以DirectFET建構高價值的MOSFET

IR Sr. Field Application Engineer John Lin

美商國際整流器公司(International Rectifier；IR)在MOSFET領域為技術領先的領導廠商，不僅其PQFN設計在價格、效能、可靠度，以及與既有PQFN footprints相容性...等方面一直都有良好的表現，針對現在綠色環保、節能減碳的產品發展趨勢，該公司新推出的DirectFET除繼續保有上述的優勢外，同時還具備有超低封裝電阻、高效率與高電力密度、second source、最佳熱能表現及最低封裝寄生電感效應…等特性，使得DirectFET在行動運算裝置上的效能/價格比，較其他封裝方式更高...

在封裝寄生電感效應的問題上，IR的Sr. Field應用工程師John Lin表示，傳統不論是BQFN、LF Pak、SO-8或Super SO8封裝，其在結構上一定都會有Lead frame或Wire Bonds出現，因而常會造成削弱旁路電容及減少電源系統整體濾波效用…等狀況。為此新的DirectFET採用die attach material，直接將Source及Gate connection銲在PCB板上，以便於消除Lead frame、Wire Bonds與bumped die，並將寄生電感效應降至最低。「這對於一些DC to DC的應用項目，如以乾電池驅動的手持裝置而言是相當重要的。」

DirectFET技術 提供優異的效能/價格比

也因此與其他封裝方式相比較，DirectFET在構造上可說是相對簡單。其做法是，將die包裹在一個銅質罐形殼帽中，並透過die attach material進行連接，而其底部為直接銲接在PCB板上的Source connection及Gate connection，至於銅質罐形殼帽同樣也是焊在PCB板上，整體厚度僅約0.7mm，這使得該封裝的電流要流向PCB板時，其所需要通過的元件數量得以大幅減少，與Wire bond或Cu clip PQFN相較，無芯片封裝電阻(die free package resistance；DFPR)亦可達到最低。根據該公司的研究發現，在假設同為1mΩ FET的情況下，DirectFET所增加的導通電阻(Rdson)僅有12%，而Cu-chip QFN與Wirebond QFN則分別高達30%及100%。

此外，DiectFET還有不錯的效率表現。以工作溫度攝氏25度，輸入電壓12V、輸出電壓1.2V、5Vdd及Fsw 300KHz的條件進行測試，當輸出電流等於20A時，即便是同1顆MOSFET，以DiectFET封裝的效率就要比以PQFN封裝的要快上2.5%。John Lin表示：「對於講求高效率的設備裝置而言，2.5%可是不小的差距。」而且即便是在其他輸出電流的情況下，DiectFET的效率同樣都比PQFN高出許多。

另一方面，當gate drive電壓增加並將FET打開時，其後續的效應將延後MOSFET的啟動，使得設備的整體開動時間延長，並造成switching loss的問題；而相反地，當驅動裝置關閉MOSFET時也會產生同樣的效果，為了解決此項問題，John Lin說：「DiectFET透過將layout最佳化的方式，降低控制FET在開關時的電感(Inductance)，藉以減少開關時遞延的時間，使其switching loss及transition loss均得以減少，工作效率也因而能獲得提高。」

絕佳散熱效果 提升硬體作業效率

比較DirectFET、Wire bond PQFN及cu-Clip PQFN，DirectFET擁有最低的電感。依據IR所做的實驗，在DirectFET的Lds遠小於cu-Clip PQFN的一半，而較小的Lds也意味著設備的開關時間能夠縮短，commutation及transition loss也跟著減少。另外，也因為gate是直接焊在PCB上，而不像其他封裝需有gate wire連接，因此其Lg也很小。「Wire bond PQFN與cu-Clip PQFN均為1.40，DirectFET則僅有0.12，幾乎都有10倍的差距。」這也使得gate driver的工作效率提升。

Layout的最佳化也同時提高了DirectFET的散熱效果。「以往由於熱量大部分會散逸到PCB內，因此使用散熱器裝置來降低溫度的方式變得非常昂貴。」而在DirectFET的環境中，由於其CAN使用了7Oz的銅，因此電流會直接穿過CAN，而不必再經PCB(電路的銅只有1Oz)，這不僅使得PCB本身所產生的熱量得以大幅減少，其造成的溫差更讓熱能可由die更快速地轉移到PCB中，還可以減少85%的PCB損耗，提高設備整體的作業效率。「雖然DirectFET顯示出的Junction-to-PCB的Rthjpcb值僅比PQFN略高(0.58 vs. 0.36)，在3W的情況下，產生的溫差小於攝氏1度。」但John Lin表示：「最重要的是，整體所產生的熱量減少，設備溫度獲得降低，作業效率也跟著提升。」

