主板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、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-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 m降到 0.11 m。
 

    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。