在电源应用中 MOSFET 大部分是表面贴装设备 (SMD)，包括 SO8FL、u8FL 和 LFPAK 等封装。通常选择这些 SMD 原因是功率能力好，尺寸小，有助于实现更紧凑的解决方案。虽然这些设备具有良好的功率能力，但有时散热效果并不理想。由于设备的引线框架(包括裸露漏极焊盘)直接焊接到铜覆盖区域，热量主要通过PCB传播。设备的其余部分封闭在塑料密封中，只能通过空气对流散热。因此，传热效率在很大程度上取决于电路板的特点：覆铜的面积、层数、厚度和布局。无论电路板是否安装在散热器上，都会导致这种情况。通常，由于设备的最大功率能力不能达到最佳情况，因此 PCB 一般热导率和热质量都不高。为了解决这个问题，进一步缩小应用尺寸，行业开发了一种新的方法 MOSFET 半导体包装，即让 MOSFET 导线框架(漏极)暴露在封装顶部(如图所示 1 所示）。

图 1. 虽然传统的功率优势在于顶部散热封装顶部散热的布局 SMD 现场效应管有利于实现小型化解决方案，但由于散热，它们要求其他部件不能放置在电路板背面下方。有些空间不能使用电路板，导致最终电路板整体尺寸较大。顶部散热器件可以绕过这个问题:它的散热是通过器件顶部进行的。这样，MOSFET 组件可以放置在下面的板面位置。该空间可用于布置以下组件(但不限于此)：反过来，电源器件栅极驱动电路支撑元件（电容器、缓冲器等）也可以缩小电路板的尺寸，减少栅极驱动信号的路径，实现更理想的解决方案。 

图 2. PCB 设备空间与标准 SMD 与设备相比，顶部散热器件不仅可以提供更多的布局空间，还可以减少热量的重叠。顶部散热封装的大部分热传播直接进入散热器，因此 PCB 承受的热量较小。有助于降低周围设备的工作温度。顶部散热的热性能优势和传统的表面安装 MOSFET 不同的是，顶部散热包装允许散热器直接连接到设备的引线框架。散热器材料通常是金属，因为金属导热性高。例如，大多数散热器都是铝制的，其热导率是 100-210 W/mk 之间。与通过 PCB 与传统的散热方式相比，这种通过高导热材料散热的方式大大降低了热阻。热导率和材料尺寸是决定热阻的关键因素。热阻越低，热响应越好。Rθ = 绝对热阻Δx = 与热流平行的材料厚度A = 垂直于热流的横截面积k = 散热器除了提高热导率外，还提供更大的热质——这有助于避免饱和或提供更大的热时间常数。这是因为安装在顶部的散热器的尺寸可以改变。对于一定量的热能输入，热质或热容与给定温度成正比。Cth = 热容，J/KQ = 热能，JΔT = 温度变化，KPCB 通常布局不同，铜皮厚度低，导致热质（热容）低，热传播不良。所有这些因素都使标准的表面贴装 MOSFET 最佳热响应在使用过程中无法实现。从理论上讲，顶部散热封装具有直接通过高热质量、高导热源散热的优点，因此其热响应 (Zth (C°/W)) 会更好。当温度上升到一定程度时，更好的热响应将支持更高的功率输入。这样，对于相同的 MOSFET 与标准相比，芯片采用顶部散热封装 SMD 包装芯片将具有更高的电流和功率能力。 

图 3. 顶部散热封装(上)和 SO8FL 为了演示和验证顶部散热的热性能优势，我们对封装（下）散热路径的热性能进行了测试和比较 TCPAK57 和 SO8FL 该装置的芯片温升和热响应。两个设备在相同的电气条件和热边界下进行测试，以使其更有效。区别在于TCPAK57 散热器安装在设备上方， SO8FL 散热器安装在设备上 PCB 底部，位于 MOSFET 区域正下方(图) 3）。这是对现场应用中使用设备的复制。不同厚度的热界面材料也用于测试期间的测试 (TIM)，验证使用不同的热边界可以优化哪些设备的包装。整体试验如下：对两个设备施加固定电流（因此是固定功率），然后监测结温的变化，以了解哪个设备性能更好。

