中心論題：

• DirectFET封裝技術。
• 電壓調整模塊設計介紹。
• VRM的效率和載流能力。

• DirectFET封裝結構顯著提高效率和載流能力。
• 矽片上適當的鈍化使源極和漏極絕緣防止短路。
• 大麵積接觸銅外殼顯著改善了散熱能力。
• 在同步管上並聯一肖特基二極管改善效率。

目前1U服務器的技術水平是采用雙處理器以及所需電流超過100A。隨著1U係統提高性能的同時，服務器主板的尺寸卻保持不變甚至減小。這使得DC-DC變換器設計者的工作變得非常困難，因為緊湊的器件布局使得熱設計麵臨嚴峻挑戰。

為這些係統供電的DC-DC變換器中的MOSFET采用SMT封裝技術，而這種封裝的熱特性很差，散熱器選擇有限。其主要原因是封裝
，如SO-8之類，基本上是IC的封裝方法，即使有改進，但熱阻抗和電氣阻抗仍非常高。本文將討論電壓調整器模塊（VRM）采用DirectFET封裝技術
，顯著減少封裝寄生參數影響。DirctFET封裝是專門為功率半導體而設計的一種封裝式，因此它更適於集成到DC-DC變換器的封裝中
，這樣可以提高效率。

DirectFET封裝技術
DirectFET封裝結構獨特
，在封裝阻抗和散熱能力上有很大突破
，顯著提高效率
和載流能力。

圖1顯示DirectFET封裝用於MOSFET芯片。矽片被裝入銅外殼，封裝的底部是經特殊設計的芯片，源極和漏極是可以直接焊到PCB板的表貼焊盤。矽片上適當的鈍化使源極和漏極絕緣，在器件被焊到PCB板ban上shang時shi它ta也ye起qi到dao阻zu焊han膜mo的de作zuo用yong

，防fang止zhi短duan路lu。此ci鈍dun化hua層ceng也ye保bao護hu了le管guan腳jiao防fang止zhi門men極ji區qu域yu汙wu染ran及ji潮chao氣qi。銅tong殼ke從cong芯xin片pian的de另ling一yi側ce引yin出chu漏lou極ji到dao線xian路lu板ban。此ci封feng裝zhuang省sheng掉diao了le傳chuan統tong的de管guan腳jiao框kuang架jia和he引yin線xian鍵jian合he，將jiang封feng裝zhuang阻zu抗kang（DFPR）降低至僅0.1mohm而標準的SO-8封裝為1.5mohm。 
 

圖1. DirectFET 封裝

大麵積接觸銅外殼，與SOIC的塑料封裝相比，它顯著改善了散熱能力：結果PCB的熱阻減小到1°C/Wmax
，而標準的SO-8封裝為20°C/Wmax。銅殼即是一個散熱器外殼
，也將結殼熱阻改善到3C/W, 而SO-8為18C/W。

加上散熱器和風冷，DirectFET封裝可以從頂部散掉更多的熱，與SO-8方案相比
，降低結溫達50, 有效的頂部冷卻意謂著線路板上的熱可以更多地被帶走，以增加器件的安全載流能力，而高的頂部熱阻解釋了為什麼SO-8及其派生封裝隻能單邊的通過PCB板散熱的原因。

電壓調整模塊（VRM）設計
為了說明這種新封裝在VRM設計中的好處，我們以一個使用DirectFET MOSFET的大電流4相式VRM為例
，板子是6層板，2Oz厚覆銅
，焊盤過孔。此設計中的4相控製器和驅動器，可以運行在高至1MHz/相的頻率上。驅動器可輸出高達1.5A的驅
動電流。內部集成有用於自舉驅動的二極管，為了實現小的麵積，在輸入輸出濾波器中都使用陶瓷電容，而電感是400nH，大電流
，小封裝線圈（10mm×10mm）。

此設計可以高效輸出超過100A（>25A/相）的電流而麵積隻有95mm×31mm(3.8inch X 1.25inch )。每項均使用一個控製管和一個同步管的DirectFET MOSFET。用作控製管和同步管的30V DirectFET的規格見表1。請注意它們高的載流能力省去了器件並聯的需要。 
 
