共漏極雙功率MOSFET封裝研究

畢向東

（廣東省粵晶高科股份有限公司，廣州 510663）

1 引言

共漏極雙N溝道或者雙P溝道功率MOSFET的兩只寄生體二極管反向串聯，當一只MOSFET關閉時，其寄生體二極管可以傳導電流，所以共漏極雙功率MOSFET具有雙向電流傳輸特性，因而特別適用于鋰電池和鋰電池組的充放電保護電路。鋰電池能量密度大的優良特性仍不斷提升，鋰電池的體積也越來越輕薄短小，繼而要求其充放電保護電路模組體積相應地縮小。

所以近年來應用于鋰電池市場的共漏極雙N溝道或者雙P溝道功率MOSFET的封裝外形也越來越小，封裝效率越來越高，而封裝的電、熱性能也有所提高。

2 共漏極雙功率MOSFET及應用特點

一般負極保護原理的鋰電池保護電路示意圖如圖1，使用共漏極雙N溝道功率MOSFET。若是正極保護原理，則使用共漏極雙P溝道功率MOSFET。共漏極雙功率MOSFET分別控制鋰電池的充電和放電回路的通斷，還起著隔離電池保護系統負載的作用。由于共漏極雙功率MOSFET與系統負載串聯且具有一定的導通電阻RS1S2（ON），即相當于單個功率MOSFET導通電阻的2倍（RS1S2（ON）=2×RDS（ON）），在大負載電流條件下，將消耗大量無用功率，損耗較多的電池電量，縮短電池單次充電的使用周期。同時，雙功率MOSFET的導通電阻消耗無用功率導致電路模組和電池包溫升和發熱，損害電池使用的可靠性和安全性。所以，縮小器件的導通電阻成為提高共漏極雙功率MOSFET性能指標的關鍵因素。

3 傳統封裝技術及其缺陷與克服

目前傳統的共漏極雙功率M OS F ET多采用TSSOP-8封裝，其封裝外形、內部互連結構如圖2所示。以耐壓20V、額定電流7A的功率MOSFET為例，雙芯片面積一般不超過1.20mm×0.95mm，TSSOP8封裝占位面積為6.4 mm×3.0mm，所以封裝效率即芯片/封裝面積之比僅為6%。共漏極雙功率MOSFET一般屬于高密度溝槽柵極工藝器件，芯片導通電阻可低至20mΩ以下，此時封裝電阻就不容忽略。由圖2（b）可直觀看出，由于芯片小、封裝框架大，源極焊線較長，長度約為1.6mm，以45.7μm銅線計算，單條焊線電阻高達17m Ω，導致封裝電阻較大，最終器件的導通電阻RDS（ON）增加。

為克服長焊線引入較大封裝電阻的問題，可采用分開劃片、再分開貼片的方式，使兩只芯片對稱地靠近兩側焊腳位，見圖3，可縮短焊線長度至0.91mm，以45.7μm銅線計算，單條焊線的電阻為10mΩ，減小了7 mΩ。此外，焊線縮短減少了原材料消耗，降低了成本。高可靠性場合需求的共漏極雙功率MOSFET常采用金焊線，若焊線長度由1.6mm縮短為0.91mm，長度縮短43%，以源極焊3條45.7μm金線計算，可節省成本40%以上，若以源極焊5條45.7μm金線計算，可節省成本60%以上。焊線縮短的另一個優點是抗焊線漂移和焊線坍塌能力增強，提高了產品可靠性和封裝良率。

但是分開劃片、再分開貼片的封裝方式需要增加劃片次數、點膠次數和貼片次數，降低了生產效率，也降低了產品質量的一致性和穩定性。

4 替代改進型封裝技術

針對TSSOP8封裝效率偏低和生產效率降低的問題，又相繼開發出了小型化的SOT26和共漏極焊盤暴露的SOT26-FLMP，如圖4。SOT26和SOT26-FLMP的封裝占位面積都是3.0mm×3.0mm，封裝上述1.20mm×0.95mm雙芯片，封裝效率與TSSOP8相比提高了1倍多，達到了13%。SOT26-FLMP封裝底部漏極焊盤外露，更有利于散熱，提高系統的可靠性和安全性。

圖5 是SOT26封裝共漏極雙功率MOSFET內部互連結構示意圖，封裝的引線架進行了重新設計，仍然保持兩只芯片劃在一起，單次點膠再完成貼片工藝，提高了生產效率、產品質量一致性和穩定性。同時，封裝外形體積緊湊，較短的源極焊線長度不引入額外的封裝電阻。

5 封裝技術發展趨勢

未來共漏極雙功率MOSFET的封裝將向著微型化、先進微互連方式和良好散熱結構方向發展。圖6是共漏極雙功率MOSFET封裝演進圖，可以看出封裝外形更加微小，封裝效率越來越高，直到CSP/WLCSP級別，封裝效率可接近100%。

從圖6中還可以看出，微互連方式和散熱結構仍在改善和提高。低弧度焊線和焊球倒裝互連使得導通電阻降低。從傳統的翅形引腳到縮短的平坦引腳、超薄型封裝再到漏極焊盤暴露的封裝結構，使得器件熱阻抗降低，散熱效果增強，如圖7所示。

6 結束語

傳統的共漏極雙功率MOSFET采用TSSOP8封裝，分開劃片和分開貼片的方式與單次劃片和單次貼片的方式相比，具有較短的源極焊線長度，降低了物料成本，具有更低的導通電阻，提升了器件的關鍵電性能指標，但是降低了生產效率，損害了產品質量的一致性和穩定性。而采用小型化的SOT26、SOT26FLMP替代封裝，則很好地解決了這兩方面問題。隨著鋰電池的小型化，未來的共漏極雙功率MOSFET將繼續朝著微型化封裝方向發展，同時采用低弧度焊線和焊球倒裝微互連方式使得導通電阻大大降低，平坦式引腳、超薄型封裝和漏極焊盤暴露的封裝結構有利于良好的散熱，使得器件熱阻抗降低，提高了器件、電路系統和電池包的可靠性和安全性。

［1］LI Zhibo, CHU Huabin, CHEN Supeng, et al. Thermal stress analysis and optimization for a power controller SiP module[C]. The 11th International conference on electronic packaging technology & high density packaging. Xi’an, China, 2010.

［2］褚華斌.表面貼裝功率MOSFET封裝技術研究進展[J].半導體技術, 2010, l35：65-67.