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-_MOSFET 的封装技术图解大全主板主板 MOSFET 的封装技术图解大全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 重芯片内核结构、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（Through Hole）和表面贴装式（Surface Mount）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（Transistor Out-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（Small Out-Line Transistor）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-89 MOSFET。-_3、SOP 封装SOP（Small Out-Line Package）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 陶瓷两种。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（Small Out-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（Quad Flat Non-leaded package）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、PLCC 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-PAK SO-8 两种规格。Polar PAK 是双面散热的小形封装。-_3、安森美（Onsemi）的 SO-8 和 WDFN8 扁平引脚（ Flat Lead）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 Power SO-8。6、飞兆（Fairchild）半导体的 Power 56 封装飞兆半导体的 SO-8 改进技术叫做 Power 56。-_6、国际整流器（IR）的 Direct FET 封装Direct FET 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、内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内 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，其内部封装技 术改进主要有三方面：一是改进封装内部的互连技术，二是增加漏极散热板， 三是改变散热的热传导方向。-_1、封装内部的互连技术早期的标准封装，包括 TO，D-PAK、SOT、SOP，多采用焊线式的内部互连， 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)），这个电阻包括芯片内 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。封装电感内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 Copper Strap 技术，威世（Vishay）称之为 Power Connect 技术，还有称之为 Wireless Package。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 0.11 mm2、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 Power SO-8，安美森半导体的 SO-8 Flat Lead，瑞萨的 WPAK、LFPAK，飞兆半导体的 Power 56 和 Bottomless Package 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 Direct FET 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。- 采用内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。- 采用先进的深沟道硅(trench silicon)MOSFET 工艺，显著降低传导、开 关和栅极电荷损耗。- 兼容多种控制器，可实现不同的工作模式，支持 APS（Auto Phase Switching）。- 针对目标应用进行设计的高度优化。五、MOSFET 发展趋势-_伴随计算机技术发展对 MOSFET 的要求，MOSFET 封装技术的发展趋势是性 能方面高输出、高密度、高频率、高效率，体积方面是更趋向小形化。下图是瑞萨提供的低压 MOSFET 封装发展趋势图。