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)。
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,需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)式、陶瓷低熔玻璃封裝式)等。DIP封裝的特點(diǎn)是可以很方便地實(shí)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(shí)由于受工藝的影響,引腳一般都不超過100個(gè),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(tái)。
2、晶體管外形封裝(TO)
屬于早期的封裝規(guī)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(shè)計(jì)。
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(qiáng)等特點(diǎn)。
TO-220/220F:TO-220F是全塑封裝,裝到散熱器上時(shí)不必加絕緣墊;TO-220帶金屬片與中間腳相連,裝散熱器時(shí)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(yīng)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(chǎng)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(gè)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(guī)范如下:
TO-252/D-PAK封裝尺寸規(guī)格
TO-263是TO-220的一個(gè)變種,主要是為了提高生產(chǎn)效率和散熱而設(shè)計(jì),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(gè)方陣形的插針,每個(gè)方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列,根據(jù)管腳數(shù)目的多少,可以圍成2~5圈。安裝時(shí),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(shì),能適應(yīng)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(diǎn)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(zhǎng)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(chǎng)效應(yīng)管和帶電阻網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合晶體管,強(qiáng)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(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(chǎng)合,外形如下圖(b)所示。
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)。材料有塑料和陶瓷兩種。
SOP封裝標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(Plastic Quad Flat Package)封裝的芯片引腳之間距離很小,管腳很細(xì),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(gè)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(diǎn):
①適用于SMD表面安裝技術(shù)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(nèi),無法將芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)導(dǎo)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(dǎo)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片進(jìn)行,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(hào)處理、音響信號(hào)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(diǎn),由于無引線,貼裝表現(xiàn)出面積比QFP小、高度比QFP低的特點(diǎn);其中陶瓷QFN也稱為L(zhǎng)CC(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主要用于集成電路封裝,MOSFET不會(huì)采用。不過因Intel提出整合驅(qū)動(dòng)與MOSFET方案,而推出了采用QFN-56封裝(“56”指芯片背面有56個(gè)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%。