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MOS管常見的幾種封裝展示與結構解析

HOTKING2019-10-25 12:00:00.0MOS管MOS管封裝外形封裝貼片封裝

MOS管對于整個供電系統而言起著穩壓的作用。目前板卡上所采用的MOS管并不是太多,一般有10個左右,主要原因是大部分MOS管被整合到IC芯片中去了。由于MOS管主要作用是為配件提供穩定的電壓,所以它一般使用在CPU、GPU 和插槽等附近。MOS管一般是以上下兩個組成一組的形式出現板卡上。

什么是MOS管


MOS管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導體(semiconductor)場效應晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)、半導體。MOS管的source和drain是可以對調的,他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下,這個兩個區是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。


MOS管的主要作用

MOS管對于整個供電系統而言起著穩壓的作用。目前板卡上所采用的MOS管并不是太多,一般有10個左右,主要原因是大部分MOS管被整合到IC芯片中去了。由于MOS管主要作用是為配件提供穩定的電壓,所以它一般使用在CPU、GPU 和插槽等附近。MOS管一般是以上下兩個組成一組的形式出現板卡上。

MOS管的封裝類型
插入式封裝

  


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)、插針網格陣列封裝(PGA)三種樣式。

表面貼裝式封裝

  


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。
隨著技術的發展,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,需要插入到具有DIP結構的芯片插座上,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封裝結構形式有: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、塑料包封結構式、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,因此在電子產業高度集成化過程中,DIP封裝逐漸退出了歷史舞臺。

2、晶體管外形封裝(TO)空氣凈化器電源適配器

屬于早期的封裝規格,例如TO-3P、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:該封裝產品主要是為了降低成本和縮小產品體積,主要應用于中壓大電流60A以下、高壓7N以下環境中。

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品,使得表面貼裝市場需求量不斷增大,也使得TO封裝發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封裝產品外觀

TO252/D-PAK是一種塑封貼片封裝,常用于功率晶體管、穩壓芯片的封裝,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,而是使用背面的散熱板作漏極(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(D)焊盤較大。其封裝規范如下:

  

TO-252/D-PAK封裝尺寸規格

TO-263是TO-220的一個變種,主要是為了提高生產效率和散熱而設計,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為從屬關系,主要是引出腳數量和距離不同。

  

TO-263/D2PAK封裝尺寸規格

3、插針網格陣列封裝(PGA)5伏電源適配器

PGA封裝樣式  

PGA(Pin Grid Array Package)芯片內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,根據管腳數目的多少,可以圍成2~5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勢,能適應更高的頻率。

其芯片基板多數為陶瓷材質,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、發射極和基極,分別列于元件長邊兩側,其中,發射極和基極在同一側,常見于小功率晶體管、場效應管和帶電阻網絡的復合晶體管,強度好,但可焊性差,外形如下圖(a)所示。

SOT89具有3條短引腳,分布在晶體管的一側,另外一側為金屬散熱片,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,外形如下圖(b)所示。

SOT143具有4條翼形短引腳,從兩側引出,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,外形如下圖(c)所示。

SOT252屬于大功率晶體管,3條引腳從一側引出,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,外形如圖所示。

  

常見SOT封裝外形比較

主板上常用四端引腳的SOT-89 MOSFET。其規格尺寸如下:

  

SOT-89 MOSFET尺寸規格(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,引腳從封裝兩側引出呈海鷗翼狀(L字形)。材料有塑料和陶瓷兩種。

SOP封裝標準有SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28等,SOP后面的數字表示引腳數。MOSFET的SOP封裝多數采用SOP-8規格,業界往往把“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,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)等標準規格;其中TSOP和TSSOP常用于MOSFET封裝。


  

常用于MOS管的SOP派生規格

6、方形扁平式封裝(QFP)

QFP(Plastic Quad Flat Package)封裝的芯片引腳之間距離很小,管腳很細,一般在大規模或超大型集成電路中采用,其引腳數一般在100個以上。

用這種形式封裝的芯片必須采用SMT表面安裝技術將芯片與主板焊接起來。該封裝方式具有四大特點:

①適用于SMD表面安裝技術在PCB電路板上安裝布線;
②適合高頻使用;
③操作方便,可靠性高;
④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,無法將芯片工作時產生的熱量及時導出,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、小方向發展的要求;另外,此類封裝方式是基于單顆芯片進行,存在生產效率低、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。

QFN主要用于集成電路封裝,MOSFET不會采用。不過因Intel提出整合驅動與MOSFET方案,而推出了采用QFN-56封裝(“56”指芯片背面有56個連接Pin)的DrMOS。

需要說明的是,電源適配器供應商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QFN建模數據,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%。最大的缺點則是返修難度高。


  

采用QFN-56封裝的DrMOS

傳統的分立式DC/DC降壓電源適配器無法滿足對更高功耗密度的要求,也不能解決高開關頻率下的寄生參數影響問題。

隨著技術的革新與進步,把驅動器和MOSFET整合在一起,構建多芯片模塊已經成為了現實,這種整合方式同時可以節省相當可觀的空間從而提升功耗密度,通過對驅動器和MOS管的優化提高電能效率和優質DC電流,這就是整合驅動IC的DrMOS。


  

瑞薩第2代DrMOS

經過QFN-56無腳封裝,讓DrMOS熱阻抗很低;借助內部引線鍵合以及銅夾帶設計,可最大程度減少外部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、開關和柵極電荷損耗;并能兼容多種控制器,可實現不同的工作模式,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面引出,呈丁字形,是塑料制品。

其引腳中心距1.27mm,引腳數從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表面安裝技術在PCB上安裝布線,具有外形尺寸小、可靠性高的優點。

PLCC封裝是比較常見,用于邏輯LSI、DLD(或程邏輯器件)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


主流企業的美規電源適配器封裝與改進

由于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,并為自己研發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。


瑞薩WPAK封裝尺寸

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,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-8兩種規格。



威世Power-PAK1212-8封裝


威世Power-PAK SO-8封裝

Polar PAK是雙面散熱的小形封裝,也是威世核心封裝技術之一。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,封裝內部不易蓄熱,能夠將工作電流的電流密度提高至SO-8的2倍。目前威世已向意法半導體公司提供Polar PAK技術授權。


  

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,可最大限度地降低導通損耗,另外還具有低QG和電容,可將驅動器損耗降到最低的特性。

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封裝技術改進為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芯片封裝技術有SO-8、PowerSO-8、PowerFLAT、DirectFET、PolarPAK等,其中PowerSO-8正是SO-8的改進版,此外還有PowerSO-10、PowerSO-20、TO-220FP、H2PAK-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 5×6。其封裝面積跟常用的TSOP-8不相上下,而薄型封裝又節約元件凈空高度,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 5×6。


  
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,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功率轉換應用。與標準塑料分立封裝相比,DirectFET的金屬罐構造具有雙面散熱功能,因而可有效將高頻DC-DC降壓式轉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封裝系列部分產品規格

內部封裝改進方向

除了外部封裝,基于電子制造對MOS管的需求的變化,內部封裝技術也在不斷得到改進,這主要從三個方面進行:改進封裝內部的互連技術、增加漏極散熱板、改變散熱的熱傳導方向。

1、封裝內部的互連技術

TO、D-PAK、SOT、SOP等采用焊線式的內部互連封裝技術,當CPU或GPU供電發展到低電壓、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結到PCB和外殼熱阻等因素的限制。

SO-8內部封裝結構

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尺寸規格時,同步對焊線互連形式進行了改進,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封裝對比

國際整流器(IR)的改進技術稱之為Copper Strap;威世(Vishay)稱之為Power Connect技術;飛兆半導體則叫做Wireless Package。新技術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

威世的Power Connect技術

飛兆半導體的Wirless Package技術

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。

技術改進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結構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

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都采用了此散熱技術。

3、改變散熱的熱傳導方向

Power-PAK的封裝雖然顯著減小了芯片到PCB的熱阻,但當電流需求繼續增大時,PCB同時會出現熱飽和現象。所以散熱技術的進一步改進就是改變散熱方向,讓芯片的熱量傳導到散熱器而不是PCB。

瑞薩LFPAK-i封裝

瑞薩的LFPAK-I封裝、國際整流器的Direct FET封裝均是這種散熱技術的典型代表。


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