功率MOSFET新型封裝的研究

越來越多的電子產(chǎn)品正在朝著微型化的方向迅速發(fā)展，這對電子元器件的封裝提出了更高的要求，不僅要求不斷縮小元器件體積，還要實(shí)現(xiàn)原有或更好的性能，用表面貼裝元器件取代原來的插件元器件，是實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品微型化的關(guān)鍵。本文所介紹的用SOT89-3封裝的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）替代現(xiàn)有的大體積插件封裝大功率MOSFET產(chǎn)品，不僅可以保證產(chǎn)品的性能，還可以實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的高效率裝配和微型化發(fā)展。SOT89-3封裝的MOSFET產(chǎn)品，具有體積小、質(zhì)量輕、裝配簡單、耐沖擊能力強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，對于目前貼裝技術(shù)的配合、產(chǎn)品的批量生產(chǎn)以及小型化發(fā)展等要求都可以滿足。

一、功率MOSFET概述

功率MOSFET是一種電壓控制器件，相比三極管而言，有很多優(yōu)勢。三極管是電流控制器件，功率MOSFET是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱之為單極型器件，而三極管是既有多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電，被稱之為雙極型器件。場效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用，柵壓可正也可負(fù)，靈活性比晶體管好。

功率MOSFET不同于傳統(tǒng)的雙極性三極管，具有高開關(guān)速度、低開關(guān)損耗、超低導(dǎo)通電阻，高輸入阻抗、溫度穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可以替代傳統(tǒng)的雙極性三極管廣泛應(yīng)用于各種功率變換場合，例如開關(guān)電源、電機(jī)控制、汽車EPS控制系統(tǒng)以及LED照明驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。

早期的功率MOSFET主要以大體積、通孔插件的封裝形式出現(xiàn)在電子產(chǎn)品電路板上，隨著近年來電子產(chǎn)品的小型化發(fā)展，越來越多的元器件也正在向小型化和表面貼裝方向發(fā)展，以滿足電子產(chǎn)品小型化的要求，這對功率MOSFET的生產(chǎn)廠家提出了更高的要求，用更小、更薄、更便宜的產(chǎn)品來替代大、厚、貴的MOSFET產(chǎn)品，這樣不僅能降低材料成本，還能夠以較低的成本滿足客戶的使用需求。功率MOSFET產(chǎn)品具有芯片大、耐壓高、耗散功率大的特點(diǎn)，使得產(chǎn)品的小型化生產(chǎn)難度較高?？上驳氖牵壳?A-600V大功率MOSFET產(chǎn)品通過技術(shù)改造，芯片晶圓實(shí)現(xiàn)了小尺寸，對產(chǎn)品小型化發(fā)展提供了幫助。

二、功率MOSFET應(yīng)用特點(diǎn)

常見的大功率MOSFET產(chǎn)品的外形如圖1（a）-（c）所示，其外形尺寸如表1所示。

MOSFET其控制柵極多為金屬或多晶硅，半導(dǎo)體溝道的電流大小由柵極電壓來控制，在柵極和溝道之間用薄氧化層來絕緣，因?yàn)槭怯秒妶隹刂?，所以不需輸入電流，只在瞬間對柵電容充電。

MOSFET的應(yīng)用極為廣泛，如電源、開關(guān)、信號(hào)放大等等，幾乎無處不在。一般而言，功率MOSFET根據(jù)電壓的高低來判斷產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境，例如手機(jī)、通信數(shù)碼產(chǎn)品多采用20V的MOSFET產(chǎn)品，電腦主板、顯卡等產(chǎn)品多采用30V的MOSFET產(chǎn)品，電視機(jī)頂盒以及電動(dòng)車等產(chǎn)品多采用40～50V的MOSFET產(chǎn)品，UPS電源、馬達(dá)控制電路、汽車電子等產(chǎn)品多采用60V的MOSFET產(chǎn)品，液晶顯示器（LCD）、電視等顯示產(chǎn)品多采用80V以上的MOSFET產(chǎn)品，更高的電壓，如150～700V的MOSFET產(chǎn)品則更多地應(yīng)用于LED照明、洗衣機(jī)、電冰箱、電源適配器等大功率電氣中，風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、變頻器、變電設(shè)備等多采用800～1 000V以上的MOSFET產(chǎn)品。