最大的缺點(diǎn)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(duì)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(jìn)步,把驅(qū)動(dòng)器和MOSFET整合在一起,構(gòu)建多芯片模塊已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí),這種整合方式同時(shí)可以節(jié)省相當(dāng)可觀的空間從而提升功耗密度,通過對(duì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shè)計(jì),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(dǎo)、開關(guān)和柵極電荷損耗;并能兼容多種控制器,可實(shí)現(xiàn)不同的工作模式,支持主動(dòng)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(gè)引腳,四周都有管腳,引腳從封裝的四個(gè)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(diǎn)。
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(yè)的封裝與改進(jìn)
由于CPU的低電壓、大電流的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)MOSFET提出輸出電流大,導(dǎo)通電阻低,發(fā)熱量低散熱快,體積小的要求。MOSFET廠商除了改進(jìn)芯片生產(chǎn)技術(shù)和工藝外,也不斷改進(jìn)封裝技術(shù),在與標(biāo)準(zhǔn)外形規(guī)格兼容的基礎(chǔ)上,提出新的封裝外形,并為自己研發(fā)的新封裝注冊(cè)商標(biāo)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也可以達(dá)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(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(cè)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是雙面散熱的小形封裝,也是威世核心封裝技術(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(shè)計(jì)了散熱點(diǎn),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(dǎo)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(dǎo)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,可最大限度地降低導(dǎo)通損耗,另外還具有低QG和電容,可將驅(qū)動(dòng)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(duì)SO-8封裝技術(shù)改進(jìn)為L(zhǎng)FPAK和QLPAK。其中LFPAK被認(rèn)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(diǎn),與普通SO-8相比,QLPAK占用PCB板的面積為6*5mm,同時(shí)熱阻為1.5k/W。
恩智浦LFPAK封裝
恩智浦QLPAK封裝
5、意法(ST)半導(dǎo)體PowerSO-8封裝
意法半導(dǎo)體功率MOSFET芯片封裝技術(shù)有SO-8、PowerSO-8、PowerFLAT、DirectFET、PolarPAK等,其中PowerSO-8正是SO-8的改進(jìn)版,此外還有PowerSO-10、PowerSO-20、TO-220FP、H2PAK-2等封裝。
意法半導(dǎo)體Power SO-8封裝
6、飛兆(Fairchild)半導(dǎo)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(jié)約元件凈空高度,底部Thermal-Pad設(shè)計(jì)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(guó)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(jì)算機(jī)、筆記本電腦、電信和消費(fèi)電子設(shè)備的AC-DC及DC-DC功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。與標(biāo)準(zhǔn)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(guó)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)部封裝改進(jìn)方向
除了外部封裝,基于電子制造對(duì)MOS管的需求的變化,內(nèi)部封裝技術(shù)也在不斷得到改進(jìn),這主要從三個(gè)方面進(jìn)行:改進(jìn)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(dǎo)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(dāng)CPU或GPU供電發(fā)展到低電壓、大電流時(shí)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)部封裝結(jié)構(gòu)
這四種限制對(duì)其電學(xué)和熱學(xué)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(shí),同步對(duì)焊線互連形式進(jìn)行了改進(jìn),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(biāo)準(zhǔn)型SO-8與無導(dǎo)線SO-8封裝對(duì)比
