現代電子設備在很大程度上依靠DC-DC變換器為其提供電源。在很多計算機，網(wǎng)絡(luò )和電信應用中，對電流的要求已經(jīng)超過(guò)了100A。要達到這樣的輸出能力，需要多只MOSFET并聯(lián)的多相式變換器才能實(shí)現，這樣就帶來(lái)了嚴重的布板擁擠以及功耗等問(wèn)題。

使情況變糟的就是持續減小尺寸的趨勢。設計者發(fā)現越來(lái)越難以應付同時(shí)來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面的要求：減小電路板面積和改善散熱。在改進(jìn)目前器件的熱特性的過(guò)程中，標準的SO8封裝成為一個(gè)很大的障礙------它們很難加裝散熱器，只能單面散熱，所以大部分熱不得不通過(guò)PCB板散掉。

然而，國際整流器公司的一項新的技術(shù)，即DirectFET，證明在載流能力和運行效率方面比標準的SO8封裝顯著(zhù)提高。DirectFET是一項主要為板級功率應用而設計的表貼封裝技術(shù)。它消除了器件封裝中我們不期望的，高電感和阻抗，引起器件熱特性和電特性方面問(wèn)題的一些因素。由于可以雙面散熱，使用DirectFET器件可以使大電流DC-DC變換器的電流密度增加一倍而系統成本顯著(zhù)降低。

圖1顯示DirectFET封裝用于MOSFET芯片。硅片被裝入銅外殼，封裝的底部是經(jīng)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(pán)。硅片上適當的鈍化使源極和漏極絕緣，在器件被焊到PCB板上時(shí)它也起到阻焊膜的作用，防止短路。此鈍化層也保護了管腳防止門(mén)極區域污染及潮氣。銅殼從芯片的另一側引出漏極到線(xiàn)路板側。此封裝省掉了傳統的管腳框架和引線(xiàn)鍵合，而這正是封裝阻抗的主要根源。同時(shí)它還省掉了使大多數SMT封裝的熱性能受到制約的塑料封裝。 
 
圖1. DirectFET MOSFET 焊接到PCB板上的刨面圖

傳統的MOSFET使用引線(xiàn)鍵合來(lái)實(shí)現硅片和管腳框架之間的電連接，而DirectFET，將接觸面的數目和傳導路徑的長(cháng)度減到最小從而減小了傳導損耗。

圖3顯示在目前使用的SMT器件中DirectFET封裝提供了最優(yōu)良的封裝阻抗(DFPR)。

 
 
圖2. SO-8, Cu-strap SO-8 和 DirectFET電流通路比較

 
圖3. 幾種SO-8尺寸表貼封裝DFPR值的比較

與典型的含鉛的小型封裝相比，DirectFET的熱阻顯著(zhù)降低。在DirectFET封裝里，結到電路板之間的熱阻材料只有上面的金屬和安裝用的焊錫。SO-8的結到PCB的熱阻(Rthj-pcb)大約是20°C/Wmax ，而同樣尺寸的DirectFET封裝只有不到1°C/W 。

DirectFET封裝的頂部金屬漏極連接為芯片的結和頂部封裝之間提供了一條較低的熱阻抗路徑使結到殼的熱阻只有3°C/W 。這就使得器件的散熱方法與以往有很大不同，可以用強迫風(fēng)冷或導熱的填充介質(zhì)將熱傳到一個(gè)適當接地的散熱器上。圖4舉例說(shuō)明了這些概念。

 
圖４ DirectFET頂部散熱的例子

如果用散熱器加冷卻氣流，DirectFET從封裝頂部散掉的熱量是SO8的兩倍半，有效的頂部散熱意味器件散發(fā)出的熱量可以被帶離線(xiàn)路板，增加器件安全工作的電流值。

最先使用DirectFET封裝的器件是20 V和30V的同步降壓變換器芯片組，用做調整管和同步管（表1）。 
 
表1. DirectFET產(chǎn)品參數

同步管IRF6603的R 的典型值是2mOhm，對于SO8來(lái)說(shuō)這是最好的了。比較IRF7822和IRF6603，我們可以看到R降低了40%，這是由于此封裝里較低的DFPR值和較大的芯片尺寸。

