一份難得的MOS管封裝分析

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 一份難得的MOS管封裝分析 在完成MOS管芯片在制作之后，需要給MOS管芯片加上一個外殼，這就是MOS管封裝。該封裝外殼主要起著支撐、保護和冷卻的作用，同時還可為芯片提供電氣連接和隔離，從而將MOS管器件與其它元件構(gòu)成完整的電路。 而不同的封裝、不同的設計，MOS管的規(guī)格尺寸、各類電性參數(shù)等都會不一樣，而它們在電路中所能起到的作用也會不一樣；另外，封裝還是電路設計中MOS管選擇的重要參考。封裝的重要性不言而喻。 MOS管封裝分類 按照安裝在PCB板上的方式來劃分，MOS管封裝主要有兩大類：插入式(Through Hole)和表面貼裝式(Surface Mount

2、)。 插入式就是MOSFET的管腳穿過PCB板的安裝孔并焊接在PCB板上。常見的插入式封裝有：雙列直插式封裝(DIP)、晶體管外形封裝(TO)、插針網(wǎng)格陣列封裝(PGA)三種樣式。 插入式封裝 表面貼裝則是MOSFET的管腳及散熱法蘭焊接在PCB板表面的焊盤上。典型表面貼裝式封裝有：晶體管外形(D-PAK)、小外形晶體管(SOT)、小外形封裝(SOP)、方形扁平式封裝(QFP)、塑封有引線芯片載體(PLCC)等。 表面貼裝式封裝 隨著技術(shù)的發(fā)展，目前主板、顯卡等的PCB板采用直插式封裝方式的越來越少，更多地選用了表面貼裝式封裝方式。 1、雙列直插式封裝(DIP) DIP封裝有兩排引腳，需要插入

3、到具有DIP構(gòu)造的芯片插座上，其派生方式為SDIP(Shrink DIP)，即緊縮雙入線封裝，較DIP的針腳密度高6倍。 DIP封裝構(gòu)造形式有：多層陶瓷雙列直插式DIP、單層陶瓷雙列直插式DIP、引線框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式、塑料包封構(gòu)造式、陶瓷低熔玻璃封裝式)等。DIP封裝的特點是可以很方便地實現(xiàn)PCB板的穿孔焊接，和主板有很好的兼容性。 但由于其封裝面積和厚度都比較大，而且引腳在插拔過程中很容易被損壞，可靠性較差;同時由于受工藝的影響，引腳一般都不超過100個，因此在電子產(chǎn)業(yè)高度集成化過程中，DIP封裝逐漸退出了歷史舞臺。 2、晶體管外形封裝(TO) 屬于早期的封裝規(guī)格，例如TO-3

4、P、TO-247、TO-92、TO-92L、TO-220、TO-220F、TO-251等都是插入式封裝設計。 TO-3P/247：是中高壓、大電流MOS管常用的封裝形式，產(chǎn)品具有耐壓高、抗擊穿能力強等特點。 TO-220/220F：TO-220F是全塑封裝，裝到散熱器上時不必加絕緣墊;TO-220帶金屬片與中間腳相連，裝散熱器時要加絕緣墊。這兩種封裝樣式的MOS管外觀差不多，可以互換使用。 TO-251：該封裝產(chǎn)品主要是為了降低成本和縮小產(chǎn)品體積，主要應用于中壓大電流60A以下、高壓7N以下環(huán)境中。 TO-92：該封裝只有低壓MOS管(電流10A以下、耐壓值60V以下)和高壓1N60/65在采

5、用，目的是降低成本。 近年來，由于插入式封裝工藝焊接成本高、散熱性能也不如貼片式產(chǎn)品，使得表面貼裝市場需求量不斷增大，也使得TO封裝發(fā)展到表面貼裝式封裝。TO-252(又稱之為D-PAK)和TO-263(D2PAK)就是表面貼裝封裝。 TO封裝產(chǎn)品外觀 TO252/D-PAK是一種塑封貼片封裝，常用于功率晶體管、穩(wěn)壓芯片的封裝，是目前主流封裝之一。 采用該封裝方式的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，而是使用反面的散熱板作漏極(D)，直接焊接在PCB上，一方面用于輸出大電流，一方面通過PCB散熱;所以PCB的D-PAK焊盤有三處，漏極(

