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DirectFET封裝技術(shù)為服務(wù)器VRM提供解決方案

發(fā)布時(shí)間:2008-10-14

中心論題:

  • DirectFET封裝技術(shù)。
  • 電壓調(diào)整模塊設(shè)計(jì)介紹。
  • VRM的效率和載流能力。
解決方案:
  • DirectFET封裝結(jié)構(gòu)顯著提高效率和載流能力。
  • 硅片上適當(dāng)?shù)拟g化使源極和漏極絕緣防止短路。
  • 大面積接觸銅外殼顯著改善了散熱能力。
  • 在同步管上并聯(lián)一肖特基二極管改善效率。

目前1U服務(wù)器的技術(shù)水平是采用雙處理器以及所需電流超過(guò)100A。隨著1U系統(tǒng)提高性能的同時(shí),服務(wù)器主板的尺寸卻保持不變甚至減小。這使得DC-DC變換器設(shè)計(jì)者的工作變得非常困難,因?yàn)榫o湊的器件布局使得熱設(shè)計(jì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

為這些系統(tǒng)供電的DC-DC變換器中的MOSFET采用SMT封裝技術(shù),而這種封裝的熱特性很差,散熱器選擇有限。其主要原因是封裝,如SO-8之類,基本上是IC的封裝方法,即使有改進(jìn),但熱阻抗和電氣阻抗仍非常高。本文將討論電壓調(diào)整器模塊(VRM)采用DirectFET封裝技術(shù),顯著減少封裝寄生參數(shù)影響。DirctFET封裝是專門為功率半導(dǎo)體而設(shè)計(jì)的一種封裝式,因此它更適于集成到DC-DC變換器的封裝中,這樣可以提高效率。

DirectFET封裝技術(shù)
DirectFET封裝結(jié)構(gòu)獨(dú)特,在封裝阻抗和散熱能力上有很大突破,顯著提高效率
和載流能力。

圖1顯示DirectFET封裝用于MOSFET芯片。硅片被裝入銅外殼,封裝的底部是經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的芯片,源極和漏極是可以直接焊到PCB板的表貼焊盤。硅片上適當(dāng)?shù)拟g化使源極和漏極絕緣,在器件被焊到PCB板上時(shí)它也起到阻焊膜的作用,防止短路。此鈍化層也保護(hù)了管腳防止門極區(qū)域污染及潮氣。銅殼從芯片的另一側(cè)引出漏極到線路板。此封裝省掉了傳統(tǒng)的管腳框架和引線鍵合,將封裝阻抗(DFPR)降低至僅0.1mohm而標(biāo)準(zhǔn)的SO-8封裝為1.5mohm。 
 


圖1. DirectFET 封裝

大面積接觸銅外殼,與SOIC的塑料封裝相比,它顯著改善了散熱能力:結(jié)果PCB的熱阻減小到1°C/Wmax ,而標(biāo)準(zhǔn)的SO-8封裝為20°C/Wmax。銅殼即是一個(gè)散熱器外殼,也將結(jié)殼熱阻改善到3C/W, 而SO-8為18C/W。

加上散熱器和風(fēng)冷,DirectFET封裝可以從頂部散掉更多的熱,與SO-8方案相比,降低結(jié)溫達(dá)50, 有效的頂部冷卻意謂著線路板上的熱可以更多地被帶走,以增加器件的安全載流能力,而高的頂部熱阻解釋了為什么SO-8及其派生封裝只能單邊的通過(guò)PCB板散熱的原因。

電壓調(diào)整模塊(VRM)設(shè)計(jì)
為了說(shuō)明這種新封裝在VRM設(shè)計(jì)中的好處,我們以一個(gè)使用DirectFET MOSFET的大電流4相式VRM為例,板子是6層板,2Oz厚覆銅,焊盤過(guò)孔。此設(shè)計(jì)中的4相控制器和驅(qū)動(dòng)器,可以運(yùn)行在高至1MHz/相的頻率上。驅(qū)動(dòng)器可輸出高達(dá)1.5A的驅(qū)
動(dòng)電流。內(nèi)部集成有用于自舉驅(qū)動(dòng)的二極管,為了實(shí)現(xiàn)小的面積,在輸入輸出濾波器中都使用陶瓷電容,而電感是400nH,大電流,小封裝線圈(10mm×10mm)。

