板卡稳压器 显卡帝详解MOSFET封装技术

显卡帝详解MOSFET的封装形式和技术

显卡帝详解MOSFET的封装形式和技术

    以往我们在讨论显卡供电的时候往往只重点关注了供电系统中所采用的是什么电容、何种电感、模拟供电还是数字供电等，而忽略了那个小小的MOSFET(即MOS管)。而随着显卡技术竞争的日趋白热化，以及玩家对显卡品质要求的逐步提升，显卡上的每一个细节都已经很清晰的展现在每个玩家的眼前。那么今天我们就来为大家详细介绍下关于MOSFET封装技术方面的知识，以让玩家能够对MOSFET封装的差异性有一个清晰的区分。

板卡稳压器 显卡帝详解MOSFET封装技术 

    MOS管简介

    MOS管的英文全称叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应晶体管中的绝缘栅型。因此，MOS管有时被称为场效应管。在一般电子电路中，MOS管通常被用于放大电路或开关电路。而在板卡上的电源稳压电路中，MOSFET扮演的角色主要是判断电位。

    MOS管的作用是什么

　　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管封装形式

    MOSFET芯片在制作完成之后，需要给MOSFET芯片加上一个外壳，即MOS管封装。MOSFET芯片的外壳具有支撑、保护、冷却的作用，同时还为芯片提供电气连接和隔离，以便MOSFET器件与其它元件构成完整的电路。按照安装在PCB方式来区分，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的安装孔焊接在PCB上。表面贴裝则是MOSFET的管脚及散热法兰焊接在PCB表面的焊盘上。

常见的插入式封装MOSFET  

典型的表面贴装式封装MOSFET 

    随着技术的革新与进步，主板和显卡的PCB板采用直插式封装的MOSFET越来越少了，而多改用表面贴装式封装的MOSFET。故而本文中重点讨论表面贴装式封装MOSFET，并从MOS管外部封装技术、MOS管内部封装改进技术、整合式DrMOS、MOSFET发展趋势和MOSFET实例讲解等进行详细介绍。

MOS管外部封装-标准封装形式概览

MOS管外部封装-标准封装形式概览

    下面我们对标准的封装形式进行如下简要的介绍。按照“封装形式+要点介绍+相关图片”的方式进行如下说明。

    TO（Transistor Out-line）封装

    1、TO（Transistor Out-line）的中文即“晶体管外形”，是早期的封装规格，例如TO-92，TO-92L，TO-220，TO-252等等都是插入式封装设计。
    2、近年来表面贴装市场需求量的增大也使得TO封装进展到表面贴装式封装。TO252和TO263就是表面贴装封装。其中TO-252又称之为D-PAK，TO-263又称之为D2PAK。

TO封装的进展 

D-PAK(TO-252)封装 

    SOT（Small Out-Line Transistor）封装

    SOT（Small Out-Line Transistor）小外形晶体管封装。这种封装就是贴片型小功率晶体管封装，比TO封装体积小，一般用于小功率MOSFET。

SOT封装

常用的四端引脚SOT-89 MOSFET 

    SOP（Small Out-Line Package）封装

    1、SOP（Small Out-Line Package）的中文意思是“小外形封装”。SOP是表面贴装型封装之一，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也叫SOL 和DFP。
    2、SOP封装标准有SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28等等，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，叫SO（Small Out-Line ）。
    3、SO-8采用塑料封装，没有散热底板，散热不良，一般用于小功率MOSFET。
    4、SO-8是PHILIP公司首先开发的，以后逐渐派生出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。

SOP-8封装 

这些派生的几种封装规格中，TSOP和TSSOP常用于MOSFET封装 

    QFN-56封装

    1、QFN（Quad Flat Non-leaded package）是表面贴装型封装之一，中文叫做四边无引线扁平封装，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。现在多称为LCC。
    2、封装四边配置有电极接点，由于无引线，贴装占有面积比QFP小，高度比QFP低。这种封装也称为LCC、PCLC、P－LCC等。QFN本来用于集成电路的封装，MOSFET不会采用的。INTEL提出的整合驱动与MOSFET的DrMOS采用QFN-56封装，56是指在芯片背面有56个连接Pin。

QFN56封装的DrMOS 

MOS管外部封装-最新封装形式概览

MOS管外部封装-最新封装形式概览

    下面我们介绍主要的MOSFET生产厂商所采用的最新封装形式。

    瑞萨（RENESAS）的WPAK、LFPAK和LFPAK-I 封装

    1、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。
    2、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比D-PAK体积小。LFPAK-i是将散热板向上，通过散热片散热。

瑞萨WPAK封装 

LFPAK和LFPAK-I封装

    威世（Vishay）的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。Polar PAK是双面散热的小形封装。

Power-PAK1212-8

Power-PAK SO-8

Polar PAK 

    安森美（Onsemi）的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。

SO-8扁平引脚封装 

WDFN8封装

    菲利普（Philps）的LFPAK和QLPAK封装

    首先开发SO-8的Philps也有改进SO-8的新封装技术，就是LFPAK和QLPAK。

LFPAK封装

QLPAK封装

    意法（ST）半导体的PowerSO-8封装

    意法半导体的SO-8改进技术叫做Power SO-8。

Power SO-8封装

    飞兆（Fairchild）半导体的Power 56封装

    飞兆半导体的SO-8改进技术叫做Power 56。

Power 56封装 

    国际整流器（IR）的Direct FET封装

    1、Direct FET封装属于反装型的，漏极（D）的散热板朝上，并覆盖金属外壳，通过金属外壳散热。
    2、Direct FET封装极大地改善了散热，并且占用空间更小，散热良好

