板卡穩壓器 顯卡帝詳解MOSFET封裝技術

顯卡帝詳解MOSFET的封裝形式和技術

顯卡帝詳解MOSFET的封裝形式和技術

    以往我們在討論顯卡供電的時候往往只重點關注了供電系統中所採用的是什麼電容、何種電感、模擬供電還是數字供電等，而忽略了那個小小的MOSFET(即MOS管)。而隨著顯卡技術競爭的日趨白熱化，以及玩家對顯卡品質要求的逐步提升，顯卡上的每一個細節都已經很清晰的展現在每個玩家的眼前。那麼今天我們就來為大家詳細介紹下關於MOSFET封裝技術方面的知識，以讓玩家能夠對MOSFET封裝的差異性有一個清晰的區分。

板卡穩壓器 顯卡帝詳解MOSFET封裝技術 

    MOS管簡介

    MOS管的英文全稱叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金屬氧化物半導體型場效應管，屬於場效應電晶體中的絕緣柵型。因此，MOS管有時被稱為場效應管。在一般電子電路中，MOS管通常被用於放大電路或開關電路。而在板卡上的電源穩壓電路中，MOSFET扮演的角色主要是判斷電位。

    MOS管的作用是什麼

　　MOS管對於整個供電系統而言起著穩壓的作用。目前板卡上所採用的MOS管並不是太多，一般有10個左右，主要原因是大部分MOS管被整合到IC晶片中去了。由於MOS管主要作用是為配件提供穩定的電壓，所以它一般使用在CPU、GPU和插槽等附近。MOS管一般是以上下兩個組成一組的形式出現板卡上。

    MOS管封裝形式

    MOSFET晶片在製作完成之後，需要給MOSFET晶片加上一個外殼，即MOS管封裝。MOSFET晶片的外殼具有支撐、保護、冷卻的作用，同時還為晶片提供電氣連接和隔離，以便MOSFET器件與其它元件構成完整的電路。按照安裝在PCB方式來區分，MOS管封裝主要有兩大類：插入式（Through Hole）和表面貼裝式（Surface Mount）。插入式就是MOSFET的管腳穿過PCB的安裝孔焊接在PCB上。表面貼裝則是MOSFET的管腳及散熱法蘭焊接在PCB表面的焊盤上。

常見的插入式封裝MOSFET  

典型的表面貼裝式封裝MOSFET 

    隨著技術的革新與進步，主板和顯卡的PCB板採用直插式封裝的MOSFET越來越少了，而多改用表面貼裝式封裝的MOSFET。故而本文中重點討論表面貼裝式封裝MOSFET，並從MOS管外部封裝技術、MOS管內部封裝改進技術、整合式DrMOS、MOSFET發展趨勢和MOSFET實例講解等進行詳細介紹。

MOS管外部封裝-標準封裝形式概覽

MOS管外部封裝-標準封裝形式概覽

    下面我們對標準的封裝形式進行如下簡要的介紹。按照「封裝形式+要點介紹+相關圖片」的方式進行如下說明。

    TO（Transistor Out-line）封裝

    1、TO（Transistor Out-line）的中文即「電晶體外形」，是早期的封裝規格，例如TO-92，TO-92L，TO-220，TO-252等等都是插入式封裝設計。
    2、近年來表面貼裝市場需求量的增大也使得TO封裝進展到表面貼裝式封裝。TO252和TO263就是表面貼裝封裝。其中TO-252又稱之為D-PAK，TO-263又稱之為D2PAK。

