作者：IR公司 JASON ZHAN

    隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)及電信系統(tǒng)等很多最終設(shè)備的功率水平和功率密度的要求持續(xù)不斷提高，對(duì)組成電源管理系統(tǒng)的元部件的性能提出了越來(lái)越高的要求。直到最近，硅技術(shù)一直是提高電源管理系統(tǒng)性能的最重要因素。然而，過(guò)去數(shù)年中硅技術(shù)的改進(jìn)已經(jīng)將MOSFET的RDS(on)和功率半導(dǎo)體的發(fā)熱量降低到了相當(dāng)?shù)偷乃�，以至封裝限制了器件性能的提高。隨著系統(tǒng)電流要求成指數(shù)性增加，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了多種先進(jìn)的功率MOSFET封裝。流行的封裝形式包括：DPAK、SO-8、CopperStrap SO-8、PowerPak、LFPAK、 DirectFET、iPOWIR等。雖然這些技術(shù)提供了更多的設(shè)計(jì)自由度，但太多的選擇也使得人們大感困惑，特別是讓那些嵌入式電源的設(shè)計(jì)者無(wú)所適從，他們沒(méi)有很多資源來(lái)試驗(yàn)所有這些不熟悉的器件。本文將對(duì)每種封裝進(jìn)行比較，強(qiáng)調(diào)各種嵌入式應(yīng)用的性能差異，力圖使元器件的選擇變得更為簡(jiǎn)單。

    新型封裝技術(shù)的需要

    考慮到成本和尺寸方面的壓力，以及最近12V配電總線架構(gòu)的采用，嵌入式的負(fù)載點(diǎn)(POL)DC/DC 電源正變得越來(lái)越流行。

    由于具有尺寸小、外形薄、標(biāo)準(zhǔn)占用面積、性能不錯(cuò)等特點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)型焊線式SO-8多年以來(lái)一直是嵌入式POL電源的首選。然而，隨著MOSFET硅技術(shù)的迅速發(fā)展，硅器件的RDS(on)開(kāi)始逼近亞mW水平，而標(biāo)準(zhǔn)的SO-8，由于裸片封裝電阻(DFPR)較大，已經(jīng)成為硅性能發(fā)揮的一個(gè)瓶頸。

    焊線式SO-8的性能受到以下四個(gè)因素的嚴(yán)重限制：

封裝電阻

    典型值1.6mW。在最新器件的總MOSFET RDS(on)中，約50%來(lái)自于封裝電阻。主要原因是內(nèi)部源極通過(guò)焊線連接到引腳，如圖1(a)所示。

圖1  幾種改進(jìn)的MOSFET封裝形式

圖2  源極電感對(duì)器件開(kāi)關(guān)頻率的影響

封裝電感

    內(nèi)部焊線的引線框封裝的柵極、源極和漏極連接處引入寄生電感。源極電感在電路中將會(huì)象圖2(a)那樣以共源電感形式出現(xiàn)，對(duì)MOSFET的開(kāi)關(guān)速度有著最大的影響。由于沒(méi)有直接連接到電路裸片的源極，柵極驅(qū)動(dòng)電路和主電源通道分享同一電感。在電流開(kāi)關(guān)過(guò)程中，該電感將引入很大的Ldi/dt 效應(yīng)，使器件的導(dǎo)通和關(guān)斷速度變慢。在開(kāi)關(guān)頻率很高的情況下，這一效應(yīng)會(huì)大大影響性能。

結(jié)到PCB的熱阻

    MOSFET的漏極與引線框固連在一起，而引線框又與塑料模塑在一起。耗散的功率必須側(cè)向傳導(dǎo)到漏極引線和PCB上，這是主要的熱傳導(dǎo)路徑。源極連接處到PCB的熱阻則更高。

    結(jié)到外殼(封裝頂部)的熱阻

    由于標(biāo)準(zhǔn)的SO-8采用塑料包封形式，故到封裝頂部的傳熱路徑很差。

    SO-8封裝的種種限制對(duì)其電學(xué)和熱學(xué)性能有著極大的影響。隨著電流密度要求的提高，對(duì)尺寸大小與SO-8相近的新型封裝的需求也變得十分明顯。 圖1示出了若干種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的封裝形式。由于全面或部分突破了標(biāo)準(zhǔn)SO-8的上述4種主要限制，這些封裝形式的性能與SO-8相比都得到了某種程度的提高。

    CopperStrap  SO-8技術(shù)

    CopperStrap是一種新型的互聯(lián)方法，它用覆蓋裸片表面的實(shí)心銅帶來(lái)取代源極與引線框間的焊線連接。圖1(b)示出了CopperStrap SO-8的結(jié)構(gòu)，它的另一個(gè)商標(biāo)名為PowerConnect。CopperStrap 在硅片和引線框及PCB板之間實(shí)現(xiàn)了一條更好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電路徑。它使得熱阻下降了10%~20%，而且讓封裝帶來(lái)的源極連接電阻下降了60%。特別是通過(guò)用CopperStrap替換21根2密耳的金焊線(SO-8封裝所能容納的最高連線數(shù))的辦法，將裸片的源電阻從1 mW降低到了 0.4mW。為了釋放銅帶和硅器件之間由于接觸溫度系數(shù)失配引起的熱應(yīng)力，用充銀的樹(shù)脂來(lái)將銅帶粘接到鋁質(zhì)頂蓋金屬板上。銅帶的形狀和特征對(duì)熱循環(huán)條件下的應(yīng)力分布好壞也有關(guān)鍵性影響。

    CopperStrap在降低SO-8封裝的電阻方面前進(jìn)了一大步，而且其占用面積與傳統(tǒng)的SO-8也完全相同。事實(shí)上，如今已有如此多的低RDS(on) SO-8器件采用了CopperStrap技術(shù)，該技術(shù)本身現(xiàn)在已經(jīng)被認(rèn)為是一種標(biāo)準(zhǔn)的SO-8。然而，CopperStrap的結(jié)到外殼頂部的熱阻、結(jié)到PCB的熱阻和源極電感等性能并未得到改善。隨著人們不斷追求更大的電流，它的優(yōu)勢(shì)地位很快就會(huì)喪失。

PowerPak技術(shù)

    SO-8最大的問(wèn)題在于其結(jié)到PCB的熱阻很高。過(guò)量的功率耗散使得硅片的溫度顯著上升。封裝下一步的發(fā)展方向，自然是通過(guò)除去引線框下方的塑封混合物以及讓引線框金屬結(jié)構(gòu)直接與PC