MOS管的封裝是指把硅片上的電路管腳,用導線接引到外部接頭處,以便與其它器件連接,并為MOS管芯片加上一個外殼,該封裝外殼主要起著支撐、保護和冷卻的作用,同時還可為芯片提供電氣連接和隔離。以下是MOS管的封裝形式及選擇的介紹:
一、MOS管的封裝形式
按照安裝在PCB板上的方式來劃分,MOS管封裝主要有兩大類:插入式(Through Hole)和表面貼裝式(Surface Mount)。
- 插入式封裝 :MOSFET的管腳穿過PCB板的安裝孔并焊接在PCB板上。常見的插入式封裝有:
- 雙列直插式封裝(DIP) :有兩排引腳,需要插入到具有DIP結構的芯片插座上,其派生方式為SDIP(Shrink DIP),即緊縮雙入線封裝,較DIP的針腳密度高6倍。DIP封裝結構形式有:多層陶瓷雙列直插式DIP、單層陶瓷雙列直插式DIP、引線框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式、塑料包封結構式、陶瓷低熔玻璃封裝式)等。DIP封裝的特點是可以很方便地實現(xiàn)PCB板的穿孔焊接,和主板有很好的兼容性。但由于其封裝面積和厚度都比較大,引腳在插拔過程中容易被損壞,可靠性較差;同時受工藝影響,引腳一般不超過100個,因此在電子產(chǎn)業(yè)高度集成化過程中,DIP封裝逐漸退出了歷史舞臺。
- 晶體管外形封裝(TO) :屬于早期的封裝規(guī)格,例如TO-3P、TO-247、TO-92、TO-92L、TO-220、TO-220F、TO-251等都是插入式封裝設計。其中,TO-3P/247是中高壓、大電流MOS管常用的封裝形式,產(chǎn)品具有耐壓高、抗擊穿能力強等特點;TO-220/220F中,TO-220F是全塑封裝,裝到散熱器上時不必加絕緣墊,TO-220帶金屬片與中間腳相連,裝散熱器時要加絕緣墊,這兩種封裝樣式的MOS管外觀差不多,可以互換使用;TO-251封裝產(chǎn)品主要是為了降低成本和縮小產(chǎn)品體積,主要應用于中壓大電流60A以下、高壓7N以下環(huán)境中;TO-92封裝只有低壓MOS管(電流10A以下、耐壓值60V以下)和高壓1N60/65在采用,目的是降低成本。近年來,由于插入式封裝工藝焊接成本高、散熱性能也不如貼片式產(chǎn)品,使得表面貼裝市場需求量不斷增大,TO封裝也發(fā)展到表面貼裝式封裝,如TO-252(又稱之為D-PAK)和TO-263(D2PAK)。
- 插針網(wǎng)格陣列封裝(PGA) :芯片內(nèi)外有多個方陣形的插針,每個方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列,根據(jù)管腳數(shù)目的多少,可以圍成2~5圈。安裝時,將芯片插入專門的PGA插座即可,具有插拔方便且可靠性高的優(yōu)勢,能適應更高的頻率。其芯片基板多數(shù)為陶瓷材質,也有部分采用特制的塑料樹脂來做基板。在工藝上,引腳中心距通常為2.54mm,引腳數(shù)從64到447不等。這種封裝的特點是,封裝面積(體積)越小,能夠承受的功耗(性能)就越低,反之則越高。這種封裝形式芯片在早期比較多見,且多用于CPU等大功耗產(chǎn)品的封裝,如英特爾的80486、Pentium均采用此封裝樣式,但不大為MOS管廠家所采納。
- 表面貼裝式封裝 :MOSFET的管腳及散熱法蘭焊接在PCB板表面的焊盤上。典型表面貼裝式封裝有:
- 晶體管外形(D-PAK) :一種塑封貼片封裝,常用于功率晶體管、穩(wěn)壓芯片的封裝,是目前主流封裝之一。采用該封裝方式的MOSFET有3個電極,柵極(G)、漏極(D)、源極(S)。其中漏極(D)的引腳被剪斷不用,而是使用背面的散熱板作漏極(D),直接焊接在PCB上,一方面用于輸出大電流,一方面通過PCB散熱;所以PCB的D-PAK焊盤有三處,漏極(D)焊盤較大。