國(guó)際整流器(IR)的改進(jìn)技術(shù)稱之為Copper Strap;威世(Vishay)稱之為Power Connect技術(shù);飛兆半導(dǎo)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(guó)際整流器的Copper Strap技術(shù)
威世的Power Connect技術(shù)
飛兆半導(dǎo)體的Wirless Package技術(shù)
2、增加漏極散熱板
標(biāo)準(zhǔn)的SO-8封裝采用塑料將芯片包圍,低熱阻的熱傳導(dǎo)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(dǎo)體,故而影響了漏極的散熱。
技術(shù)改進(jìn)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(jié)構(gòu)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(shí)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(dǎo)體的Power SO-8、安美森半導(dǎo)體的SO-8 Flat Lead、瑞薩的WPAK/LFPAK、飛兆半導(dǎo)體的Power 56和Bottomless Package都采用了此散熱技術(shù)。
3、改變散熱的熱傳導(dǎo)方向
Power-PAK的封裝雖然顯著減小了芯片到PCB的熱阻,但當(dāng)電流需求繼續(xù)增大時(shí),PCB同時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱飽和現(xiàn)象。所以散熱技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)就是改變散熱方向,讓芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱器而不是PCB。
瑞薩LFPAK-i封裝
瑞薩的LFPAK-I封裝、國(guó)際整流器的Direct FET封裝均是這種散熱技術(shù)的典型代表。
總結(jié)
未來,隨著電子制造業(yè)繼續(xù)朝著超薄、小型化、低電壓、大電流方向的發(fā)展,MOS管的外形及內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之改變,以更好適應(yīng)制造業(yè)的發(fā)展需求。另外,為降低電子制造商的選用門檻,MOS管向模塊化、系統(tǒng)級(jí)封裝方向發(fā)展的趨勢(shì)也將越來越明顯,產(chǎn)品將從性能、成本等多維度協(xié)調(diào)發(fā)展。
而封裝作為MOS管選型的重要參考因素之一,不同的電子產(chǎn)品有不同的電性要求,不同的安裝環(huán)境也需要匹配的尺寸規(guī)格來滿足。實(shí)際選用中,應(yīng)在大原則下,根據(jù)實(shí)際需求情況來做抉擇。
有些電子系統(tǒng)受制于PCB的尺寸和內(nèi)部的高度,如通信系統(tǒng)的模塊電源由于高度的限制通常采用DFN5*6、DFN3*3的封裝;在有些ACDC的電源中,使用超薄設(shè)計(jì)或由于外殼的限制,適于裝配TO220封裝的功率MOS管,此時(shí)引腳可直接插到根部,而不適于使用TO247封裝的產(chǎn)品;也有些超薄設(shè)計(jì)需要將器件管腳折彎平放,這會(huì)加大MOS管選用的復(fù)雜度。
如何選取MOSFET
一位工程師曾經(jīng)對(duì)我講,他從來不看MOSFET數(shù)據(jù)表的第一頁(yè),因?yàn)椤皩?shí)用”的信息只在第二頁(yè)以后才出現(xiàn)。事實(shí)上,MOSFET數(shù)據(jù)表上的每一頁(yè)都包含有對(duì)設(shè)計(jì)者非常有價(jià)值的信息。但人們不是總能搞得清楚該如何解讀制造商提供的數(shù)據(jù)。本文概括了一些MOSFET的關(guān)鍵指標(biāo),這些指標(biāo)在數(shù)據(jù)表上是如何表述的,以及你理解這些指標(biāo)所要用到的清晰圖片。像大多數(shù)電子器件一樣,MOSFET也受到工作溫度的影響。所以很重要的一點(diǎn)是了解測(cè)試條件,所提到的指標(biāo)是在這些條件下應(yīng)用的。還有很關(guān)鍵的一點(diǎn)是弄明白你在“產(chǎn)品簡(jiǎn)介”里看到的這些指標(biāo)是“最大”或是“典型”值,因?yàn)橛行?shù)據(jù)表并沒有說清楚。
電壓等級(jí)
確定MOSFET的首要特性是其漏源電壓VDS,或“漏源擊穿電壓”,這是在柵極短路到源極,漏極電流在250μA情況下,MOSFET所能承受的保證不損壞的最高電壓。VDS也被稱為“25℃下的絕對(duì)最高電壓”,但是一定要記住,這個(gè)絕對(duì)電壓與溫度有關(guān),而且數(shù)據(jù)表里通常有一個(gè)“VDS溫度系數(shù)”。你還要明白,最高VDS是直流電壓加上可能在電路里存在的任何電壓尖峰和紋波。例如,如果你在電壓30V并帶有100mV、5ns尖峰的電源里使用30V器件,電壓就會(huì)超過器件的絕對(duì)最高限值,器件可能會(huì)進(jìn)入雪崩模式。在這種情況下,MOSFET的可靠性沒法得到保證。
在高溫下,溫度系數(shù)會(huì)顯著改變擊穿電壓。例如,一些600V電壓等級(jí)的N溝道MOSFET的溫度系數(shù)是正的,在接近最高結(jié)溫時(shí),溫度系數(shù)會(huì)讓這些MOSFET變得象650V MOSFET。很多MOSFET用戶的設(shè)計(jì)規(guī)則要求10%~20%的降額因子。在一些設(shè)計(jì)里,考慮到實(shí)際的擊穿電壓比25℃下的額定數(shù)值要高5%~10%,會(huì)在實(shí)際設(shè)計(jì)中增加相應(yīng)的有用設(shè)計(jì)裕量,對(duì)設(shè)計(jì)是很有利的。
