【導讀】電源應用中的 MOSFET 大多是表麵貼裝器件 (SMD)，包括 SO8FL
、u8FL 和 LFPAK 等封裝。通常選擇這些 SMD 的de原yuan因yin是shi它ta們men具ju有you良liang好hao的de功gong率lv能neng力li，同tong時shi尺chi寸cun較jiao小xiao，從cong而er有you助zhu於yu實shi現xian更geng緊jin湊cou的de解jie決jue方fang案an。盡jin管guan這zhe些xie器qi件jian具ju有you良liang好hao的de功gong率lv能neng力li，但dan有you時shi散san熱re效xiao果guo並bing不bu理li想xiang。

由於器件的引線框架（包括裸露漏極焊盤）直接焊接到覆銅區，這導致熱量主要通過PCB進行傳播。而器件的其餘部分均封閉在塑封料中，僅能通過空氣對流來散熱。因此
，熱傳遞效率在很大程度上取決於電路板的特性：覆銅的麵積大小、層數、厚度和布局。無論電路板是否安裝到散熱器上，都會導致這種情況的發生。通常器件的最大功率能力無法達到最優情形，是因為 PCB 一般不具有高的熱導率和熱質量。為解決這個問題並進一步縮小應用尺寸
，業界開發了一種新的 MOSFET 封裝
，即讓 MOSFET 的引線框架（漏極）在封裝的頂部暴露出來（例如圖 1 所示）。

圖 1. 頂部散熱封裝

頂部散熱的布局優勢

雖然傳統功率 SMD 有you利li於yu實shi現xian小xiao型xing化hua解jie決jue方fang案an
，但dan出chu於yu散san熱re考kao慮lv，它ta們men要yao求qiu在zai電dian路lu板ban背bei麵mian其qi下xia方fang的de位wei置zhi不bu能neng放fang置zhi其qi他ta元yuan器qi件jian。電dian路lu板ban的de一yi些xie空kong間jian無wu法fa使shi用yong
，導dao致zhi最zui終zhong的de電dian路lu板ban整zheng體ti尺chi寸cun較jiao大da。而er頂ding部bu散san熱re器qi件jian可ke以yi繞rao過guo此ci問wen題ti：其散熱是通過器件頂部進行的。這樣，MOSFET 下方的板麵位置就可以放置元器件了。

該空間可用於布置如下元器件（但不限於此）：

●   功率器件

●   柵極驅動電路

●   支持元器件（電容、緩衝器等）

反過來，還能縮小電路板尺寸，減少柵極驅動信號的路徑，實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入散熱器，因此 PCB 承受的熱量較小。有助於降低周圍器件的工作溫度。

頂部散熱的熱性能優勢

與傳統的表麵貼裝 MOSFET 不(bu)同(tong)
，頂(ding)部(bu)散(san)熱(re)封(feng)裝(zhuang)允(yun)許(xu)將(jiang)散(san)熱(re)器(qi)直(zhi)接(jie)連(lian)接(jie)到(dao)器(qi)件(jian)的(de)引(yin)線(xian)框(kuang)架(jia)。由(you)於(yu)金(jin)屬(shu)具(ju)有(you)高(gao)熱(re)導(dao)率(lv)，因(yin)此(ci)散(san)熱(re)器(qi)材(cai)料(liao)通(tong)常(chang)是(shi)金(jin)屬(shu)。例(li)如(ru)大(da)多(duo)數(shu)散(san)熱(re)器(qi)是(shi)鋁(lv)製(zhi)的(de)，其(qi)熱(re)導(dao)率(lv)在(zai) 100-210 W/mk 之間。與通過 PCB 散san熱re的de常chang規gui方fang式shi相xiang比bi，這zhe種zhong通tong過guo高gao熱re導dao率lv材cai料liao散san熱re的de方fang式shi大da大da降jiang低di了le熱re阻zu。熱re導dao率lv和he材cai料liao尺chi寸cun是shi決jue定ding熱re阻zu的de關guan鍵jian因yin素su。熱re阻zu越yue低di，熱re響xiang應ying越yue好hao。

Rθ = 絕對熱阻

Δx = 與熱流平行的材料的厚度

A = 垂直於熱流的橫截麵積

k = 熱導率

除了提高熱導率外，散熱器還提供更大的熱質量——這(zhe)有(you)助(zhu)於(yu)避(bi)免(mian)飽(bao)和(he)
，或(huo)提(ti)供(gong)更(geng)大(da)的(de)熱(re)時(shi)間(jian)常(chang)數(shu)。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)頂(ding)部(bu)安(an)裝(zhuang)的(de)散(san)熱(re)器(qi)的(de)尺(chi)寸(cun)可(ke)以(yi)改(gai)變(bian)。對(dui)於(yu)一(yi)定(ding)量(liang)的(de)熱(re)能(neng)輸(shu)入(ru)，熱(re)質(zhi)量(liang)或(huo)熱(re)容(rong)與(yu)給(gei)定(ding)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)成(cheng)正(zheng)比(bi)。

