源極底置封裝提升電源供應器之功率密度

作者 : 張家瑞、黃正斌,英飛凌科技應用工程師

採用源極底置封裝的功率電晶體是依照系統級而設計的新式封裝,相較於汲極底置封裝,可降低寄生電阻及寄生電感,還能夠減少導通電阻及切換時產生的電壓突波...

功率電晶體技術的積極發展,對於交換式電源供應器(SMPS)的高效率及小型化做出具體貢獻,功率電晶體在晶粒(die)上的技術發展著重在有效降低單位面積的導通電阻及寄生電容,以持續不斷地降低導通電阻以及提升切換速度,用以有效減少導通損耗及切換損耗,使電源供應器在維持相同的切換頻率下具有較高的效率,或操作在更高頻的條件之下,能夠達到相同的效率要求。

另一方面,功率電晶體的封裝技術發展除了有效減少封裝的寄生電阻及寄生電感,並且能夠透過不同的技術,如擴散式焊接(diffusion soldering)實現降低熱阻,或採用能夠實現雙面散熱的引線連接,進而提升功率電晶體的散熱能力及封裝小型化。

傳統功率電晶體的晶粒結構如圖1 (a)所示,閘極(Gate)和源極(Source)位於同一平面,而汲極(Drain)位於另一平面,因此,功率電晶體封裝方式會將電晶體的的汲極焊接在較大面積的導線架(leadframe)上,而閘極與源極利用引線及夾具連接到封裝的接點,如圖1(b)所示,傳統的封裝方式設計考量緣自考量晶粒的結構以及功率電晶體汲極為主要發熱源的元件級(component level),而非依照功率電晶體實際應用條件所採用的系統級(system level)考量。

圖1:(a)功率電晶體晶粒結構;及(b)傳統功率電晶體的封裝連接方式。

何謂系統級的考量,例如在降壓型轉換器中,輸入電壓的正電壓及接地迴路都是具有大面積的銅箔,除了具有電磁屏蔽及減少大電流造成的導通損耗外,更可以拿來做為轉換器功率電晶體的散熱之用。對上管功率電晶體而言,若採用傳統的封裝,汲極端點的熱可以透過正電壓端的大面積銅箔散熱;而下管(Low side)功率電晶體的汲極,不僅是熱源也是高頻切換點,無法採用大面積銅箔進行散熱;但是對於下管功率電晶體而言,若採用源極底置(source down)的封裝,就可以利用源極連接的大面積地迴路來散熱。除了兼具系統效能,更能有效降低功率電晶體的溫度。因此,新式源極底置的封裝,就是為了系統級考量而設計的封裝。

圖2:系統級的功率電晶體封裝設計考量。

圖3所示,為傳統汲極底置(Drain down)封裝與新式源極底置封裝的示意圖,其中傳統汲極底置封裝的連接方式,功率電晶體的晶粒置於導線架之上,導線架直接與功率電晶體的汲極相連接,而功率電晶體的閘極與源極,分別透過引線及夾具連接到封裝接點;而新式的源極底置封裝具有不同的方式,以相反的晶粒放置方式,將源極及閘極以直接連接的方式相連到導線架及閘極封裝,並利用夾具連接晶粒的汲極其及封裝接點。

圖3:傳統封裝與新式源極底置封裝的示意圖。

表1所示,為傳統汲極底置與新式源極底置封裝的參數比較,透過封裝內連接方式的改變,新式源極底置的封裝能夠有效減少功率電晶體的寄生電阻及寄生電感,封裝的寄生電阻從224μΩ減少到140μΩ,而寄生電感從0.44nH減少到0.29nH,可以預期在新式源極底置封裝的功率電晶體上,切換過程時來自寄生電感產生的電壓突波可以被減小,更重要的是熱阻值從1.8℃/W大幅降到1.4℃/W,熱阻值的降低,不僅提高了功率電晶體的散熱能力,能夠大幅提高功率電晶體的電流能力以外,零件能夠被使用於更高電流的電路,更重要的是,單位面積封裝的零件具有更高的電流及功率處理能力,對於提高電源轉換裝置的功率密度,能夠發揮更大的效用。

