开关电源-用于电源SiP的半桥MOSFET集成计划研讨-KIA MOS管

跟着电子手艺的疾速成长和终端操纵处景加倍刻薄，小型化电源的须要愈来愈火急。完成小型化的有用体例之一是接纳体系级封装（System in Package，SiP）设想。其理念是接纳裸芯片，经由过程多芯片组装，终究构成具备完全电源功效的封装产物。相较基于分立封装器件的电源产物，电源SiP 的基板面积降至10%~20%，在机能、本钱等方面也具备上风。

为进步大功率电源SiP 效力，普通将传统开关电源拓扑中的续流二极管同步MOSFET 代替构成如图1 所示的同步开关电源拓扑，2 个MOSFET Q1 和Q2 构成半桥规划。MOSFET 是影响电源效力、热情况等机能的关头器件。是以，半桥MOSFET 的集成计划须要周全论证，以知足SiP 封装尺寸、载流才能、热阻、工艺、组装维修等方面的须要。

本文会商了同步开关电源拓扑中的半桥MOSFET的基板外表平铺、腔体设想、3D 重叠等规划体例，和键合丝、铜片夹扣等互连体例，经由过程对照差别计划的优错误谬误，为电源SiP 计划设想供给参考。

MOSFET裸芯片规划

功率开关MOSFET 有3 个端口，即漏极、源极和栅极。普通裸芯片的反面设想为漏极，正面是源极和栅极。源极和漏极的面积大，为大电流途径。正反两面按照现实操纵溅射差别金属层。如图1 所示的半桥MOSFET 规划中，上管Q1 的源极与低边的MOSFET Q2的漏极互连在一路。

半桥MOSFET规划体例

基板外表平铺

半桥MOSFET 的平铺规划如图2 所示。为进步电源SiP 的散热机能，下降大电流途径的互连电阻，裸芯片反面的漏极经由过程锡膏烧焊到基板外表。正面的源极和栅极可经由过程键合丝或铜片夹扣毗连到基板的焊盘上。两芯片的源漏经由过程基板的铜导带完成互连。由于在基板外表，芯片的组装维修都非常方便。

腔体设想

平铺规划请求基板外表和芯片间有宁静间隔。为减小封装面积，能够接纳如图3 所示的腔体设想，行将基板的外层开放式开窗，将MOSFET 芯片烧焊在内层，基板键合焊盘仍在外表。受电源SiP 空间限定，腔体开窗面积对芯片的组装点窜发生必然的影响。腔体设想节流了基板焊盘和芯片间的间隔，有益于电源SiP 全体尺寸的减小。

3D重叠

如图4 所示，半桥MOSFET 可接纳纵向3D 重叠减小封装面积。两芯片的源极、漏极及与基板导带的互连普通接纳铜片夹扣。芯片与铜片间仍经由过程锡膏烧焊互连。3D 重叠对组装请求高，芯片焊接偏移需节制严酷，防止与栅极键合丝短路；并且芯片维修的方便性差。

引线键合工艺

引线键合以手艺成熟、工艺简略、本钱昂贵、合用性强等特色而在电子工程互连中占有首要位置。由于铝丝/ 硅铝丝的导电才能强，价钱昂贵、延展性好，以是经常使用作MOSFET 的键合引线。

键合丝的资料和丝径影响MOSFET 的过流才能，表1 是罕见的键合丝径及其过流才能。

铜片夹扣工艺

铜片夹扣键合是经由过程回流焊接的体例，将有特别外形的铜片焊接于芯片上，完成2 个MOSFET 的源漏极和基板导带的互连。铜片的外形与芯片开窗尺寸和幅员设想相干，防止与芯片栅极走线和键合丝短路。MOSFET 芯片外表须要溅射焊锡可浸润的金属资料，如钛镍金等，工艺比拟庞杂。

