干货 | 功率半导体器件市场现状与主流厂商的封装、改进，这篇文章说透了！

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2019-08-29

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认识功率器件

1.1 功率半导体器件在工业、消费、军事等领域都有着广泛应用，具有很高的战略地位，下面我们从一张图看功率器件的全貌：

1.2 功率半导体器件又可根据对电路信号的控程度分为全型、半控型及不可；或按驱动电路信号性质分为电压驱动型、电流驱动型等划分类别电流驱动型等划分类别电流驱动型等划分类别。

1.3 不同功率半导体器件，其承受电压、电流容量、阻抗能力、体积大小等特性也会不同，实际使用中，需要根据不同领域、不同需求来选用合适的器件。

1.4 半导体行业从诞生至今，先后经历了三代材料的变更程，截至目前，功率半导体器件领域仍主要采用以 Si 为代表的第一半导体材料。

1.5 汇总下半控型和全控型功率器件的特性

认识MOSFET

2.1 MOS管具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好；制造工艺简单、辐射强，因而通常被用于放大电路或开关电路；

（1）主要选型参数：漏源电压VDS（耐压），ID 连续漏电流，RDS(on) 导通电阻，Ciss 输入电容（结电容），品质因数FOM=Ron * Qg等。

（2）根据不同的工艺又分为

Trench MOS：沟槽型MOS，主要低压领域100V内；

SGT (Split Gate)MOS：分裂栅MOS，主要中低压领域200V内；

SJ MOS：超结MOS，主要在高压领域 600-800V；

在开关电源中，如漏极开路电路，漏极原封不动地接负载，叫开路漏极，开路漏极电路中不管负载接多高的电压，都能够接通和关断负载电流。是理想的模拟开关器件。这就是MOS管做开关器件的原理（详细请关注作者其他MOS详解）。

2.2 从市场份额看，MOSFET几乎都集中在国际大厂手中，其中英飞凌2015年收购了IR（美国国际整流器公司）成为行业龙头，安森美也在2016年9月完成对仙童半导体的收购后，市占率跃升至第二，然后销售排名分别是瑞萨、东芝、万国、ST、威世、安世、美格纳等等；

与活跃于中国大陆的国际厂商相比，国产企业优势不明显，但这不能说国产没有机会，中国大陆是世界上产业链最齐全的经济活跃区，在功率半导体领域活跃着一批本土制造企业，目前已基本完成产业链布局，且处于快速发展中；特别是MOSFET领域，国产在中低压领域替换进口品牌潜力最大，且部分国产、如士兰、华润微（中航）、吉林华微等都在努力进入世界排名；

主流MOS管品牌

3.1 MOS管分为几大系列：美系、日系、韩系、国产系。

美系：英飞凌、IR，仙童，安森美，ST，TI ，PI，AOS美国万代半导体等；

日系：东芝，瑞萨，ROHM罗姆等；

韩系：美格纳，KEC，AUK，森名浩，信安，KIA

国产系：吉林华微电子股份有限公司，扬州扬杰电子科技股份有限公司，

杭州士兰微电子股份有限公司，华润微电子（重庆）有限公司，无锡新洁能，西安后裔，深圳锐俊半导体，无锡华润华晶微电子有限公司，江苏东晨电子科技有限公司（前身东光微），东微半导体，威兆半导体，苏州硅能，无锡市芯途半导体有限公司，另外国产内包括部分台系：ANPEC，CET，友顺UTC。

MOS管封装分类

按照安装在PCB板上的方式来划分，MOS管封装主要有两大类：插入式(Through Hole)和表面贴装式(Surface Mount)。

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。

插入式封装

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。

表面贴装式封装

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)

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)

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。

PGA封装样式

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，外形如下图(d)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，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降压开关电源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。

总结

未来，随着电子制造业继续朝着超薄、小型化、低电压、大电流方向的发展，MOS管的外形及内部封装结构也会随之改变，以更好适应制造业的发展需求。另外，为降低电子制造商的选用门槛，MOS管向模块化、系统级封装方向发展的趋势也将越来越明显，产品将从性能、成本等多维度协调发展。

而封装作为MOS管选型的重要参考因素之一，不同的电子产品有不同的电性要求，不同的安装环境也需要匹配的尺寸规格来满足。实际选用中，应在大原则下，根据实际需求情况来做抉择。

有些电子系统受制于PCB的尺寸和内部的高度，如通信系统的模块电源由于高度的限制通常采用DFN5*6、DFN3*3的封装;在有些ACDC的电源中，使用超薄设计或由于外壳的限制，适于装配TO220封装的功率MOS管，此时引脚可直接插到根部，而不适于使用TO247封装的产品;也有些超薄设计需要将器件管脚折弯平放，这会加大MOS管选用的复杂度。

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