高效 MOSFET 頂部散熱封裝的詳細說明
大多數用於功率應用的 MOSFET 都是表面貼裝元件 (SMD)，例如 SO8FL、U8FL 和 LFPAK 封裝。之所以選擇這些 SMD 裝置，是因為它們具有良好的功率性能和較小的尺寸，有助於實現更緊湊的解決方案。儘管這些裝置具有良好的功率性能，但有時其散熱效果並不理想。
由於裝置的引線框架（包括裸露的漏極焊盤）直接焊接在覆銅板上，熱量主要透過PCB板傳遞。裝置的其餘部分被塑膠封裝，只能透過空氣對流散熱。因此，散熱效率很大程度取決於電路板的特性：覆銅面積的大小、層數、厚度和佈局。無論電路板是否安裝在散熱器上，都會發生這種情況。由於PCB板通常導熱性和熱容量較低，典型元件的最大功率容量無法達到最佳水準。為了解決這個問題並進一步縮小元件尺寸，業界開發了一種新型MOSFET封裝，將MOSFET的引線框架（汲極）暴露在封裝頂部（如圖1所示）。
圖 1 頂部散熱組件
1.頂部散熱的佈局優勢
雖然傳統的功率SMD裝置有利於實現小型化，但由於散熱方面的考慮，它們要求其下方電路板背面不能放置其他元件。這會佔用電路板上的部分空間，導致最終電路板的整體尺寸增加。而頂部散熱片元件則可以規避這個問題：它的散熱是透過裝置頂部進行的。這樣一來，就可以在MOSFET下方的電路板上放置其他元件。
此空間可用於佈置以下組件（但不限於）：
功率裝置
閘驅動電路
輔助元件（電容器、緩衝器等）
反之，它還可以縮小電路板的尺寸，減少閘極驅動訊號的路徑，從而實現更理想的解決方案。
圖 2 PCB 裝置空間
與標準SMD裝置相比，頂部散熱片組件不僅提供了更大的佈局空間，還減少了熱量重疊。大部分熱量從頂部散熱片直接傳遞到散熱片，因此PCB承受的熱量更少，有助於降低周圍裝置的工作溫度。
2、頂部散熱的熱性能優勢
與傳統的表面貼裝 MOSFET 不同，這種頂部散熱封裝允許散熱器直接連接到裝置的引線框架。由於金屬具有高導熱性，散熱器材料通常由金屬製成。例如，大多數散熱器由鋁製成，其導熱係數在 100-210 W/mK 之間。與傳統的透過 PCB 散熱方式相比，這種利用高導熱材料散熱的方式大大降低了熱阻。導熱係數和材料尺寸是決定熱阻的關鍵因素。熱阻越低，散熱性能越好。
Rθ=絕對熱阻
ΔX = 平行於熱流方向的材料厚度
A=垂直於熱流方向的橫截面積
K=熱導率
除了提高導熱性外，散熱器還能提供更大的熱容量，這有助於避免熱飽和或提供更大的熱時間常數。這是因為頂部安裝的散熱器尺寸可以改變。對於一定的熱能輸入，熱容量或熱容與給定的溫度變化成正比。
Cth=熱容，J/K
Q=熱能，焦耳
ΔT = 溫度變化，單位為 K
PCB的佈局通常各不相同，如果銅箔厚度較薄，則會導致熱容量（熱容）降低，散熱不良。所有這些因素都使得標準表面貼裝MOSFET在使用過程中無法達到最佳的熱響應。理論上，頂部散熱封裝的優點在於能夠透過高熱容量和高導熱性的熱源直接散熱，因此其熱響應（Zth (℃/W)）會更好。在結溫一定範圍內，更好的熱響應能夠支援更高的功率輸入。因此，對於相同的MOSFET晶片，採用頂部散熱封裝的晶片將比採用標準SMD封裝的晶片具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
3.熱性能對比測試裝置
為了展示和驗證頂部散熱的散熱性能優勢，我們進行了測試，比較了TCPAK57和SO8FL裝置在相同熱邊界條件下的晶片溫升和熱響應。為確保測試的有效性，我們在相同的電氣條件和熱邊界條件下測試了兩種裝置。差別在於，TCPAK57的散熱器安裝在元件上方，而SO8FL元件的散熱器則安裝在PCB底部，直接位於MOSFET區域的下方（圖3）。這模擬了裝置在實際應用上的使用情況。在測試期間，我們還使用了不同厚度的導熱界面材料（TIM），以驗證哪種裝置封裝可以透過不同的熱邊界進行最佳化。整個測試過程如下：對這兩個裝置施加固定電流（即固定功率），然後監測結溫的變化，以確定哪個裝置的性能更優。