6、D)焊盤較大。其封裝規(guī)范如下： TO-252/D-PAK封裝尺寸規(guī)格 TO-263是TO-220的一個變種，主要是為了提高生產(chǎn)效率和散熱而設計，支持極高的電流和電壓，在150A以下、30V以上的中壓大電流MOS管中較為多見。 除了D2PAK(TO-263AB)之外，還包括TO263-2、TO263-3、TO263-5、TO263-7等樣式，與TO-263為從屬關(guān)系，主要是引出腳數(shù)量和距離不同。 TO-263/D2PAK封裝尺寸規(guī)格 3、插針網(wǎng)格陣列封裝(PGA) PGA(Pin Grid Array Package)芯片內(nèi)外有多個方陣形的插針，每個方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列，根據(jù)管

7、腳數(shù)目的多少，可以圍成25圈。安裝時，將芯片插入專門的PGA插座即可，具有插拔方便且可靠性高的優(yōu)勢，能適應更高的頻率。 PGA封裝樣式 其芯片基板多數(shù)為陶瓷材質(zhì)，也有部分采用特制的塑料樹脂來做基板，在工藝上，引腳中心距通常為2.54mm，引腳數(shù)從64到447不等。 這種封裝的特點是，封裝面積(體積)越小，能夠承受的功耗(性能)就越低，反之則越高。這種封裝形式芯片在早期比較多見，且多用于CPU等大功耗產(chǎn)品的封裝，如英特爾的80486、Pentium均采用此封裝樣式；不大為MOS管廠家所采納。 4、小外形晶體管封裝(SOT) SOT(Small Out-Line Transistor)是貼片型小功

8、率晶體管封裝，主要有SOT23、SOT89、SOT143、SOT25(即SOT23-5)等，又衍生出SOT323、SOT363/SOT26(即SOT23-6)等類型，體積比TO封裝小。 SOT封裝類型 SOT23是常用的三極管封裝形式，有3條翼形引腳，分別為集電極、發(fā)射極和基極，分別列于元件長邊兩側(cè)，其中，發(fā)射極和基極在同一側(cè)，常見于小功率晶體管、場效應管和帶電阻網(wǎng)絡的復合晶體管，強度好，但可焊性差，外形如下列圖(a)所示。 SOT89具有3條短引腳，分布在晶體管的一側(cè)，另外一側(cè)為金屬散熱片，與基極相連，以增加散熱能力，常見于硅功率表面組裝晶體管，適用于較高功率的場合，外形如下列圖(b)所示。

9、 SOT143具有4條翼形短引腳，從兩側(cè)引出，引腳中寬度偏大的一端為集電極，這類封裝常見于高頻晶體管，外形如下列圖(c)所示。 SOT252屬于大功率晶體管，3條引腳從一側(cè)引出，中間一條引腳較短，為集電極，與另一端較大的引腳相連，該引腳為散熱作用的銅片，外形如下列圖(d)所示。 常見SOT封裝外形比較 主板上常用四端引腳的SOT-89 MOSFET。其規(guī)格尺寸如下： SOT-89 MOSFET尺寸規(guī)格(單位：mm) 5、小外形封裝(SOP) SOP(Small Out-Line Package)是表面貼裝型封裝之一，也稱之為SOL或DFP，引腳從封裝兩側(cè)引出呈海鷗翼狀(L字形)。材料有塑料和陶