RDS（on）（漏源極導(dǎo)通電阻，也稱導(dǎo)通電阻）是功率MOSFET最主要的特征參數(shù)之一，特別是在功率變換和電機(jī)控制應(yīng)用中，RDS（on）決定了MOSFET在導(dǎo)通情況下，器件本身消耗的功率和耗散熱量。因此封裝MOSFET器件時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注影響RDS（on）的因素。

在功率管理和電機(jī)控制應(yīng)用中，低RDS（on）可以大大降低器件消耗的熱功率（無用功率）而增大器件的有用功率。

塑料封裝的功率MOSFET導(dǎo)通電阻詳見圖2所示。RDS（on）由3部分組成：封裝電阻（R2，R3），芯片內(nèi)部電阻Rds（on）和引線框架電阻R1，即RDS（on）=R1+R2+R3+Rds（on）。

一般有2種途徑可以降低功率MOSFET芯片本身導(dǎo)通電阻Rds（on）；一種是通過提高單位面積MOSFET的數(shù)量，另一種是增加芯片面積，但該方法成本較高。面臨的挑戰(zhàn)是提高單位面積MOSFET單元密度的同時(shí)，提高了封裝熱阻，這是一個(gè)在導(dǎo)通電阻、芯片尺寸、和封裝熱阻之間很難作出取舍的過程。

在器件封裝方面主要有3種途徑改善功率MOSFET導(dǎo)通電阻，首先通過改進(jìn)封裝設(shè)計(jì)，可以改善MOSFET的導(dǎo)通電阻，例如采用低電阻率、高熱傳導(dǎo)率引線框架，可以降低封裝體內(nèi)部串聯(lián)電阻R1。其次通過采用高導(dǎo)電率的粘片材料可以很好地解決芯片漏極與框架之間電阻R2的問題，當(dāng)然控制粘片材料厚度、空洞等工藝問題也是我們重點(diǎn)考慮的因素。再次通過采用低阻抗、高可靠的引線鍵合材料降低內(nèi)引線電阻R3，例如采用導(dǎo)電性更好的銅帶或銅線代替現(xiàn)有的鋁帶或鋁線，金屬電阻率ρ可以降低36.8%。鋁和銅的電阻率見表2。

當(dāng)然，封裝設(shè)計(jì)需根據(jù)材料膨脹系數(shù)和材質(zhì)硬度等物理特性的變化，重點(diǎn)考慮封裝機(jī)械熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等問題。

例如業(yè)界采用改良型TO-263封裝，相對目前的傳統(tǒng)封裝，可以提升29%的電流，達(dá)到100A，提升75%散熱，導(dǎo)通電阻僅有2.3mΩ。

三、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的提高，低電壓功率MOSFET的RDS（on）可以達(dá)到很低，但隨著產(chǎn)品耐壓提升又會(huì)出現(xiàn)問題。由于制造工藝限制，RDS（on）值也隨之以2.4～2.6次冪增長，因此必須通過降低數(shù)十倍的產(chǎn)品額定電流，才能解決額定電流、內(nèi)阻值和產(chǎn)品成本之間的矛盾，盡管降低了額定電流，高壓MOSFET在額定結(jié)溫下的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的電壓降仍居高不下，所以追求低導(dǎo)通電阻成為功率MOSFET的主要指標(biāo)。

1.國外

行業(yè)知名企業(yè)國際整流器公司（簡稱“IR”）近期推出的75V MOSFET產(chǎn)品，適用于多種工業(yè)設(shè)備，包括電動(dòng)工具，輕便型電動(dòng)車的逆變器，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、鋰離子電池組保護(hù)、熱插拔及開關(guān)電源（SMPS）二次側(cè)同步整流等應(yīng)用。

IR研發(fā)的全新75V Strong IR FET功率MOSFET系列產(chǎn)品配備了可提升低頻率應(yīng)用性能的超低導(dǎo)通電阻、極高的載流能力、軟體二極管，以及有助于提高抗噪性的3V典型閥值電壓。IR FS7730-7P是該系列的主要器件之一，采用堅(jiān)固的7引腳D2-Pak封裝，提供最高僅2mΩ的導(dǎo)通電阻和240A峰值電流。從測試的結(jié)果來看，IR公司研發(fā)的這款產(chǎn)品通過了行業(yè)最高雪崩電流級(jí)別的測試，可以滿足要求嚴(yán)格的工業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用，為工業(yè)應(yīng)用提供了堅(jiān)固耐用的解決方案，這種產(chǎn)品還可以實(shí)現(xiàn)多種封裝形式。

