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标题: MOS管常见的几种封装展示与结构解析 [打印本页]

作者: DIOADE 时间: 2020-1-7 18:21
标题: MOS管常见的几种封装展示与结构解析

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。

什么是MOS管

MOS管是金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管，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管的封装类型

插入式封装

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

表面贴装式封装

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。典型表面贴装式封装有：晶体管外形（D-PAK）、小外形晶体管（SOT）、小外形封装（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，更多地选用了表面贴装式封装方式。

1、双列直插式封装（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封装结构形式有：多层陶瓷双列直插式DIP、单层陶瓷双列直插式DIP、引线框架式DIP（含玻璃陶瓷封接式、塑料包封结构式、陶瓷低熔玻璃封装式）等。DIP封装的特点是可以很方便地实现PCB板的穿孔焊接，和主板有很好的兼容性。

但由于其封装面积和厚度都比较大，而且引脚在插拔过程中很容易被损坏，可靠性较差；同时由于受工艺的影响，引脚一般都不超过100个，因此在电子产业高度集成化过程中，DIP封装逐渐退出了历史舞台。

2、晶体管外形封装（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等都是插入式封装设计。

TO-3P/247：是中高压、大电流MOS管常用的封装形式，产品具有耐压高、抗击穿能力强等特点。

TO-220/220F：TO-220F是全塑封装，装到散热器上时不必加绝缘垫；TO-220带金属片与中间脚相连，装散热器时要加绝缘垫。这两种封装样式的MOS管外观差不多，可以互换使用。

TO-251：该封装产品主要是为了降低成本和缩小产品体积，主要应用于中压大电流60A以下、高压7N以下环境中。

TO-92：该封装只有低压MOS管（电流10A以下、耐压值60V以下）和高压1N60/65在采用，目的是降低成本。

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

TO封装产品外观

TO252/D-PAK是一种塑封贴片封装，常用于功率晶体管、稳压芯片的封装，是目前主流封装之一。

采用该封装方式的MOSFET有3个电极，栅极（G）、漏极（D）、源极（S）。

其中漏极（D）的引脚被剪断不用，而是使用背面的散热板作漏极（D），直接焊接在PCB上，一方面用于输出大电流，一方面通过PCB散热；所以PCB的D-PAK焊盘有三处，漏极（D）焊盘较大。其封装规范如下：

TO-252/D-PAK封装尺寸规格

TO-263是TO-220的一个变种，主要是为了提高生产效率和散热而设计，支持极高的电流和电压，在150A以下、30V以上的中压大电流MOS管中较为多见。

除了D2PAK（TO-263AB）之外，还包括TO263-2、TO263-3、TO263-5、TO263-7等样式，与TO-263为从属关系，主要是引出脚数量和距离不同。

TO-263/D2PAK封装尺寸规格

3、插针网格阵列封装（PGA）5伏电源适配器

PGA封装样式

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。

其芯片基板多数为陶瓷材质，也有部分采用特制的塑料树脂来做基板，在工艺上，引脚中心距通常为2.54mm，引脚数从64到447不等。

这种封装的特点是，封装面积（体积）越小，能够承受的功耗（性能）就越低，反之则越高。这种封装形式芯片在早期比较多见，且多用于CPU等大功耗产品的封装，如英特尔的80486、Pentium均采用此封装样式；不大为MOS管厂家所采纳。

4、小外形晶体管封装（SOT）

SOT（Small Out-Line Transistor）是贴片型小功率晶体管封装，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封装类型

SOT23是常用的三极管封装形式，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，常见于小功率晶体管、场效应管和带电阻网络的复合晶体管，强度好，但可焊性差，外形如下图(a)所示。

SOT89具有3条短引脚，分布在晶体管的一侧，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体管，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体管，外形如下图(c)所示。

SOT252属于大功率晶体管，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。

常见SOT封装外形比较

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、小外形封装（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封装尺寸

SO-8为PHILIP公司率先开发，采用塑料封装，没有散热底板，散热不良，一般用于小功率MOSFET。

后逐渐派生出TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、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派生规格

6、方形扁平式封装（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。

用这种形式封装的芯片必须采用SMT表面安装技术将芯片与主板焊接起来。该封装方式具有四大特点：

①适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线；
②适合高频使用；
③操作方便,可靠性高；
④芯片面积与封装面积之间的比值较小。

与PGA封装方式一样，该封装方式将芯片包裹在塑封体内，无法将芯片工作时产生的热量及时导出，制约了MOSFET性能的提升；而且塑封本身增加了器件尺寸，不符合半导体向轻、薄、短、小方向发展的要求；另外，此类封装方式是基于单颗芯片进行，存在生产效率低、封装成本高的问题。

因此，QFP更适于微处理器/门陈列等数字逻辑LSI电路采用，也适于VTR信号处理、音响信号处理等模拟LSI电路产品封装。

7、四边无引线扁平封装（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。

是一种焊盘尺寸小、体积小、以塑料作为密封材料的新兴表面贴装芯片封装技术。

QFN主要用于集成电路封装，MOSFET不会采用。不过因Intel提出整合驱动与MOSFET方案，而推出了采用QFN-56封装（“56”指芯片背面有56个连接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装(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(电感和电容)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封装的DrMOS