對(duì)正確選擇MOSFET同樣重要的是理解在導(dǎo)通過程中柵源電壓VGS的作用。這個(gè)電壓是在給定的最大RDS(on)條件下,能夠確保MOSFET完全導(dǎo)通的電壓。這就是為什么導(dǎo)通電阻總是與VGS水平關(guān)聯(lián)在一起的原因,而且也是只有在這個(gè)電壓下才能保證器件導(dǎo)通。一個(gè)重要的設(shè)計(jì)結(jié)果是,你不能用比用于達(dá)到RDS(on)額定值的最低VGS還要低的電壓,來使MOSFET完全導(dǎo)通。例如,用3.3V微控制器驅(qū)動(dòng)MOSFET完全導(dǎo)通,你需要用在VGS= 2.5V或更低條件下能夠?qū)ǖ腗OSFET。
導(dǎo)通電阻,柵極電荷,以及“優(yōu)值系數(shù)”
MOSFET的導(dǎo)通電阻總是在一個(gè)或多個(gè)柵源電壓條件下確定的。最大RDS(on)限值可以比典型數(shù)值高20%~50%。RDS(on)最大限值通常指的25℃結(jié)溫下的數(shù)值,而在更高的溫度下,RDS(on)可以增加30%~150%,如圖1所示。由于RDS(on)隨溫度而變,而且不能保證最小的電阻值,根據(jù)RDS(on)來檢測(cè)電流不是很準(zhǔn)確的方法。
圖1 RDS(on)在最高工作溫度的30%~150%這個(gè)范圍內(nèi)隨溫度增加而增加
導(dǎo)通電阻對(duì)N溝道和P溝道MOSFET都是十分重要的。在開關(guān)電源中,Qg是用在開關(guān)電源里的N溝道MOSFET的關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)镼g會(huì)影響開關(guān)損耗。這些損耗有兩個(gè)方面影響:一個(gè)是影響MOSFET導(dǎo)通和關(guān)閉的轉(zhuǎn)換時(shí)間;另一個(gè)是每次開關(guān)過程中對(duì)柵極電容充電所需的能量。要牢記的一點(diǎn)是,Qg取決于柵源電壓,即使用更低的Vgs可以減少開關(guān)損耗。
作為一種快速比較準(zhǔn)備用在開關(guān)應(yīng)用里MOSFET的方式,設(shè)計(jì)者經(jīng)常使用一個(gè)單數(shù)公式,公式包括表示傳導(dǎo)損耗RDS(on)及表示開關(guān)損耗的Qg:RDS(on) xQg。這個(gè)“優(yōu)值系數(shù)”(FOM)總結(jié)了器件的性能,可以用典型值或最大值來比較MOSFET。要保證在器件中進(jìn)行準(zhǔn)確的比較,你需要確定用于RDS(on) 和Qg的是相同的VGS,在公示里典型值和最大值沒有碰巧混在一起。較低的FOM能讓你在開關(guān)應(yīng)用里獲得更好的性能,但是不能保證這一點(diǎn)。只有在實(shí)際的電路里才能獲得最好的比較結(jié)果,在某些情況下可能需要針對(duì)每個(gè)MOSFET對(duì)電路進(jìn)行微調(diào)。
額定電流和功率耗散
基于不同的測(cè)試條件,大多數(shù)MOSFET在數(shù)據(jù)表里都有一個(gè)或多個(gè)的連續(xù)漏極電流。你要仔細(xì)看看數(shù)據(jù)表,搞清楚這個(gè)額定值是在指定的外殼溫度下(比如TC = 25℃),或是環(huán)境溫度(比如TA = 25℃)。這些數(shù)值當(dāng)中哪些是最相關(guān)將取決于器件的特性和應(yīng)用(見圖2)。
圖2 全部絕對(duì)最大電流和功率數(shù)值都是真實(shí)的數(shù)據(jù)
對(duì)于用在手持設(shè)備里的小型表面貼裝器件,關(guān)聯(lián)度最高的電流等級(jí)可能是在70℃環(huán)境溫度下的電流,對(duì)于有散熱片和強(qiáng)制風(fēng)冷的大型設(shè)備,在TA = 25℃下的電流等級(jí)可能更接近實(shí)際情況。對(duì)于某些器件來說,管芯在其最高結(jié)溫下能夠處理的電流要高于封裝所限定的電流水平,在一些數(shù)據(jù)表,這種“管芯限定”的電流等級(jí)是對(duì)“封裝限定”電流等級(jí)的額外補(bǔ)充信息,可以讓你了解管芯的魯棒性。
對(duì)于連續(xù)的功率耗散也要考慮類似的情況,功耗耗散不僅取決于溫度,而且取決于導(dǎo)通時(shí)間。設(shè)想一個(gè)器件在TA= 70℃情況下,以PD=4W連續(xù)工作10秒鐘。構(gòu)成“連續(xù)”時(shí)間周期的因素會(huì)根據(jù)MOSFET封裝而變化,所以你要使用數(shù)據(jù)表里的標(biāo)準(zhǔn)化熱瞬態(tài)阻抗圖,看經(jīng)過10秒、100秒或10分鐘后的功率耗散是什么樣的。如圖3所示,這個(gè)專用器件經(jīng)過10秒脈沖后的熱阻系數(shù)大約是0.33,這意味著經(jīng)過大約10分鐘后,一旦封裝達(dá)到熱飽和,器件的散熱能力只有1.33W而不是4W,盡管在良好冷卻的情況下器件的散熱能力可以達(dá)到2W左右。
圖3 MOSFET在施加功率脈沖情況下的熱阻
實(shí)際上,我們可以把MOSFET選型分成四個(gè)步驟。
第一步:選用N溝道還是P溝道
為設(shè)計(jì)選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應(yīng)用中,當(dāng)一個(gè)MOSFET接地,而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí),該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中,應(yīng)采用N溝道MOSFET,這是出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOSFET連接到總線及負(fù)載接地時(shí),就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET,這也是出于對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)的考慮。