此設(shè)計(jì)可以高效輸出超過(guò)100A(>25A/相)的電流而面積只有95mm×31mm(3.8inch X 1.25inch )。每項(xiàng)均使用一個(gè)控制管和一個(gè)同步管的DirectFET MOSFET。用作控制管和同步管的30V DirectFET的規(guī)格見(jiàn)表1。請(qǐng)注意它們高的載流能力省去了器件并聯(lián)的需要。 
 
注: 所有參數(shù)均為典型值 TASE = 25℃

外形很小的DirectFET MOSFET使器件可以設(shè)計(jì)到變換器板子背面,并在其頂部裝上散熱器,仍然滿足VRM9.1的外形要求。散熱器是一個(gè)鋁制鰭狀散熱器,尺寸為94mm×19mm,在DirectFET MOSFET頂部要使用絕緣導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂。

VRM的效率和載流能力
VRM常見(jiàn)的載流能力為25A/相,如果使用SO-8或D-Pak 封裝MOSFET每相則需要4-5只,為了能較好地散熱,器件布局不得不鋪得很開(kāi)。因此由這些器件組成的VRM的面積是使用DirectFET的兩倍。大的面積是它不希望的,同時(shí)長(zhǎng)的走線也降低了效率。在4相式變換器設(shè)計(jì)中,DirectFET設(shè)計(jì)和SO-8或D-Pak設(shè)計(jì)在PCB上的損耗方面的差別如下:

PD = 4 x (IAV)2ρTR( Δ -------(1)

這里 IAV = 平均電流/相 = 25A

ρTR = 線阻/2oz的線路板上0.1inch寬走線單位長(zhǎng)度 = 2.5 mOhm/inch

Δk VRM 和 DirectFET VRM 設(shè)計(jì)之間每相走線長(zhǎng)度的差值 = (0.5in)

PD = 3.12W.

所以說(shuō)用DirectFET MOSFET設(shè)計(jì)VRM,不僅僅尺寸更小了,而且降低了PCB板上的損耗,使其成為更高效的解決方案。

通過(guò)在同步管上并聯(lián)一肖特基二極管,進(jìn)一步改善了效率。肖特基二極管在同步降壓變化器中用來(lái)減小由同步管引起的,在控制管上消耗的反向恢復(fù)損耗,肖特基管的效果完全依據(jù)同步管和肖特基之間的回路電抗。在多數(shù)分立器件設(shè)計(jì)中,該回路電感太高以至于肖特基不能提高系統(tǒng)效率。然而在DirectFET的設(shè)計(jì)中, DirectFET封裝的低電感使得系統(tǒng)可以提高0.5%的效率。

DirectFET MOSFET的額定V是20V,要求5V以上的門極驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)硬開(kāi)關(guān)。從5V開(kāi)始,然后0.5V遞增,我們通過(guò)測(cè)效率,找到DirectFET MOSFET的最佳柵極驅(qū)動(dòng)電壓,我們發(fā)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到7.5V以后,再增加驅(qū)動(dòng)電壓,效率很快降低。

VRM線路板被重新設(shè)計(jì),用4Oz厚覆銅,進(jìn)一步減小PCB走線電阻,改善熱性能。圖2所示為這款4Oz厚覆銅板的VRM,在500KHz工作頻率,12V輸入電壓,1.7V輸出電壓,600LFM風(fēng)冷的條件下的效率曲線。在一個(gè)很寬的負(fù)載電流范圍內(nèi),7.5V柵驅(qū)動(dòng)電壓表現(xiàn)出更高的效率。此款VRM在最大負(fù)載電流120A時(shí),效率達(dá)到82%。 
 
圖2. 效率曲線

條件:500kHz, 12V輸入, 1.7V輸出, 4oz PCB板, 4相和600LFM風(fēng)冷的1U型VRM

圖片為VRM板正面和反面

結(jié)論
本文給出了一個(gè)VRM的例證。它輸出120A,1.7VOUT,工作頻率500KHz,面積為95mm×31mm, 效率為82%。通過(guò)把一項(xiàng)創(chuàng)新的封裝技術(shù)靈活地集成到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,DirectFET在電流密度上取得了突破。使用DirectFET MOSFET還可以通過(guò)減小系統(tǒng)所需器件數(shù)和所有散熱所需的成本,如附加風(fēng)扇或板上銅皮減小,來(lái)降低系統(tǒng)成本。昂貴的散熱方案如熱管等可以省掉,PCB的尺寸可以縮小。在大多數(shù)布局緊湊而對(duì)性能又有要求的應(yīng)用中DirectFET封裝技術(shù)可以減小成本/安培數(shù)的事實(shí),使得它成為功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)中最重要的先進(jìn)技術(shù)之一。

 

 

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