在一個(gè)12V輸入，1.3V輸出，工作頻率300kHZ的同步降壓變換器中，我們將IRF6603/IRF6604和IRF7822/IRF7811W這兩對管子做以比較，它們使用的硅片技術(shù)是相同的。負載電流增加時(shí)，此變換器電路板的溫度不得超過(guò)105°C。當電流達到18A時(shí)，這是SO8封裝在無(wú)冷卻氣流的條件下能夠承受的大電流，IRF6603的結溫要低50°C。比較DirectFET和SO-8在靜止空氣無(wú)散熱器條件下的效率曲線(xiàn)，在18A時(shí)前者的效率要高出3%。 

 

 

圖5. 采用DirectFET和SO-8封裝的30V器件在一個(gè)12V輸入， 1.3V輸出，工作頻率300kHZ的降壓變換器中，在多種負載條件下的比較。

如果加裝散熱器和200LFM的冷卻氣流可以達到每相35A電流。雙面散熱的好處顯而易見(jiàn)。

以一個(gè)每相30A的多相變換器為例，要滿(mǎn)足這個(gè)電流，用最好的單面散熱的SO8封裝MOSFET，比如標準的SO-8，無(wú)底的SO-8和無(wú)鉛的SO-8，每相要用五只，而雙面散熱的DirectFET 只需兩只。比較結果元件數減少了60%。

由于DirectFET的結殼熱阻低，所以用導熱墊將熱量從器件傳遞到系統底盤(pán)的做法很有效。這種結構，大量的熱從器件的頂部被帶走，DirectFET器件就可以布置在線(xiàn)路板上一個(gè)較小的區域內。

確實(shí)，我們最期望將DirectFET器件安裝更緊湊以使它們傳到PCB板上的熱量最少。只要DirectFET器件上面的導熱墊的熱阻不大于9°C/W，那么器件頂部的結到環(huán)境的熱阻將始終比器件底部的結到環(huán)境的熱阻值的一半還要低，器件的頂部自然就成了主要的導熱途徑。

為了計算方便，假設單面冷卻的器件被限制在0.5 in2 的PCB板內，我們知道設計者往往用到1in2 以盡可能增加SO8的輸出電流。DirectFET器件布置在最小的管腳尺寸內。下表給出了論證結果，表明在大電流DC-DC變換器中，雙面散熱的DirectFET的電流密度能比單面散熱的SO8的增加一倍。

 
表2. 在30A/相的變換器中用單面散熱的SO-8封裝MOSFET，比如標準的 SO-8，無(wú)底的SO-8和無(wú)鉛的SO-8和用雙面散熱的DirectFET的電流密度比較封裝節省系統總成本

采用單面冷卻的SO-8方案，設計者考慮散熱問(wèn)題時(shí)有一些可選的方法：當每相的電流值達到上限時(shí)，他們可以增加相數，而依目前的技術(shù)，超過(guò)4相是不現實(shí)的。而且增加了成本和所占空間。也可考慮熱管，加風(fēng)扇增大冷卻氣流，更大尺寸的線(xiàn)路板或更多的覆銅。這些方案都將增加系統成本。DirectFET給設計者一個(gè)新的選擇，既能夠滿(mǎn)足電路性能，外形尺寸和預算要求，同時(shí)省掉50%或更多上面討論的用于標準的或其它派生的SO-8封裝可選散熱方案中的花費。DirectFET MOSFET容易布版和并聯(lián)，可以簡(jiǎn)化布局減小PCB板寄生損耗（見(jiàn)圖六） 
 
圖6.DirectFET的布板和并聯(lián)

DirectFET封裝還可以減小有害的電感，這對于大電流，多項式應用中的高頻DC-DC電源變換電路很重要。

DirectFET高僅0.7mm,而SO-8是1.75mm，這對于象筆記本電腦和服務(wù)器這樣對空間有限制的這方面應用很有優(yōu)勢。DirectFET器件已通過(guò)大量的可靠性實(shí)驗，包括功率循環(huán)實(shí)驗，可以信賴(lài)它同標準SO-8一樣可靠。這種器件適合
現有的大規模生產(chǎn)設備和裝配工藝。它是大電流DC-DC變換器完美的解決方案。