分享關於主板供電及MOSFET封装形式和技术

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終端分歧機！主板MOSFET封裝形式和技術解析

主板的供電一直是廠商和用戶關注的焦點，視線從供電相數開始向MOSFET器件轉移。這是因為隨著MOSFET技術的進展，大電流、小封裝、低功耗的單芯片MOSFET以及多芯片DrMOS開始用在主板上，新的功率器件吸引了主板用戶的眼球。本文將對主板採用的MOSFET器件的封裝規格和封裝技術作簡要介紹。
MOSFET芯片製作完成後，需要封裝才可以使用。所謂封裝就是給MOSFET芯片加一個外殼，這個外殼具有支撐、保護、冷卻的作用，同時還為芯片提供電氣連接和隔離，以便MOSFET器件與其它元件構成完整的電路。
芯片的材料、工藝是MOSFET性能品質的決定性因素，MOSFET廠商自然注重芯片內核結構、密度以及工藝的改進，以提高MOSFET的性能。這些技術改進將付出很高的成本。
MOSFET的封裝形式

封裝技術也直接影響到芯片的性能和品質，對同樣的芯片以不同形式的封裝，也能提高芯片的性能。所以芯片的封裝技術是非常重要的。
以安裝在PCB的方式區分，功率MOSFET的封裝形式有插入式（Through Hole）和表面貼裝式（Surface Mount）二大類。插入式就是MOSFET的管腳穿過PCB的安裝孔焊接在PCB上。表面貼裝則是MOSFET的管腳及散熱法蘭焊接在PCB表面的焊盤上。
常見的直插式封裝如雙列直插式封裝（DIP），晶體管外形封裝（TO），插針網格陣列封裝（PGA）等。

典型的表面貼裝式如晶體管外形封裝（D-PAK），小外形晶體管封裝（SOT），小外形封裝（SOP），方形扁平封裝（QFP），塑封有引線芯片載體（PLCC）等等。
電腦主板一般不採用直插式封裝的MOSFET，本文不討論直插式封裝的MOSFET。
一般來說，「芯片封裝」有2層含義，一個是封裝外形規格，一個是封裝技術。對於封裝外形規格來說，國際上有芯片封裝標準，規定了統一的封裝形狀和尺寸。封裝技術是芯片廠商採用的封裝材料和技術工藝，各芯片廠商都有各自的技術，並為自己的技術註冊商標名稱，所以有些封裝技術的商標名稱不同，但其技術形式基本相同。我們先從標準的封裝外形規格說起。
標準封裝規格TO封裝

TO（Transistor Out-line）的中文意思是「晶體管外形」。這是早期的封裝規格，例如TO-92，TO-92L，TO-220，TO-252等等都是插入式封裝設計。近年來表面貼裝市場需求量增大，TO封裝也進展到表面貼裝式封裝。
TO252和TO263就是表面貼裝封裝。其中TO-252又稱之為D-PAK，TO-263又稱之為D2PAK。

D-PAK封裝的MOSFET有3個電極，柵極（G）、漏極（D）、源極（S）。其中漏極（D）的引腳被剪斷不用，而是使用背面的散熱板作漏極（D），直接焊接在PCB上，一方面用於輸出大電流，一方面通過PCB散熱。所以PCB的D-PAK焊盤有三處，漏極（D）焊盤較大。
SOT封裝

SOT（Small Out-Line Transistor）小外形晶體管封裝。這種封裝就是貼片型小功率晶體管封裝，比TO封裝體積小，一般用於小功率MOSFET。常見的規格如上。

主板上常用四端引腳的SOT-89 MOSFET。
SOP封裝

SOP（Small Out-Line Package）的中文意思是「小外形封裝」。SOP是表面貼裝型封裝之一，引腳從封裝兩側引出呈海鷗翼狀(L 字形)。材料有塑料和陶瓷兩種。SOP也叫SOL 和DFP。SOP封裝標準有SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28等等，SOP後面的數字表示引腳數。MOSFET的SOP封裝多數採用SOP-8規格，業界往往把「P」省略，叫SO（Small Out-Line ）。
SO-8採用塑料封裝，沒有散熱底板，散熱不良，一般用於小功率MOSFET。