而對於希望穩定PCB工作溫度，或是能快速排出PCB熱能，以增加其電流容量及效能的業者來說，DirectFET還提供了「雙面制冷」的能力，能夠顯著改善裝置的溫度。舉例來說，在相同的設備封裝與運作條件之下，DirectFET裝置面對在3W的能量散逸，還能夠維持在攝氏27度以下，Cu clip PQFN就難以做到。「此將減少10%的Rdson與Conduction Loss。」而在Junction-to-PCB方面，無論是與Cu clip PQFN或Wirebond QFN相較，DirectFET的Rthjc都有顯著優勢。「如果採用散熱器，DirectFET只會傳送70%的熱能到PCB，而PQFN會傳送高達95%。」

IR曾針對其以DirectFET封裝的IRF6721/6725與IRF6721/6729兩款產品，在19.6Vin、5Vcc、1.2Vout、25C、無空氣對流、無散熱器…等條件的環境下，進行Output I與效率的測試，發現約在5A的Output I左右，其工作效能最高，分別可達90%以上，接近90.5%，以後則大致呈現線性下滑的趨勢。John Lin補充：「至30A時，其效率大約落在84%±1%的水準。」而其針對IRF6710S2與IRF6795M在Tj V.S. FIT rate，以及Tj V.S. MTBF的分析數據亦顯示，使用DirectFET封裝設計的IR MOSFET裝置，其在穩定性與可靠性方面的表現均極佳。

無鉛封裝技術 超越歐盟ROHS規範

John Lin強調，DirectFET封裝設計不僅是唯一真正無鉛的封裝技術，完全超越歐盟電子電機設備中危害物質禁用指令(Restriction of the use of certain hazardous substance in EEE；ROHS)的要求，還因其簡單的架構而具備卓越的可靠度。「在所有的IR封裝中，DirectFET的Customer return rate小於0.8ppm，也是其中最低的。」此外，在有/無散熱器均有良好表現的熱量控制，以及最低封裝寄生電感效應，可減少電能耗損的特性，更使其成為封裝業者的理想選擇。

而除了DirectFET之外，IR於近期也開始積極發展PQFN的新特性。如結合該公司60餘年來在電源管理方面的經驗，並將其在鑄造與組裝上的能力最佳化，以強化PQFN 5x6的功能，縮短其lead-time的時間，以便於更快地滿足客戶對於生產周期循環的需求，創造MOSFET更大的效益。John Lin說：「我們還會進一步改善設備，提高gate的閥值，以避免shoot-through或Cdv/dt開啟的問題。」目前IR的Typ Vgs已達1.8(th)，與其他競爭者相較是最高的。

至於新的PQFN 2x2則是在所佔面積上進行改良。「與同級的SO8需佔用5mm x 6mm的面積相較，PQFN 2x2所需使用面積只有其13%，便能取得相同或更好的效率及熱量管理效果。」根據IR的實驗資料，在Vi為19V、Vo為3.3V、Fsw為300kHz、工作溫度攝氏25度、無空氣對流的條件下，PQFN 2x2搭配PQFN 3x3作為Sync FET，SO8的功率曲線與其非常接近，但前者的總使用面積為13 mm²，而SO8為60 mm²，「足足減少了78%。」而若希望取得更好的效率，製造商亦可額外平行搭配2顆PQFN 2x2作為Sync FET，其面積則分別為12 mm²與60 mm²，所佔面積減少80%。

以IRFHS8342作為Control FET，IRLHS6342作為Sync FET，會非常適合運用於需要經常進行高度負載的設備。此次與另外一家F公司的封裝產品比較，在相同的測試條件與工作效率之下，IR公司的解決方案總佔面積僅為8mm²，而F公司還是需要18mm²，IRFHS8342搭配IRLHS6342可省56%的使用面積。

根據IR公司的表列，目前其適用於行動裝置應用的PQFN 2x2共有IRFHS8342、IRFHS6342、IRFHS8242、IRFHS6242…等9種，BVDSS的分布由30V到-30V不等。至於在低電壓的DC-DC應用，也有Control FET為IRLR8729，sync FET為IRLR8726…等各種不同排列組合的搭配，業者可依自己在設計規劃上的需求，再根據產品的特性，進行最佳的選擇。