要選擇適合應(yīng)用的器件,必須確定驅(qū)動(dòng)器件所需的電壓,以及在設(shè)計(jì)中最簡(jiǎn)易執(zhí)行的方法。下一步是確定所需的額定電壓,或者器件所能承受的最大電壓。額定電壓越大,器件的成本就越高。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),額定電壓應(yīng)當(dāng)大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護(hù),使MOSFET不會(huì)失效。就選擇MOSFET而言,必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓,即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大電壓會(huì)隨溫度而變化這點(diǎn)十分重要。設(shè)計(jì)人員必須在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)測(cè)試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個(gè)變化范圍,確保電路不會(huì)失效。設(shè)計(jì)工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guān)電子設(shè)備(如電機(jī)或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同;通常,便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源為20~30V、85~220VAC應(yīng)用為450~600V。
第二步:確定額定電流
第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結(jié)構(gòu)而定,該額定電流應(yīng)是負(fù)載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似,設(shè)計(jì)人員必須確保所選的MOSFET能承受這個(gè)額定電流,即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí)。兩個(gè)考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導(dǎo)通模式下,MOSFET處于穩(wěn)態(tài),此時(shí)電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流,只需直接選擇能承受這個(gè)最大電流的器件便可。
選好額定電流后,還必須計(jì)算導(dǎo)通損耗。在實(shí)際情況下,MOSFET并不是理想的器件,因?yàn)樵趯?dǎo)電過程中會(huì)有電能損耗,這稱之為導(dǎo)通損耗。MOSFET在“導(dǎo)通”時(shí)就像一個(gè)可變電阻,由器件的RDS(ON)所確定,并隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計(jì)算,由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化,因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化。對(duì)MOSFET施加的電壓VGS越高,RDS(ON)就會(huì)越小;反之RDS(ON)就會(huì)越高。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說,這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。對(duì)便攜式設(shè)計(jì)來說,采用較低的電壓比較容易(較為普遍),而對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì),可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會(huì)隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS(ON)電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。
技術(shù)對(duì)器件的特性有著重大影響,因?yàn)橛行┘夹g(shù)在提高最大VDS時(shí)往往會(huì)使RDS(ON)增大。對(duì)于這樣的技術(shù),如果打算降低VDS和RDS(ON),那么就得增加晶片尺寸,從而增加與之配套的封裝尺寸及相關(guān)的開發(fā)成本。業(yè)界現(xiàn)有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術(shù),其中最主要的是溝道和電荷平衡技術(shù)。
在溝道技術(shù)中,晶片中嵌入了一個(gè)深溝,通常是為低電壓預(yù)留的,用于降低導(dǎo)通電阻RDS(ON)。為了減少最大VDS對(duì)RDS(ON)的影響,開發(fā)過程中采用了外延生長(zhǎng)柱/蝕刻柱工藝。例如,飛兆半導(dǎo)體開發(fā)了稱為SuperFET的技術(shù),針對(duì)RDS(ON)的降低而增加了額外的制造步驟。
