摘要：
这篇文章将利用新一代的VRM来展示在一般工作条件下达成每立方英寸50安培的电流密度的能力。在下面的内容我们将会谈到双面冷却、表面黏着DirectFET™封装系列的最新产品应用于先进的稳压器模块(VRM)设计。
I. 简介
用于高效能桌上型计算机、笔记型计算机与服务器的直流-直流转换器使用表面黏着型功率MOSFET，这些MOSFET常因为本身依附着的印刷电路版的散热能力而限制了散热的有效性。随着现今GHz级的处理器对电流的需求超过100安培，散热方面的挑战变得越来越大，尤其要将服务器装入一个更小的1U尺寸框架中。在这篇文章中，我们的结果再一次确定，借着结合最新的半导体技术与创新的封装，便能够继续满足计算机行业的需求。
II. 对新型封装技术的需求
最新的半导体技术已经将MOSFET的性能提升到一个很高的水平，目前封装技术已经成为追求更高MOSFET效能的限制因素。在一些最新的产品中，高达一半的MOSFET导通电阻是因为导线架与导线接合所产生的封装电阻而造成。IR在以往发表过的一些文章内对无导线接合(wire bond)与无导线架(lead frame)的DirectFET封装曾经作出详细的描述。
这个专利封装是第一个特别为电源应用而开发的表面黏着技术，能解决现今先进直流-直流转换器所面对的大部份热和电效率问题。
III. DirectFET™封装技术
IR专利的DirectFET™封装技术是第一个为功率半导体所量身订做的表面黏着封装技术。硅芯片安装在一个铜外壳中，封装的底部由一个特别设计的芯片所组成，闸极与源极的接触焊垫可以直接焊接在电路版上。铜外壳构成了汲极并从硅芯片的另一方连结到印刷计算机版，请参考图1。硅芯片上的一个专利钝化系统将闸极与源极焊垫隔离以避免短路，另外当组件要被安装在电路版上时发挥焊接遮蔽的作用，也可保护终端与闸极结构，避免受湿气与其它污染的影响。
这个设计省去了导线架与导线接合，并在SO-8面积中将无芯片封装电阻(DFPR)降低至0.1毫奥姆，而标准SO-8封装为1.5毫奥姆，其它的SO-8改良型封装则约为0.5毫奥姆。
如图2所示，DirectFET封装把热从组件的顶端转移到印刷电路版，当使用散热器与冷却气流时，DirectFET可以把更多的热由封装的顶部排走，相较于SO-8解决方案，最高可将操作温度降低50C。有效的顶部冷却亦即热可以由电路版上移除，如此可大幅增加组件的安全载流量。较高的组件顶部Rth(J-C)热阻解释了为何标准SO-8封装或其衍生只能藉由印刷电路版进行单面冷却。
随着电流需求超过100安培，设计人员需要多相降压转换器来移除15瓦以上的功率。这种新的封装技术大幅改善了效率与散热能力，使得这些大电流的需求可以由每相使用一个控制和同步MOSFET来达成，因而省去了并联多个组件的需要，并简化了电路板布局。电与热性能的改善可允许更小的解决方案占位面积、更高的电流密度与稳定的电路板温度。
IV. VRM设计
这个设计使用X相控制器IR3083，并在每一相使用一个操作频率为400kHz的IR3087相位IC，以大幅降低损耗。这个设计能够在很小的面积中提供105安培的电流（每相超过20安培），并在每个相位只使用一个控制和同步DirectFET MOSFET。组件的扁平外型能使DirectFET MOSFET被黏着在电路版的背面，并在其上方加设散热器，如此一来可使散热器的尺寸最大化，并同时符合VR10的外形规格。散热器是一个铝质的鳍状散热器，其尺寸为94mm x 15mm（3.75英寸 x 0.6英寸）。设计人员使用一种电气隔绝及导热的热接合材料（TIM）将散热器装置在DirectFET MOSFET的顶部。在45C，400LFM的气流下，可达到大于每平方英寸35安培的电流密度，为下一代的服务器处理器提供了一个可行的解决方案。
这个30V DirectFET控制及同步FET的规格列于表1中，值得注意的是这些组件的大电流承载能力（ID）。
由表1可以看出，这些组件均针对插座要求被最佳化，在同步FET插座中使用了较低导通电阻的组件，并具有最大的操作周期。控制FET则使用IRF6608，因为其操作周期较短，而切换损失则较大。组件的闸极电荷非常低，可限制了驱动器的损耗。
使用D-Pak或SO-8封装组件的类似设计在每个相位使用4到5个组件，这会增加零件数目和封装损耗，而且闸极电荷也会增加，因而增加驱动器的损耗及降低效率。电路板面积与布局复杂度增加，而且对1U服务器而言最为重要的功率密度也会受到一定的影响，甚至无法符合目前的要求。增加电路板的面积不仅会使成本增加，而且也会因为寄生损耗而降低效率。
DirectFET封装的高热效率及高电效率特性实现了小尺寸的电路板与高效率的电路布局。尤其是新推出的小尺寸IRF6608，其尺寸仅是电流密度为每平方英寸25安培的IRF6604的一半。这对于这种封装技术的效率水平有着直接的影响。
为了使VRM的设计最佳化，我们在不同的热与电操作环境下测量效率。有关细节在其它的论文中有详细的讨论。
图5中所示的是在正常操作条件下由12V输入、1.35V输出、操作频率为400kHz的VRM所产生的效率曲线图。我们可以看出在DirectFET组件上使用鳍状散热器与对流空气以进行有效冷却，可以使电流处理能力大于100安培.
