詳解高效散熱的MOSFET頂部散熱封裝

電源應(yīng)用中的 MOSFET 大多是表面貼裝器件 (SMD)，包括 SO8FL、u8FL 和 LFPAK 等封裝。通常選擇這些 SMD 的原因是它們具有良好的功率能力，同時(shí)尺寸較小，從而有助于實(shí)現(xiàn)更緊湊的解決方案。盡管這些器件具有良好的功率能力，但有時(shí)散熱效果并不理想。

由于器件的引線框架（包括裸露漏極焊盤）直接焊接到覆銅區(qū)，這導(dǎo)致熱量主要通過PCB進(jìn)行傳播。而器件的其余部分均封閉在塑封料中，僅能通過空氣對(duì)流來散熱。因此，熱傳遞效率在很大程度上取決于電路板的特性：覆銅的面積大小、層數(shù)、厚度和布局。無論電路板是否安裝到散熱器上，都會(huì)導(dǎo)致這種情況的發(fā)生。通常器件的最大功率能力無法達(dá)到最優(yōu)情形，是因?yàn)?PCB 一般不具有高的熱導(dǎo)率和熱質(zhì)量。為解決這個(gè)問題并進(jìn)一步縮小應(yīng)用尺寸，業(yè)界開發(fā)了一種新的 MOSFET 封裝，即讓 MOSFET 的引線框架（漏極）在封裝的頂部暴露出來（例如圖 1 所示）。

圖 1. 頂部散熱封裝

頂部散熱的布局優(yōu)勢(shì)

雖然傳統(tǒng)功率 SMD 有利于實(shí)現(xiàn)小型化解決方案，但出于散熱考慮，它們要求在電路板背面其下方的位置不能放置其他元器件。電路板的一些空間無法使用，導(dǎo)致最終的電路板整體尺寸較大。而頂部散熱器件可以繞過此問題：其散熱是通過器件頂部進(jìn)行的。這樣，MOSFET 下方的板面位置就可以放置元器件了。

該空間可用于布置如下元器件（但不限于此）：

●   功率器件

●   柵極驅(qū)動(dòng)電路

●   支持元器件（電容、緩沖器等）

反過來，還能縮小電路板尺寸，減少柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的路徑，實(shí)現(xiàn)更理想的解決方案。

圖 2. PCB 器件空間

與標(biāo)準(zhǔn) SMD 器件相比，頂部散熱器件除了可以提供更多的布局空間外，還能減少熱量交疊。頂部散熱封裝的大部分熱傳播都直接進(jìn)入散熱器，因此 PCB 承受的熱量較小。有助于降低周圍器件的工作溫度。

頂部散熱的熱性能優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的表面貼裝 MOSFET 不同，頂部散熱封裝允許將散熱器直接連接到器件的引線框架。由于金屬具有高熱導(dǎo)率，因此散熱器材料通常是金屬。例如大多數(shù)散熱器是鋁制的，其熱導(dǎo)率在 100-210 W/mk 之間。與通過 PCB 散熱的常規(guī)方式相比，這種通過高熱導(dǎo)率材料散熱的方式大大降低了熱阻。熱導(dǎo)率和材料尺寸是決定熱阻的關(guān)鍵因素。熱阻越低，熱響應(yīng)越好。

Rθ = 絕對(duì)熱阻

Δx = 與熱流平行的材料的厚度

A = 垂直于熱流的橫截面積

k = 熱導(dǎo)率

除了提高熱導(dǎo)率外，散熱器還提供更大的熱質(zhì)量——這有助于避免飽和，或提供更大的熱時(shí)間常數(shù)。這是因?yàn)轫敳堪惭b的散熱器的尺寸可以改變。對(duì)于一定量的熱能輸入，熱質(zhì)量或熱容與給定溫度變化成正比。

Cth = 熱容，J/K

Q = 熱能，J

ΔT = 溫度變化，K

PCB 往往具有不同的布局，并且銅皮厚度較低的話，導(dǎo)致熱質(zhì)量(熱容)較低和熱傳播不良。所有這些因素使得標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝 MOSFET 在使用時(shí)無法實(shí)現(xiàn)最佳熱響應(yīng)。從理論上講，頂部散熱封裝擁有直接通過高熱質(zhì)量、高導(dǎo)熱性源散熱的優(yōu)勢(shì)，因此其熱響應(yīng) (Zth (C°/W)) 會(huì)更好。在結(jié)溫升幅一定的情況下，更好的熱響應(yīng)將支持更高的功率輸入。這樣，對(duì)于相同的 MOSFET 芯片，采用頂部散熱封裝的芯片比采用標(biāo)準(zhǔn) SMD 封裝的芯片將擁有更高的電流和功率能力。