4.裝置選擇和PCB佈局
在裝置選擇方面，每個封裝中的 MOSFET 晶片尺寸相同，且採用相同的製程。這樣做是為了確保每個裝置在給定電流下具有相同的功耗，並確保封裝級的熱響應一致。這樣，我們就可以確信測得的熱響應差異是由封裝差異所造成的。基於這些原因，我們選擇了 TCPAK57 和 SO8FL 封裝。它們的夾具和引線框架設計略有不同，一種帶有引線（TCPAK57），另一種不帶引線（SO8FL）。需要注意的是，這些差異很小，不會對穩態熱響應產生顯著影響，因此可以忽略不計。給出參數後，所選元件如下：
NVMFS5C410N SO8FL
NVMJST0D9N04CTXG TCPAK57
為了進一步確保所有其他散熱邊界條件保持一致，我們設計了兩塊相同的PCB，分別用於SO8FL和TCPAK57封裝。 PCB設計包含4層，每層銅厚1盎司，尺寸為122毫米 x 7毫米。 SO8FL板的漏極焊盤與其他導電層之間沒有熱過孔（這不利於散熱）；在本對比設定中，它可以作為散熱最差的情況。
圖 5 PCB 的每一層（第 1 層顯示在左上角，第 2 層顯示在右上角，第 3 層顯示在左下角，第 4 層顯示在右下角）
5、散熱器和導熱界面材料（TIM）
測試過程中使用的散熱器由鋁製成，專為安裝在PCB上而設計。此散熱器尺寸為107mm × 144mm，採用液冷方式，其35mm × 38mm的散熱區域位於MOSFET正下方。流經散熱器的液體為水。水是現場應用中常用的冷卻劑。在所有測試情境中，水的流量均設定為0.5 gpm。水俱有額外的熱容量，能夠將熱量從散熱器傳遞到供水系統，從而有助於降低裝置溫度。
圖 6 應用程式設定
為了更好地促進 MOSFET 界面散熱，應使用導熱間隙填充材料。這有助於填充界面表面的潛在缺陷。空氣作為不良導熱體，會增加任何空氣間隙的熱阻。測試中使用的導熱界面材料 (TIM) 為 Bergquist 4500CVO 密封膠，其導熱係數為 4.5 W/mK。使用不同厚度的 TIM 來驗證最佳化熱響應的可能性。透過在電路板和散熱器之間使用精密墊片來實現固定厚度。目標厚度為：~200 µm 至 ~700 µm。
6.測試電路和加熱/測量方法
所選的板載電路配置為半橋結構，因為它代表了一個通用的現場應用。兩個裝置之間的距離準確地反映了現場佈局，因為較短的佈線有助於減少寄生效應。由於裝置之間存在熱重疊，這將對熱響應產生一定影響。
為了在較低電流值下進行有效加熱，電流將流經 MOSFET 的體二極體。為確保始終如此，需將柵極源接腳短路。若要獲得給定元件的熱響應，首先將半橋 FET 加熱至穩態結溫（溫度不再升高），然後透過 10 mA 小訊號源監測源漏電壓 (Vsd)，直到結溫恢復至冷卻狀態溫度。加熱過程中達到熱穩態所需的時間等於恢復至斷電狀態所需的時間。體二極體的 Vsd 與結溫呈線性關係，因此可以使用一個常數 (mV/℃) 比值（透過表徵每個裝置確定）將其與 ΔTj 關聯起來。然後，將整個冷卻期間的 ΔTj 除以加熱階段結束時的功耗，即可獲得給定係統的熱響應 (Zth)。
2A電源、10mA電源和Vsd的測量均由T3ster進行處理。 T3ster是一款商用測試設備，專門用於監測熱響應。它採用前面提到的方法來計算熱響應。
圖 7 電路圖
7.熱門對比結果
在兩種條件下測量每個裝置的熱響應結果：
200 μm TIM
700 μm TIM
這兩項測量的目的是確定在給定的受控系統中哪種封裝具有更佳的熱響應，以及哪些裝置的熱響應可以透過外部散熱方法進行最佳化。需要注意的是，這些結果並非適用於所有應用，而是僅適用於上述熱邊界條件。
比較在散熱器上安裝 200 μm TIM 的封裝效果。
