用PQFN封装技术提高能效和功率密度

2013年05月29日 16:05    qq8426030
关键词: PQFN

当今大多数电子产品设计都要求高能源效率,包括非消费型电子设备在内,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,包括显着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。

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图1 PQFN底侧裸热焊盘改善电气和热性能

  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。

  图2和3显示了键合线和铜片封装的内部详情。铜片封装技术将封装电阻降低了约1mΩ,这是一项非常重要的改进,因为最新的芯片技术现在可实现低于1m?的导通电阻;降低封装电阻对于确保更低的总MOSFET电阻至关重要。此外,铜片封装能够处理更大的电流,因而不再对器件的电流额定值产生限制。该封装通过了JEDEC潮湿敏感度级别(MSL)1的认证,并且由于裸片被焊接到引线框上(许多厂商在传统键合线结构中采用标准裸片粘接树脂),其组件符合工业规范要求。

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图2 采用键合线的PQFN封装

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图3 采用铜片的PQFN封装

  例如,PQFN 5×6铜片封装可在与现有SO-8相当的工业标准尺寸中,实现优于0.5mΩ的电阻,从裸片到PCB的热阻则低至0.5°C/W。其0.9mm的外型尺寸也与最大高度为0.7mm的DirectFET封装相近。在电流处理能力方面同样有大幅提升,在实际操作中,原来采用SO-8封装的26A器件,采用PQFN 5×6铜片封装可处理高达100A的电流。

  为了说明功率MOSFET采用这两种PQFN封装的性能潜力,表1比较了采用SO-8、PQFN 5×6键合线和PQFN5×6铜片封装的几款功率MOSFET。该表说明了每种封装技术对于主要参数影响因素如能效、功率密度和可靠性的不同效应。这些组件包含一个采用IR硅技术的几乎相同的30V MOSFET芯片。

表1 几种封装的对比

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  基于所有上述特性,PQFN5×6铜片封装具有与DirectFET封装(未使用顶部冷却)相似的性能,这实现了性能的大幅提升,同时能利用最新硅技术实现其所有的优势。在通常采用多个并联SO-8 MOSFET的设计中,PQFN 5×6铜片技术可用单个器件代替两个或更多传统器件,从而简化设计并提高可靠性。利用单个器件取代多个器件对于尺寸严格受限的电源(如1/2砖或更小尺寸的电源模块)而言同样是一大优势。例如,图4显示了现有砖型电源的次级同步整流效率曲线。这是一种通用设计,次级的每个脚采用两个并联MOSFET。利用IR公司提供的PQFN器件,我们可以用单个低导通电阻PQFN取代2个并联MOSFET,并实现更优的全负荷效率。

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图4 IR的PQFN器件在次级整流应用中比竞争器件表现更好

  本文小结

  对更高能效、更高功率密度和更高可靠性的要求是并将一直是电源设计人员面临的挑战。同样,增强型封装技术对于实现这些改进也至关重要。PQFN技术提供了一个灵活开放的封装平台,能为那些着眼于SO-8性能水平以上的设计人员提供所需的改进。当利用经优化的铜片结构进行改良之后,PQFN 5×6封装可提供近似于DirectFET(无需顶部冷却)等高性能专有封装技术的性能,不过DirectFET的能效和功率密度仍然最高。

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