊线式SO-8的性能受到封装电阻、封装电感、PN结到PCB和外壳的热阻等四个因素的限制。

封装电阻

MOSFET在导通时存在电阻〔RDS<on>,这个电阻包括芯片PN结电阻和焊线电阻,其中焊线电阻占50%。RDS<on>是影响MOSFET性能的重要因素。

封装电感

部焊线的引线框封装的栅极、源极和漏极连接处会引入寄生电感。源极电感在电路中将会以共源电感形式出现,对MOSFET的开关速度有着重大影响。

芯片PN结到PCB的热阻

芯片的漏极粘合在引线框上,引线框被塑封壳包围,塑料是热的不良导体。漏极的热传导路径是芯片→引线框→引脚→PCB,这么长的路径必然是高热阻。至于源极的热传导还要经过焊线到PCB,热阻更高。

芯片PN结到外壳<封装顶部>的热阻

由于标准的SO-8采用塑料包封,芯片到封装顶部的传热路径很差。

上述四种限制对其电学和热学性能有着极大的影响。随着电流密度要求的提高,MOSFET厂商采用SO-8的尺寸规格,同时对焊线互连形式进行改进,用金属带、或金属夹板代替焊线,降低封装电阻、电感和热阻。

国际整流器〔IR称之为CopperStrap技术,威世〔Vishay称之为PowerConnect技术,还有称之为WirelessPackage。

据国际半导体报道,用铜带取代焊线后,热阻降低了10-20%,源极至封装的电阻降低了61%。特别一提的是用铜带替换14根2-mil金线,芯片源极电阻从1.1。降到0.11mm

2、漏极散热板

标准SO-8封装采用塑料把芯片全部包围,低热阻的热传导通路只是芯片到PCB的引脚。底部紧贴PCB的是塑料外壳。塑料是热的不良导体,影响漏极的散热。封装的散热改进自然是除去引线框下方的塑封混合物,让引线框金属结构直接〔或者加一层金属板与PCB接触,并焊接到PCB焊盘上。它提供了大得多的接触面积,把热量从芯片上导走。这种结构还有一个附带的好处,即可以制成更薄的器件,因为塑封材料的消除降低了其厚度。

威世的Power-PAK,法意半导体的PowerSO-8,安美森半导体的SO-8FlatLead,瑞萨的WPAK、LFPAK,飞兆半导体的Power56和BottomlessPackage都采用这种散热技术。

3、改变散热的热传导方向

Power-PAK封装显著减小了芯片到PCB的热阻,实现芯片到PCB的高效率传热。不过,当电流的需求继续增大时,PCB也将出现热饱和,因此散热技术的进一步改进是改变散热方向,让芯片的热量传导到散热器而不是PCB。

瑞萨的LFPAK-I封装,国际整流器的DirectFET封装就是这种散热技术。

四、整合驱动IC的DrMOS

传统的主板供电电路采用分立式的DC/DC降压开关电源,分立式方案无法满足对更高功率密度的要求,也不能解决较高开关频率下的寄生参数影响问题。随着封装、硅技术和集成技术的进步,把驱动器和MOSFET整合在一起,构建多芯片模块〔MCM已经成为现实。。与分立式方案相比,多芯片模块可以节省相当可观的空间并提高功率密度,通过对驱动器和MOSFET的优化提高电能转换效率以及优质的DC电流。这就是称之为DrMOS的新一代供电器件。

DrMOS的主要特点是：

-采用QFN56无脚封装,热阻抗很低。

-采用部引线键合以及铜夹带设计,尽量减少外部PCB布线,从而降低电感和电阻。