<
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。 图1 几种改进的MOSFET封装形式  图2 源极电感对器件开关频率的影响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 |
|