图 4. 在设备选择方面，每个设备的应用设置设置设置设备选择和PCB布局，以及每个包装 MOSFET 芯片尺寸相同，技术相同。这是为了确保每个设备在给定电流下具有相同的功耗，并使封装级热响应一致。通过这种方式，我们可以确保测量的热响应差异是由封装差异引起的。由于这些原因，我们选择使用它们 TCPAK57 和 SO8FL。它们采用略有不同的线夹和引线框架设计，一个有引线 (TCPAK57) (SO8FL)。需要注意的是，这些差异很小，不会对稳态热响应产生很大影响，因此可以忽略不计。给定参数后，选定的设备如下：NVMFS5C410N SO8FLNVMJST0D9 TCPAK57为了进一步保证所有其他热边界的等效性，我们设计了两个相同的 PCB 以搭载 SO8FL 封装或 TCPAK57 封装。PCB 设计为 4 层板，每层包含 1 盎司铜。PCB 设计为 4 层板，每层包含 1 盎司铜。尺寸为 122 mm x 87 mm。SO8FL 板材没有将漏极焊盘连接到电路板其他导电层的热过孔(这对散热不是最好的)；在这个比较设置中，它可以作为最糟糕的散热条件。 

图 5. PCB 每一层(第 1 第一层显示在左上方 2 第一层显示在右上方 3 层显示在左下角，第 4 散热器和热界面材料层显示在右下角 (TIM)试验过程中使用的散热器是铝制的，专门设计用于安装 PCB 上。107 mm x 144 mm 散热器为液冷式，其中 35 mm x 38 mm 散热面积位于 MOSFET 位置正下方。107 mm x 144 mm 散热器为液冷式，其中 35 mm x 38 mm 散热面积位于 MOSFET 位于正下方。散热器的液体是水。水是现场应用中常用的冷却液。对所有测试场景而言， 电子元器件采购网 其流速设置为 0.5 gpm 的固定值。水可以提供额外的热容，将热量从散热器转移到供水系统，有助于降低设备温度。 

图 6. 为了更好地促进应用程序设置 MOSFET 界面散热时，应使用热间隙填充物。这有助于填补界面表面可能存在的缺陷。空气作为不良热导体，任何气隙都会增加热阻。测试使用的 TIM 是 Bergquist 4500CVO 填缝剂，其热导率为 4.5 W/mK。这种TIM使用几种不同厚度的TIM 展示热响应优化的可能性。通过电路板与散热器之间使用的精密垫片实现固定厚度。目标厚度为:~200 µm~700 µ由于代表了一种通用的现场应用，m测试电路和加热/测量方法选择的板载电路配置为半桥设置。两个设备相互靠近，这也准确地反映了现场布局，因为较短的布线有助于降低寄生效应。由于设备之间的热量重叠，这将在热响应中发挥一定的作用。为了以较低的电流值加热相关电流，电流将通过 MOSFET 体二极管。为确保始终如此，将栅极引脚短路到源极。通过以下方式获得给定装置的热响应：先加热半桥 FET，直到稳态结温(温度不再升高)，然后随着结温回到冷却温度，通过一个 10 mA 小信号源监测源泄漏电压 (Vsd)。在加热过程中达到热稳态所需的时间等于返回无电状态的时间。体二极管的 Vsd 它与结温呈线性关系，因此可以使用常数 (mV/ C°) 比率(通过每个设备的表征来确定)与 ΔTj 相关联。然后将整个冷却期进行冷却 ΔTj 除加热阶段结束时的功耗外，还得到给定系统的热响应 (Zth)。2 A 电源、10 mA 电源和 Vsd 的测量均由 T3ster 处理。T3ster 专门用于监测热响应的商用测试设备。采用上述方法计算热响应。 