*25 A 为32 根45 μm 丝径的硅铝丝并联键合，20 A为8 根100 μm 丝径的铝丝并联键合

半桥MOSFET集成计划

在本节会商中，功率SiP 设想请求输入电流达30 A；尺寸小于15 mm×15 mm，以知足零件对电源小型化的须要。是以，选用的某型号MOSFET 裸芯片，其常温下最大延续漏极电流为95 A，尺寸为4 mm×4 mm。经由过程会商差别规划和互连体例的优错误谬误，肯定知足电源SiP 请求的计划。

基板外表平铺键合计划

基板键合焊盘尺寸设想为4 mm×0.5 mm，知足源极多键合丝并联请求。键合焊盘和芯片烧焊焊盘的宁静间隔定为0.25 mm。则2 个MOSFET 的总封装面积约为38 mm2。键合丝有两种挑选。挑选1 是MOSFET 的源极和栅极接纳不异的45 μm 丝径的硅铝丝。源极最多能键合32 根硅铝丝并联，由表1 知MOSFET 的宁静电流达25 A。

挑选2 是MOSFET 的栅极和源极别离接纳45 μm 丝径的硅铝丝和100 μm 丝径的铝丝。源极最多能键合8 根铝丝并联，宁静电流到达20 A。在基板外表平铺计划中，MOSFET 热量首要是经由过程漏极单面向基板传导。

基板外表平铺铜片夹扣计划

基板外表平铺铜片夹扣计划如图5 所示。MOSFET源极互连改成0.2 mm 厚度的铜扣，可蒙受164 A 电流。受MOSFET 的延续漏极电流限定，该计划的半桥MOSFET 的载流才能为95 A。铜扣在基板上的焊盘尺寸设想为4 mm×1.5 mm，则封装面积约为46 mm2。大面积铜片赞助MOSFET 的热量双面向基板传导，极大地下降了芯片的热阻。

腔体设想键合计划

在腔体设想中，为了组装和维修，开窗面积设想为4 mm×4.2 mm。该计划的键合设想同计划4.1，则须要37.6 mm2 的封装面积，宁静电流为25 A（32 根45 μm丝径的硅铝丝并联）或20 A（8 根100 μm 丝径的铝丝并联）。

腔体设想铜片夹扣计划

该计划的铜扣互连设想同计划4.2，开窗设想同计划4.3，须要45.6 mm2 的封装面积，载流才能为95 A。和计划4.1 和4.2 对照，腔体设想对半桥MOSFET封装面积改良未几。可是可减小MOSFET 芯片与四周器件焊盘的间隔，从而减小了电源SiP 全体封装尺寸。由于MOSFET 烧焊在基板内层，绝对基板外表平铺计划，散热性略差，可经由过程恰当增添散热铺铜面积改良热阻。

3D重叠铜片夹扣计划

3D 重叠经由过程操纵纵向空间进步封装效力。若铜扣在基板上的焊盘尺寸同计划4.2，该计划可将半桥MOSFET 的封装面积减小至30 mm2。两片铜扣使芯片双面散热，极大地下降了热阻。

计划对照

表2 概述了半桥MOSFET 差别集成计划的优错误谬误。基板外表平铺键合和腔体设想键合计划的工艺庞杂度低，组装维修方便性好，可是没法知足电源SiP 输入电流的请求。基板外表铜片夹扣计划在热阻、工艺庞杂度和组装维修方便性之间获得了较好的均衡，可是封装尺寸倒霉于电源SiP 的小型化设想。3D 重叠铜片夹扣计划具备最小的封装面积和很好的导热机能，可是工艺庞杂度高，组装维修方便性低。腔体设想铜片夹扣是绝对折衷的计划，能够知足电源SiP 设想请求。

竣事语

本文会商了半桥MOSFET 差别集成计划。为知足电源SiP 输入电流达30 A，尺寸小于15mm×15 mm 的请求，绝对折衷的计划是接纳腔体设想铜片夹扣计划。该计划的载流才能到达了MOSFET 的最大延续漏极电流95 A；热阻低；由于节流了MOSFET 裸芯片与四周焊盘的间隔，有益于电源SiP 的小型化。

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