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

，並且銅皮厚度較低的話
，導致熱質量(熱容)較低和熱傳播不良。所有這些因素使得標準的表麵貼裝 MOSFET 在使用時無法實現最佳熱響應。從理論上講
，頂部散熱封裝擁有直接通過高熱質量、高導熱性源散熱的優勢，因此其熱響應 (Zth (C°/W)) 會更好。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，對於相同的 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勢，我們進行了測試，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，兩個器件在相同的電氣條件和熱邊界下進行測試。區別在於，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，位於 MOSFET 區域正下方（圖 3）。這是對器件在現場應用中使用方式的複現。測試期間還使用了不同厚度的熱界麵材料 (TIM)，以驗證使用不同的熱邊界能夠優化哪種器件封裝。整體測試按如下方式進行：對這兩個器件施加固定電流（因此是固定功率）
，然後監視結溫的變化，從而得知哪個器件性能更好。

圖 4. 每個器件的應用設置

器件選擇和PCB布局

在器件選擇方麵，每種封裝中的 MOSFET 具(ju)有(you)相(xiang)同(tong)的(de)芯(xin)片(pian)尺(chi)寸(cun)並(bing)使(shi)用(yong)相(xiang)同(tong)的(de)技(ji)術(shu)。這(zhe)是(shi)為(wei)了(le)確(que)保(bao)每(mei)個(ge)器(qi)件(jian)在(zai)給(gei)定(ding)電(dian)流(liu)下(xia)具(ju)有(you)相(xiang)同(tong)的(de)功(gong)耗(hao)，並(bing)使(shi)封(feng)裝(zhuang)級(ji)熱(re)響(xiang)應(ying)一(yi)致(zhi)。這(zhe)樣(yang)，我(wo)們(men)就(jiu)能(neng)確(que)信(xin)所(suo)測(ce)得(de)的(de)熱(re)響(xiang)應(ying)差(cha)異(yi)是(shi)由(you)於(yu)封(feng)裝(zhuang)差(cha)異(yi)導(dao)致(zhi)的(de)。出(chu)於(yu)這(zhe)些(xie)原(yuan)因(yin)，我(wo)們(men)選(xuan)擇(ze)使(shi)用(yong) TCPAK57 和 SO8FL。它們采用略有不同的線夾和引線框架設計，一個有引線 (TCPAK57)，一個無引線 (SO8FL)。應當注意的是，這些差異很小
，不會對穩態熱響應產生很大影響
，故可忽略。給定參數後，選定的器件如下：

●   NVMFS5C410N SO8FL

●   NVMJST0D9N04CTXG TCPAK57

為了進一步確保所有其他熱邊界保持等效，我們設計了兩個相同的 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 板沒有將漏極焊盤連接到電路板其他導電層的熱過孔（這對散熱並不是最好的）；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）

散熱器和熱界麵材料 (TIM)

測試過程中使用的散熱器為鋁製，專門設計用於安裝到 PCB 上。107 mm x 144 mm 散熱器為液冷式，其中 35 mm x 38 mm 散熱麵積位於 MOSFET 位置正下方。通過散熱器的液體是水。水是現場應用中常用的冷卻液。對於所有測試場景，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係統中，有助於降低器件溫度。

圖 6. 應用設置

為了更好地促進 MOSFET 界麵散熱，應使用熱間隙填充物。這有助於填補界麵表麵可能存在的缺陷。空氣作為不良熱導體，任何氣隙都會增加熱阻。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 來展示熱響應優化的可能性。固定的厚度通過在電路板和散熱器之間使用的精密墊片來實現。使用的目標厚度為：

●   ~200 µm

●   ~700 µm

測試電路和加熱/測量方法

選xuan擇ze的de板ban載zai電dian路lu配pei置zhi是shi半ban橋qiao設she置zhi，因yin為wei它ta代dai表biao了le一yi種zhong通tong用yong型xing現xian場chang應ying用yong。兩liang個ge器qi件jian彼bi此ci靠kao近jin
，這zhe也ye準zhun確que反fan映ying了le現xian場chang布bu局ju
，因yin為wei較jiao短duan的de走zou線xian有you助zhu於yu減jian少shao寄ji生sheng效xiao應ying。由you於yu器qi件jian之zhi間jian有you熱re量liang交jiao疊die，這zhe對dui熱re響xiang應ying會hui發fa揮hui一yi定ding的de作zuo用yong。

為了能夠以較低電流值進行相關加熱，電流將通過 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如下方式獲得：先加熱半橋 FET，直到穩態結溫（溫度不再升高）
，然後隨著結溫回到冷卻狀態溫度
，通過一個 10 mA 小信號源監測源漏電壓 (Vsd)。加熱過程中達到熱穩態所需的時間與返回到無電狀態的時間相等。體二極管的 Vsd 與結溫呈線性關係，因此可以使用一個常數 (mV/ C°) 比率（通過每個器件的表征來確定）將其與 ΔTj 相關聯。然後將整個冷卻期間的 ΔTj 除以加熱階段結束時的功耗
，就得到給定係統的熱響應 (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，專門用於監測熱響應。它利用前麵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器件的熱響應結果：

