适用功率MOSFET封装的选择

随着个人计算机、服务器、网络及电信系统等很多最终设备的功率水平和功率密度的要求持续不断提高，对组成电源管理系统的元部件的性能提出了越来越高的要求。直到最近，硅技术一直是提高电源管理系统性能的最重要因素。然而，过去数年中硅技术的改进已经将MOSFET的RDS(on)和功率半导体的发热量降低到了相当低的水平，以至封装限制了器件性能的提高。随着系统电流要求成指数性增加，市场上已经出现了多种先进的功率MOSFET封装。流行的封装形式包括：DPAK、SO-8、CopperStrap SO-8、PowerPak、LFPAK、 DirectFET、iPOWIR等。虽然这些技术提供了更多的设计自由度，但太多的选择也使得人们大感困惑，特别是让那些嵌入式电源的设计者无所适从，他们没有很多资源来试验所有这些不熟悉的器件。本文将对每种封装进行比较，强调各种嵌入式应用的性能差异，力图使元器件的选择变得更为简单。

新型封装技术的需要

考虑到成本和尺寸方面的压力，以及最近12V配电总线架构的采用，嵌入式的负载点(POL)DC/DC 电源正变得越来越流行。

由于具有尺寸小、外形薄、标准占用面积、性能不错等特点，标准型焊线式SO-8多年以来一直是嵌入式POL电源的首选。然而，随着MOSFET硅技术的迅速发展，硅器件的RDS(on)开始逼近亚mW水平，而标准的SO-8，由于裸片封装电阻(DFPR)较大，已经成为硅性能发挥的一个瓶颈。

焊线式SO-8的性能受到以下四个因素的严重限制：

封装电阻

典型值1.6mW。在最新器件的总MOSFET RDS(on)中，约50%来自于封装电阻。主要原因是内部源极通过焊线连接到引脚，如图1(a)所示。

封装电感

内部焊线的引线框封装的栅极、源极和漏极连接处引入寄生电感。源极电感在电路中将会象图2(a)那样以共源电感形式出现，对MOSFET的开关速度有着最大的影响。由于没有直接连接到电路裸片的源极，栅极驱动电路和主电源通道分享同一电感。在电流开关过程中，该电感将引入很大的Ldi/dt 效应，使器件的导通和关断速度变慢。在开关频率很高的情况下，这一效应会大大影响性能。

结到PCB的热阻

MOSFET的漏极与引线框固连在一起，而引线框又与塑料模塑在一起。耗散的功率必须侧向传导到漏极引线和PCB上，这是主要的热传导路径。源极连接处到PCB的热阻则更高。

结到外壳(封装顶部)的热阻

由于标准的SO-8采用塑料包封形式，故到封装顶部的传热路径很差。

SO-8封装的种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，对尺寸大小与SO-8相近的新型封装的需求也变得十分明显。 图1示出了若干种经过改进的封装形式。由于全面或部分突破了标准SO-8的上述4种主要限制，这些封装形式的性能与SO-8相比都得到了某种程度的提高。

CopperStrap  SO-8技术

CopperStrap是一种新型的互联方法，它用覆盖裸片表面的实心铜带来取代源极与引线框间的焊线连接。图1(b)示出了CopperStrap SO-8的结构，它的另一个商标名为PowerConnect。CopperStrap 在硅片和引线框及PCB板之间实现了一条更好的导热、导电路径。它使得热阻下降了10%~20%，而且让封装带来的源极连接电阻下降了60%。特别是通过用CopperStrap替换21根2密耳的金焊线(SO-8封装所能容纳的最高连线数)的办法，将裸片的源电阻从1 mW降低到了 0.4mW。为了释放铜带和硅器件之间由于接触温度系数失配引起的热应力，用充银的树脂来将铜带粘接到铝质顶盖金属板上。铜带的形状和特征对热循环条件下的应力分布好坏也有关键性影响。

CopperStrap在降低SO-8封装的电阻方面前进了一大步，而且其占用面积与传统的SO-8也完全相同。事实上，如今已有如此多的低RDS(on) SO-8器件采用了CopperStrap技术，该技术本身现在已经被认为是一种标准的SO-8。然而，CopperStrap的结到外壳顶部的热阻、结到PCB的热阻和源极电感等性能并未得到改善。随着人们不断追求更大的电流，它的优势地位很快就会丧失。

PowerPak技术

SO-8最大的问题在于其结到PCB的热阻很高。过量的功率耗散使得硅片的温度显著上升。封装下一步的发展方向，自然是通过除去引线框下方的塑封混合物以及让引线框金属结构直接与PCB接触来改善裸片PCB之间的热接触。引线框下面变成大面积的漏极接触，并焊接到PCB上。它提供了大得多的接触面积，把热量从裸片上导走。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。这种封装技术的一个实例如图1(c)所示出。PowerPak这种封装实现形式的占用面积与SO-8保持一致，但其厚度约为1mm。PowerPak仍然保留了CopperStrap技术，将到源极的接触电阻保持在很低水平上。这项技术与MLP、 LFPAK、 SuperSO-8、 WPAK、 PowerFlat和Bottomless SO-8等技术保持兼容。