表1:傳統汲極底置與新式源極底置封裝的參數比較。

例如在Intel CRPS (Common Redundant Power Supply)架構下,伺服器的標準機構寬度為73.5mm,考慮12V電壓輸出的CRPS伺服器輸出端使用的Oring-FET,可以使用25V汲極底置5×6封裝的功率電晶體,其導通電阻最低可達0.45mΩ,然而當機構寬度減少至60mm時,PCB可以使用的寬度減少了20%,如果維持原來的輸出電流規格不變,此時採用較小封裝的功率電晶體就成為一個可行的解決方案,25V源極底置3×3封裝的功率電晶體,其導通電阻最低可達0.65mΩ,能夠滿足在新機構規格的寬度要求。如圖4所示。

圖4:在伺服器電源寬度減少下,輸出Oring-FET封裝的選用。

大電流輸出的電源供應器為提高效率採用功率電晶體做為同步整流電路,減少大電流輸出所帶來的導通損耗是必要的設計考量。位於變壓器次級側的同步整流電路大多會採用變壓器中心接線(Center Tap)結合功率電晶體來實現,針對同步整流功率電晶體,相較於通孔(through hole)封裝而言,採用表面黏接(Surface mount)封裝的好處,除了縮小封裝的體積外,更可以減少封裝引腳所帶來的寄生電感,進而降低功率電晶體切換過程中的電壓尖波。

此外,為了解決表面黏著封裝功率電晶體的溫度問題而使用的散熱片連接方式,傳統上有兩種方式:其一,在功率電晶體之上使用散熱片,透過功率電晶體上方的塑膠外殼做為熱的傳導,如圖5(a)所示;其二,散熱片與功率電晶體汲極相連的PCB銅箔焊接連接,提高功率電晶體的熱容量及傳導能力,如圖5(b)所示。

上述的第一種方法,受限於功率電晶體上方的熱阻值偏高,即使加了散熱片,其散熱效果並不明顯;第二種方法,散熱片分別直接接在兩功率電晶體的汲極,這兩個位置是連接變壓器兩端,在電路當中具有不同電位的兩高頻電位切換點,因此電氣隔離的考量使這個方法只能應用在較無空間限制的應用之中,如PC電源供應器之中。

5:傳統同步整流功率電晶體的散熱方式:(a)在功率電晶體上使用散熱片;(b)PCB上使用散熱。

重新檢視交換式電源供應器中變壓器結合同步整流電路的連接方式,如6所示,無論是具有中心接線的同步整流電路,或是在單端輸出的同步整流及飛輪功率電晶體,其源極端都是兩兩相連,並且直接連接於輸出的接地迴路之上,接地迴路大多數情況會採用大面積的銅箔,或是額外使用銅片達成滿足大電流的需求,源極底置的功率電晶體封裝非常適用於此種類型的電路結構,除了從系統結構上有效利用接地迴路的銅箔面積來做散熱,汲極面積的減少亦可以相對降低高頻切換點所造成的共模雜訊干擾。

在電源供應器的同步整流電路中,針對源極底置封裝的功率電晶體,其零件佈局概念如圖7,可以採用小板讓同步整流功率電晶體以大面積銅箔在源極相連,甚或焊接額外的銅片到輸出的地電位,而其汲極可以分別在透過電源主板與變壓器相連。

6:電源供應器同步整流電路結構:(a)LLC轉換器;(b)全橋相移式轉換器;(c)順向式轉換器。

7:源極底置封裝功率電晶體零件佈局概念。

源極底置封裝的功率電晶體不同於傳統零件級考量,是依照系統級考量所設計的新式封裝,相較於汲極底置的封裝而言,不僅僅減少了寄生電阻及寄生電感能夠減少導通電阻及切換時產生的電壓突波。

此外,熱阻的降低,能夠大幅提高功率電晶體的熱容量及電流能力,在實際應用時,在降壓型轉換器中可分別採用汲極底置及源極底置的功率電晶體,以便達到更好的系統轉換效率及熱傳導;而在同步整流中,可以全部採用源極底置的功率電晶體,搭配小卡結合源極互連的零件佈局以及更好的散熱效果,達到更好的轉換效率。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年4月號雜誌

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