圖 3. 頂部散熱封裝（上）和 SO8FL 封裝（下）的散熱路徑

熱性能比較的測(cè)試設(shè)置

為了演示和驗(yàn)證頂部散熱的熱性能優(yōu)勢(shì)，我們進(jìn)行了測(cè)試，比較了相同熱邊界條件下 TCPAK57 和 SO8FL 器件的芯片溫升和熱響應(yīng)。為使比較有效，兩個(gè)器件在相同的電氣條件和熱邊界下進(jìn)行測(cè)試。區(qū)別在于，TCPAK57 的散熱器安裝在器件上方，而 SO8FL 器件的散熱器安裝在 PCB 的底部，位于 MOSFET 區(qū)域正下方（圖 3）。這是對(duì)器件在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中使用方式的復(fù)現(xiàn)。測(cè)試期間還使用了不同厚度的熱界面材料 (TIM)，以驗(yàn)證使用不同的熱邊界能夠優(yōu)化哪種器件封裝。整體測(cè)試按如下方式進(jìn)行：對(duì)這兩個(gè)器件施加固定電流（因此是固定功率），然后監(jiān)視結(jié)溫的變化，從而得知哪個(gè)器件性能更好。

圖 4. 每個(gè)器件的應(yīng)用設(shè)置

器件選擇和PCB布局

在器件選擇方面，每種封裝中的 MOSFET 具有相同的芯片尺寸并使用相同的技術(shù)。這是為了確保每個(gè)器件在給定電流下具有相同的功耗，并使封裝級(jí)熱響應(yīng)一致。這樣，我們就能確信所測(cè)得的熱響應(yīng)差異是由于封裝差異導(dǎo)致的。出于這些原因，我們選擇使用 TCPAK57 和 SO8FL。它們采用略有不同的線夾和引線框架設(shè)計(jì)，一個(gè)有引線 (TCPAK57)，一個(gè)無引線 (SO8FL)。應(yīng)當(dāng)注意的是，這些差異很小，不會(huì)對(duì)穩(wěn)態(tài)熱響應(yīng)產(chǎn)生很大影響，故可忽略。給定參數(shù)后，選定的器件如下：

●   NVMFS5C410N SO8FL

●   NVMJST0D9N04CTXG TCPAK57

為了進(jìn)一步確保所有其他熱邊界保持等效，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)相同的 PCB 以搭載 SO8FL 封裝或 TCPAK57 封裝。PCB 設(shè)計(jì)為 4 層板，每層含 1 盎司銅。尺寸為 122 mm x 87 mm。SO8FL 板沒有將漏極焊盤連接到電路板其他導(dǎo)電層的熱過孔（這對(duì)散熱并不是最好的）；在此比較設(shè)置中，可以將其用作最糟散熱情況。

圖 5. PCB 的每一層

（第 1 層顯示在左上方，第 2 層顯示在右上方，

第 3 層顯示在左下方，第 4 層顯示在右下方）

散熱器和熱界面材料 (TIM)

測(cè)試過程中使用的散熱器為鋁制，專門設(shè)計(jì)用于安裝到 PCB 上。107 mm x 144 mm 散熱器為液冷式，其中 35 mm x 38 mm 散熱面積位于 MOSFET 位置正下方。通過散熱器的液體是水。水是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中常用的冷卻液。對(duì)于所有測(cè)試場(chǎng)景，其流速都設(shè)置為 0.5 gpm 的固定值。水可以提供額外的熱容，將熱量從散熱器轉(zhuǎn)移到供水系統(tǒng)中，有助于降低器件溫度。

圖 6. 應(yīng)用設(shè)置

為了更好地促進(jìn) MOSFET 界面散熱，應(yīng)使用熱間隙填充物。這有助于填補(bǔ)界面表面可能存在的缺陷。空氣作為不良熱導(dǎo)體，任何氣隙都會(huì)增加熱阻。測(cè)試使用的 TIM 是 Bergquist 4500CVO 填縫劑，其熱導(dǎo)率為 4.5 W/mK。使用幾種不同厚度的此這種TIM 來展示熱響應(yīng)優(yōu)化的可能性。固定的厚度通過在電路板和散熱器之間使用的精密墊片來實(shí)現(xiàn)。使用的目標(biāo)厚度為：