注: 所有參數均為典型值 TASE = 25℃

外形很小的DirectFET MOSFET使器件可以設計到變換器板子背麵，並在其頂部裝上散熱器，仍然滿足VRM9.1的外形要求。散熱器是一個鋁製鰭狀散熱器，尺寸為94mm×19mm，在DirectFET MOSFET頂部要使用絕緣導熱環氧樹脂。

VRM的效率和載流能力
VRM常見的載流能力為25A/相
，如果使用SO-8或D-Pak 封裝MOSFET每相則需要4-5隻，為了能較好地散熱
，器件布局不得不鋪得很開。因此由這些器件組成的VRM的麵積是使用DirectFET的兩倍。大的麵積是它不希望的，同時長的走線也降低了效率。在4相式變換器設計中
，DirectFET設計和SO-8或D-Pak設計在PCB上的損耗方麵的差別如下：

PD = 4 x (IAV)2ρTR( Δ -------(1)

這裏 IAV = 平均電流/相 = 25A

ρTR = 線阻/2oz的線路板上0.1inch寬走線單位長度 = 2.5 mOhm/inch

Δk VRM 和 DirectFET VRM 設計之間每相走線長度的差值 = (0.5in)

PD = 3.12W.

所以說用DirectFET MOSFET設計VRM，不僅僅尺寸更小了
，而且降低了PCB板上的損耗，使其成為更高效的解決方案。

tongguozaitongbuguanshangbinglianyixiaotejierjiguan

，jinyibugaishanlexiaolv。xiaotejierjiguanzaitongbujiangyabianhuaqizhongyonglaijianxiaoyoutongbuguanyinqide，zaikongzhiguanshangxiaohaodefanxianghuifusunhao
，xiaotejiguandexiaoguowanquanyijutongbuguanhexiaotejizhijiandehuiludiankang。zaiduoshufenliqijianshejizhong，gaihuiludiangantaigaoyizhiyuxiaotejibunengtigaoxitongxiaolv。ranerzaiDirectFET的設計中, DirectFET封裝的低電感使得係統可以提高0.5%的效率。

DirectFET MOSFET的額定V是20V，要求5V以上的門極驅動電壓來實現硬開關。從5V開始
，然後0.5V遞增，我們通過測效率，找到DirectFET MOSFET的最佳柵極驅動電壓，我們發現柵極驅動電壓達到7.5V以後
，再增加驅動電壓
，效率很快降低。

VRM線路板被重新設計
，用4Oz厚覆銅，進一步減小PCB走線電阻
，改善熱性能。圖2所示為這款4Oz厚覆銅板的VRM，在500KHz工作頻率
，12V輸入電壓，1.7V輸出電壓

，600LFM風冷的條件下的效率曲線。在一個很寬的負載電流範圍內，7.5V柵驅動電壓表現出更高的效率。此款VRM在最大負載電流120A時，效率達到82%。 
 
圖2. 效率曲線

條件：500kHz, 12V輸入, 1.7V輸出, 4oz PCB板, 4相和600LFM風冷的1U型VRM

圖片為VRM板正麵和反麵

結論
本文給出了一個VRM的例證。它輸出120A，1.7VOUT，工作頻率500KHz，麵積為95mm×31mm, 效率為82%。通過把一項創新的封裝技術靈活地集成到係統設計中
，DirectFET在電流密度上取得了突破。使用DirectFET MOSFET還(hai)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)減(jian)小(xiao)係(xi)統(tong)所(suo)需(xu)器(qi)件(jian)數(shu)和(he)所(suo)有(you)散(san)熱(re)所(suo)需(xu)的(de)成(cheng)本(ben)
，如(ru)附(fu)加(jia)風(feng)扇(shan)或(huo)板(ban)上(shang)銅(tong)皮(pi)減(jian)小(xiao)
，來(lai)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)。昂(ang)貴(gui)的(de)散(san)熱(re)方(fang)案(an)如(ru)熱(re)管(guan)等(deng)可(ke)以(yi)省(sheng)掉(diao)，PCB的尺寸可以縮小。在大多數布局緊湊而對性能又有要求的應用中DirectFET封裝技術可以減小成本/安培數的事實，使得它成為功率半導體封裝技術中最重要的先進技術之一。