Direct FET封装 

MOS管内部封装改进技术概览

MOS管内部封装改进技术概览

    前面我们所介绍的是MOSFET的外部封装技术，其实最新封装技术也包括内部封装技术的改进，归纳起来总共有三个方面：一是改进封装内部的互连技术，二是增加漏极散热板，三是改变散热的热传导方向。下面我们分别介绍这三种内部封装改进技术。

   封装内部的互连技术

    之前的封装标准，如：TO，D-PAK，SOT,SOP等多采用焊线式的内部互连。而当CPU或GPU供电进展到低电压、大电流时代，例如焊线式的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

    上述四种限制对其电学和热学性能有着极大的影响。随着电流密度要求的提高,MOSFET厂商采用SO-8的尺寸规格，同时对焊线互连形式进行改进，用金属带、或金属夹板代替焊线，降低封装电阻、电感和热阻。

标准型SO-8与无导线SO-8封装形式的对比 

    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，还有称之为Wireless Package。

国际整流器的Copper Strap技术 

    据悉再用铜带取代焊线后，热阻降低了10-20%，源极至封装的电阻降低了61%。

威世的Power Connect技术和飞兆半导体的Wirless Package技术 

    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。所以改进的方法自然就是要除去引线框下方的塑封化合物，方法就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都采用这种散热技术。

    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。

Direct FET封装 

瑞萨LFPAK-i封装 

    瑞萨的LFPAK-I 封装，国际整流器的Direct FET封装就是这种散热技术。

整合驱动IC的DrMOS和MOSFET发展趋势

整合驱动IC的DrMOS和MOSFET发展趋势

    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，这样一种整合的方式同时也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 

    DrMOS的主要特点是：

    - 采用QFN56无脚封装，热阻抗很低。

    - 采用内部引线键合以及铜夹带设计，尽量减少外部PCB布线，从而降低电感和电阻。

    - 采用先进的深沟道硅(trench silicon)MOSFET工艺，显著降低传导、开关和栅极电荷损耗。

    - 兼容多种控制器，可实现不同的工作模式，支持APS（Auto Phase Switching）。

    - 针对目标应用进行设计的高度优化。

DrMOS性能对比 

低压MOSFET封装趋势

    从上图我们可以很清楚的看出：随着MOS管封装技术的发展趋势，未来对MOSFET的要求将趋于高频率大电流、高密度封装和体积小型化。

显卡上的MOSFET实例解析

显卡MOSFET实例解析

    了解了详细的MOSFET介绍，下面我们挑选了几款显卡的PCB供电部分的图来进行实例解析。

LF-PAK “八爪鱼”封装的MOSFET

    上图是经常在板卡中所“推崇的”八爪鱼封装MOSFET，从前面的介绍我们得知，八爪鱼封装即LF-PAK封装，MOS管的两端各有4个触角，共计8个触角，故而称之为“八爪鱼”MOSFET。优点是：内阻低、低温且可以承受更高的负载。

整合驱动IC的DrMOS封装技术

    上图中的HD6850显卡核心供电采用的即是整合了驱动IC的DrMOS,这种MOSFET能有效降低阻抗，减少热损耗，这四颗芯片都无需额外的散热照顾。

Power PAK封装的MOSFET 

   从MOS管的引脚来看，这款GTX550Ti显卡的核心供电部分所采用的MOSFET为Power PAK封装形式。

D-PAK封装的MOSFET

    这款GTX550Ti显卡的核心供电部分的MOSFET采用的是早期的D-PAK封装形式。

    从上面判断MOSFET封装形式的方法来看，将MOS管的引脚数与前几页所介绍的MOSFET封装形式相对即可很轻松的辨认出来。

MOS管作用剖析和性能参数盘点

MOS管作用剖析和性能参数盘点

    进过前面详细的讲解，我们了解了MOSFET封装形式和相关技术，最后我们对MOSFET与电感“合作”稳压的细节以及MOS管性能参数进行下剖析和盘点。

在板卡中随处可见MOSFET

    电感与MOS管是如何合作的

　　通过前面的介绍，我们知道MOS管对于整个供电系统起着稳压的作用，但是MOS管不能单独使用，它必须和电感线圈、电容等共同组成的滤波稳压电路，才能发挥充分它的优势。PCB上的PWM(Plus Width Modulator，脉冲宽度调制器)芯片产生一个宽度可调的脉冲波形，这样可以使两只MOS管轮流导通。当负载两端的电压(如CPU需要的电压)要降低时，这时MOS管的开关作用开始生效，外部电源对电感进行充电并达到所需的额定电压。当负载两端的电压升高时，通过MOS管的开关作用，外部电源供电断开，电感释放出刚才充入的能量，这时的电感就变成了“电源”，继续对负载供电。随着电感上存储能量的不断消耗，负载两端的电压又开始逐渐降低，外部电源通过MOS管的开关作用又要充电。这样循环不断地进行充电和放电的过程，从而形成一种稳定的电压，永远使负载两端的电压不会升高也不会降低。

    MOS管的性能参数有哪些

    影响MOS管性能的参数有很多，如：导通电阻、最大电流、最大电压和温度等。一般来说，我们可以通过MOS管所能承受的最大电流和最大电压来了解这个MOSFET的质量高低。其次、导通电阻越低则电源转换效率越高，最后温度也是一个非常重要的参数，由于CPU或GPU频率的提升，MOS管需要承受更大的电流，而大电流往往会产生更大的热量让MOS管“高烧不退”，所以为了安全起见，不少高品质的板卡也开始为MOS管加装散热片。虽然MOS管表面一般只标注了产品型号，但我们可以根据该产品型号去查找该产品的数据说明书来了解其详细性能。

注：本文参考的文献资料有《主板用MOSFET的封装形式和技术》、MOSFET百度百科、《封装形式的演变与_表面贴装技术》等。