VI. 结论
DirectFET技术是第一个专门为高效能功率半导体所研发的表面黏着封装，并使用新型专利钝化和连结方法，大幅提升电与热的性能表现。
使用DirectFET技术的最新组件展示了在电流承载能力与线路效率上的大幅改善。使用了双面冷却，一个小型1U VRM能够在仅有2.5平方英寸的面积下处理105安培的电流，这不仅倍增了电流密度，并且为用于1U服务器的下一代处理器所需的大电流、精巧型直流-直流转换器作好准备。
单是从系统效能的角度来看，这些改善已经很突出，但DirectFET技术所带来的最大益处是它能够同时降低系统成本。热设计可以被简化，因为DirectFET封装性能的改善可使印刷电路板的面积与所需的铜箔量降低。随着效能要求的提升，传统表面黏着封装将会逐渐过时，只能使用在低阶设计，而高阶电源管理系统将会寻求具有低电阻、低热阻、与低寄生电感的封装技术。最成功的平台将会提供最低的成本/安培比，同时满足系统要求的效能，其尺寸并能够实现设计的简化与制造的整合。DirectFET封装技术可以同时符合这些要求，使它成为功率半导体封装技术中最为重要的发展之一。
这篇文章将利用新一代的VRM来展示在一般工作条件下达成每立方英寸50安培的电流密度的能力。在下面的内容我们将会谈到双面冷却、表面黏着DirectFET™封装系列的最新产品应用于先进的稳压器模块(VRM)设计。
I. 简介
用于高效能桌上型计算机、笔记型计算机与服务器的直流-直流转换器使用表面黏着型功率MOSFET，这些MOSFET常因为本身依附着的印刷电路版的散热能力而限制了散热的有效性。随着现今GHz级的处理器对电流的需求超过100安培，散热方面的挑战变得越来越大，尤其要将服务器装入一个更小的1U尺寸框架中。在这篇文章中，我们的结果再一次确定，借着结合最新的半导体技术与创新的封装，便能够继续满足计算机行业的需求。
II. 对新型封装技术的需求
最新的半导体技术已经将MOSFET的性能提升到一个很高的水平，目前封装技术已经成为追求更高MOSFET效能的限制因素。在一些最新的产品中，高达一半的MOSFET导通电阻是因为导线架与导线接合所产生的封装电阻而造成。IR在以往发表过的一些文章内对无导线接合(wire bond)与无导线架(lead frame)的DirectFET封装曾经作出详细的描述。
这个专利封装是第一个特别为电源应用而开发的表面黏着技术，能解决现今先进直流-直流转换器所面对的大部份热和电效率问题。
III. DirectFET™封装技术
IR专利的DirectFET™封装技术是第一个为功率半导体所量身订做的表面黏着封装技术。硅芯片安装在一个铜外壳中，封装的底部由一个特别设计的芯片所组成，闸极与源极的接触焊垫可以直接焊接在电路版上。铜外壳构成了汲极并从硅芯片的另一方连结到印刷计算机版，请参考图1。硅芯片上的一个专利钝化系统将闸极与源极焊垫隔离以避免短路，另外当组件要被安装在电路版上时发挥焊接遮蔽的作用，也可保护终端与闸极结构，避免受湿气与其它污染的影响。
这个设计省去了导线架与导线接合，并在SO-8面积中将无芯片封装电阻(DFPR)降低至0.1毫奥姆，而标准SO-8封装为1.5毫奥姆，其它的SO-8改良型封装则约为0.5毫奥姆。
如图2所示，DirectFET封装把热从组件的顶端转移到印刷电路版，当使用散热器与冷却气流时，DirectFET可以把更多的热由封装的顶部排走，相较于SO-8解决方案，最高可将操作温度降低50C。有效的顶部冷却亦即热可以由电路版上移除，如此可大幅增加组件的安全载流量。较高的组件顶部Rth(J-C)热阻解释了为何标准SO-8封装或其衍生只能藉由印刷电路版进行单面冷却。
