前言

越来越多的终端设备，如个人计算机、服务器、网络及电信系统等，对电源水平及电源密度的需求持续增加，因此需要更高效能的组件组成电源管理系统。硅一直是增进电源管理系统效能之最重要因素。然而，硅科技经年累月的进步已经大幅降低了MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor；MOSFET）的RDS(ON)及功率半导体所产生的热能，使得封装成为器件达到更高效能的限制。随着系统电流的需求急速增加，众多先进的功率MOSFET封装被引入市场。主流封装类型包括DPAK、SO-8、CopperStrap SO-8、PowerPak、LFPAK、DirectFET及iPOWIR等等。更多的选择无疑能够提供更大的设计自由度，但同时也会引起混淆，特别是对于嵌入式电源供应设计人员而言，他们只有有限的资源为这些不熟悉的器件进行试验。本文将比较每种封装方式，并特别强调嵌入式应用的不同特性，从而简化组件的选择。

新封装技术的需求

随着成本与体积的要求不断提高，以及最近采用的12V分布式总线架构，促使嵌入式负载点（point-of-load；POL）直流／直流电源供应越来越普遍。

标准焊线（wire-bond）SO-8因为其小体积、低高度、标准布线与合理的效能，几年来一直成为嵌入式POL电源供应标准封装的首选。不过，随着MOSFET硅科技的急速进步，硅的导通电阻RDS(ON)开始达到mΩ以下的范围，由于标准SO-8的固定无芯片封装电阻（Die Free Package Resistance；DFPR）特别高，因此阻碍了硅效能的发挥。

焊线SO-8的四种严重限制

封装电阻

一般为1.6mΩ，最新器件的整体MOSFET RDS(ON)中大约有50％来自封装电阻。主要因为器件利用内部焊线连接源极及引线，如(图一)a所示。

《图一 各种封装结构》

封装电感

设有内部焊线之引线架封装会在闸极、源极与汲极引入寄生电感。源极电感在电路中以共源极电感之方式存在，如(图二)a所示，并对MOSFET的切换速度造成最巨大的影响。由于硅晶之源极无法直接存取，因此闸极驱动电路及主要电源路径会分享相同的电感。在电流切换期间，这个电感将产生极高的Ldi/dt效应，降低装置的开／关速度。这效应显著影响了高频切换之效能。

接合点至PCB的热阻

MOSFET汲极连接至镕铸在塑料上之引线架。消耗之功率必须横向传送至汲极引线与PCB，作为主要的热传导路径。源极连接至PCB甚至有更高的热阻。

接合点至外壳（顶端）的热阻

由于采用塑料外壳，标准SO-8对外壳顶端之热传导路径非常差。

《图二 源极电感图》

SO-8之封装限制对于电气与散热效能都有很大的影响。DPAK可用于解决某些SO-8之散热限制。不过，由于DPAK体积大、封装电阻与源极电感高，因此在嵌入式应用上并不非常实用。随着电流密度需求增加，设计人员很明显需要一个体积类似SO-8的新封装技术。

图一为多种增强型封装。每一种技术皆透过改善某些或全部标准SO-8之四个主要限制而提升封装之效能。

CopperStrap SO-8技术

CopperStrap是一种连接技术，它以一层实心铜片覆盖芯片表面来取代连接源极与引线架的焊线。图一b显示CopperStrap SO-8的结构。 CopperStrap为芯片与引线架及PCB间提供在散热及电气方面的更佳导通路径。可降低10～20％之热阻，封装时更可为源极连接降低60％的电气阻抗。更特别的是，藉由将21条2-mil之纯金焊线（SO-8封装所能处理的最大数）更换为CopperStrap，芯片源极阻抗将自1mΩ降低至0.4mΩ。为了释放由CTE与铜片不协调所产生的热压力，填入银的环氧化物将用作为铜片至铝合金表面的接合物。铜片的形状与特性对于热循环情况下的压力分配表现扮演关键的角色。

CopperStrap对于降低SO-8封装电阻算是向前进了一大步，并且与传统SO-8之布线架构完全相同。事实上因为目前有许多包含CopperStrap之低RDS(ON) SO-8装置，让这项技术现在被视为标准SO-8技术。

不过，CopperStrap并未显著改进Rthj的外壳顶端、Rthj-PCB与来源感抗。故其优势很快地就被更高电流之需求所超越。

PowerPak技术

SO-8的最大问题之一就在于接合点与PCB间的极高热阻抗。过度的功率消散会导致硅晶温度显著上升。下一个自然封装之进展为藉由移除引线架下方之铸造化合物，改由引线架之金属直接接触PCB，从而改进芯片与PCB板间的热接触。引线架的底侧成为大面积的漏极接触，与PCB进行焊接。其提供一个更大的接触面以将芯片之热量导出。而作为副产品，其亦可生产低高度之装置，因为不需模压就可减低厚度。图一c以PowerPak为例说明此封装技术。在PowerPak的执行方式上，封装之接脚布局仍然与SO-8相同，但其厚度则大约只有1mm。PowerPak仍旧保留了CopperStrap技术以维持源极之低接触阻抗。此技术与MLP、LFPAK、SuperSO8、WPAK、PowerFlat及Bottomless SO-8等技术类似。

PowerPak大幅降低Rthj-PCB，这让热能可以更有效地传导至机板上。不过，因为电流需求急速升高，机板出现热饱和状态，因此亦不能够再传导太多热能到机板上。透过顶端散热器冷却成为越来越普遍的方式。

DirectFET技术

DirectFET为革命性的概念，可一次解决SO-8的全部四大项限制。图一d显示DirectFET封装应用于MOSFET芯片之情形。硅芯片固定在铜外壳上。封装之底部包含一颗芯片，特别设计让源极与闸极可直接焊接至PCB上。铜罐可以在晶圆的另一面成为汲极与机板之连接。这个封装移除了导致封装电阻的传统引线架与焊线，也移除了限制大多数SMT封装散热效能之塑料封装方式。

这种组态将源极与闸极焊垫与PCB之接触面积最大化，如此可得最佳的电气效能与散热效率。铜罐漏极连接亦提供了另一个途径供热量消散，让散热器的使用变得更有效率。

DirectFET几乎完全没有源极电感，而MOSFET源极端的完全接触，让MOSFET闸极的驱动连接与源极终端在高电流路径中不会引入任何PCB杂散电感，如图二b所示。因此，DirectFET的高频切换效能非常的好。

电路实测显示一个DirectFET，在未采用顶端散热的情况下，可轻易地取代两个并联之SO-8，有时甚至可取代两个并联之PowerPAK。若将散热器连接到外壳时， DirectFET可减少实际所需之并联MOSFET数量。

DirectFET为一个效能极佳的封装方式，甚至让硅再一次成为MOSFET效能再进步的限制因素。