在中低壓功率MOSFET方面，IR最新推出的TSOT-26封裝IRF5810，其RDS（on）相對同類產(chǎn)品降低了40%，該公司近期針對鋰離子電池保護(hù)應(yīng)用推出配備IR最新低壓MOSFET硅技術(shù)的一系列器件，包括IRL6297SD雙N通道DirectFET MOSFET。該產(chǎn)品具有極低的導(dǎo)通電阻，可大幅減少導(dǎo)通損耗。產(chǎn)品可作為N通道及P通道配置的20V和30V器件，最高柵極驅(qū)動(dòng)從12V起，非常適合包含了2個(gè)串聯(lián)電池的電池保護(hù)電路。IR L6297SD在精密且能高效散熱的小罐式DirectFET封裝內(nèi)提供2個(gè)采用共漏極配置的20VN通道MOSFET。該器件具有低導(dǎo)通電阻，可替代采用較大封裝的MOSFET，從而節(jié)省電路板空間及系統(tǒng)成本。

目前，威盛公司（Vishay）推出了5款新型P通道電子負(fù)載開關(guān)，這是業(yè)界首款能夠以1.5V開啟電壓（Vth）提供低導(dǎo)通電阻器件，其導(dǎo)通電阻低至45mΩ。

日本羅姆公司（Rohm）開發(fā)的RQW250N03功率MOSFET采用SOP-8封裝，在20A電流時(shí)，導(dǎo)通電阻為2.4V，是傳統(tǒng)器件的1/2，該產(chǎn)品最大功率高達(dá)3W。據(jù)該公司介紹，CPU電源電路中一個(gè)RQW250N03的效率比傳統(tǒng)電源中2個(gè)MOSFET的效率還高，因此能夠大大降低電源功率耗散，減少信號(hào)損失。

瑞薩科技發(fā)布的HAT1125H-30V P溝道MOSFET，具有2.7mΩ導(dǎo)通電阻，用于筆記本電腦的電源管理。和該公司早期產(chǎn)品相比，導(dǎo)通電阻減少25%，是SOP-8業(yè)界導(dǎo)通電阻最低的產(chǎn)品，由于其損耗很低，利于小型化設(shè)計(jì)，節(jié)省空間的系統(tǒng)。

在高壓功率MOSFET產(chǎn)品方面，英飛凌公司研究成果表明，隨著肖特基二極管零反向恢復(fù)電荷整流技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)，可以利用功率MOSFET的高速導(dǎo)通響應(yīng)減少電路開關(guān)損耗，隨著超級(jí)結(jié)的應(yīng)用，CoolMOS性能可以大幅提升，例如早在2005年推出的TO-220封裝的CoolMOS CS系列600V額定電壓MOSFET的導(dǎo)通電阻降到了100mΩ以下。

英飛凌公司推出的內(nèi)建橫向電場功率MOSFET（600V漏源極擊穿電壓）與常規(guī)產(chǎn)品相比，相同的芯片面積，導(dǎo)通電阻可以下降到普通MOSFET的1/5，相同額定電流時(shí)，導(dǎo)通電阻可以下降到普通MOSFET產(chǎn)品的1/2。在額定結(jié)溫、電流條件下，導(dǎo)通壓降從12.6V下降到6.1V，導(dǎo)通損耗下降到常規(guī)產(chǎn)品的1/2，由于導(dǎo)通損耗降低，器件相對較涼，因此稱之為“CoolMOS”。

ST（意法半導(dǎo)體）推出500V類似CoolMOS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使500V、12A的芯片可以封裝在TO-220中，其導(dǎo)通電阻為350mΩ，比IRFP450低了50mΩ。導(dǎo)通電阻下降了10%之多，由此可見，在高壓MOSFET領(lǐng)域，各大廠商都在大力研制低導(dǎo)通電阻MOSFET。

2.國內(nèi)

相對于國外，國內(nèi)廠商技術(shù)水平相對比較落后，主要從事功率MOSFET封裝，半導(dǎo)體芯片制造方面涉足較少。

目前中國本土較具規(guī)模的封裝企業(yè)如長電科技、華天科技、南通富士通微電子股份有限公司、華潤華晶微電子有限公司（簡稱“華潤華晶”）、吉林華微電子股份有限公司（簡稱“吉林華微”）、上海凱虹電子有限公司等廠家都有這類產(chǎn)品封裝線。長電科技、華潤華晶、吉林華微等3家企業(yè)擁有自己的芯片生產(chǎn)線，但目前產(chǎn)品主要以比較傳統(tǒng)的中高壓功率普通MOSFET為主?？傊瑖鴥?nèi)廠商基本以封裝為主，芯片設(shè)計(jì)制造較少涉及。