在首次測試操作中，每個裝置均安裝在採用 200 μm 導熱界面材料 (TIM) 的水冷散熱器上。每個元件均施加 2A 脈衝電流至穩態。 T3ster 監控散熱過程中的電壓變化 (Vsd)，並將其與系統的熱響應曲線進行反向關聯。頂部散熱封裝的穩態熱響應值約為 4.13 ℃/W，而 SO8FL 的穩態熱響應值約為 25.27 ℃/W。這一顯著差異與預期結果一致，因為頂部散熱封裝直接安裝在高導熱係數、大熱容量的散熱器上，實現了良好的熱傳導。而對於 SO8FL，由於 PCB 的導熱係數較差，其導熱效果不佳。
為了更好地理解如何在應用中利用這些優勢，可以將熱響應值與每個裝置能夠承受的功率連結起來。將 Tj 從冷卻液溫度 23 ℃ 升高到最高工作溫度 175 ℃ 所需的功率計算如下：
注意：這種功率差異在該特定熱力系統中是預期的。
在這個散熱系統中，頂部散熱單元可承受相當於SO8FL封裝功率輸出6倍的功率。在現場應用中，此散熱單元可應用於多種場景。以下是其部分優勢：
在所需電流恆定的情況下，由於功率能力的提升，與SO8FL封裝相比，可以使用更小的散熱器。這可能有助於降低成本。
對於開關電源應用，可以在保持相似熱裕度的情況下提高開關頻率。
可用於原本不適用於 SO8FL 封裝的高功率應用。
當晶片尺寸恆定時，與 SO8FL 相比，頂部散熱器組件將具有更高的安全裕度，並且在給定的電流需求下以更低的溫度運行。
圖 8 使用 200 μm TIM 的熱響應曲線
圖 9 使用 200 μm TIM 時的溫度變化曲線
比較在散熱器上安裝 700 μm TIM 的封裝效果。
另一次測試採用厚度為 700 μm 的導熱界面材料 (TIM)。此舉旨在與 200 μm TIM 厚度下的測試結果進行比較，以驗證外部散熱方式對各封裝的影響。檢驗結果如下：頂部散熱組件的導熱係數為 6.51 ℃/W，SO8FL 的導熱係數為 25.57 ℃/W。對於頂部散熱組件，兩種 TIM 厚度下的導熱係數差異為 2.38 ℃/W，而 SO8FL 的導熱係數差異為 0.3 ℃/W。這意味著外部散熱方式對頂部散熱組件的影響顯著，但對 SO8FL 的影響很小。這也符合預期，因為頂部散熱組件的導熱係數主要取決於 TIM 層的熱阻。與散熱組件相比，TIM 的導熱係數較低。因此，隨著 TIM 厚度的增加，熱阻也會增加，導致更高的導熱係數 (Rth)。
SO8FL導熱界面材料（TIM）的變化發生在電路板和散熱器之間。由於元件產生的熱量必須穿過電路板才能到達TIM和散熱器，因此厚度變化對主熱通路的熱阻影響很小。所以，熱響應的變化非常小。
導熱界面材料（TIM）厚度變化引起的熱響應變化體現了頂部散熱封裝的整體優勢。 TCPAK57封裝頂部裸露引線框架，以便更好地控制熱通路的熱阻。針對特定應用和散熱方式，可利用此特性最佳化熱響應，從而提供更可控且更有效率的功率性能。 SO8FL及類似SMD元件難以經由其所在的電路板散熱，具體散熱效果取決於PCB的特性。這是一個不可控因素，因為PCB設計中除了散熱之外，還有許多其他變數需要考慮。
圖 10 使用 700 μm TIM 的溫度變化曲線
圖 11 使用 700 μm TIM 的溫度變化曲線
8.重點總結
頂部散熱封裝可以避免熱量經由PCB散失，縮短晶片到散熱器件的熱路徑，進而降低元件的熱阻。熱阻與散熱器和導熱界面材料的特性直接相關。低熱阻可以帶來許多應用優勢，例如：
在所需電流恆定的情況下，由於功率能力的提升，與標準SMD元件相比，可以使用尺寸較小的頂部散熱器件。反過來，這也有助於降低成本。
對於開關電源應用，可以在保持相似熱裕度的情況下提高開關頻率。
可用於標準SMD封裝不適用的高功率應用。
當晶片尺寸恆定時，與同等 SMD 裝置相比，頂部散熱器組件將具有更高的安全裕度，並且在給定電流需求下工作溫度更低。
更強的熱響應優化能力。這可以透過改變導熱界面材料和/或厚度來實現。導熱界面材料越薄和/或導熱性能越好，熱響應就越低。此外，改變散熱器的特性也可以改變熱響應。頂部散熱封裝可以減少熱量在PCB上的傳播，從而減少裝置間的熱量重疊。頂部散熱無需在PCB背面連接散熱器，從而允許PCB上元件更緊湊地排列。