●   ~200 μm

●   ~700 μm

測(cè)試電路和加熱/測(cè)量方法

選擇的板載電路配置是半橋設(shè)置，因?yàn)樗砹艘环N通用型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。兩個(gè)器件彼此靠近，這也準(zhǔn)確反映了現(xiàn)場(chǎng)布局，因?yàn)檩^短的走線有助于減少寄生效應(yīng)。由于器件之間有熱量交疊，這對(duì)熱響應(yīng)會(huì)發(fā)揮一定的作用。

為了能夠以較低電流值進(jìn)行相關(guān)加熱，電流將通過 MOSFET 的體二極管。為確保始終如此，將柵極到源極引腳短路。給定器件的熱響應(yīng)通過如下方式獲得：先加熱半橋 FET，直到穩(wěn)態(tài)結(jié)溫（溫度不再升高），然后隨著結(jié)溫回到冷卻狀態(tài)溫度，通過一個(gè) 10 mA 小信號(hào)源監(jiān)測(cè)源漏電壓 (Vsd)。加熱過程中達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間與返回到無電狀態(tài)的時(shí)間相等。體二極管的 Vsd 與結(jié)溫呈線性關(guān)系，因此可以使用一個(gè)常數(shù) (mV/ C°) 比率（通過每個(gè)器件的表征來確定）將其與 ΔTj 相關(guān)聯(lián)。然后將整個(gè)冷卻期間的 ΔTj 除以加熱階段結(jié)束時(shí)的功耗，就得到給定系統(tǒng)的熱響應(yīng) (Zth)。

2 A 電源、10 mA 電源和 Vsd 的測(cè)量均由 T3ster 處理。T3ster 是一款商用測(cè)試設(shè)備，專門用于監(jiān)測(cè)熱響應(yīng)。它利用前面提到的方法計(jì)算熱響應(yīng)。

圖 7. 電路圖

熱比較結(jié)果

在兩種條件下測(cè)量每個(gè)器件的熱響應(yīng)結(jié)果：

●  200 μm TIM

●  700 μm TIM

這兩次測(cè)量的目的是確定給定受控系統(tǒng)中哪種封裝具有更好的熱響應(yīng)，以及哪種器件的熱響應(yīng)可以通過外部散熱方法來優(yōu)化。務(wù)必注意，這些結(jié)果并非適用于所有應(yīng)用，而是特定于所提到的熱邊界。

使用200 μm TIM安裝到散熱器的封裝比較

對(duì)于第一個(gè)測(cè)試操作，每個(gè)器件使用 200 μm TIM 安裝到水冷散熱器上。每個(gè)器件都接受 2 A 脈沖，直至穩(wěn)態(tài)。T3ster 監(jiān)測(cè)散熱期間的 Vsd，并將其反向關(guān)聯(lián)到該系統(tǒng)的熱響應(yīng)曲線。頂部散熱的穩(wěn)態(tài)熱響應(yīng)值為 ~4.13 C°/W ，而 SO8FL 的值為 ~25.27 C°/W。這一巨大差異與預(yù)期結(jié)果一致，因?yàn)轫敳可岱庋b直接安裝到高導(dǎo)熱性、大熱容的散熱器上，實(shí)現(xiàn)了良好的熱傳播。對(duì)于SO8FL 則由于 PCB 的熱導(dǎo)率差，導(dǎo)熱效果差。

為了幫助理解如何在應(yīng)用中利用這些優(yōu)勢(shì)，可以將熱響應(yīng)值與每個(gè)器件可以承受的功率量聯(lián)系起來。將 Tj 從 23 C° 的冷卻液溫度提高到 175 C° 的最大工作溫度所需的功率計(jì)算如下：

注意：此功率差異在這個(gè)特定的熱系統(tǒng)中是意料之中的。

在該熱系統(tǒng)中，頂部散熱單元可應(yīng)對(duì)的功率量是 SO8FL 的 6 倍。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，這可以通過幾種不同的方式加以利用。下面是它的一些優(yōu)勢(shì)：