10、瓷兩種。 SOP封裝標準有SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28等，SOP后面的數(shù)字表示引腳數(shù)。MOSFET的SOP封裝多數(shù)采用SOP-8規(guī)格，業(yè)界往往把“P”省略，簡寫為SO(Small Out-Line)。 SOP-8封裝尺寸 SO-8為PHILIP公司率先開發(fā)，采用塑料封裝，沒有散熱底板，散熱不良，一般用于小功率MOSFET。 后逐漸派生出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(guī)格;其中TSOP和TSSOP常用于MOSFET封裝。 常用于MOS管的SOP派生規(guī)格 6、方形扁平式封裝(QFP) QFP

11、(Plastic Quad Flat Package)封裝的芯片引腳之間距離很小，管腳很細，一般在大規(guī)模或超大型集成電路中采用，其引腳數(shù)一般在100個以上。 用這種形式封裝的芯片必須采用SMT表面安裝技術(shù)將芯片與主板焊接起來。該封裝方式具有四大特點： 適用于SMD表面安裝技術(shù)在PCB電路板上安裝布線； 適合高頻使用； 操作方便，可靠性高； 芯片面積與封裝面積之間的比值較小。 與PGA封裝方式一樣，該封裝方式將芯片包裹在塑封體內(nèi)，無法將芯片工作時產(chǎn)生的熱量及時導出，制約了MOSFET性能的提升；而且塑封本身增加了器件尺寸，不符合半導體向輕、薄、短、小方向發(fā)展的要求；另外，此類封裝方式是基于單顆芯

12、片開展，存在生產(chǎn)效率低、封裝成本高的問題。 因此，QFP更適于微處理器/門陳列等數(shù)字邏輯LSI電路采用，也適于VTR信號處理、音響信號處理等模擬LSI電路產(chǎn)品封裝。 7、四邊無引線扁平封裝(QFN) QFN(Quad Flat Non-leaded package)封裝四邊配置有電極接點，由于無引線，貼裝表現(xiàn)出面積比QFP小、高度比QFP低的特點；其中陶瓷QFN也稱為LCC(Leadless Chip Carriers)，采用玻璃環(huán)氧樹脂印刷基板基材的低成本塑料QFN則稱為塑料LCC、PCLC、P-LCC等。 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(shù)。 QFN主要

13、用于集成電路封裝，MOSFET不會采用。不過因Intel提出整合驅(qū)動與MOSFET方案，而推出了采用QFN-56封裝(“56”指芯片反面有56個連接Pin)的DrMOS。 需要說明的是，QFN封裝與超薄小外形封裝(TSSOP)具有相同的外引線配置，而其尺寸卻比TSSOP的小62%。根據(jù)QFN建模數(shù)據(jù)，其熱性能比TSSOP封裝提高了55%，電性能(電感和電容)比TSSOP封裝分別提高了60%和30%。的缺點則是返修難度高。 采用QFN-56封裝的DrMOS 傳統(tǒng)的分立式DC/DC降壓開關(guān)電源無法滿足對更高功耗密度的要求，也不能解決高開關(guān)頻率下的寄生參數(shù)影響問題。 隨著技術(shù)的革新與進步，把驅(qū)動器和

14、MOSFET整合在一起，構(gòu)建多芯片模塊已經(jīng)成為了現(xiàn)實，這種整合方式同時可以節(jié)省相當可觀的空間從而提升功耗密度，通過對驅(qū)動器和MOS管的優(yōu)化提高電能效率和優(yōu)質(zhì)DC電流，這就是整合驅(qū)動IC的DrMOS。 瑞薩第2代DrMOS 經(jīng)過QFN-56無腳封裝，讓DrMOS熱阻抗很低;借助內(nèi)部引線鍵合以及銅夾帶設計，可減少外部PCB布線，從而降低電感和電阻。 另外，采用的深溝道硅(trench silicon)MOSFET工藝，還能顯著降低傳導、開關(guān)和柵極電荷損耗;并能兼容多種控制器，可實現(xiàn)不同的工作模式，支持主動相變換模式APS(Auto Phase Switching)。 除了QFN封裝外，雙邊扁平無引

