用小型散热器对DirectFET封装功率MOSFET进行双面散热

引言
使用生产厂封装的功率MOSFET器件，可以大幅度地提高多相稳压器组件(VRM)的功率密度。电流密度的提高是由两个因素决定的：1. 封装的寄生阻抗降低了；2. 功率器件的半导体结和外界环境之间的热阻大幅度地减少了。
要充分地发挥生产厂提供的封装的优点，很大程度上取决于系统设计人员所采用的热管理方案。本文将探讨可以用于生产厂封装好的器件的各种热管理方案，并且引用了国际整流器公司测试的数据，来评估使用小型散热器改善这些器件散热性能的优点。本文也研究了在进行通电循环的情况下，在器件上直接安装散热器时，对器件可靠性的影响。
图1是国际整流器公司的DirectFET封装MOSFET的结构图，在这个器件中，把一块功率MOSFET裸片装在一个铜质外壳上。这个MOSFET的栅极和源极是在裸片的正面，它们的连接电极是可焊接的，而背面是MOSFET漏极的电极，使用一种导电粘合剂固定在外壳上。外壳顺着MOSFET的四个边弯下来，这样就可以把漏极连接到电路板上。
与SO-8等常规的封装技术相比，把功率MOSFET裸片装在铜质外壳中，在热性能方面有很大的优点：封装的顶部(即金属外壳)与功率MOSFET之间的连接热阻很小。由于是利用这个热阻很小的散热通路把热量从功率芯片上散发出去，传送到电路板上的热量就比较少。换句话说，热量是从功率芯片经过电路板和封装的顶部散发出去的。这项技术称作双面冷却，利用该技术，电路设计人员可以十分灵活地实现极为有效的热管理方案。

图1 DirectFET封装MOSFET的结构图
小型散热器
在DirectFET设计中，实现热管理的一个方案是使用小型散热器，可以把它直接装到器件的表面上。
在安装时，可在散热器表面上使用散热膏，在器件上还装了热电偶，用于测量器件外壳的温度。
为了对实际情况进行全面的评估，在试验中使用了实验风洞，用它来模拟各种冷却条件所产生的影响，用以测试DirectFET封装器件的热性能。这个风洞是一个用绝缘塑料做成的空心圆筒，在圆筒的入口处有一个变速交流风扇。风扇吹出来的气流经过一个格网板形成层流型气流，进入到系统中。在风扇出口处安装一个波托管，用它来测量气流的速度。
在实验期间，在每个MOSFET的栅极和源极之间连接一个电压跟随器，用它来控制MOSFET的功耗。电压跟随器是由运算放大器构成的。这样，每一个MOSFET都工作在线性范围，它消耗的功率是恒定的，加在器件的栅极和源极之间的电压不存在漂移。每个MOSFET栅极与源极之间所加的电压决定了器件所消耗的功率，这个功率可以由测量到的电压和电流通过计算得到。

研究结果
把恒定的功率加在MOSFET的半导体结上，监测器件外壳的温度，可以得到散热器的温度上升到稳定值所用的时间。在器件通电大约300秒之后，外壳的温度上升到稳定的数值。
在没有散热器、DirectFET封装与环境之间是自然对流散热的情况下，封装与环境之间的热阻R热(外壳-环境)为50℃/W。在自然对流的情况下，加上散热器时，R热(外壳-环境)下降到41.8~45℃/W，这与所用散热器的类型有关。由这个数据可以得到的结论是：在自然对流的情况下，加上散热器后，虽然R热(外壳-环境)减小了，但从设计的热管理方面讲，元件、材料和装配成本也增加了，所以意义并不大。但是，在人工冷却的情况下，在生产厂提供封装的器件上加一个散热器，它的作用就很大。在人工冷却的气流速度为2.3m/s时，R热(外壳-环境)降低到12.3~12.5℃/W，热阻减少的数量不止21℃/W，这取决于所使用的散热器。
随着气流速度上升，外壳温度会随器件功率变化的曲线的斜率下降。这说明外壳与环境之间的热阻随着气流速度的上升而减少。

小型散热器对器件可靠性的影响
上述试验说明，在DirectFET封装上安装一个小型散热器，可以大幅度地降低外壳与环境之间的热阻。但是，用散热器散热也会对可靠性产生影响，主要包括以下3种情况：
1. 由于安装了散热器，降低了半导体结的工作温度，会对器件的平均无故障时间(MTTF)产生影响。
2. 由于安装了散热器，降低了半导体结的工作温度，对电路上焊点疲劳产生影响。
3. 由于在DirectFET封装顶部装了一个散热器，因此造成的机械应力对热循环性能可能产生影响。
在一项应用中，降低半导体结的温度可以提高MOSFET的寿命，这是广为人知的。通过人工冷却实验的结果，可以看到，装一个小型散热器，把热阻R热(结－环境)从21℃/W (没有散热器)降低到12.5℃/W (有散热器)。对于一个功耗是4W的应用，这意味着增加一个散热器，可以把半导体结的温度降低34℃。利用Arrhenius公式，可以计算出，温度下降34℃大概相当于器件的平均无故障时间增加10倍以上。
随着工作温度的降低，器件/电路板系统温度变化的范围也收窄了。这样将会降低电路板上焊点疲劳的速度。工作温度范围降低34℃，这相当于器件的平均无故障时间增加4倍。
在DirectFET封装的上面装一个散热器，为了确定它产生的机械应力的影响，有必要在器件装了散热器和没有装散热器的两种情况下进行对比实验。为了进行这个实验，把DirectFET器件的样件装在试验板上。在一半样件上安装经过机械加工的铝块，当作是散热器，安装时在安装表面上使用了散热界面材料，另外一半样件没有装散热器，作为对照。
MOSFET半导体结上在两分钟内消耗的功率是已知的，通电循环试验是根据这点进行的，通电两分钟，然后把加在器件上的电源切断，让它冷却两分钟──这相当于一次循环。于是，在每次循环中，半导体结的温度从35℃上升到105℃，然后又下降到35℃。这个循环进行16,000次，在测试前、试验进行之中以及试验进行之后，测试器件的导通电阻(RDS (ON))。
在没有散热器的情况下，经过16,000通电循环后，导通电阻RDS (ON)的平均变化量为0.15mW。在安装散热器的情况下，RDS(on)的平均变化量为0.05mW。RDS (ON) 的变化之所以降低到这个程度，是由于加了散热器的结果。MOSFET在消耗功率到冷却期间，散热器的连接点温度的变化速度降低了。这可能会提高器件的长期可靠性，而实际的结果可能与散热器的设计以及散热器安装到DirectFET上的方法以及所使用的界面材料有关。

结语
使用自然对流冷却带来的益处很小，然而，在人工冷却的情况下，使用小型散热器来冷却功率MOSFET器件，例如国际整流器公司的DirectFET产品，可以大幅度地降低半导体结至环境的热阻。实验数据说明，表面镀银处理和表面发黑处理(blackened finished)之间的区别是很小的。这说明了在散热方面，热辐射起的作用是很小的。随着气流速度从0.5m/s增加到5m/s，R热(外-环境)大幅度地下降了。在自然对流的情况下，使用散热器时，热阻R热(外-环境)略有下降，但是下降的幅度不够大。
此外，使用散热器之后，在半导体结升高相同温度的情况下，允许器件消耗更大的功率，而且DirectFET产品的可靠性不会降低。在使用散热器的情况下，通电循环实验的结果表明，与没有使用散热器的情形相比，MOSFET的导通电阻RDS (ON)的变化较小。在需要提高功率密度或者需要提高系统的可靠性时，应该考虑使用散热器散热。