TO封裝的進展 

D-PAK(TO-252)封裝 

    SOT（Small Out-Line Transistor）封裝

    SOT（Small Out-Line Transistor）小外形電晶體封裝。這種封裝就是貼片型小功率電晶體封裝，比TO封裝體積小，一般用於小功率MOSFET。

SOT封裝

常用的四端引腳SOT-89 MOSFET 

    SOP（Small Out-Line Package）封裝

    1、SOP（Small Out-Line Package）的中文意思是「小外形封裝」。SOP是表面貼裝型封裝之一，引腳從封裝兩側引出呈海鷗翼狀(L 字形)。材料有塑料和陶瓷兩種。SOP也叫SOL 和DFP。
    2、SOP封裝標準有SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28等等，SOP後面的數字表示引腳數。MOSFET的SOP封裝多數採用SOP-8規格，業界往往把「P」省略，叫SO（Small Out-Line ）。
    3、SO-8採用塑料封裝，沒有散熱底板，散熱不良，一般用於小功率MOSFET。
    4、SO-8是PHILIP公司首先開發的，以後逐漸派生出TSOP（薄小外形封裝）、VSOP（甚小外形封裝）、 SSOP（縮小型SOP）、TSSOP（薄的縮小型SOP）等標準規格。

SOP-8封裝 

這些派生的幾種封裝規格中，TSOP和TSSOP常用於MOSFET封裝 

    QFN-56封裝

    1、QFN（Quad Flat Non-leaded package）是表面貼裝型封裝之一，中文叫做四邊無引線扁平封裝，是一種焊盤尺寸小、體積小、以塑料作為密封材料的新興表面貼裝晶片封裝技術。現在多稱為LCC。
    2、封裝四邊配置有電極接點，由於無引線，貼裝佔有面積比QFP小，高度比QFP低。這種封裝也稱為LCC、PCLC、P－LCC等。QFN本來用於集成電路的封裝，MOSFET不會採用的。INTEL提出的整合驅動與MOSFET的DrMOS採用QFN-56封裝，56是指在晶片背面有56個連接Pin。

QFN56封裝的DrMOS 

MOS管外部封裝-最新封裝形式概覽

MOS管外部封裝-最新封裝形式概覽

    下面我們介紹主要的MOSFET生產廠商所採用的最新封裝形式。

    瑞薩（RENESAS）的WPAK、LFPAK和LFPAK-I 封裝

    1、WPAK是瑞薩開發的一種高熱輻射封裝，通過仿D-PAK封裝那樣把晶片散熱板焊接在主板上，通過主板散熱，使小形封裝的WPAK也可以達到D-PAK的輸出電流。WPAK-D2封裝了高/低2顆MOSFET，減小布線電感。
    2、LFPAK和LFPAK-I是瑞薩開發的另外2種與SO-8兼容的小形封裝。LFPAK類似D-PAK比D-PAK體積小。LFPAK-i是將散熱板向上，通過散熱片散熱。

瑞薩WPAK封裝 

LFPAK和LFPAK-I封裝

    威世（Vishay）的Power-PAK和Polar-PAK封裝

    Power-PAK是威世公司註冊的MOSFET封裝名稱。Power-PAK包括有Power-PAK1212-8、Power-PAK SO-8兩種規格。Polar PAK是雙面散熱的小形封裝。

Power-PAK1212-8

Power-PAK SO-8

Polar PAK 

    安森美（Onsemi）的SO-8和WDFN8扁平引腳（ Flat Lead）封裝

    安美森半導體開發了2種扁平引腳的MOSFET，其中SO-8兼容的扁平引腳被很多板卡採用。

SO-8扁平引腳封裝 

WDFN8封裝

    菲利普（Philps）的LFPAK和QLPAK封裝

    首先開發SO-8的Philps也有改進SO-8的新封裝技術，就是LFPAK和QLPAK。

LFPAK封裝

QLPAK封裝

    意法（ST）半導體的PowerSO-8封裝

    意法半導體的SO-8改進技術叫做Power SO-8。

Power SO-8封裝

    飛兆（Fairchild）半導體的Power 56封裝

    飛兆半導體的SO-8改進技術叫做Power 56。

Power 56封裝 

    國際整流器（IR）的Direct FET封裝

    1、Direct FET封裝屬於反裝型的，漏極（D）的散熱板朝上，並覆蓋金屬外殼，通過金屬外殼散熱。
    2、Direct FET封裝極大地改善了散熱，並且佔用空間更小，散熱良好