图 7. 在两种条件下，测量每个设备的热响应结果：200 μm TIM700 μm TIM这两次测量的目的是通过外部散热方法优化确定哪种包装在给定的控制系统中具有更好的热响应，以及哪种设备的热响应。需要注意的是，这些结果并非适用于所有应用程序，而是针对所提到的热边界。使用200 μm 对于第一次测试操作，将TIM安装到散热器的封装进行比较，使用每个设备 200 μm TIM 安装在水冷散热器上。每个设备都被接受 2 A 脉冲，直到稳态。T3ster 散热期间的监测 Vsd，并将其反向关联到系统的热响应曲线上。顶部散热的稳态热响应值为 ~4.13 C°/W ，而 SO8FL 的值为 ~25.27 C°/W。这一巨大差异与预期结果一致，因为顶部散热包装直接安装在导热性高、热容大的散热器上，实现了良好的热传播。SO8FL 则由于 PCB 导热性差，导热效果差。为了帮助理解如何在应用中利用这些优势，热响应值可以与每个设备所能承受的功率连接起来。将 Tj 从 23 C° 将冷却液温度提高到 175 C° 最大工作温度所需的功率计算如下：在热系统中，顶部散热单元可以处理的功率是 SO8FL 的 6 倍。在现场应用中，可以通过几种不同的方式使用。以下是它的一些优点:当所需电流一定时，由于功率能力的提高，与SO8FL相比 可使用较小的散热器。节约成本是可能的。对于开关模式的电源应用，可以提高开关频率，同时保持相似的热量。可用于原本不合适的 SO8FL 更高功率应用。芯片尺寸一定时，与顶部散热器相比，顶部散热器件 SO8FL 在给定电流要求下，运行温度会更低，安全容量会更高。 

图 8. 使用 200 μm TIM 热响应曲线图 9. 使用 200 μm TIM 7000的温度变化曲线 μm TIM安装在散热器的封装比较常用 700 μm 的 TIM 厚度进行了另一次测试。这是为了与 200 μm TIM 对热响应变化进行比较，以验证外部散热方法对各包装的影响。测试操作得到以下热响应结果：顶部散热器为 6.51 C°/W，SO8FL 为 25.57 C°/W。对于顶部散热，两次 TIM 操作的差异是 2.38 C°/W，而 SO8FL 的差异为 0.3 C°/W。这意味着外部散热方法对顶部散热器件有很大的影响 SO8FL 影响很小。这也是意料之中的，因为顶部散热器的热响应是 TIM 主要是层热阻。与散热器相比，TIM 热导率低。因此，当厚度增加时，热阻会增加，导致 Rth 更高。SO8FL TIM 变化发生在电路板和散热器之间。其设备的热量必须通过电路板传播才能达到 TIM 而散热器，因此厚度变化对主热路径的热阻影响很小。因此，热响应的变化很小。TIM 这些由厚度变化引起的热响应变化证明了顶部散热包装具有整体优势。TCPAK57 封装顶部有一个裸露的引线框架，可以更好地控制热路径的热阻。对于特定的应用和散热方法，可以利用这一特点来优化热响应。另一方面，它将提供更可控和有益的功率能力。SO8FL 和类似的 SMD 该装置难以通过其电路板散热，具体情况取决于 PCB 特性。这是一个非易控因素，因为除了散热，PCB 还有许多其他的设计变量需要考虑。 

图 10. 使用 700 μm TIM 温度变化曲线图 11. 使用 700 μm TIM 温度变化曲线要点总结顶部散热封装可避免 PCB 散热缩短了从芯片到散热装置的热路径，从而降低了装置的热阻。热阻与散热器和热界面材料的特性直接相关。低热阻可以带来很多应用优势，比如一定时间所需的电流，由于功率能力的提高，与标准相比 SMD 顶部散热器件可以使用较小。另一方面，这也可能带来成本节约。对于开关模式的电源应用，可以提高开关频率，同时保持相似的热量。可用于原标准 SMD 不适用于更高功率应用。芯片尺寸一定时，顶部散热器件相对等效 SMD 在给定电流要求下，设备将有更高的安全裕度和更低的运行温度。优化热响应的能力更强。这是通过改变热界面材料和/或厚度来实现的。TIM 热导率越薄/或越好，热响应越低。热响应也可以通过改变散热器的特性来改变。顶部散热封装可以减少 PCB 热量传播，然后减少器件之间的热量重叠。顶部散热 PCB 散热器的背面不需要连接，所以 PCB 上部组件可以布置得更紧凑。

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