SO-8是PHILIP公司首先開發的，以後逐漸派生出TSOP（薄小外形封裝）、VSOP（甚小外形封裝）、 SSOP（縮小型SOP）、TSSOP（薄的縮小型SOP）等標準規格。
這些派生的幾種封裝規格中，TSOP和TSSOP常用於MOSFET封裝。
QFN-56封裝

QFN（Quad Flat Non-leaded package）是表面貼裝型封裝之一，中文叫做四邊無引線扁平封裝，是一種焊盤尺寸小、體積小、以塑料作為密封材料的新興表面貼裝芯片封裝技術。現在多稱為LCC。QFN是日本電子機械工業會規定的名稱。封裝四邊配置有電極接點，由於無引線，貼裝佔有面積比QFP小，高度比QFP低。這種封裝也稱為LCC、PCLC、P－LCC等。QFN本來用於集成電路的封裝，MOSFET不會採用的。Intel提出的整合驅動與MOSFET的DrMOS採用QFN-56封裝，56是指在芯片背面有56個連接Pin。

最新封裝形式由於CPU的低電壓、大電流的發展趨勢，對MOSFET提出輸出電流大，導通電阻低，發熱量低散熱快，體積小的要求。MOSFET廠商除了改進芯片生產技術和工藝外，也不斷改進封裝技術，在與標準外形規格兼容的基礎上，提出新的封裝外形，並為自己研發的新封裝註冊商標名稱。
下面分別介紹主要MOSFET廠商最新的封裝形式。
瑞薩（RENESAS）的WPAK、LFPAK和LFPAK-I 封裝

WPAK是瑞薩開發的一種高熱輻射封裝，通過仿D-PAK封裝那樣把芯片散熱板焊接在主板上，通過主板散熱，使小形封裝的WPAK也可以達到D-PAK的輸出電流。WPAK-D2封裝了高/低2顆MOSFET，減小布線電感。

LFPAK和LFPAK-I是瑞薩開發的另外2種與SO-8兼容的小形封裝。LFPAK類似D-PAK比D-PAK體積小。LFPAK-i是將散熱板向上，通過散熱片散熱。
威世Power-PAK和Polar-PAK封裝


Power-PAK是威世公司註冊的MOSFET封裝名稱。Power-PAK包括有Power-PAK1212-8、Power-PAK SO-8兩種規格。Polar PAK是雙面散熱的小形封裝。
安森美的SO-8和WDFN8扁平引腳封裝

安美森半導體開發了2種扁平引腳的MOSFET，其中SO-8兼容的扁平引腳被很多主板採用。
菲利普（Philps）的LFPAK和QLPAK封裝


首先開發SO-8的菲利普也有改進SO-8的新封裝技術，就是LFPAK和QLPAK。
意法（ST）半導體的PowerSO-8封裝

法意半導體的SO-8改進技術叫做Power SO-8。
飛兆（Fairchild）半導體的Power 56封裝

飛兆半導體的SO-8改進技術叫做Power 56。
國際整流器（IR）的Direct FET封裝

    Direct FET封裝屬於反裝型的，漏極（D）的散熱板朝上，並覆蓋金屬外殼，通過金屬外殼散熱。
內部封裝技術前面介紹的最新封裝形式都是MOSFET的外部封裝。這些最新封裝還包括內部封裝技術的改進，儘管這些新封裝技術的商標名稱多種多樣，其內部封裝技術改進主要有三方面：一是改進封裝內部的互連技術，二是增加漏極散熱板，三是改變散熱的熱傳導方向。
封裝內部的互連技術:

早期的標準封裝，包括TO，D-PAK、SOT、SOP，多採用焊線式的內部互連，在CPU核心電壓較高，電流較小時期，這種封裝可以滿足需求。當CPU供電進展到低電壓、大電流時代，焊線式封裝就難以滿足了。以標準焊線式SO-8為例，作為小功率MOSFET封裝，發熱量很小，對芯片的散熱設計沒有特別要求。主板的局部小功率供電（風扇調速）多採用這種SO-8的MOSFET。但用於現代的CPU供電就不能勝任了。這是由於焊線式SO-8的性能受到封裝電阻、封裝電感、PN結到PCB和外殼的熱阻等四個因素的限制。
封裝電阻
MOSFET在導通時存在電阻（RDS(on)），這個電阻包括芯片內PN結電阻和焊線電阻，其中焊線電阻占50%。RDS(on)是影響MOSFET性能的重要因素。
封裝電感
內部焊線的引線框封裝的柵極、源極和漏極連接處會引入寄生電感。源極電感在電路中將會以共源電感形式出現，對MOSFET的開關速度有著重大影響。
芯片PN結到PCB的熱阻
芯片的漏極粘合在引線框上,引線框被塑封殼包圍，塑料是熱的不良導體。漏極的熱傳導路徑是芯片→引線框→引腳→PCB，這麼長的路徑必然是高熱阻。至於源極的熱傳導還要經過焊線到PCB，熱阻更高。

芯片PN結到外殼(封裝頂部)的熱阻

由於標準的SO-8採用塑料包封,芯片到封裝頂部的傳熱路徑很差。

上述四種限制對其電學和熱學性能有著極大的影響。隨著電流密度要求的提高,MOSFET廠商採用SO-8的尺寸規格，同時對焊線互連形式進行改進，用金屬帶、或金屬夾板代替焊線，降低封裝電阻、電感和熱阻。

國際整流器（IR）稱之為Copper Strap技術，威世（Vishay）稱之為Power Connect 技術，還有稱之為Wireless Package。

據國際半導體報道，用銅帶取代焊線後，熱阻降低了10-20%，源極至封裝的電阻降低了61%。特別一提的是用銅帶替換14根2-mil金線，芯片源極電阻從1.1 m降到 0.11 m。
漏極散熱板標準SO-8封裝採用塑料把芯片全部包圍，低熱阻的熱傳導通路只是芯片到PCB的引腳。底部緊貼PCB的是塑料外殼。塑料是熱的不良導體，影響漏極的散熱。封裝的散熱改進自然是除去引線框下方的塑封混合物，讓引線框金屬結構直接（或者加一層金屬板）與PCB接觸,並焊接到PCB焊盤上。它提供了大得多的接觸面積,把熱量從芯片上導走。這種結構還有一個附帶的好處,即可以製成更薄的器件,因為塑封材料的消除降低了其厚度。

威世的Power-PAK，法意半導體的Power SO-8，安美森半導體的SO-8 Flat Lead，瑞薩的WPAK、LFPAK，飛兆半導體的Power 56和Bottomless Package都採用這種散熱技術。
改變散熱的熱傳導方向Power-PAK封裝顯著減小了芯片到PCB的熱阻，實現芯片到PCB的高效率傳熱。不過，當電流的需求繼續增大時，PCB也將出現熱飽和，因此散熱技術的進一步改進是改變散熱方向，讓芯片的熱量傳導到散熱器而不是PCB。

瑞薩的LFPAK-I 封裝，國際整流器的Direct FET封裝就是這種散熱技術。
整合驅動IC的DrMOS傳統的主板供電電路採用分立式的DC/DC降壓開關電源，分立式方案無法滿足對更高功率密度的要求，也不能解決較高開關頻率下的寄生參數影響問題。隨著封裝、硅技術和集成技術的進步，把驅動器和MOSFET整合在一起，構建多芯片模塊（MCM）已經成為現實。。與分立式方案相比，多芯片模塊可以節省相當可觀的空間並提高功率密度，通過對驅動器和MOSFET的優化提高電能轉換效率以及優質的DC電流。這就是稱之為DrMOS的新一代供電器件。


DrMOS的主要特點是：
- 採用QFN56無腳封裝，熱阻抗很低。
- 採用內部引線鍵合以及銅夾帶設計，盡量減少外部PCB布線，從而降低電感和電阻。
- 採用先進的深溝道硅(trench silicon)MOSFET工藝，顯著降低傳導、開關和柵極電荷損耗。
- 兼容多種控制器，可實現不同的工作模式，支持APS（Auto Phase Switching）。
- 針對目標應用進行設計的高度優化。

MOSFET發展趨勢伴隨計算機技術發展對MOSFET的要求，MOSFET封裝技術的發展趨勢是性能方面高輸出、高密度、高頻率、高效率，體積方面是更趨向小形化。

上圖是瑞薩提供的低壓MOSFET封裝發展趨勢圖。