Direct FET封裝 

MOS管內部封裝改進技術概覽

MOS管內部封裝改進技術概覽

    前面我們所介紹的是MOSFET的外部封裝技術，其實最新封裝技術也包括內部封裝技術的改進，歸納起來總共有三個方面：一是改進封裝內部的互連技術，二是增加漏極散熱板，三是改變散熱的熱傳導方向。下面我們分別介紹這三種內部封裝改進技術。

   封裝內部的互連技術

    之前的封裝標準，如：TO，D-PAK，SOT,SOP等多採用焊線式的內部互連。而當CPU或GPU供電進展到低電壓、大電流時代，例如焊線式的SO-8封裝就受到了封裝電阻、封裝電感、PN結到PCB和外殼熱阻等因素的限制。

SO-8內部封裝結構

    上述四種限制對其電學和熱學性能有著極大的影響。隨著電流密度要求的提高,MOSFET廠商採用SO-8的尺寸規格，同時對焊線互連形式進行改進，用金屬帶、或金屬夾板代替焊線，降低封裝電阻、電感和熱阻。

標準型SO-8與無導線SO-8封裝形式的對比 

    國際整流器（IR）的改進技術稱之為Copper Strap，威世（Vishay）稱之為Power Connect 技術，還有稱之為Wireless Package。

國際整流器的Copper Strap技術 

    據悉再用銅帶取代焊線後，熱阻降低了10-20%，源極至封裝的電阻降低了61%。

威世的Power Connect技術和飛兆半導體的Wirless Package技術 

    增加漏極散熱板

    標準的SO-8封裝採用塑料將晶片包圍，低熱阻的熱傳導通路只是晶片到PCB的引腳。而底部緊貼PCB的塑料外殼是熱的不良導體，故而影響了漏極的散熱。所以改進的方法自然就是要除去引線框下方的塑封化合物，方法就是讓引線框金屬結構直接或加一層金屬板與PCB接觸，並焊接到PCB焊盤上，這樣就提供了更多的散熱接觸面積，把熱量從晶片上帶走。同時也可以製成更薄的器件。 

威世Power-PAK技術 

    威世的Power-PAK，法意半導體的Power SO-8，安美森半導體的SO-8 Flat Lead，瑞薩的WPAK、LFPAK，飛兆半導體的Power 56和Bottomless Package都採用這種散熱技術。

    改變散熱的熱傳導方向

    Power-PAK的封裝雖然顯著減小了晶片到PCB的熱阻，但當電流需求繼續增大時，PCB同時會出現熱飽和現象。所以散熱技術的進一步改進就是改變散熱方向，讓晶片的熱量傳導到散熱器而不是PCB。

Direct FET封裝 

瑞薩LFPAK-i封裝 

    瑞薩的LFPAK-I 封裝，國際整流器的Direct FET封裝就是這種散熱技術。

整合驅動IC的DrMOS和MOSFET發展趨勢

整合驅動IC的DrMOS和MOSFET發展趨勢

    傳統的分立式DC/DC降壓開關電源無法滿足對更高功耗密度的要求，也不能解決高開關頻率下的寄生參數影響問題。隨著技術的革新與進步，把驅動器和MOSFET整合在一起，構建多晶片模塊已經成為了現實，這樣一種整合的方式同時也可以節省相當可觀的空間從而提升功耗密度，通過對驅動器和MOS管的優化提高電能效率和優質DC電流，這就是整合驅動IC的DrMOS。

