主板供电电路新星DirectFET MOSFET

与常见的三脚MOSFET，八脚
MOSFET不同，近日在一些高端P55主板上出现了一种新型MOSFET，其外形如金属小盒般，完全密封。那么它是整合Mosfet Driver的DrMOS吗？非也，在采用这种MOSFET的主板上我们仍能看到相应的MOSFET Driver芯片。那么这到底是哪种类型的MOSFET？它与其它
MOSFET相比有什么不同？会对处理器供电电路带来什么影响呢？

MOSFET即场效应晶体管，它在供电电路里受PWM芯片控制，以一定频率不断地开与关，每相的上桥MOSFET和下桥MOSFET轮流导通，对该相的输出电感进行充电和放电，以便在输出端得到一个稳定的电压，令负载设备如CPU得以正常工作。不过尽管只是一个“开关”，但MOSFET的形态却五花八门，有三根引脚的三脚MOSFET，也有外观如芯片般的八脚MOSFET，而近日市面上一款主板又采用了一种全新外观的MOSFET——DirectFET MOSFET，这种外形像金属小盒般的MOSFET让大家眼前一亮，同时也是满腹疑问：这种新的MOSFET究竟能会对处理器供电电路带来什么样的影响？接下来，本篇文章将带大家走近开关电源部分，了解市场主流的MOSFET封装、MOSFET在开关电源中的影响，并为大家揭开DirectFET MOSFET的神秘面纱！

MOSFET封装技术简介

MOSFET之所以有这么多种的外观形态存在，这主要还是由于MOSFET芯片制作完成后，需要封装才可以使用。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。所以封装就是给MOSFET芯片加一个外壳，这个外壳起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电器性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上。这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其它器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。由于封装技术的好坏直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的印制电路板(PCB)的设计和制造，因此它也是非常重要的。

MOSFET主要采用SMT与DIP两种封装技术

目前，MOSFET的封装外壳主要采用金属、陶瓷和塑料三种材料，大多数的MOSFET外部封装都是以塑封壳为主。而MOSFET封装技术主要有两大类：DIP(双列直插式封装技术)和SMT(表面贴装式)。上个世纪的70年代，直插式封装技术曾经十分流行，它拥有穿孔安装，布线和操作较为方便等特点，但随着技术的发展，直插式MOSFET由于其封装效率低(芯片面积与封装面积之比为封装效率，理想值为1:1)以及信号性能差等原因，所以并非理想的封装形式。而表面贴装式由于能适应高集成、高速电路系统，现在已经是板卡上为主流的封装形式。

常见的各种三脚MOSFET

表面贴装式的MOSFET类型也非常多，在MOSFET上使用的主要有以下几种：1.TO(晶体管外形封装)系列，它是常用的一种MOSFET封装。而TO封装中形式多的则是贴片式TO252和TO263，也就是大家常说的三脚MOSFET。这两种封装工艺简单，成本较低，直通电流大，靠漏极(D极)大焊盘传导热量。但这两种封装拥有体积过大、封装引脚长以及封装电感和导通电阻较大，塑封壳包装导致散热效果不佳等性能上的缺点。

常见的各种8脚MOSFET

2.SOP(小外形封装)也是一种常见的封装，其引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L字形)。常用于MOSFET的是SOP-8封装，简称为SO-8，即我们常见的8脚MOSFET。SO-8具有很好的占位和引脚兼容性，它同样采用塑料封装，源极和漏极多引脚并联，但还是没能走出封装体积较大、引脚较长等传统设计，同时和TO封装具有相似的缺点，它没有散热底板导致散热不良。

探秘DirectFET MOSFET

DirectFET是由国际整流器(IR)公司推出一种的全新封装技术，从外观上来看，采用Di rectFET封装技术的MOSFET完全颠覆传统MOSFET的封装形式，并没有采用其它封装形式常用的塑封壳，而是采用铜金属外壳覆盖。其次，DirectFET封装给人直观的感觉就是小，从对比图上可以看到，其占用面积比TO252小多了，与SO-8 MOSFET相当，而厚度只有0.646毫米，仅与0805电阻相当。同时我们可以注意到，与其它MOSFET相比，采用DirectFET封装的MOSFET没有引脚，DirectFET封装采用直接芯片粘贴，没有线压焊或者引线框，大大降低了封装感抗和封装阻抗。与SO-8相比，封装阻抗减少了90%以上，而封装电感也从SO-8时候的2nH减到了0.5nH，寄生效应明显减弱，这都为减少损耗提供了重要保证。

DirectFET MOSFET实物拍摄

从左到右依次为TO252 MOS FET、SO-8 MOS FET以及IRF6612、IRF6709两种DirectFET MOSFET

位于中间的DirectFET MOSFET比其它MOSFET薄不少

再来看看它的内部，从MOSFET的内部架构图上来看，由于传统的MOSFET用一个塑封壳将漏极、硅片和源极接触的地方包装起来，因此厂商只能通过在焊线到硅芯片之间增加铜片来加大接触面积导热，或在漏极与PCB之间增加金属垫将热量传导到PCB上散发出去。而DirectFET封装和传统封装完全不同，漏极裸露的铜片通过两边的焊盘和PCB连接在一起，和PCB有很大的接触面积，利于传导电流。同时由于DirectFET外壳全部采用铜片，没有传统的塑料外壳，底部依然可以透过PCB散热，而顶部由于表层良好的空气流通性可以快速散热，实现双面冷却效果。

