中心論題：
- DirectFET封裝用于MOSFET芯片。
- DirectFET的產(chǎn)品參數(shù)。
- DirectFET的散熱原理。
- DirectFET封裝減小有害的電感。
解決方案：
- 硅片上適當(dāng)?shù)拟g化使源極和漏極絕緣防止短路。
- DirectFET技術(shù)顯著降低熱阻。
- DirectFET技術(shù)的散熱設(shè)計(jì)增加了器件安全工作的電流值。
現(xiàn)代電子設(shè)備在很大程度上依靠DC-DC變換器為其提供電源。在很多計(jì)算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)和電信應(yīng)用中，對(duì)電流的要求已經(jīng)超過(guò)了100A。要達(dá)到這樣的輸出能力，需要多只MOSFET并聯(lián)的多相式變換器才能實(shí)現(xiàn)，這樣就帶來(lái)了嚴(yán)重的布板擁擠以及功耗等問(wèn)題。
使情況變?cè)愕木褪浅掷m(xù)減小尺寸的趨勢(shì)。設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)越來(lái)越難以應(yīng)付同時(shí)來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面的要求：減小電路板面積和改善散熱。在改進(jìn)目前器件的熱特性的過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)的SO8封裝成為一個(gè)很大的障礙------它們很難加裝散熱器，只能單面散熱，所以大部分熱不得不通過(guò)PCB板散掉。
然而，國(guó)際整流器公司的一項(xiàng)新的技術(shù)，即DirectFET，證明在載流能力和運(yùn)行效率方面比標(biāo)準(zhǔn)的SO8封裝顯著提高。DirectFET是一項(xiàng)主要為板級(jí)功率應(yīng)用而設(shè)計(jì)的表貼封裝技術(shù)。它消除了器件封裝中我們不期望的，高電感和阻抗，引起器件熱特性和電特性方面問(wèn)題的一些因素。由于可以雙面散熱，使用DirectFET器件可以使大電流DC-DC變換器的電流密度增加一倍而系統(tǒng)成本顯著降低。
圖1顯示DirectFET封裝用于MOSFET芯片。硅片被裝入銅外殼，封裝的底部是經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的芯片，源極和漏極是可以直接焊到PCB板的表貼焊盤(pán)。硅片上適當(dāng)?shù)拟g化使源極和漏極絕緣，在器件被焊到PCB板上時(shí)它也起到阻焊膜的作用，防止短路。此鈍化層也保護(hù)了管腳防止門(mén)極區(qū)域污染及潮氣。銅殼從芯片的另一側(cè)引出漏極到線路板側(cè)。此封裝省掉了傳統(tǒng)的管腳框架和引線鍵合，而這正是封裝阻抗的主要根源。同時(shí)它還省掉了使大多數(shù)SMT封裝的熱性能受到制約的塑料封裝。
圖1. DirectFET MOSFET 焊接到PCB板上的刨面圖
傳統(tǒng)的MOSFET使用引線鍵合來(lái)實(shí)現(xiàn)硅片和管腳框架之間的電連接，而DirectFET，將接觸面的數(shù)目和傳導(dǎo)路徑的長(zhǎng)度減到最小從而減小了傳導(dǎo)損耗。
圖3顯示在目前使用的SMT器件中DirectFET封裝提供了最優(yōu)良的封裝阻抗(DFPR)。
圖2. SO-8, Cu-strap SO-8 和 DirectFET電流通路比較
圖3. 幾種SO-8尺寸表貼封裝DFPR值的比較
與典型的含鉛的小型封裝相比，DirectFET的熱阻顯著降低。在DirectFET封裝里，結(jié)到電路板之間的熱阻材料只有上面的金屬和安裝用的焊錫。SO-8的結(jié)到PCB的熱阻(Rthj-pcb)大約是20°C/Wmax ，而同樣尺寸的DirectFET封裝只有不到1°C/W 。
DirectFET封裝的頂部金屬漏極連接為芯片的結(jié)和頂部封裝之間提供了一條較低的熱阻抗路徑使結(jié)到殼的熱阻只有3°C/W 。這就使得器件的散熱方法與以往有很大不同，可以用強(qiáng)迫風(fēng)冷或?qū)岬奶畛浣橘|(zhì)將熱傳到一個(gè)適當(dāng)接地的散熱器上。圖4舉例說(shuō)明了這些概念。
圖４ DirectFET頂部散熱的例子
如果用散熱器加冷卻氣流，DirectFET從封裝頂部散掉的熱量是SO8的兩倍半，有效的頂部散熱意味器件散發(fā)出的熱量可以被帶離線路板，增加器件安全工作的電流值。
最先使用DirectFET封裝的器件是20 V和30V的同步降壓變換器芯片組，用做調(diào)整管和同步管（表1）。
表1. DirectFET產(chǎn)品參數(shù)
