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MOS管常見的幾種封裝展示與結構解析

HOTKING 2019-03-11 13:37:30 MOS管 MOS管封裝 外形封裝 貼片封裝

MOS管对于整个供电系统而言起着稳压的作用。目前板卡上所采用的MOS管并不是太多,一般有10个左右,主要原因是大部分MOS管被整合到IC芯片中去了。由于MOS管主要作用是为配件提供稳定的电压,所以它一般使用在CPU、GPU 和插槽等附近。MOS管一般是以上下两个组成一组的形式出现板卡上。

什麽是MOS管
MOS管是金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶體管,或者称是金属—绝缘体(insulator)、半导体。MOS管的source和drain是可以对调的,他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下,这个两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。


MOS管的主要作用
MOS管对于整个供电系统而言起着稳压的作用。目前板卡上所采用的MOS管并不是太多,一般有10个左右,主要原因是大部分MOS管被整合到IC芯片中去了。由于MOS管主要作用是为配件提供稳定的电压,所以它一般使用在CPU、GPU 和插槽等附近。MOS管一般是以上下两个组成一组的形式出现板卡上。

MOS管的封裝類型
插入式封裝

  


插入式就是MOSFET的管脚穿过PCB板的安装孔并焊接在PCB板上。常见的插入式封裝有:双列直插式封装(DIP)、晶體管外形封裝(TO)、插针网格阵列封装(PGA)三种样式。

表面貼裝式封裝

  


表面贴裝则是MOSFET的管脚及散热法兰焊接在PCB板表面的焊盘上。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)、方形扁平式封装(QFP)、塑封有引线芯片载体(PLCC)等。
随着技术的发展,目前主板、显卡等的PCB板采用直插式封装方式的越来越少,更多地选用了表面貼裝式封裝方式。

1、雙列直插式封裝(DIP)

DIP封装有两排引脚,需要插入到具有DIP结构的芯片插座上,其派生方式为SDIP(Shrink DIP),即紧缩双入线封装,较DIP的针脚密度高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,因此在電子産業高度集成化過程中,DIP封裝逐漸退出了曆史舞台。

2、晶體管外形封裝(TO)空气净化器电源适配器

属于早期的封装规格,例如TO-3P、TO-247、TO-92、TO-92L、TO-220、TO-220F、TO-251等都是插入式封裝设计。

TO-3P/247:是中高壓、大電流MOS管常用的封裝形式,吉泽明步AV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:該封裝吉泽明步AV主要是爲了降低成本和縮小吉泽明步AV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。

近年来,由于插入式封裝工艺焊接成本高、散热性能也不如贴片式吉泽明步AV,使得表面贴装市场需求量不断增大,也使得TO封装发展到表面貼裝式封裝。TO-252(又称之为D-PAK)和TO-263(D2PAK)就是表面贴装封装。

  

TO封裝吉泽明步AV外觀

TO252/D-PAK是一种塑封貼片封裝,常用于功率晶體管、稳压芯片的封装,是目前主流封装之一。

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。其封裝規範如下:

  

TO-252/D-PAK封裝尺寸規格

TO-263是TO-220的一個變種,主要是爲了提高生産效率和散熱而設計,支持極高的電流和電壓,在150A以下、30V以上的中壓大電流MOS管中較爲多見。

除了D2PAK(TO-263AB)之外,還包括TO263-2、TO263-3、TO263-5、TO263-7等樣式,與TO-263爲從屬關系,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)芯片内外有多个方阵形的插针,每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列,根据管脚数目的多少,可以围成2~5圈。安装时,将芯片插入专门的PGA插座即可,具有插拔方便且可靠性高的优势,能适应更高的频率。

其芯片基板多數爲陶瓷材質,也有部分采用特制的塑料樹脂來做基板,在工藝上,引腳中心距通常爲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等大功耗吉泽明步AV的封裝,如英特爾的80486、Pentium均采用此封裝樣式;不大爲MOS管廠家所采納。

4、小外形晶體管封装(SOT)

SOT(Small Out-Line Transistor)是贴片型小功率晶體管封装,主要有SOT23、SOT89、SOT143、SOT25(即SOT23-5)等,又衍生出SOT323、SOT363/SOT26(即SOT23-6)等类型,体积比TO封装小。



SOT封裝類型

SOT23是常用的三極管封装形式,有3条翼形引脚,分别为集电极、发射极和基极,分别列于元件长边两侧,其中,发射极和基极在同一侧,常见于小功率晶體管、场效应管和带電阻网络的复合晶體管,强度好,但可焊性差,外形如下图(a)所示。

SOT89具有3条短引脚,分布在晶體管的一侧,另外一侧为金属散热片,与基极相连,以增加散热能力,常见于硅功率表面组装晶體管,适用于较高功率的场合,外形如下图(b)所示。

SOT143具有4条翼形短引脚,从两侧引出,引脚中宽度偏大的一端为集电极,这类封装常见于高频晶體管,外形如下图(c)所示。

SOT252属于大功率晶體管,3条引脚从一侧引出,中间一条引脚较短,为集电极,与另一端较大的引脚相连,该引脚为散热作用的铜片,外形如图所示。

  

常見SOT封裝外形比較

主板上常用四端引脚的SOT-89 MOSFET。其规格尺寸如下:

  

SOT-89 MOSFET尺寸规格(单位:mm)

5、小外形封裝(SOP)

SOP(Small Out-Line Package)是表面贴装型封装之一,也称之为SOL或DFP,引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L字形)。材料有塑料和陶瓷两种。

SOP封装标准有SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28等,SOP后面的数字表示引脚数。MOSFET的SOP封装多数采用SOP-8规格,业界往往把“P”省略,简写为SO(Small Out-Line)。

  