●  當(dāng)需要的電流一定時(shí)，由于功率能力提高，相比SO8FL 可以使用更小的散熱器。從而可能節(jié)省成本。

●  對(duì)于開關(guān)模式電源應(yīng)用，在保持相近的熱裕量的同時(shí)可以提高開關(guān)頻率。

●  可用于原本不適合 SO8FL 的更高功率應(yīng)用。

●  芯片尺寸一定時(shí)，頂部散熱器件相比 SO8FL 將有更高的安全裕量，在給定電流需求下運(yùn)行溫度更低。

圖 8. 使用 200 μm TIM 的熱響應(yīng)曲線

圖 9. 使用 200 μm TIM 的溫度變化曲線

使用700 μm TIM安裝到散熱器的封裝比較

使用 700 μm 的 TIM 厚度進(jìn)行了另一次測(cè)試操作。這是為了與 200 μm TIM 測(cè)試進(jìn)行熱響應(yīng)變化的比較，以驗(yàn)證外部散熱方法對(duì)每種封裝的影響。該測(cè)試操作得到如下熱響應(yīng)結(jié)果：頂部散熱器件為 6.51 C°/W，SO8FL 為 25.57 C°/W。對(duì)于頂部散熱，兩次 TIM 操作的差異為 2.38 C°/W，而 SO8FL 的差異為 0.3 C°/W。這意味著該外部散熱方法對(duì)頂部散熱器件影響很大，而對(duì) SO8FL 影響很小。這也是意料之中的，因?yàn)轫敳可崞骷臒犴憫?yīng)以 TIM 層熱阻為主。與散熱器相比，TIM 的熱導(dǎo)率較低。因此，當(dāng)厚度增加時(shí)，熱阻會(huì)增加，導(dǎo)致 Rth 更高。

SO8FL TIM 變化發(fā)生在電路板和散熱器之間。其器件熱量必須通過電路板傳播才能到達(dá) TIM 和散熱器，因此厚度變化對(duì)主要熱量路徑的熱阻影響很小。所以，熱響應(yīng)的變化很小。

TIM 厚度變化引起的這些熱響應(yīng)變化，證明了頂部散熱封裝具有整體優(yōu)勢(shì)。TCPAK57 在封裝頂部有一個(gè)裸露的引線框架，因而可以更好地控制熱量路徑的熱阻。對(duì)于特定應(yīng)用和散熱方法，可以利用這個(gè)特點(diǎn)來優(yōu)化熱響應(yīng)。這反過來又會(huì)提供更可控和有益的功率能力。SO8FL 和類似的 SMD 器件難以通過其所在的電路板散熱，具體情況取決于 PCB 特性。這是非易控因素，因?yàn)槌松嶂?，PCB 設(shè)計(jì)還有許多其他變量需要考慮。

圖 10. 使用 700 μm TIM 的溫度變化曲線

圖 11. 使用 700 μm TIM 的溫度變化曲線

要點(diǎn)總結(jié)

頂部散熱封裝可避免通過 PCB 進(jìn)行散熱，縮短了從芯片到散熱裝置的熱量路徑，從而降低了器件的熱阻。熱阻與散熱器和熱界面材料特性直接相關(guān)。低熱阻可以帶來許多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，例如：

●  需要的電流量一定時(shí)，由于功率能力提高，相比標(biāo)準(zhǔn) SMD 可以使用更小的頂部散熱器件。反過來，這還可能帶來成本節(jié)省。

●  對(duì)于開關(guān)模式電源應(yīng)用，在保持相近的熱裕量的同時(shí)可以提高開關(guān)頻率。

●  可用于原本標(biāo)準(zhǔn) SMD 不適合的更高功率應(yīng)用。

●  芯片尺寸一定時(shí)，頂部散熱器件相比等效 SMD 器件將有更高的安全裕量，在給定電流需求下運(yùn)行溫度更低。

更強(qiáng)的熱響應(yīng)優(yōu)化能力。這通過改變熱界面材料和/或厚度來實(shí)現(xiàn)。TIM 越薄和/或熱導(dǎo)率越好，熱響應(yīng)就越低。熱響應(yīng)也可以通過改變散熱器特性來改變。

頂部散熱封裝可減少通過 PCB 的熱量傳播，進(jìn)而減少器件之間的熱量交疊。

頂部散熱使得 PCB 的背面不需要連接散熱器，因此 PCB 上的元器件可以布置得更緊湊。