随着电流需求超过100安培，设计人员需要多相降压转换器来移除15瓦以上的功率。这种新的封装技术大幅改善了效率与散热能力，使得这些大电流的需求可以由每相使用一个控制和同步MOSFET来达成，因而省去了并联多个组件的需要，并简化了电路板布局。电与热性能的改善可允许更小的解决方案占位面积、更高的电流密度与稳定的电路板温度。
IV. VRM设计
这个设计使用X相控制器IR3083，并在每一相使用一个操作频率为400kHz的IR3087相位IC，以大幅降低损耗。这个设计能够在很小的面积中提供105安培的电流（每相超过20安培），并在每个相位只使用一个控制和同步DirectFET MOSFET。组件的扁平外型能使DirectFET MOSFET被黏着在电路版的背面，并在其上方加设散热器，如此一来可使散热器的尺寸最大化，并同时符合VR10的外形规格。散热器是一个铝质的鳍状散热器，其尺寸为94mm x 15mm（3.75英寸 x 0.6英寸）。设计人员使用一种电气隔绝及导热的热接合材料（TIM）将散热器装置在DirectFET MOSFET的顶部。在45C，400LFM的气流下，可达到大于每平方英寸35安培的电流密度，为下一代的服务器处理器提供了一个可行的解决方案。
这个30V DirectFET控制及同步FET的规格列于表1中，值得注意的是这些组件的大电流承载能力（ID）。
由表1可以看出，这些组件均针对插座要求被最佳化，在同步FET插座中使用了较低导通电阻的组件，并具有最大的操作周期。控制FET则使用IRF6608，因为其操作周期较短，而切换损失则较大。组件的闸极电荷非常低，可限制了驱动器的损耗。
使用D-Pak或SO-8封装组件的类似设计在每个相位使用4到5个组件，这会增加零件数目和封装损耗，而且闸极电荷也会增加，因而增加驱动器的损耗及降低效率。电路板面积与布局复杂度增加，而且对1U服务器而言最为重要的功率密度也会受到一定的影响，甚至无法符合目前的要求。增加电路板的面积不仅会使成本增加，而且也会因为寄生损耗而降低效率。
DirectFET封装的高热效率及高电效率特性实现了小尺寸的电路板与高效率的电路布局。尤其是新推出的小尺寸IRF6608，其尺寸仅是电流密度为每平方英寸25安培的IRF6604的一半。这对于这种封装技术的效率水平有着直接的影响。
为了使VRM的设计最佳化，我们在不同的热与电操作环境下测量效率。有关细节在其它的论文中有详细的讨论。
图5中所示的是在正常操作条件下由12V输入、1.35V输出、操作频率为400kHz的VRM所产生的效率曲线图。我们可以看出在DirectFET组件上使用鳍状散热器与对流空气以进行有效冷却，可以使电流处理能力大于100安培.
VI. 结论
DirectFET技术是第一个专门为高效能功率半导体所研发的表面黏着封装，并使用新型专利钝化和连结方法，大幅提升电与热的性能表现。
使用DirectFET技术的最新组件展示了在电流承载能力与线路效率上的大幅改善。使用了双面冷却，一个小型1U VRM能够在仅有2.5平方英寸的面积下处理105安培的电流，这不仅倍增了电流密度，并且为用于1U服务器的下一代处理器所需的大电流、精巧型直流-直流转换器作好准备。
单是从系统效能的角度来看，这些改善已经很突出，但DirectFET技术所带来的最大益处是它能够同时降低系统成本。热设计可以被简化，因为DirectFET封装性能的改善可使印刷电路板的面积与所需的铜箔量降低。随着效能要求的提升，传统表面黏着封装将会逐渐过时，只能使用在低阶设计，而高阶电源管理系统将会寻求具有低电阻、低热阻、与低寄生电感的封装技术。最成功的平台将会提供最低的成本/安培比，同时满足系统要求的效能，其尺寸并能够实现设计的简化与制造的整合。DirectFET封装技术可以同时符合这些要求，使它成为功率半导体封装技术中最为重要的发展之一。