- 小外形晶體管(SOT) :是貼片型小功率晶體管封裝,主要有SOT23、SOT89、SOT143、SOT25(即SOT23-5)等,又衍生出SOT323、SOT363/SOT26(即SOT23-6)等類型,體積比TO封裝小。其中,SOT23是常用的三極管封裝形式,有3條翼形引腳,分別為集電極、發(fā)射極和基極,分別列于元件長邊兩側,發(fā)射極和基極在同一側,常見于小功率晶體管、場效應管和帶電阻網(wǎng)絡的復合晶體管,強度好但可焊性差;SOT89具有3條短引腳,分布在晶體管的一側,另外一側為金屬散熱片,與基極相連,以增加散熱能力,常見于硅功率表面組裝晶體管,適用于較高功率的場合;SOT143具有4條翼形短引腳,從兩側引出,引腳中寬度偏大的一端為集電極,這類封裝常見于高頻晶體管;SOT252屬于大功率晶體管,3條引腳從一側引出,中間一條引腳較短,為集電極,與另一端較大的引腳相連,該引腳為散熱作用的銅片。
- 小外形封裝(SOP) :也稱之為SOL或DFP,引腳從封裝兩側引出呈海鷗翼狀(L字形),材料有塑料和陶瓷兩種。SOP封裝標準有SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28等,SOP后面的數(shù)字表示引腳數(shù)。MOSFET的SOP封裝多數(shù)采用SOP-8規(guī)格,業(yè)界往往把“P”省略,簡寫為SO(Small Out-Line)。SO-8為PHILIP公司率先開發(fā),采用塑料封裝,沒有散熱底板,散熱不良,一般用于小功率MOSFET。后逐漸派生出TSOP(薄小外形封裝)、VSOP(甚小外形封裝)、SSOP(縮小型SOP)、TSSOP(薄的縮小型SOP)等標準規(guī)格,其中TSOP和TSSOP常用于MOSFET封裝。
- 方形扁平式封裝(QFP) :封裝的芯片引腳之間距離很小,管腳很細,一般在大規(guī)模或超大型集成電路中采用,其引腳數(shù)一般在100個以上。用這種形式封裝的芯片必須采用SMT表面安裝技術將芯片與主板焊接起來。該封裝方式的特點包括:適用于SMD表面安裝技術在PCB電路板上安裝布線;芯片面積與封裝面積之間的比值較小。與PGA封裝方式一樣,該封裝方式也存在不足,即將芯片包裹在塑封體內(nèi),無法將芯片工作時產(chǎn)生的熱量及時導出,制約了MOSFET性能的提升;而且塑封本身增加了器件尺寸,不符合半導體向輕、薄、短、小方向發(fā)展的要求;另外,此類封裝方式是基于單顆芯片進行,存在生產(chǎn)效率低、封裝成本高的問題。因此,QFP更適于微處理器/門陳列等數(shù)字邏輯LSI電路采用,也適于VTR信號處理、音響信號處理等模擬LSI電路產(chǎn)品封裝。
- 塑封有引線芯片載體(PLCC) :也是表面貼裝式封裝的一種。
二、MOS管封裝的選擇
MOS管封裝的選擇取決于多種因素,包括應用需求、性能要求、成本考慮以及生產(chǎn)工藝等。以下是一些選擇MOS管封裝時需要考慮的關鍵因素:
- 應用需求 :根據(jù)MOS管在電路中的具體應用,選擇適合的封裝形式。例如,對于需要高功率輸出的應用,可以選擇能夠承受大電流和高壓的封裝形式,如TO-3P、TO-247等;對于空間受限的應用,可以選擇體積較小的封裝形式,如SOT、SOP等。
- 性能要求 :考慮MOS管的電氣性能、散熱性能以及可靠性等因素。不同的封裝形式對MOS管的性能有一定影響。例如,D-PAK封裝具有良好的散熱性能,適用于功率較大的應用;而SOP封裝則適用于小功率、低電壓的應用。
- 成本考慮 :封裝成本是MOS管總成本的一部分,不同封裝形式的成本差異較大。在選擇封裝時,需要根據(jù)預算和成本效益進行權衡。
- 生產(chǎn)工藝 :考慮生產(chǎn)工藝的兼容性和生產(chǎn)效率。例如,表面貼裝式封裝更適合自動化生產(chǎn)線,可以提高生產(chǎn)效率;而插入式封裝則需要更多的手工操作,生產(chǎn)效率相對較低。
綜上所述,MOS管的封裝形式多種多樣,選擇時需要根據(jù)具體的應用需求、性能要求、成本考慮以及生產(chǎn)工藝等因素進行綜合考慮。通過合理的選擇,可以確保MOS管在電路中發(fā)揮最佳的性能,同時滿足生產(chǎn)成本和可靠性的要求。
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