【導讀】電源應用中的 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(xiàn)框架（包括裸露漏極焊盤(pán)）直接焊接到覆銅區，這導致熱量主要通過(guò)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(guò)空氣對流來(lái)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、厚度和布局。無(wú)論電路板是否安裝到散熱器上，都會(huì )導致這種情況的發(fā)生。通常器件的最大功率能力無(wú)法達到最優(yōu)情形，是因為 PCB 一般不具有高的熱導率和熱質(zhì)量。為解決這個(gè)問(wèn)題并進(jìn)一步縮小應用尺寸，業(yè)界開(kāi)發(fā)了一種新的 MOSFET 封裝，即讓 MOSFET 的引線(xiàn)框架（漏極）在封裝的頂部暴露出來(lái)（例如圖 1 所示）。
圖 1. 頂部散熱封裝
頂部散熱的布局優(yōu)勢
雖然傳統功率 SMD 有利于實(shí)現小型化解決方案，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(wú)法使用，導致最終的電路板整體尺寸較大。而頂部散熱器件可以繞過(guò)此問(wèn)題：其散熱是通過(guò)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
● 柵極驅動(dòng)電路
● 支持元器件（電容、緩沖器等）
反過(guò)來(lái)，還能縮小電路板尺寸，減少柵極驅動(dòng)信號的路徑，實(shí)現更理想的解決方案。
圖 2. PCB 器件空間
與標準 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?chē)骷墓ぷ鳒囟取?/p>
頂部散熱的熱性能優(yōu)勢
與傳統的表面貼裝 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(xiàn)框架。由于金屬具有高熱導率，因此散熱器材料通常是金屬。例如大多數散熱器是鋁制的，其熱導率在 100-210 W/mk 之間。與通過(guò) PCB 散熱的常規方式相比，這種通過(guò)高熱導率材料散熱的方式大大降低了熱阻。熱導率和材料尺寸是決定熱阻的關(guān)鍵因素。熱阻越低，熱響應越好。
Rθ = 絕對熱阻
Δx = 與熱流平行的材料的厚度
A = 垂直于熱流的橫截面積
k = 熱導率
除了提高熱導率外，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。這是因為頂部安裝的散熱器的尺寸可以改變。對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(huà)，導致熱質(zhì)量(熱容)較低和熱傳播不良。所有這些因素使得標準的表面貼裝 MOSFET 在使用時(shí)無(wú)法實(shí)現最佳熱響應。從理論上講，頂部散熱封裝擁有直接通過(guò)高熱質(zhì)量、高導熱性源散熱的優(yōu)勢，因此其熱響應 (Zth (C°/W)) 會(huì )更好。在結溫升幅一定的情況下，更好的熱響應將支持更高的功率輸入。這樣，對于相同的 MOSFET 芯片，采用頂部散熱封裝的芯片比采用標準 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
熱性能比較的測試設置
為了演示和驗證頂部散熱的熱性能優(yōu)勢，我們進(jìn)行了測試，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。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)行測試。區別在于，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 區域正下方（圖 3）。這是對器件在現場(chǎng)應用中使用方式的復現。測試期間還使用了不同厚度的熱界面材料 (TIM)，以驗證使用不同的熱邊界能夠優(yōu)化哪種器件封裝。整體測試按如下方式進(jìn)行：對這兩個(gè)器件施加固定電流（因此是固定功率），然后監視結溫的變化，從而得知哪個(gè)器件性能更好。
圖 4. 每個(gè)器件的應用設置
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，并使封裝級熱響應一致。這樣，我們就能確信所測得的熱響應差異是由于封裝差異導致的。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(xiàn)夾和引線(xiàn)框架設計，一個(gè)有引線(xiàn) (TCPAK57)，一個(gè)無(wú)引線(xiàn) (SO8FL)。應當注意的是，這些差異很小，不會(huì )對穩態(tài)熱響應產(chǎn)生很大影響，故可忽略。給定參數后，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，我們設計了兩個(gè)相同的 PCB 以搭載 SO8FL 封裝或 TCPAK57 封裝。PCB 設計為 4 層板，每層含 1 盎司銅。尺寸為 122 mm x 87 mm。SO8FL 板沒(méi)有將漏極焊盤(pán)連接到電路板其他導電層的熱過(guò)孔（這對散熱并不是最好的）；在此比較設置中，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)
測試過(guò)程中使用的散熱器為鋁制，專(zhuān)門(mén)設計用于安裝到 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(guò)散熱器的液體是水。水是現場(chǎng)應用中常用的冷卻液。對于所有測試場(chǎng)景，其流速都設置為 0.5 gpm 的固定值。水可以提供額外的熱容，將熱量從散熱器轉移到供水系統中，有助于降低器件溫度。
圖 6. 應用設置
為了更好地促進(jìn) MOSFET 界面散熱，應使用熱間隙填充物。這有助于填補界面表面可能存在的缺陷?？諝庾鳛椴涣紵釋w，任何氣隙都會(huì )增加熱阻。測試使用的 TIM 是 Bergquist 4500CVO 填縫劑，其熱導率為 4.5 W/mK。使用幾種不同厚度的此這種TIM 來(lái)展示熱響應優(yōu)化的可能性。固定的厚度通過(guò)在電路板和散熱器之間使用的精密墊片來(lái)實(shí)現。使用的目標厚度為：
● ~200 μm
● ~700 μm
測試電路和加熱/測量方法