這種對(duì)RDS(ON)的關(guān)注十分重要,因?yàn)楫?dāng)標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的擊穿電壓升高時(shí),RDS(ON)會(huì)隨之呈指數(shù)級(jí)增加,并且導(dǎo)致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS(ON)與晶片尺寸間的指數(shù)關(guān)系變成了線性關(guān)系。這樣,SuperFET器件便可在小晶片尺寸,甚至在擊穿電壓達(dá)到600V的情況下,實(shí)現(xiàn)理想的低RDS(ON)。結(jié)果是晶片尺寸可減小達(dá)35%。而對(duì)于最終用戶來說,這意味著封裝尺寸的大幅減小。
第三步:確定熱要求
選擇MOSFET的下一步是計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況,即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對(duì)最壞情況的計(jì)算結(jié)果,因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量,能確保系統(tǒng)不會(huì)失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測(cè)量數(shù)據(jù);比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻,以及最大的結(jié)溫。
器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據(jù)這個(gè)方程可解出系統(tǒng)的最大功率耗散,即按定義相等于I2×RDS(ON)。由于設(shè)計(jì)人員已確定將要通過器件的最大電流,因此可以計(jì)算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是,在處理簡(jiǎn)單熱模型時(shí),設(shè)計(jì)人員還必須考慮半導(dǎo)體結(jié)/器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量;即要求印刷電路板和封裝不會(huì)立即升溫。
雪崩擊穿是指半導(dǎo)體器件上的反向電壓超過最大值,并形成強(qiáng)電場(chǎng)使器件內(nèi)電流增加。該電流將耗散功率,使器件的溫度升高,而且有可能損壞器件。半導(dǎo)體公司都會(huì)對(duì)器件進(jìn)行雪崩測(cè)試,計(jì)算其雪崩電壓,或?qū)ζ骷姆€(wěn)健性進(jìn)行測(cè)試。計(jì)算額定雪崩電壓有兩種方法;一是統(tǒng)計(jì)法,另一是熱計(jì)算。而熱計(jì)算因?yàn)檩^為實(shí)用而得到廣泛采用。不少公司都有提供其器件測(cè)試的詳情,如飛兆半導(dǎo)體提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”( Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild網(wǎng)站去下載)。除計(jì)算外,技術(shù)對(duì)雪崩效應(yīng)也有很大影響。例如,晶片尺寸的增加會(huì)提高抗雪崩能力,最終提高器件的穩(wěn)健性。對(duì)最終用戶而言,這意味著要在系統(tǒng)中采用更大的封裝件。
第四步:決定開關(guān)性能
選擇MOSFET的最后一步是決定MOSFET的開關(guān)性能。影響開關(guān)性能的參數(shù)有很多,但最重要的是柵極/漏極、柵極/ 源極及漏極/源極電容。這些電容會(huì)在器件中產(chǎn)生開關(guān)損耗,因?yàn)樵诿看伍_關(guān)時(shí)都要對(duì)它們充電。MOSFET的開關(guān)速度因此被降低,器件效率也下降。為計(jì)算開關(guān)過程中器件的總損耗,設(shè)計(jì)人員必須計(jì)算開通過程中的損耗(Eon)和關(guān)閉過程中的損耗(Eoff)。MOSFET開關(guān)的總功率可用如下方程表達(dá):Psw=(Eon+Eoff)×開關(guān)頻率。而柵極電荷(Qgd)對(duì)開關(guān)性能的影響最大。
基于開關(guān)性能的重要性,新的技術(shù)正在不斷開發(fā)以解決這個(gè)開關(guān)問題。芯片尺寸的增加會(huì)加大柵極電荷;而這會(huì)使器件尺寸增大。為了減少開關(guān)損耗,新的技術(shù)如溝道厚底氧化已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生,旨在減少柵極電荷。舉例說,SuperFET這種新技術(shù)就可通過降低RDS(ON)和柵極電荷(Qg),最大限度地減少傳導(dǎo)損耗和提高開關(guān)性能。這樣,MOSFET就能應(yīng)對(duì)開關(guān)過程中的高速電壓瞬變(dv/dt)和電流瞬變(di/dt),甚至可在更高的開關(guān)頻率下可靠地工作。
原文標(biāo)題:MOSFET廠商匯總!
文章出處:【微信公眾號(hào):世界半導(dǎo)體論壇】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
責(zé)任編輯:haq
-
芯片
+關(guān)注
關(guān)注
455文章
50714瀏覽量
423159 -
plc
+關(guān)注
關(guān)注
5010文章
13272瀏覽量
463072 -
封裝
+關(guān)注
關(guān)注
126文章
7873瀏覽量
142896
原文標(biāo)題:MOSFET廠商匯總!
文章出處:【微信號(hào):icdaily,微信公眾號(hào):icdaily】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論