原创元器件第032篇功率MOSFET 封装

 2024-5-5 15:20  532 2 2 分类: 模拟文集: 元器件

功率MOSFET的D极附近产生的热量最多。功率MOS采用垂直结构（另见元器件第029篇 MOSFET 结构分类），由于低掺杂（高电阻率）的外延层位于D极附近，所以D极附近较内部其它部分会更热一些。也就是说，只要能把D极的热尽量带走，那么就抓住了这个问题的“牛鼻子”。为此，行业是怎么做的呢？

1. 背金（Back Metal）

一般的封装结构是把芯片颗粒（Chip，Die）用胶水粘在金属框架上（Frame），这个过程叫 Die Bonding，简称DB、固晶或粘晶。芯片产生的热量可以通过胶传导给金属框架，进一步传到到电路板。

功率MOS通常在芯片背面加镀金属，这种做法叫背金。功率MOSFET的D极位于衬底下表面（背面），是一层金属膜，所以干脆把胶水换成锡膏，让芯片直接焊在金属框架上。有时不用锡膏而用铜钯金，这是一种和芯片的热膨胀系数更加匹配的材料。

2. 引线键合

芯片上表面通常都安排有焊垫（Pad），封装时用几十微米直径的金线、铝线或铜线把焊垫和金属框架连起来，这个过程也叫 Wire Bonding，简称WB、打线或引线键合。

功率MOS的上表面通常是S极（面积很大）和G极（面积小）。接触面积越大，电阻就越小。一般的WB工艺实现的是“点接触”，那么可以增加直径，用较粗的铝线来扩大接触点。换用扁平的铝带可以形成“线接触”。终极的解决办法是用一整片铜，让它和金属框架形成上下两片夹子，即铜夹（Copper Clip）。当然焊接工艺的难度也不断增加，尤其是铜夹工艺，需要像 SMT工艺那样去控制锡膏形状、气泡率等等。

（图源自网络，侵删）

3. 源极底置（Source Down）= 漏极顶置

前面两种方式都把器件底部视为功率MOS的主要散热路径，其实PCB的散热能力也是有限的，如何在不改变占PCB面积的前提下继续增加散热面积呢？双面散热封装出现了。和CMOS器件相比，功率器件顶部散热空间较大，所以厂家推出了源极朝下、漏极在上且裸露焊盘的封装，有的还设计为双面带裸露焊盘的双面散热封装。

4. 只散热不导电

这种封装采用了DCB（Directed Copper Bonding，直接铜键合）技术，2层铜和一片陶瓷组成“三明治”结构，利用陶瓷绝缘导热的特性实现。代表性的应用其实还是在IGBT和IGBT模块上。

（图源：Semiconductor Power Devices, Springer, 2010）

发热大，需要更好的散热设计，绝不是功率MOSFET独有的“问题”。随着功耗密度的增大，结构、封装对半导体器件性能的影响（限制）越来越明显。当前CMOS工艺半导体器件的功耗密度最高已达到12W/cm^2，超过家用电熨斗的5W/cm^2。从功率MOS双面散热封装，到最先进的晶圆级封装，我认为都是半导体行业在努力突破新的局限。

作者：电子知识打边炉，来源：面包板社区

链接： https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-4061550.html

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