瑞薩第2代DrMOS 

    DrMOS的主要特點是：

    - 採用QFN56無腳封裝，熱阻抗很低。

    - 採用內部引線鍵合以及銅夾帶設計，儘量減少外部PCB布線，從而降低電感和電阻。

    - 採用先進的深溝道矽(trench silicon)MOSFET工藝，顯著降低傳導、開關和柵極電荷損耗。

    - 兼容多種控制器，可實現不同的工作模式，支持APS（Auto Phase Switching）。

    - 針對目標應用進行設計的高度優化。

DrMOS性能對比 

低壓MOSFET封裝趨勢

    從上圖我們可以很清楚的看出：隨著MOS管封裝技術的發展趨勢，未來對MOSFET的要求將趨於高頻率大電流、高密度封裝和體積小型化。

顯卡上的MOSFET實例解析

顯卡MOSFET實例解析

    了解了詳細的MOSFET介紹，下面我們挑選了幾款顯卡的PCB供電部分的圖來進行實例解析。

LF-PAK 「八爪魚」封裝的MOSFET

    上圖是經常在板卡中所「推崇的」八爪魚封裝MOSFET，從前面的介紹我們得知，八爪魚封裝即LF-PAK封裝，MOS管的兩端各有4個觸角，共計8個觸角，故而稱之為「八爪魚」MOSFET。優點是：內阻低、低溫且可以承受更高的負載。

整合驅動IC的DrMOS封裝技術

    上圖中的HD6850顯卡核心供電採用的即是整合了驅動IC的DrMOS,這種MOSFET能有效降低阻抗，減少熱損耗，這四顆晶片都無需額外的散熱照顧。

Power PAK封裝的MOSFET 

   從MOS管的引腳來看，這款GTX550Ti顯卡的核心供電部分所採用的MOSFET為Power PAK封裝形式。

D-PAK封裝的MOSFET

    這款GTX550Ti顯卡的核心供電部分的MOSFET採用的是早期的D-PAK封裝形式。

    從上面判斷MOSFET封裝形式的方法來看，將MOS管的引腳數與前幾頁所介紹的MOSFET封裝形式相對即可很輕鬆的辨認出來。

MOS管作用剖析和性能參數盤點

MOS管作用剖析和性能參數盤點

    進過前面詳細的講解，我們了解了MOSFET封裝形式和相關技術，最後我們對MOSFET與電感「合作」穩壓的細節以及MOS管性能參數進行下剖析和盤點。

在板卡中隨處可見MOSFET

    電感與MOS管是如何合作的

　　通過前面的介紹，我們知道MOS管對於整個供電系統起著穩壓的作用，但是MOS管不能單獨使用，它必須和電感線圈、電容等共同組成的濾波穩壓電路，才能發揮充分它的優勢。PCB上的PWM(Plus Width Modulator，脈衝寬度調製器)晶片產生一個寬度可調的脈衝波形，這樣可以使兩隻MOS管輪流導通。當負載兩端的電壓(如CPU需要的電壓)要降低時，這時MOS管的開關作用開始生效，外部電源對電感進行充電並達到所需的額定電壓。當負載兩端的電壓升高時，通過MOS管的開關作用，外部電源供電斷開，電感釋放出剛才充入的能量，這時的電感就變成了「電源」，繼續對負載供電。隨著電感上存儲能量的不斷消耗，負載兩端的電壓又開始逐漸降低，外部電源通過MOS管的開關作用又要充電。這樣循環不斷地進行充電和放電的過程，從而形成一種穩定的電壓，永遠使負載兩端的電壓不會升高也不會降低。

    MOS管的性能參數有哪些

    影響MOS管性能的參數有很多，如：導通電阻、最大電流、最大電壓和溫度等。一般來說，我們可以通過MOS管所能承受的最大電流和最大電壓來了解這個MOSFET的質量高低。其次、導通電阻越低則電源轉換效率越高，最後溫度也是一個非常重要的參數，由於CPU或GPU頻率的提升，MOS管需要承受更大的電流，而大電流往往會產生更大的熱量讓MOS管「高燒不退」，所以為了安全起見，不少高品質的板卡也開始為MOS管加裝散熱片。雖然MOS管表面一般只標註了產品型號，但我們可以根據該產品型號去查找該產品的數據說明書來了解其詳細性能。

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註：本文參考的文獻資料有《主板用MOSFET的封裝形式和技術》、MOSFET百度百科、《封裝形式的演變與_表面貼裝技術》等。