SOP-8封裝尺寸

SO-8爲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。

后逐渐派生出TSOP(薄小外形封裝)、VSOP(甚小外形封裝)、SSOP(缩小型SOP)、TSSOP(薄的缩小型SOP)等标准规格;其中TSOP和TSSOP常用于MOSFET封装。


  

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)封装的芯片引脚之间距离很小,管脚很细,一般在大规模或超大型集成电路中采用,其引脚数一般在100个以上。

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,無法將芯片工作時産生的熱量及時導出,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,存在生産效率低、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電路吉泽明步AV封裝。

7、四邊無引線扁平封裝(QFN)

QFN(Quad Flat Non-leaded package)封装四边配置有电极接点,由于无引线,贴装表现出面积比QFP小、高度比QFP低的特点;其中陶瓷QFN也称为LCC(Leadless Chip Carriers),采用玻璃环氧树脂印刷基板基材的低成本塑料QFN则称为塑料LCC、PCLC、P-LCC等。

是一種焊盤尺寸小、體積小、以塑料作爲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。

需要说明的是,电源适配器供应商QFN封装与超薄小外形封裝(TSSOP)具有相同的外引线配置,而其尺寸却比TSSOP的小62%。根据QFN建模数据,其热性能比TSSOP封装提高了55%,电性能(电感和電容)比TSSOP封装分别提高了60%和30%。最大的缺点则是返修难度高。


  

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爲了現實,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

经过QFN-56无脚封装,让DrMOS热阻抗很低;借助内部引线键合以及铜夹带设计,可最大程度减少外部PCB布线,从而降低电感和電阻。

另外,采用的深沟道硅(trench silicon)MOSFET工艺,还能显著降低传导、开关和栅极电荷损耗;并能兼容多种控制器,可实现不同的工作模式,支持主动相变换模式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封装小得多,有32个引脚,四周都有管脚,引脚从封装的四个侧面引出,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,但焊接後的外觀檢查較爲困難。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的低电压、大电流的发展趋势,对MOSFET提出输出电流大,导通電阻低,发热量低散热快,体积小的要求。MOSFET厂商除了改进芯片吉泽明步AV技术和工艺外,也不断改进封装技术,在与标准外形规格兼容的基础上,提出新的封装外形,并为自己研发的新封装注冊商标名称。

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封装名称。Power-PAK包括有Power-PAK1212-8、Power-PAK SO-8两种规格。



威世Power-PAK1212-8封裝


威世Power-PAK SO-8封装

Polar PAK是双面散热的小形封装,也是威世核心封装技术之一。Polar PAK与普通的so-8封装相同,其在封装的上、下两面均设计了散热点,封装内部不易蓄热,能够将工作电流的电流密度提高至SO-8的2倍。目前威世已向意法半导体公司提供Polar PAK技术授权。


  

威世Polar PAK封装

3、安森美(Onsemi)SO-8和WDFN8扁平引脚(Flat Lead)封装

安美森半导体开发了2种扁平引脚的MOSFET,其中SO-8兼容的扁平引脚被很多板卡采用。安森美新近推出的NVMx和NVTx功率MOSFET就采用了紧凑型DFN5(SO-8FL)和WDFN8封装,可最大限度地降低导通损耗,另外还具有低QG和電容,可将驱动器损耗降到最低的特性。

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封裝技術改進爲LFPAK和QLPAK。其中LFPAK被認爲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板的面積爲6*5mm,同時熱阻爲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。


  

意法半导体Power SO-8封装

6、飞兆(Fairchild)半导体Power 56封装

Power 56是Farichild的专用称呼,正式名称为DFN 5×6。其封装面积跟常用的TSOP-8不相上下,而薄型封装又节约元件净空高度,底部Thermal-Pad设计降低了热阻,因此很多功率器件厂商都部署了DFN 5×6。


  
Fairchild Power 56封装

7、国际整流器(IR)Direct FET封装

Direct FET能在SO-8或更小占位面积上,提供高效的上部散热,适用于计算机、笔记本电脑、电信和消费电子设备的AC-DC及DC-DC功率转换应用。与标准塑料分立封装相比,DirectFET的金属罐构造具有双面散热功能,因而可有效将高频DC-DC降压式转换器的电流处理能力增加一倍。

  

Direct FET封装属于反装型,漏极(D)的散热板朝上,并覆盖金属外壳,通过金属外壳散热。Direct FET封装极大地改善了散热,并且占用空间更小,散热良好。

国际整流器Direct FET封装

IR Direct FET封装系列部分吉泽明步AV规格

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供电发展到低电压、大电流时代,焊线式的SO-8封装就受到了封装電阻、封装电感、PN结到PCB和外壳热阻等因素的限制。

SO-8內部封裝結構

这四种限制对其电学和热学性能有着极大的影响。随着电流密度的提高,MOSFET厂商在采用SO-8尺寸规格时,同步对焊线互连形式进行了改进,用金属带、或金属夹板代替焊线,以降低封装電阻、电感和热阻。

標准型SO-8與無導線SO-8封裝對比

国际整流器(IR)的改进技术称之为Copper Strap;威世(Vishay)称之为Power Connect技术;飞兆半导体则叫做Wireless Package。新技术采用铜带取代焊线后,热阻降低了10-20%,源极至封装的電阻降低了61%。

国际整流器的Copper Strap技术

威世的Power Connect技术

飞兆半导体的Wirless Package技术

2、增加漏極散熱板

標准的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,並焊接到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、法意半导体的Power SO-8、安美森半导体的SO-8 Flat Lead、瑞萨的WPAK/LFPAK、飞兆半导体的Power 56和Bottomless Package都采用了此散热技术。

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

瑞萨的LFPAK-I封装、国际整流器的Direct FET封装均是这种散热技术的典型代表。


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