MOSFET结构对比

接下来，我们将从理论上去分析DirectFET是如何更好地解决散热问题。MOSFET的热量主要来自于开关损耗和直流导通损耗，开关损耗是因为MOSFET在开关的时候，其从开到关或者关到开的过程是有一个时间，而这个时间并不能达到其理想值0s，因此MOSFET漏极和源极间电流电压会存在一段时间，这个过程会产生一个损耗。另外就是导通时，由于其直流导通电阻而产生的阻抗，这些损耗终会转换成热量。而损耗与MOSFET一个重要参数直流导通电阻成正比，所以我们要减少发热量直接的方法就是降低直流导通电阻。在DirectFET封装中，与硅片串接的阻性构件只有漏极夹片，裸片黏合材料阻抗仅为100微欧姆，使源漏极间的导通电阻小于2毫欧姆。而采用焊线连接的MOSFET不包括金属垫时的封装阻抗为1.6毫欧姆左右，很难做到小于2毫欧姆的导通电阻。相比之下，DirectFET技术在这里具有很大的优势。

各种MOSFET电流传导示意图

电流传导途径示意图分别列出了各种MOSFET内部电流的途径，直流导通电阻实际上就是MOSFET在导通时，其漏极和源极之间的阻抗。传统MOSFET导通时，电流的途径是从漏极，经过封装引脚，通过焊线打开的通道流向源极，可见封装引脚以及各接触面、通道、焊线都对MOSFET导通时的阻抗有着直接的影响。而DirectFET MOSFET的电流则通过两边的大垫片流到背面的铜箔，然后通过源极的焊盘直接流向PCB，整个途径完全是依靠大面积铜片连接，而薄铜片的电阻非常小，因此也就很大程度上减少了MOSFET的损耗，在降低导通电阻上有着更为出色的表现。

DirectFET MOSFET的三种散热方式

DirectFET封装不仅仅是更好地控制了热量，在散热方式上也比以往的MOSFET有较好的表现。塑封壳的MOSFET主要依靠底部或者顶部的金属垫将热量散发出去，但塑封壳包装，整体较厚，塑料的导热性能相对低下，因此主要的热量散发方式还是通过金属垫将热量传到PCB上，透过PCB上的铜箔以及背面的锡条散发出去。而顶部的塑封壳即使加上散热金属片，也受限于塑料外壳较差的导热性，效率比较低。而DirectFET封装由于封装薄，采用全铜外壳的原因，因此热量能够快速地向顶部和底部传导。底部依然可以透过PCB散热，而顶部由于表层良好的空气流通性可以快速散热，实现双面冷却效果，如果顶部加上导热垫和散热片，大量的热量将会通过散热垫和散热片快速地散发出去，效果将会更加明显。

DirectFET MOSFET性能实测

后让我们通过实际测试来看看DirectFET MOSFET的性能。如表所示，在拉载70A的输出电流下，采用DirectFET MOSFET的处理器供电电路转换效率可以达到85.83%，而一般电源方案的效率基本都在80%左右。

注：未加MOSFET散热片，测量MOSFET表面温度。

温度测试方面，我们采用配备DirectFET MOSFET的映泰I55主板与搭配TO 252的普通P55主板进行对比测试。测试前我们取下了MOSFET上的散热片，在系统满载运行半小时左右，测量上桥MOSFET与下桥MOSFET的温度。对比可以看出，二者表面温度有近21%的差距，DirectFET MOSFET的散热设计显然更有效。

总结

DirectFET MOSFET无疑具有出众的性能表现，但同时也有一些缺点，这些主要还是体现在设计上。首先，封装小且无引脚，各焊盘之间的距离非常小，如果在生产过程中，有出现偏位的情况，很有可能就会导致错接而烧坏MOSFET，有可能会进一步烧坏CPU和P55芯片，因此，对制程要求更高。同时，由于厚度限制，如果MOSFET加散热片，那附近就不能摆放稍微厚一点的零件例如电阻电容，更别说是芯片，而这些必须分散地放在背面，给生产带来麻烦。而焊盘小的情况也给布线带来一定的困难，因为和PCB接触的面积有限，像IRF6709的栅极和漏极之间甚至无法打过流的孔位。所以在大电流的情况下，如何解决大电流的传输途径也是工程师们要考虑的问题。后，较高的成本决定了这种MOSFET只会出现在高端定位的主板产品上，如第一款采用DirectFET MOSFET的消费级主板是映泰P55主板中的高端产品TPOWER i55。

总的来说，DirectFET量子芯封装是MOSFET封装的一种里程碑式创新，它在多项性能上有了一个大幅度的提高，国际整流器公司现在也已经授权其它的半导体公司使用此封装，而这种封装可以应用在各种集成度的PCB上，相信陆续会在更多的主板上见到DirectFET量子芯 MOSFET。