同步管IRF6603的R 的典型值是2mOhm，對(duì)于SO8來(lái)說(shuō)這是最好的了。比較IRF7822和IRF6603，我們可以看到R降低了40%，這是由于此封裝里較低的DFPR值和較大的芯片尺寸。
在一個(gè)12V輸入，1.3V輸出，工作頻率300kHZ的同步降壓變換器中，我們將IRF6603/IRF6604和IRF7822/IRF7811W這兩對(duì)管子做以比較，它們使用的硅片技術(shù)是相同的。負(fù)載電流增加時(shí)，此變換器電路板的溫度不得超過(guò)105°C。當(dāng)電流達(dá)到18A時(shí)，這是SO8封裝在無(wú)冷卻氣流的條件下能夠承受的大電流，IRF6603的結(jié)溫要低50°C。比較DirectFET和SO-8在靜止空氣無(wú)散熱器條件下的效率曲線，在18A時(shí)前者的效率要高出3%。
圖5. 采用DirectFET和SO-8封裝的30V器件在一個(gè)12V輸入， 1.3V輸出，工作頻率300kHZ的降壓變換器中，在多種負(fù)載條件下的比較。
如果加裝散熱器和200LFM的冷卻氣流可以達(dá)到每相35A電流。雙面散熱的好處顯而易見(jiàn)。
以一個(gè)每相30A的多相變換器為例，要滿足這個(gè)電流，用最好的單面散熱的SO8封裝MOSFET，比如標(biāo)準(zhǔn)的SO-8，無(wú)底的SO-8和無(wú)鉛的SO-8，每相要用五只，而雙面散熱的DirectFET 只需兩只。比較結(jié)果元件數(shù)減少了60%。
由于DirectFET的結(jié)殼熱阻低，所以用導(dǎo)熱墊將熱量從器件傳遞到系統(tǒng)底盤(pán)的做法很有效。這種結(jié)構(gòu)，大量的熱從器件的頂部被帶走，DirectFET器件就可以布置在線路板上一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)。
確實(shí)，我們最期望將DirectFET器件安裝更緊湊以使它們傳到PCB板上的熱量最少。只要DirectFET器件上面的導(dǎo)熱墊的熱阻不大于9°C/W，那么器件頂部的結(jié)到環(huán)境的熱阻將始終比器件底部的結(jié)到環(huán)境的熱阻值的一半還要低，器件的頂部自然就成了主要的導(dǎo)熱途徑。
為了計(jì)算方便，假設(shè)單面冷卻的器件被限制在0.5 in2 的PCB板內(nèi)，我們知道設(shè)計(jì)者往往用到1in2 以盡可能增加SO8的輸出電流。DirectFET器件布置在最小的管腳尺寸內(nèi)。下表給出了論證結(jié)果，表明在大電流DC-DC變換器中，雙面散熱的DirectFET的電流密度能比單面散熱的SO8的增加一倍。
表2. 在30A/相的變換器中用單面散熱的SO-8封裝MOSFET，比如標(biāo)準(zhǔn)的 SO-8，無(wú)底的SO-8和無(wú)鉛的SO-8和用雙面散熱的DirectFET的電流密度比較封裝節(jié)省系統(tǒng)總成本
采用單面冷卻的SO-8方案，設(shè)計(jì)者考慮散熱問(wèn)題時(shí)有一些可選的方法：當(dāng)每相的電流值達(dá)到上限時(shí)，他們可以增加相數(shù)，而依目前的技術(shù)，超過(guò)4相是不現(xiàn)實(shí)的。而且增加了成本和所占空間。也可考慮熱管，加風(fēng)扇增大冷卻氣流，更大尺寸的線路板或更多的覆銅。這些方案都將增加系統(tǒng)成本。DirectFET給設(shè)計(jì)者一個(gè)新的選擇，既能夠滿足電路性能，外形尺寸和預(yù)算要求，同時(shí)省掉50%或更多上面討論的用于標(biāo)準(zhǔn)的或其它派生的SO-8封裝可選散熱方案中的花費(fèi)。DirectFET MOSFET容易布版和并聯(lián)，可以簡(jiǎn)化布局減小PCB板寄生損耗（見(jiàn)圖六）
圖6.DirectFET的布板和并聯(lián)
DirectFET封裝還可以減小有害的電感，這對(duì)于大電流，多項(xiàng)式應(yīng)用中的高頻DC-DC電源變換電路很重要。
DirectFET高僅0.7mm,而SO-8是1.75mm，這對(duì)于象筆記本電腦和服務(wù)器這樣對(duì)空間有限制的這方面應(yīng)用很有優(yōu)勢(shì)。DirectFET器件已通過(guò)大量的可靠性實(shí)驗(yàn)，包括功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)，可以信賴(lài)它同標(biāo)準(zhǔn)SO-8一樣可靠。這種器件適合
現(xiàn)有的大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備和裝配工藝。它是大電流DC-DC變換器完美的解決方案。