●  200 μm TIM

●  700 μm TIM

zheliangciceliangdemudeshiquedinggeidingshoukongxitongzhongnazhongfengzhuangjuyougenghaoderexiangying，yijinazhongqijianderexiangyingkeyitongguowaibusanrefangfalaiyouhua。wubizhuyi，zhexiejieguobingfeishiyongyusuoyouyingyong，ershitedingyusuotidaoderebianjie。

使用200 μm TIM安裝到散熱器的封裝比較

對於第一個測試操作，每個器件使用 200 μm TIM 安裝到水冷散熱器上。每個器件都接受 2 A 脈衝，直至穩態。T3ster 監測散熱期間的 Vsd
，並將其反向關聯到該係統的熱響應曲線。頂部散熱的穩態熱響應值為 ~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，實現了良好的熱傳播。對於SO8FL 則由於 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勢
，可以將熱響應值與每個器件可以承受的功率量聯係起來。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：此功率差異在這個特定的熱係統中是意料之中的。

在該熱係統中，頂部散熱單元可應對的功率量是 SO8FL 的 6 倍。在現場應用中，這可以通過幾種不同的方式加以利用。下麵是它的一些優勢：

●  當需要的電流一定時，由於功率能力提高，相比SO8FL 可以使用更小的散熱器。從而可能節省成本。

●  對於開關模式電源應用，在保持相近的熱裕量的同時可以提高開關頻率。

●  可用於原本不適合 SO8FL 的更高功率應用。

●  芯片尺寸一定時
，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

圖 9. 使用 200 μm TIM 的溫度變化曲線

使用700 μm TIM安裝到散熱器的封裝比較

使用 700 μm 的 TIM 厚度進行了另一次測試操作。這是為了與 200 μm TIM 測試進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。對於頂部散熱
，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，熱阻會增加，導致 Rth 更高。

SO8FL TIM 變化發生在電路板和散熱器之間。其器件熱量必須通過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勢。TCPAK57 在(zai)封(feng)裝(zhuang)頂(ding)部(bu)有(you)一(yi)個(ge)裸(luo)露(lu)的(de)引(yin)線(xian)框(kuang)架(jia)，因(yin)而(er)可(ke)以(yi)更(geng)好(hao)地(di)控(kong)製(zhi)熱(re)量(liang)路(lu)徑(jing)的(de)熱(re)阻(zu)。對(dui)於(yu)特(te)定(ding)應(ying)用(yong)和(he)散(san)熱(re)方(fang)法(fa)，可(ke)以(yi)利(li)用(yong)這(zhe)個(ge)特(te)點(dian)來(lai)優(you)化(hua)熱(re)響(xiang)應(ying)。這(zhe)反(fan)過(guo)來(lai)又(you)會(hui)提(ti)供(gong)更(geng)可(ke)控(kong)和(he)有(you)益(yi)的(de)功(gong)率(lv)能(neng)力(li)。SO8FL 和類似的 SMD 器件難以通過其所在的電路板散熱，具體情況取決於 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

圖 11. 使用 700 μm TIM 的溫度變化曲線

要點總結

頂部散熱封裝可避免通過 PCB 進(jin)行(xing)散(san)熱(re)，縮(suo)短(duan)了(le)從(cong)芯(xin)片(pian)到(dao)散(san)熱(re)裝(zhuang)置(zhi)的(de)熱(re)量(liang)路(lu)徑(jing)，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)了(le)器(qi)件(jian)的(de)熱(re)阻(zu)。熱(re)阻(zu)與(yu)散(san)熱(re)器(qi)和(he)熱(re)界(jie)麵(mian)材(cai)料(liao)特(te)性(xing)直(zhi)接(jie)相(xiang)關(guan)。低(di)熱(re)阻(zu)可(ke)以(yi)帶(dai)來(lai)許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)優(you)勢(shi)，例(li)如(ru)：

●  需要的電流量一定時，由於功率能力提高，相比標準 SMD 可以使用更小的頂部散熱器件。反過來，這還可能帶來成本節省。

●  對於開關模式電源應用，在保持相近的熱裕量的同時可以提高開關頻率。

●  可用於原本標準 SMD 不適合的更高功率應用。

●  芯片尺寸一定時，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。

更強的熱響應優化能力。這通過改變熱界麵材料和/或厚度來實現。TIM 越薄和/或熱導率越好
，熱響應就越低。熱響應也可以通過改變散熱器特性來改變。

頂部散熱封裝可減少通過 PCB 的熱量傳播，進而減少器件之間的熱量交疊。

頂部散熱使得 PCB 的背麵不需要連接散熱器

，因此 PCB 上的元器件可以布置得更緊湊。

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