用PQFN封装技术提高能效和功率密度

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包括非消费型电子设备在内的当今大多数电子产品设计都要求高能源效率,例如工业马达驱动器和电信网络基础设施。对于电源而言,同样需要高功率密度和可靠性,以便降低总拥有成本。

 随着开关模式电源转换成为业界标准(与线性电源相比具有更好的功率密度和效率),组件设计人员设法通过芯片级创新和改进封装来不断提升功率MOSFET的导通和开关性能。芯片的不断更新换代使得在导通电阻(RDS(ON))和影响开关性能的因素(如栅极电荷QG)之间的平衡方面逐步取得进展。

 国际整流器公司(IR)目前可提供多种不同的芯片,从而使电源设计人员有机会在中低压范围内选择导通和开关性能最优组合的器件。

 封装创新主要集中在降低寄生效应方面,例如无芯片封装电阻(DFPR)和封装电阻,它们会导致功率损耗并在电流额定值和开关速度方面限制器件的性能。

 封装接合线和引线框上不必要的电感使得栅极上会维持一定的电压,从而阻止栅极驱动器关断器件。这会大大延迟关断,从而增加MOSFET的功率损耗,降低转换效率。此外,杂散电感可导致电路中出现超过器件电压额定值的电压尖峰,从而导致出现故障。

 旨在降低电阻和提升热性能的封装改进还可极大地提升小封装尺寸内的电流处理能力,同时有助于器件冷却,并提高器件可靠性。

 当今的功率MOSFET封装

 采用Power SO8封装的MOSFET通常用在电信行业输入电压范围从36V至75V的工业标准1/2砖、1/4砖、1/8砖和1/16砖尺寸电源模块等应用中。面向不同半桥驱动工业应用的DC马达控制电路也使用功率MOSFET。这种封装与常见的插入式封装相比具有优势,包括显著缩小的尺寸和更便于表面贴装组装。对于功率应用而言,Power SO-8封装具有增强的引线框设计,与普通SO-8封装结构相比具有更强的电流处理能力。不过,市场对于提高功率处理能力、功率密度和能效的不变需求要求设计人员不断在性能方面寻找突破。

 对于要求更高操作电流或更高效率的应用而言,将两个SO-8(或类似)功率MOSFET并联可使总电流额定值提高一倍,同时降低导通电阻,减小损耗。这种技术现在已广泛使用,但是不可避免地会使设计趋于复杂:不仅需要更多组件,而且设计人员必须小心地匹配导通电阻和栅极阈限等参数,以确保负载电流的平均分配。匹配栅极电荷参数对于确保可靠的开关性能同样重要,这样器件不会在其协同(companion)器件之前导通。

 因此,改进封装以改善导通电阻和电流处理能力的原因有多种。用改进的PQFN器件一对一替换标准SO-8 MOSFET可提升总体工作效率。电流处理能力也能够得以增强,并实现更高的功率密度。在以并联方式使用的传统MOSFET应用中,采用增强型封装(如PQFN和DirectFET)的最新一代器件可用单个组件代替一个并联的组件对。这样,通过简化布局和降低电路匹配挑战能够简化设计。其它优势还包括更高的可靠性和降低BOM成本,即当两个或更多并联MOSFET被一个器件代替时。

 增强型功率封装(如IR的DirectFET封装)可提供大幅改进的电气和热性能。更为重要的是,DirectFET和PQFN可轻松安装在电路板上,并与现有表面贴装回流技术兼容,因此能够较轻松地设计到新的或现有的电路板中。

 先进的工业标准

 Power QFN(PQFN)封装是基于JEDEC标准四边扁平无引脚(QFN)表面贴装封装的热性能增强版本,QFN封装在四周底侧装有金属化端子。这样,就可采用标准化规则管理尺寸和端子配置,并为工业标准功率封装奠定基础,从而给新一代设计带来先进性能。

 IR和其他全球性功率半导体厂商目前可提供5mm×6mm匹配标准SO-8外形的PQFN器件,以及3mm×3mm的微型化PQFN器件。IR将这些封装分别称为PQFN 5×6和PQFN 3×3。其他厂商则以Power56或SuperSO-8等名称销售PQFN器件。

 PQFN封装在底侧有一个或以上的裸热焊盘,如图1所示。裸焊盘有助于降低裸片到PCB的热阻。标准SO-8封装的结到引线热阻通常为20°C/W,而采用IR的PQFN 5×6时,从结点到PCB的热阻仅为1.8°C/W。

《电子系统设计》

 在封装内,两种可能的技术都可以被用来创建从裸片到封装端子之间的MOSFET源连接。利用标准后端冷却方式来连接一系列键合线,可实现相对低成本的互连。而PQFN Copper Clip(铜片)封装则用大型铜片取代了键合线。IR支持这两种结构,为设计人员提供了多种具有成本效益、高性能的PQFN器件选择。

《电子系统设计》