表面贴装功率MOSFET封装的演进

功率MOSFET不仅是一种普遍使用的电子元件，而且也代表着一个众所周知的事实――硅技术的创新已经与满足市场需求的表面贴装封装的创新形影不离。

第一款SO-8封装的表面贴装功率MOSFET出现在约20年之前，是为了满足数据存储行业对于电机驱动元件的需求而推出的。它占用更小的空间，稳步缩小了磁盘驱动器的体积。上世纪90年代初，Siliconix和摩托罗拉相继推出了SO-8功率MOSFET，后来若干年又出现了几代更小封装，包括TSSOP-8和TSOP-6。与此同时，这些器件的应用也在不断增加，超出了数据存储行业的范围，其中包括笔记本电脑和移动电话，这些产品稳步缩小了产品体积并赢得了更多的功能。在这类系统中，功率MOSFET开始扮演节能负载开关的重要角色，用来关闭不需要使用的显示器或键盘背光等功能。随着越来越多的功能加入了便携式电子产品，功率MOSFET的这种应用正在不断扩展。

表面贴装功率MOSFET技术的下一个重要进展是推出了芯片级器件。几年前出现的这类器件是为了满足飞速发展的便携式电子产品小型化的需求。使用塑料封装不仅可以节省空间，而且还有助于消除封装寄生效应对MOSFET电阻的影响，使这些器件更加有效。今天，Vishay Siliconix MICRO FOOT芯片级MOSFET的尺寸范围从2.4 mm×1.6 mm到1.2 mm×1.0 mm，高度低至0.59 mm。与之相比，非常小尺寸的TSOP-6塑料封装为3.05 mm×2.85 mm，高度则为1 mm，也就是Vishay器件的大约七倍多，厚度则达到了两倍。目前，MICRO FOOT MOSFET可以采用与用于封装表面贴装器件的量产组装相同的工艺技术进行处理。小占位面积和热路径短的优势使芯片级MOSFET成为了空间受限的便携式设备应用的一种非常理想的选择，如电池组、PDA、手机和笔记本电脑。

MOSFET封装最重要的问题一直是在热设计方面。从可靠性的角度来看，这不仅是因为更低的工作温度更加理想，而且还因为热本身会通过自加热过程给器件带来导通损耗，这种高温运行的功率MOSFET将比运行温度较低的相同芯片产生更高的导通电阻。推出新一代更低导通电阻的芯片的部分很重要的原因是，这样可以产生更少的热量，而这些热量可能需要通过封装散掉。

功率MOSFET的散热性能已开始成为设计的考虑因素，因为随着更快的微处理器的发展，PC主板的总“热预算”产生了大量的热，而且因为功率半导体器件必须能够处理成比例降低的工作电压及增加的电流。包括引入的一条中间总线电压轨等电源架构的改变，同样有助于低电压和非隔离式DC-DC转换器的采用负载点（POL）实现方法，这已经成为为各种系统的微处理器及其他数字元件提供更低电压调节的一种必需，其中包括笔记本电脑。这意味着可供MOSFET使用的范围在减少，而且现在的电源空间分配必须采用POL转换器和中间总线轨功率模块。传统上较大的功率MOSFET封装，如DPAK可比其小外形同类设计提供好得多的散热性能，但是在今天的应用当中，它们对可用的电路板空间来说实在是太过庞大了。

为了解决这个问题，MOSFET制造商推出了采用专门设计的封装的器件，用来实现比传统SO-8封装更好的散热，同时保持相同的小占位面积尺寸。一个例子是Vishay Siliconix PowerPAK，这是一种耐热先进型封装，其中的主要热路径不再只是通过引线――引线已去除――而是通过大面积的铜焊点。因此，热阻得到了显著的改善。封装厚度也减小了，可以实现高密度的DC-DC布局。

例如，在相同的SO-8占位面积（大约为30 mm2）内，现在有可能将结点到外壳热阻从20℃/W降低到1.2℃/W，而结点到环境热阻可以从80℃/W降低到50℃/W，不仅等于或好于同等尺寸SOIC-8的散热性能，而且还好于较大的DPAK。同理，第一次采用PowerPAK SO-8和PowerPAK 1212-8的器件已经完成，实现了越来越小的封装占位面积，如已经推出的PowerPAK型号就采用了SC-70（2.05 mm×2.05 mm）和SC-75（1.6 mm×1.6 mm）封装。

表1 各种功率MOSFET封装类型的功耗

整个20世纪90年代，在功率MOSFET芯片和封装改进的推动下，电池供电的设备出现了快速增长，目前还有数百万台服务器支持着网络，功率MOSFET效率已经成为电源供电系统的一个非常重要的问题，这既涉及电路板空间（即使服务器空间也是有限的），也包括热管理要求。所以，我们现在看到了用于这些系统的特别设计的功率MOSFET封装都需要风扇进行冷却。

其中最成功的和唯一一种被多家供应商选用的就是Vishay Siliconix PolarPAK，它是第一款用于业界的服务器、VRM模块、图形卡、POL转换器和电源的大电流切换应用的塑料封装双面冷却MOSFET封装。PolarPAK的名称来源于在MOSFET封装上下表面进行冷却的封装能力。虽然其尺寸类似于标准SO-8封装，但它却有两个热路径，如果采用来自风扇的气流或附加的散热器，PolarPAK功率MOSFET就可以处理高得多的电流。暴露的引线框更有益于散热，而硅片芯则是完全封入的；这意味着不管封装封入的片芯尺寸如何变化，都可以使用相同的电路板布局。与标准SO-8封装相比，PolarPAK封装的散热效率非常高，以至于它可以在相同的占位面积尺寸内处理两倍的电流。通过实现更高的散热性能和降低与封装有关的损耗，5.16 mm×6.15 mm的PolarPAK封装有助于设计人员创建更小、更紧凑的电路设计，同时可以使用更少的元件。利用高度为SO-8一半的仅为0.8 mm的高度尺寸，Vishay Siliconix PolarPAK封装有助于实现更加纤巧的最终产品――以及一种旨在成为像高端笔记本电脑那样重要的服务器集群设计。