15、腳封裝(DFN)也是一種新的電子封裝工藝，在安森美的各種元器件中得到了廣泛采用，與QFN相比，DFN少了兩邊的引出電極。 8、塑封有引線芯片載體(PLCC) PLCC(Plastic Quad Flat Package)外形呈正方形，尺寸比DIP封裝小得多，有32個引腳，四周都有管腳，引腳從封裝的四個側(cè)面引出，呈丁字形，是塑料制品。 其引腳中心距1.27mm，引腳數(shù)從18到84不等，J形引腳不易變形，比QFP容易操作，但焊接后的外觀檢查較為困難。PLCC封裝適合用SMT表面安裝技術(shù)在PCB上安裝布線，具有外形尺寸小、可靠性高的優(yōu)點。 PLCC封裝是比較常見，用于邏輯LSI、DLD(或程邏輯器件

16、)等電路，主板BIOS常采用的這種封裝形式，不過目前在MOS管中較少見。 PLCC封裝樣式 主流企業(yè)的封裝與改良 由于CPU的低電壓、大電流的發(fā)展趨勢，對MOSFET提出輸出電流大，導通電阻低，發(fā)熱量低散熱快，體積小的要求。MOSFET廠商除了改良芯片生產(chǎn)技術(shù)和工藝外，也不斷改良封裝技術(shù)，在與標準外形規(guī)格兼容的根底上，提出新的封裝外形，并為自己研發(fā)的新封裝注冊商標名稱。 1、瑞薩(RENESAS)WPAK、LFPAK和LFPAK-I封裝 WPAK是瑞薩開發(fā)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也可以到達D-PAK的輸出電流。WP

17、AK-D2封裝了高/低2顆MOSFET，減小布線電感。 瑞薩WPAK封裝尺寸 LFPAK和LFPAK-I是瑞薩開發(fā)的另外2種與SO-8兼容的小形封裝。LFPAK類似D-PAK，但比D-PAK體積小。LFPAK-i是將散熱板向上，通過散熱片散熱。 瑞薩LFPAK和LFPAK-I封裝 2、威世(Vishay)Power-PAK和Polar-PAK封裝 Power-PAK是威世公司注冊的MOSFET封裝名稱。Power-PAK包括有Power-PAK1212-8、Power-PAK SO-8兩種規(guī)格。 威世Power-PAK1212-8封裝 威世Power-PAK SO-8封裝 Polar PAK是

18、雙面散熱的小形封裝，也是威世封裝技術(shù)之一。Polar PAK與普通的SO-8封裝相同，其在封裝的上、下兩面均設計了散熱點，封裝內(nèi)部不易蓄熱，能夠?qū)⒐ぷ麟娏鞯碾娏髅芏忍岣咧罶O-8的2倍。目前威世已向意法半導體公司提供Polar PAK技術(shù)授權(quán)。 威世Polar PAK封裝 3、安森美(Onsemi)SO-8和WDFN8扁平引腳(Flat Lead)封裝 安美森半導體開發(fā)了2種扁平引腳的MOSFET，其中SO-8兼容的扁平引腳被很多板卡采用。安森美新近推出的NVMx和NVTx功率MOSFET就采用了緊湊型DFN5(SO-8FL)和WDFN8封裝，可限度地降低導通損耗，另外還具有低QG和電容，可將

19、驅(qū)動器損耗降到的特性。 安森美SO-8扁平引腳封裝 安森美WDFN8封裝 4、恩智浦(NXP)LFPAK和QLPAK封裝 恩智浦(原Philps)對SO-8封裝技術(shù)改良為LFPAK和QLPAK。其中LFPAK被認為是世界上高度可靠的功率SO-8封裝;而QLPAK具有體積小、散熱效率更高的特點，與普通SO-8相比，QLPAK占用PCB板的面積為6*5mm，同時熱阻為1.5k/W。 恩智浦LFPAK封裝 恩智浦QLPAK封裝 5、意法(ST)半導體PowerSO-8封裝 意法半導體功率MOSFET芯片封裝技術(shù)有SO-8、PowerSO-8、PowerFLAT、DirectFET、PolarPAK等

