MOSFET的封装技术图解大全.docx

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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厂商自然注重芯片内核结构、密度以及工艺的改良，以提高MOSFET的性能。

这些技术改良将付出很高的成本。

   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〕和外表贴装式〔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。

外表贴裝则是MOSFET的管脚及散热法兰焊接在PCB外表的焊盘上。

   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。

   典型的外表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。

近年来外表贴装市场需求量增大，TO封装也进展到外表贴装式封装。

   TO252和TO263就是外表贴装封装。

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，而是使用反面的散热板作漏极〔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是外表贴装型封装之一，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〔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〕是外表贴装型封装之一，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外表贴装芯片封装技术。

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是指在芯片反面有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厂商除了改良芯片生产技术和工艺外，也不断改良封装技术，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也可以到达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的菲利普也有改良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改良技术叫做PowerSO-8。

   6、飞兆〔Fairchild〕半导体的Power56封装

   飞兆半导体的SO-8改良技术叫做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、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良，尽管这些新封装技术的商标名称多种多样，其内部封装技术改良主要有三方面：

一是改良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良，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。

Ω降到0.11mΩm

   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。

封装的散热改良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良是改变散热方向，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（trenchsilicon）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〔AutoPhaseSwitching〕。

   -针对目标应用进行设计的高度优化。

   五、MOSFET发展趋势

   伴随电脑技术发展对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。

   下列图是瑞萨提供的低压MOSFET封装发展趋势图。