PowerPak大大减小了结到PCB的热阻，从而实现到母板的高效率传热。不过，由于电流方面的需求迅速提高，母板将出现热饱和，因此不以母板来吸热的要求将越来越多。通过散热器实现顶端冷却将日益流行。

DirectFET技术

DirectFET 是一种革命性的概念，它实质上同时消除了上述SO-8的4种限制。图1(d)示出DirectFET封装用于一个MOSFET裸片的情形。硅片安装在铜外壳上。封装底部特别设计的带有源极和栅极焊盘的裸片，焊盘可以直接焊接到PCB上。这种铜“罐子”形成了从芯片的另一侧到电路板的漏极连接。该封装形式避免了传统的引线框和焊线，两者正是封装电阻的主要来源，而且消除了限制大多数SMT封装温度性能的塑料封装。

这种配置最大限度提高了源极和栅极焊盘与PCB间的接触面积，从而保证了极高的电学和热学效率。铜“罐子”漏极接触还为热量的耗散提供了另一条途径，形成极为有效的散热器结构。DirectFET封装中基本没有源极电感，MOSFET源极的充分连接亦形成了驱动电路到栅极和源极的连接，而且在大电流路径上没有任何PCB杂散电感的影响，如图2(b)所示。因此，DirectFET的高频开关特性极为出色。

接入电路后的测试结果表明，一个DirectFET结构在不带顶部冷却的情况下，可以轻松的取代两个并联的SO-8封装，有时能替代2个并联的PowerPAK。在有散热器固接到其铜外壳的情况下，使用DirectFET可减少并联MOSFET的必要性。DirectFET是一种完美的封装形式，在这种封装形式中，硅片再次成为MOSFET性能进一步提高的限制因素。几种封装性能的比较一览表见表1。

iPOWIR技术

随着封装和硅技术的进步，功率MOSFET已经能跟上迅速上升的电流需求。然而，对于嵌入式POL变换器来说，设计的努力也没有变得更容易，事实上，为了获得必要的电气和热性能，布线和元器件的选择变得如此之关键，以至于任何失策都将导致可靠性方面的问题。嵌入式电源的可测性只局限于DC参数，这也产生对可靠性更多的关注。

iPOWIR技术可简化设计问题。通过添加少数几个外接元件，即可在一次布线迭代中完成大电流电源的设计。iPOWIR器件将硅片以及所有的有源、无源器件集成到一起，在生产中作为大开关电源形式完成测试。除了DC参数外，还以功率损耗或者效率来作为测试限制条件。把它们作为电源而不是共封装器件的iPOWIR技术，大大简化了嵌入式POL电源的设计，以更低的成本实现了与功能齐备的电源模块相当的可靠性。例如一种双路iPOWIR器件(iP1202)可产生每路15A的电流输出，而其输出组合在一起(2相方案)便可获得高达30A的输出。

选择恰当的封装形式

以最便宜的元件来满足电学和热学要求是众人所共同追求的目标。然而，处在进化链最底层的SO-8却并不一定是最便宜的。常见的一种情况是，一个SO-8器件中裸片的尺寸必须足够大，以补偿其较大的封装电阻和高的结温。例如，DirectFET MOSFET可将部件的数目或者功率损耗降到很低的水平，以至于系统设计比很多SO-8实现方案还便宜。除了在性能方面带来很多确实好处之外，通过使用先进的封装来降低结温Tj也有利于整个系统的可靠性。结温每降低10℃，MTBF大约可以提高1倍。

无论何时，只要有必要将2个或更多器件并联起来以满足效率或温度方面要求的话，就可以考虑采用处在进化链更高一级的器件形式，以求减少元器件的数目。在大开关电源中采取并联MOSFET器件的方式并不始终有效，它可能对电路的杂散阻抗和器件的变化很敏感。用单个器件来完成任务的成本更低、也更为可靠。

2相方案一般可以提供比单相设计更低的输出电压纹波和更好的瞬态响应特性。不过为了解决一般热或效率问题而引入更多的相位并不是最佳的解决方案。采用更好的封装、让相位的数量保持在2个左右往往可以提供成本经济性最好的解决方案。只要允许采用顶端冷却方式，就应该优先考虑DirectFET封装形式。与增加MOSFET器件数量或更多并联等做法相比，添加一个散热器的成本往往更为低廉。

对于那些对分立式板上设计不感兴趣的设计者来说，iPOWIR为他们提供了在成本和性能方面极好的折衷。