20、，其中PowerSO-8正是SO-8的改良版，此外還有PowerSO-10、PowerSO-20、TO-220FP、H?PAK-2等封裝。 意法半導體Power SO-8封裝 6、飛兆(Fairchild)半導體Power 56封裝 Power 56是Farichild的專用稱呼，正式名稱為DFN 56。其封裝面積跟常用的TSOP-8不相上下，而薄型封裝又節(jié)約元件凈空高度，底部Thermal-Pad設計降低了熱阻，因此很多功率器件廠商都部署了DFN 56。 Fairchild Power 56封裝 7、國際整流器(IR)Direct FET封裝 Direct FET能在SO-8或更小占位面積上

21、，提供高效的上部散熱，適用于計算機、筆記本電腦、電信和消費電子設備的AC-DC及DC-DC功率轉(zhuǎn)換應用。與標準塑料分立封裝相比，DirectFET的金屬罐構(gòu)造具有雙面散熱功能，因而可有效將高頻DC-DC降壓式轉(zhuǎn)換器的電流處理能力增加一倍。 Direct FET封裝屬于反裝型，漏極(D)的散熱板朝上，并覆蓋金屬外殼，通過金屬外殼散熱。Direct FET封裝極大地改善了散熱，并且占用空間更小，散熱良好。 國際整流器Direct FET封裝 IR Direct FET封裝系列部分產(chǎn)品規(guī)格 內(nèi)部封裝改良方向 除了外部封裝，基于電子制造對MOS管的需求的變化，內(nèi)部封裝技術(shù)也在不斷得到改良，這主要從三個

22、方面開展：改良封裝內(nèi)部的互連技術(shù)、增加漏極散熱板、改變散熱的熱傳導方向。 1、封裝內(nèi)部的互連技術(shù) TO、D-PAK、SOT、SOP等采用焊線式的內(nèi)部互連封裝技術(shù)，當CPU或GPU供電發(fā)展到低電壓、大電流時代，焊線式的SO-8封裝就受到了封裝電阻、封裝電感、PN結(jié)到PCB和外殼熱阻等因素的限制。 SO-8內(nèi)部封裝構(gòu)造 這四種限制對其電學和熱學性能有著極大的影響。隨著電流密度的提高，MOSFET廠商在采用SO-8尺寸規(guī)格時，同步對焊線互連形式開展了改良，用金屬帶、或金屬夾板代替焊線，以降低封裝電阻、電感和熱阻。 標準型SO-8與無導線SO-8封裝比照 國際整流器(IR)的改良技術(shù)稱之為Copper

23、 Strap；威世(Vishay)稱之為Power Connect技術(shù)；飛兆半導體則叫做Wireless Package。新技術(shù)采用銅帶取代焊線后，熱阻降低了10-20%，源極至封裝的電阻降低了61%。 國際整流器的Copper Strap技術(shù) 威世的Power Connect技術(shù) 飛兆半導體的Wirless Package技術(shù) 2、增加漏極散熱板 標準的SO-8封裝采用塑料將芯片包圍，低熱阻的熱傳導通路只是芯片到PCB的引腳。而底部緊貼PCB的塑料外殼是熱的不良導體，故而影響了漏極的散熱。 技術(shù)改良就是要除去引線框下方的塑封化合物，方法是讓引線框金屬構(gòu)造直接或加一層金屬板與PCB接觸，并焊接到PCB焊盤上，這樣就提供了更多的散熱接觸面積，把熱量從芯片上帶走;同時也可以制成更薄的器件。 威世Power-PAK技術(shù) 威世的Power-PAK、法意半導體的Power SO-8、安美森半導體的SO-8 Flat Le