传统的分立式DC/DC降压电源适配器无法满足对更高功耗密度的要求，也不能解决高开关频率下的寄生参数影响问题。

随着技术的革新与进步，把驱动器和MOSFET整合在一起，构建多芯片模块已经成为了现实，这种整合方式同时可以节省相当可观的空间从而提升功耗密度，通过对驱动器和MOS管的优化提高电能效率和优质DC电流，这就是整合驱动IC的DrMOS。

瑞萨第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，从而降低电感和电阻。

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封装外，双边扁平无引脚封装（DFN）也是一种新的电子封装工艺，在安森美的各种元器件中得到了广泛采用，与QFN相比，DFN少了两边的引出电极。

8、塑封有引线芯片载体(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。

其引脚中心距1.27mm，引脚数从18到84不等，J形引脚不易变形，比QFP容易操作，但焊接后的外观检查较为困难。PLCC封装适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线，具有外形尺寸小、可靠性高的优点。

PLCC封装是比较常见，用于逻辑LSI、DLD(或程逻辑器件)等电路，主板BIOS常采用的这种封装形式，不过目前在MOS管中较少见。

PLCC封装样式

主流企业的美规电源适配器封装与改进

由于CPU的低电压、大电流的发展趋势，对MOSFET提出输出电流大，导通电阻低，发热量低散热快，体积小的要求。MOSFET厂商除了改进芯片生产技术和工艺外，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册商标名称。

1、瑞萨（RENESAS）WPAK、LFPAK和LFPAK-I封装

WPAK是瑞萨开发的一种高热辐射封装，通过仿D-PAK封装那样把芯片散热板焊接在主板上，通过主板散热，使小形封装的WPAK也可以达到D-PAK的输出电流。WPAK-D2封装了高/低2颗MOSFET，减小布线电感。

瑞萨WPAK封装尺寸

LFPAK和LFPAK-I是瑞萨开发的另外2种与SO-8兼容的小形封装。LFPAK类似D-PAK，但比D-PAK体积小。LFPAK-i是将散热板向上，通过散热片散热。

瑞萨LFPAK和LFPAK-I封装

2、威世（Vishay）Power-PAK和Polar-PAK封装

Power-PAK是威世公司注册的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封装

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和电容，可将驱动器损耗降到最低的特性。

安森美SO-8扁平引脚封装

安森美WDFN8封装

4、恩智浦（NXP）LFPAK和QLPAK封装

恩智浦（原Philps）对SO-8封装技术改进为LFPAK和QLPAK。其中LFPAK被认为是世界上高度可靠的功率SO-8封装；而QLPAK具有体积小、散热效率更高的特点，与普通SO-8相比，QLPAK占用PCB板的面积为6*5mm，同时热阻为1.5k/W。

恩智浦LFPAK封装

恩智浦QLPAK封装

5、意法（ST）半导体PowerSO-8封装

意法半导体功率MOSFET芯片封装技术有SO-8、PowerSO-8、PowerFLAT、DirectFET、PolarPAK等，其中PowerSO-8正是SO-8的改进版，此外还有PowerSO-10、PowerSO-20、TO-220FP、H2PAK-2等封装。

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封装系列部分产品规格

内部封装改进方向

除了外部封装，基于电子制造对MOS管的需求的变化，内部封装技术也在不断得到改进，这主要从三个方面进行：改进封装内部的互连技术、增加漏极散热板、改变散热的热传导方向。

1、封装内部的互连技术

TO、D-PAK、SOT、SOP等采用焊线式的内部互连封装技术，当CPU或GPU供电发展到低电压、大电流时代，焊线式的SO-8封装就受到了封装电阻、封装电感、PN结到PCB和外壳热阻等因素的限制。

SO-8内部封装结构

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，以降低封装电阻、电感和热阻。

标准型SO-8与无导线SO-8封装对比

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%，源极至封装的电阻降低了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、增加漏极散热板

标准的SO-8封装采用塑料将芯片包围，低热阻的热传导通路只是芯片到PCB的引脚。而底部紧贴PCB的塑料外壳是热的不良导体，故而影响了漏极的散热。

技术改进就是要除去引线框下方的塑封化合物，方法是让引线框金属结构直接或加一层金属板与PCB接触，并焊接到PCB焊盘上，这样就提供了更多的散热接触面积，把热量从芯片上带走；同时也可以制成更薄的器件。

威世Power-PAK技术

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、改变散热的热传导方向

Power-PAK的封装虽然显著减小了芯片到PCB的热阻，但当电流需求继续增大时，PCB同时会出现热饱和现象。所以散热技术的进一步改进就是改变散热方向，让芯片的热量传导到散热器而不是PCB。

瑞萨LFPAK-i封装

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。

作者: ononsiiii 时间: 2020-1-7 19:23
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。

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