功率晶體技術(shù)的積極發(fā)展,，對于交換式電源供應(yīng)器的高效率及小型化做出具體貢獻(xiàn),，功率晶體在晶粒(die)上的發(fā)展技術(shù)發(fā)展著重在有效降低單位面積的導(dǎo)通電阻及寄生電容，以持續(xù)不斷地降低導(dǎo)通電阻及提升切換速度,，用以有效減少導(dǎo)通損耗及切換損耗，使電源供應(yīng)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(dá)到相同的效率要求；另一方面,，功率晶體的封裝技術(shù)發(fā)展除了有效減少封裝的寄生電阻及寄生電感,，并且能夠通過不同的技術(shù)，如擴散式焊接(diffusion soldering)實現(xiàn)降低熱阻(thermal resistance),，或采用能夠?qū)崿F(xiàn)雙面散熱(Double sided cooling)的引線連接,，進(jìn)而提升功率晶體的散熱能力及封裝小型化。

傳統(tǒng)的功率晶體晶粒的結(jié)構(gòu),，如圖一(a)所示,，閘極(Gate)及源極(Source)位于同一平面，而汲極(Drain)位于另一平面,，因此,，功率晶體封裝方式會將晶體的的汲極焊接在較大面積的導(dǎo)線架上，而閘極與源極利用引線及夾具連接到封裝的接點,，如圖一(b)所示,，傳統(tǒng)的封裝方式設(shè)計考量緣自考量晶粒的結(jié)構(gòu)以及功率晶體汲極為主要發(fā)熱源的元件層級(component level)考量，而非依照功率晶體實際應(yīng)用條件所采用的系統(tǒng)層級(system level)考量,。

(a)                                                                                    (b)

圖一  (a)功率晶體晶粒結(jié)構(gòu)及(b)傳統(tǒng)功率晶體的封裝連接方式

何謂系統(tǒng)層級考量,，例如在降壓型轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓的正電壓及地回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(dǎo)通損耗外,，更可以拿來做為轉(zhuǎn)換器功率晶體的散熱之用，對上管功率晶體而言,，若采用傳統(tǒng)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)功率晶體的汲極,，不僅是熱源也是高頻切換點,，無法采用大面積銅箔進(jìn)行散熱；但是對于下管功率晶體而言,，若采用源極底置(source down)的封裝,，就可以利用源極連接的大面積地回路來散熱,，除了兼具系統(tǒng)效能，更能有效降低功率晶體的溫度,。因此,，新式源極底置的封裝，就是為了系統(tǒng)層級考量而設(shè)計出來的封裝,。

圖二  系統(tǒng)層級的功率晶體封裝設(shè)計考量

如圖三所示,，為傳統(tǒng)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(tǒng)汲極底置封裝的連接方式,，功率晶體的晶粒置于導(dǎo)線架(leadframe)之上,，導(dǎo)線架直接與功率晶體的汲極相連接，而功率晶體的閘極與源極,，分別通過引線及夾具,，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(dǎo)線架及閘極封裝，并利用夾具連接晶粒的汲極其及封裝接點,。

圖三  傳統(tǒng)封裝與新式源極底置封裝的示意圖

如表一所示,，為傳統(tǒng)汲極底置與新式源極底置封裝的參數(shù)比較，透過封裝內(nèi)連接方式的改變,，新式源極底置的封裝能夠有效減少功率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(yù)期在新式源極底置封裝的功率晶體上,，切換過程時來自寄生電感產(chǎn)生的電壓尖波可以被減小，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,，不僅提高了功率晶體的散熱能力，能夠大幅提高功率晶體的電流能力以外,，零件能夠被使用于更高電流的電路,，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,，對于提高電源轉(zhuǎn)換裝置的功率密度,，能夠發(fā)揮更大的效用。

表一  傳統(tǒng)汲極底置與新式源極底置封裝的參數(shù)比較

例如在Intel CRPS(Common Redundant Power Supply)架構(gòu)下伺服器的標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)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5x6封裝的功率晶體，其導(dǎo)通電阻最低可達(dá)0.45mΩ，然而當(dāng)機構(gòu)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(guī)格不變，此時采用較小封裝的功率晶體就成為一個可行的解決方案,，25V源極底置3x3封裝的功率晶體,，其導(dǎo)通電阻最低可達(dá)0.65mΩ，可以滿足在新機構(gòu)規(guī)格的寬度要求,。如圖四所示,。

圖四  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(yīng)器為提高效率采用功率晶體做為同步整流電路,，減少大電流輸出所帶來的導(dǎo)通損耗是必要的設(shè)計考量,。位于變壓器次級側(cè)的同步整流電路大多會采用變壓器中心抽頭(Center tap)結(jié)合功率電晶體來實現(xiàn)，針對同步整流功率晶體,，相較于通孔 (through hole) 封裝而言，采用表面接著(Surface mount)封裝的優(yōu)勢,，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(jìn)而降低功率晶體切換過程中的電壓尖波,。此外,，為解決表面接著封裝功率晶體的溫度問題而使用的散熱片連接方式，傳統(tǒng)上有兩種方式：其一,，在功率晶體之上使用散熱片,，通過功率晶體上方的塑膠外殼做熱的傳導(dǎo)，如圖五(a)所示,；其二,，散熱片與功率晶體汲極相連的PCB銅箔焊接連接，提高功率晶體的熱容量及傳導(dǎo)能力,，如圖五(b)所示,。上述的第一種方法，受限于功率晶體上方的熱阻值偏高,，即使加了散熱片,，其散熱效果并不明顯；第二種方法,，散熱片分別直接接在兩功率晶體的汲極,，這兩個位置是連接變壓器兩端，在電路當(dāng)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(yīng)用在較無空間限制的應(yīng)用之中,，如PC電源供應(yīng)器之中。

圖五  傳統(tǒng)同步整流功率晶體的散熱方式(a) 在功率晶體上使用散熱片(b)在PCB上使用散熱片

重新檢視交換式電源供應(yīng)器中變壓器結(jié)合同步整流電路的連接方式，如圖六所示,，無論是具有中心抽頭的同步整流電路,，或是在單端輸出的同步整流及飛輪功率晶體，其源極端都是兩兩相連,，并且直接連接于輸出的地回路之上,，地回路大多數(shù)情況會采用大面積的銅箔，或是額外使用銅片達(dá)成滿足大電流的需求,，源極底置的功率晶體封裝非常適用于此種類型的電路結(jié)構(gòu),，除了從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可以有效利用地回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(yīng)器的同步整流電路中,，針對源極底置封裝的功率晶體，其零件布局概念如圖七,，可以采用小板讓同步整流功率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,。

圖六   電源供應(yīng)器同步整流電路結(jié)構(gòu)(a)LLC轉(zhuǎn)換器(b)全橋相移式轉(zhuǎn)換器(c)順向式轉(zhuǎn)換器

圖七  源極底置封裝功率晶體零件布局概念

源極底置封裝的功率晶體不同于傳統(tǒng)零件層級考量,，是依照系統(tǒng)層級考量所設(shè)計出來的新式封裝，相較于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(dǎo)通電阻及切換時產(chǎn)生的電壓尖波,。此外，熱阻的降低,，能夠大幅提高功率晶體的熱容量及電流能力,，在實際應(yīng)用時，在降壓型轉(zhuǎn)換器中可分別采用汲極底置及源極底置的功率晶體來達(dá)到更好的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率及熱傳導(dǎo),；而在同步整流中,，可以全部采用源極底置的功率晶體，配合小卡結(jié)合源極互連的零件布局及更好的散熱效果,，達(dá)到更好的轉(zhuǎn)換效率,。