新一代的微处理器要求更大电流,电源管理应用要求更低的导通电阻RDS(on)及更小的占用面积,这些都促使MOSFET制造商开发新的封装技术。再过二年,微处理器所需的电流预计要增加一倍,而电压将继续下降。微处理器生产商将继续从事更精细的工艺技术的开发,以提高其密度及速度。
要满足这些挑战,就必须开发新的功率器件技术,特别是便携式装置中的空间与功率受限制的环境,例如笔记本电脑。这些要求采用常规的线连接封装是不可能达到的。
这些问题能采用基本的带焊球晶片技术（bumped-wafer technology）来解决,这些基本的带焊球晶片技术在30年前由IBM公司首先用于IC,而现在首次作为对各种功率转换及电源管理问题的解决方案。通过使用晶片上凸起焊球来替代传统的连接线连接,MOSFET生产商大大减小了导通电阻,与此同时增加了硅管芯面积与封装面积的比值。
带焊球晶片技术提供了不同的封装,这包括MOSFET的BGA,无引脚的SO-8及快捷公司的无底的SO-8封装。每一种封装都有各自的特性及优点以满足各自的市场需求。
增加电流密度
个人电脑及笔记本电脑的CPU采用同步降压式变换器供电（见图1）,把交流转换成直流低电压输出（在1.25V到2.5V之间）,从而满足今天运行CPU的需要。需要的电流不同的CPU有所不同,新设计的笔记本电脑从10A到22A,新一代高性能服务器及工作站则可达60A。
更大的电流通过使用多相位结构来控制,它复制图1中的电路n次,并将PWM脉冲分别同相到高端MOSFET n/360。设计者一般将每一相位电流限制到15A。在PC主板中VIN通常为12V,而在笔记本电脑中VIN为18V。
因为更多的相位意味有更多的MOSFET,而印制板的空间又总是有限的,因此多相位设计要求更小的封装和更低的RDS(on),以及良好的导热性能。低端MOSFET大多数情况下用在笔记本电脑及12V台式变换器中。在15A电流时,RDS(on)每增加1mΩ,低端MOSFET将增加225mW的损耗。对传统的SO-8封装,每增加1mΩ,管芯温度将增加14℃。
降低封装电阻
传统的封装使用铝或金线焊接到晶片及引脚上。管芯的面积及引线框架上的连结面积都限制了平行的连接线的数量,从而导致线连接封装有相当高的电阻。新的封装技术使用晶片上凸出的焊球把晶片连接到铜引脚框架上或者直接连接到印制板上,消除了连接线,有效地降低了封装电阻（见表1）。
| 表1 电阻比较 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 封装 | 封装电阻(mΩ) | θJ-A(℃/W) | θJ-C(℃/W) | |
| 线连接 | D2PAK | 2.5 | 40 | 2 |
| DPAK | 3.5 | 45 | 3 | |
| SO-8 | 3.5 | 62.5 | 25 | |
| 无连接 | 无连线SO-8 | 1.5 | 60 | 22.5 |
| BGA | 0.5 | 39 | 4 | |
| 无底SO-8 | 0.5 | 39 | 1 | |
功率MOSFET在电阻上有几个mΩ的差别看起来没有什么重要,然而在传统的SO-8封装中,封装电阻在15A的MOSFET上将增加750mW的功耗。与之对比,在BGA或无底封装中,其封装电阻上所消耗的功耗仅为110mW。
带焊球晶片
各种无连接线的封装中应用了各种结构技术,但焊球晶片技术以其良好的可靠性和灵活性创造了许多新的无连接线封装形式。快捷公司的BGA MOSFET就使用了这种技术。
在这种封装中,带焊球晶片是放在铜的载体上,它的表面也有焊球,实现晶片背面的漏极共面接触。BGA提供的晶片面积对封装底面积的比值在业界。
无连接线的SO-8封装遵守工业标准SO-8的底面积标准,但它的内部是使用焊球技术构成的。不管有无连接线,浇铸成的SO-8封装在导热性能上有缺点。
而DPAK及D2PAK有很好的导热性能,两者都是线连接封装并有较大的封装电阻,而且两者比SO-8占用更多的印制板面积。无底的SO-8封装使用带焊球的晶片技术,结合了D2PAK的导热性能及BGA MOSFET的电性能。
可焊管芯既提供了到漏极的电连接又提供了管芯的热连接。第二个导热路径是由漏极引脚提供的,它紧密接触到管芯（通过管芯焊球）。
如表2所示,DPAK通过改善导热性能,其经受的电流超过SO-8,更小占用面积的无线连接的SO-8封装也超过有线连接的SO-8。如表2所示,无底及BGA MOSFET同时改善了RDS(on)及导热性能,从而在的面积上获得的电流。
| 表2 密度比较 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 封装 | 封装轮廓(mm2) | MaxRDS(on)(mΩ) | Iout TA=60℃ | 电流密度(A/mm2) | |
| 线连接 | SO-8 | 30.0 | 10.0 | 9 | 0.3 |
| DPAK | 57.0 | 10.0 | 11 | 0.2 | |
| 无连接 | 无连线SO-8 | 30.0 | 7.5 | 11 | 0.4 |
| BGA | 14.0. | 6.5 | 14 | 1.0 | |
| 无底SO-8 | 30.0 | 6.5 | 14 | 0.5 | |
IOUT在Tj（max）=125℃
在表2中看出,无底封装或BGA封装的连续电流额定值是14A,因此设计DC/DC变换器的设计者可以安全地达到每相位电流为15A的目标,因为低端MOSFET的占空比将小于90%。
更小的面积上更低的导通电阻
在蜂窝电话及个人数字助理设备中,MOSFET用作电源接负载的电源开关,象开/关LCD显示板或开/关发送器。在这些应用中,称之为“电源管理”。RDS(on)决定了的压降及功耗。
今天的蜂窝电话的尺寸越来越小,要用毫米来计算。小尺寸的BGA封装的发展满足了这些需求,其密度（RDS(on)×mm2）值有极大的提高。这使得MOSFET设计者能够面对并解决空间与功率受限制的问题。
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