四、傳統(tǒng)封裝產(chǎn)品缺陷與克服

從傳統(tǒng)大功率MOSFET產(chǎn)品的外形來看，外形過大無疑成為其發(fā)展的瓶頸，與電子產(chǎn)品的小型化發(fā)展相悖。傳統(tǒng)封裝的功率器件已經(jīng)無法滿足時(shí)代發(fā)展的要求，而且，表面貼裝產(chǎn)品越來越成為電子產(chǎn)業(yè)的寵兒，配合自動(dòng)化、規(guī)范化、高效率的裝配技術(shù)，整個(gè)電子行業(yè)對表面貼裝產(chǎn)品的需求越來越大，表面貼裝產(chǎn)品的應(yīng)用前景十分廣闊。以1A-600V的產(chǎn)品為例，產(chǎn)品一般應(yīng)用于對體積要求比較嚴(yán)格的電源產(chǎn)品，如RCC充電器（圖3所示）。

從充電器的要求來看，體積越來越小已經(jīng)是必然的趨勢，早前1N60產(chǎn)品多采用大封裝TO-220或者TO-251封裝，隨著充電器尺寸減小，后期有改為TO-92封裝，但仍然需要很大的空間來放置電子元器件，元器件改小的歷程如圖4所示。

SOT-89-3封裝（如圖5所示）的MOSFET器件針對空間受限的便攜電子產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化，其尺寸是4.5mm×2.45mm×1.5mm，安裝面積比采用TO-92封裝小75%；且僅有1.5mm的低垂直凈距，完全滿足超薄手持便攜設(shè)備的要求。MOSFET外形對比見表3。

由于工藝的改進(jìn)，采用SOT-89-3封裝取代TO-92封裝產(chǎn)品，芯片放置情況如圖6所示。

從放置情況的對比來看，SOT-89-3封裝取代TO-92封裝是完全可以實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)過對產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)測試發(fā)現(xiàn)：該器件漏源極擊穿電壓達(dá)到600V，導(dǎo)通電阻為12Ω，漏極電流是1A。

通過對比發(fā)現(xiàn)，SOT-89-3封裝替代TO-92封裝有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

①整機(jī)整體更加小型化，更加輕便。因?yàn)镾OT-89-3封裝的元器件不僅體積小，而且質(zhì)量輕，元器件在裝配過程中器件之間的距離明顯變小。

②整機(jī)性能和可靠性得到加強(qiáng)。SOT-89-3封裝的產(chǎn)品可靠性高，自重小，對外界的震動(dòng)和沖擊敏感性明顯變小，裝配的精準(zhǔn)度提高，裝配更簡單、效率更高，這都是插件產(chǎn)品不能比擬的，而且從極低的功耗、輕負(fù)載下提高轉(zhuǎn)換器效率及消除寄生電感方面提升了產(chǎn)品的整體性能。

③整機(jī)的組裝可以實(shí)現(xiàn)更緊密。因?yàn)镾OT-89-3封裝尺寸較小，在貼片過程中，可以借助自動(dòng)化吸裝設(shè)備來進(jìn)行表面貼裝的工作，由于自動(dòng)化吸裝設(shè)備工作時(shí)可縮小元器件之間的距離，提高貼片精準(zhǔn)度，空間比得到提高。

④整機(jī)的成本得到降低。由于SOT-89-3封裝是貼片產(chǎn)品，從裝配的角度而言，自動(dòng)化裝配的實(shí)現(xiàn)提高了裝配的效率，電路板不需要打孔，從而降低電路板的成本。

五、結(jié)語

SOT-89-3封裝的1N60器件可實(shí)現(xiàn)更高的效率、更穩(wěn)定的波長、同時(shí)最大程度降低傳導(dǎo)損耗和導(dǎo)通損耗，從而實(shí)現(xiàn)了功效更高且更節(jié)省空間的設(shè)計(jì)，SOT-89-3封裝1N60產(chǎn)品的成功，對于大功率MOSFET產(chǎn)品的小型化邁出了重要的一步，使得更多的電子產(chǎn)品可以用到更小封裝的元器件。