選擇的板載電路配置是半橋設置，因為它代表了一種通用型現場(chǎng)應用。兩個(gè)器件彼此靠近，這也準確反映了現場(chǎng)布局，因為較短的走線(xiàn)有助于減少寄生效應。由于器件之間有熱量交疊，這對熱響應會(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(guò) MOSFET 的體二極管。為確保始終如此，將柵極到源極引腳短路。給定器件的熱響應通過(guò)如下方式獲得：先加熱半橋 FET，直到穩態(tài)結溫（溫度不再升高），然后隨著(zhù)結溫回到冷卻狀態(tài)溫度，通過(guò)一個(gè) 10 mA 小信號源監測源漏電壓 (Vsd)。加熱過(guò)程中達到熱穩態(tài)所需的時(shí)間與返回到無(wú)電狀態(tài)的時(shí)間相等。體二極管的 Vsd 與結溫呈線(xiàn)性關(guān)系，因此可以使用一個(gè)常數 (mV/ C°) 比率（通過(guò)每個(gè)器件的表征來(lái)確定）將其與 ΔTj 相關(guān)聯(lián)。然后將整個(gè)冷卻期間的 ΔTj 除以加熱階段結束時(shí)的功耗，就得到給定系統的熱響應 (Zth)。
2 A 電源、10 mA 電源和 Vsd 的測量均由 T3ster 處理。T3ster 是一款商用測試設備，專(zhuān)門(mén)用于監測熱響應。它利用前面提到的方法計算熱響應。
圖 7. 電路圖
熱比較結果
在兩種條件下測量每個(gè)器件的熱響應結果：
● 200 μm TIM
● 700 μm TIM
這兩次測量的目的是確定給定受控系統中哪種封裝具有更好的熱響應，以及哪種器件的熱響應可以通過(guò)外部散熱方法來(lái)優(yōu)化。務(wù)必注意，這些結果并非適用于所有應用，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
對于第一個(gè)測試操作，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，直至穩態(tài)。T3ster 監測散熱期間的 Vsd，并將其反向關(guān)聯(lián)到該系統的熱響應曲線(xiàn)。頂部散熱的穩態(tài)熱響應值為 ~4.13 C°/W ，而 SO8FL 的值為 ~25.27 C°/W。這一巨大差異與預期結果一致，因為頂部散熱封裝直接安裝到高導熱性、大熱容的散熱器上，實(shí)現了良好的熱傳播。對于SO8FL 則由于 PCB 的熱導率差，導熱效果差。
為了幫助理解如何在應用中利用這些優(yōu)勢，可以將熱響應值與每個(gè)器件可以承受的功率量聯(lián)系起來(lái)。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算如下：
注意：此功率差異在這個(gè)特定的熱系統中是意料之中的。
在該熱系統中，頂部散熱單元可應對的功率量是 SO8FL 的 6 倍。在現場(chǎng)應用中，這可以通過(guò)幾種不同的方式加以利用。下面是它的一些優(yōu)勢：
● 當需要的電流一定時(shí)，由于功率能力提高，相比SO8FL 可以使用更小的散熱器。從而可能節省成本。
● 對于開(kāi)關(guān)模式電源應用，在保持相近的熱裕量的同時(shí)可以提高開(kāi)關(guān)頻率。
● 可用于原本不適合 SO8FL 的更高功率應用。
● 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行溫度更低。
圖 8. 使用 200 μm TIM 的熱響應曲線(xiàn)
圖 9. 使用 200 μm TIM 的溫度變化曲線(xiàn)
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)行了另一次測試操作。這是為了與 200 μm TIM 測試進(jìn)行熱響應變化的比較，以驗證外部散熱方法對每種封裝的影響。該測試操作得到如下熱響應結果：頂部散熱器件為 6.51 C°/W，SO8FL 為 25.57 C°/W。對于頂部散熱，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(zhù)該外部散熱方法對頂部散熱器件影響很大，而對 SO8FL 影響很小。這也是意料之中的，因為頂部散熱器件的熱響應以 TIM 層熱阻為主。與散熱器相比，TIM 的熱導率較低。因此，當厚度增加時(shí)，熱阻會(huì )增加，導致 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(guò)電路板傳播才能到達 TIM 和散熱器，因此厚度變化對主要熱量路徑的熱阻影響很小。所以，熱響應的變化很小。
TIM 厚度變化引起的這些熱響應變化，證明了頂部散熱封裝具有整體優(yōu)勢。TCPAK57 在封裝頂部有一個(gè)裸露的引線(xiàn)框架，因而可以更好地控制熱量路徑的熱阻。對于特定應用和散熱方法，可以利用這個(gè)特點(diǎn)來(lái)優(yōu)化熱響應。這反過(guò)來(lái)又會(huì )提供更可控和有益的功率能力。SO8FL 和類(lèi)似的 SMD 器件難以通過(guò)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，因為除了散熱之外，PCB 設計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(xiàn)
圖 11. 使用 700 μm TIM 的溫度變化曲線(xiàn)
要點(diǎn)總結
頂部散熱封裝可避免通過(guò) 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(lái)許多應用優(yōu)勢，例如：
● 需要的電流量一定時(shí)，由于功率能力提高，相比標準 SMD 可以使用更小的頂部散熱器件。反過(guò)來(lái)，這還可能帶來(lái)成本節省。
● 對于開(kāi)關(guān)模式電源應用，在保持相近的熱裕量的同時(shí)可以提高開(kāi)關(guān)頻率。
● 可用于原本標準 SMD 不適合的更高功率應用。
● 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行溫度更低。
更強的熱響應優(yōu)化能力。這通過(guò)改變熱界面材料和/或厚度來(lái)實(shí)現。TIM 越薄和/或熱導率越好，熱響應就越低。熱響應也可以通過(guò)改變散熱器特性來(lái)改變。
頂部散熱封裝可減少通過(guò) 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。
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