2021年07月27日 | 源极底置封装提升电源供应器之功率密度

功率晶体技术的积极发展，对于交换式电源供应器的高效率及小型化做出具体贡献，功率晶体在晶粒(die)上的发展技术发展着重在有效降低单位面积的导通电阻及寄生电容，以持续不断地降低导通电阻及提升切换速度，用以有效减少导通损耗及切换损耗，使电源供应器在维持相同的切换频率下具有较高的效率，或操作在更高频的条件之下，能够达到相同的效率要求；另一方面，功率晶体的封装技术发展除了有效减少封装的寄生电阻及寄生电感，并且能够通过不同的技术，如扩散式焊接(diffusion soldering)实现降低热阻(thermal resistance)，或采用能够实现双面散热(Double sided cooling)的引线连接，进而提升功率晶体的散热能力及封装小型化。

传统的功率晶体晶粒的结构，如图一(a)所示，闸极(Gate)及源极(Source)位于同一平面，而汲极(Drain)位于另一平面，因此，功率晶体封装方式会将晶体的的汲极焊接在较大面积的导线架上，而闸极与源极利用引线及夹具连接到封装的接点，如图一(b)所示，传统的封装方式设计考量缘自考量晶粒的结构以及功率晶体汲极为主要发热源的元件层级(component level)考量，而非依照功率晶体实际应用条件所采用的系统层级(system level)考量。

何谓系统层级考量，例如在降压型转换器中，输入电压的正电压及地回路都是具有大面积的铜箔，除了具有电磁屏蔽及减少大电流造成的导通损耗外，更可以拿来做为转换器功率晶体的散热之用，对上管功率晶体而言，若采用传统的封装，汲极端点的热可以透过正电压端的大面积铜箔散热；而下管(Low side)功率晶体的汲极，不仅是热源也是高频切换点，无法采用大面积铜箔进行散热；但是对于下管功率晶体而言，若采用源极底置(source down)的封装，就可以利用源极连接的大面积地回路来散热，除了兼具系统效能，更能有效降低功率晶体的温度。因此，新式源极底置的封装，就是为了系统层级考量而设计出来的封装。

图二  系统层级的功率晶体封装设计考量

如图三所示，为传统汲极底置(Drain down)封装与新式源极底置封装的示意图，其中传统汲极底置封装的连接方式，功率晶体的晶粒置于导线架(leadframe)之上，导线架直接与功率晶体的汲极相连接，而功率晶体的闸极与源极，分别通过引线及夹具，连接到封装接点；而新式的源极底置封装具有不同的方式，以相反的晶粒放置方式，将源极及闸极以直接连接的方式相连到导线架及闸极封装，并利用夹具连接晶粒的汲极其及封装接点。

图三  传统封装与新式源极底置封装的示意图

如表一所示，为传统汲极底置与新式源极底置封装的参数比较，透过封装内连接方式的改变，新式源极底置的封装能够有效减少功率晶体的寄生电阻及寄生电感，封装的寄生电阻从224μΩ减少到140μΩ，而寄生电感从0.44nH减少到0.29nH，可以预期在新式源极底置封装的功率晶体上，切换过程时来自寄生电感产生的电压尖波可以被减小，更重要的是热阻值从1.8℃/W大幅降到1.4℃/W，热阻值的降低，不仅提高了功率晶体的散热能力，能够大幅提高功率晶体的电流能力以外，零件能够被使用于更高电流的电路，更重要的是，单位面积封装的零件具有更高的电流及功率处理能力，对于提高电源转换装置的功率密度，能够发挥更大的效用。

表一  传统汲极底置与新式源极底置封装的参数比较

例如在Intel CRPS(Common Redundant Power Supply)架构下伺服器的标准机构宽度为73.5mm，考虑12V电压输出的CRPS伺服器输出端使用的Oring-FET，可以使用25V汲极底置5x6封装的功率晶体，其导通电阻最低可达0.45mΩ，然而当机构宽度减少至60mm时，PCB可以使用的宽度减少了20%，如果维持原来的输出电流规格不变，此时采用较小封装的功率晶体就成为一个可行的解决方案，25V源极底置3x3封装的功率晶体，其导通电阻最低可达0.65mΩ，可以满足在新机构规格的宽度要求。如图四所示。

图四  在伺服器电源宽度减少下，输出Oring-FET封装的选用

大电流输出的电源供应器为提高效率采用功率晶体做为同步整流电路，减少大电流输出所带来的导通损耗是必要的设计考量。位于变压器次级侧的同步整流电路大多会采用变压器中心抽头(Center tap)结合功率电晶体来实现，针对同步整流功率晶体，相较于通孔 (through hole) 封装而言，采用表面接着(Surface mount)封装的优势，除了缩小封装的体积外，更可以减少封装引脚所带来的寄生电感，进而降低功率晶体切换过程中的电压尖波。此外，为解决表面接着封装功率晶体的温度问题而使用的散热片连接方式，传统上有两种方式：其一，在功率晶体之上使用散热片，通过功率晶体上方的塑胶外壳做热的传导，如图五(a)所示；其二，散热片与功率晶体汲极相连的PCB铜箔焊接连接，提高功率晶体的热容量及传导能力，如图五(b)所示。上述的第一种方法，受限于功率晶体上方的热阻值偏高，即使加了散热片，其散热效果并不明显；第二种方法，散热片分别直接接在两功率晶体的汲极，这两个位置是连接变压器两端，在电路当中具有不同电位的两高频电位切换点，因此电气隔离的考量使这个方法只能应用在较无空间限制的应用之中，如PC电源供应器之中。

重新检视交换式电源供应器中变压器结合同步整流电路的连接方式，如图六所示，无论是具有中心抽头的同步整流电路，或是在单端输出的同步整流及飞轮功率晶体，其源极端都是两两相连，并且直接连接于输出的地回路之上，地回路大多数情况会采用大面积的铜箔，或是额外使用铜片达成满足大电流的需求，源极底置的功率晶体封装非常适用于此种类型的电路结构，除了从系统结构上可以有效利用地回路的铜箔面积来做散热，汲极面积的减少亦可以相对降低高频切换点所造成的共模杂讯干扰。

在电源供应器的同步整流电路中，针对源极底置封装的功率晶体，其零件布局概念如图七，可以采用小板让同步整流功率晶体以大面积铜箔在源极相连，甚或焊接额外的铜片到输出的地电位，而其汲极可以分别在透过电源主板与变压器相连。

图七  源极底置封装功率晶体零件布局概念

源极底置封装的功率晶体不同于传统零件层级考量，是依照系统层级考量所设计出来的新式封装，相较于汲极底置的封装而言，不仅仅减少了寄生电阻及寄生电感能够减少导通电阻及切换时产生的电压尖波。此外，热阻的降低，能够大幅提高功率晶体的热容量及电流能力，在实际应用时，在降压型转换器中可分别采用汲极底置及源极底置的功率晶体来达到更好的系统转换效率及热传导；而在同步整流中，可以全部采用源极底置的功率晶体，配合小卡结合源极互连的零件布局及更好的散热效果，达到更好的转换效率