MOSFET的顶部散热：与PCB和双面散热相比 散热管理更出色

图1. 标准8x8L封装与顶部散热8x8LR封装对比。Vishay

随着现代电子系统的功率密度持续提高，高效的热管理已成为确保系统性能、可靠性和使用寿命的关键因素 - 尤其是在工业驱动、汽车系统和供电等高功率应用领域。尽管通过PCB进行底部散热的方法已作为标准沿用多年，但顶部散热正逐渐成为一种更高效的替代方案。本文将重点阐述顶部散热相较于传统PCB散热及双面散热方案所具有的核心优势。

传统底部散热

对于采用底部散热的MOSFET，半导体芯片产生的热量通过元件的漏极垫传导到PCB，再从PCB传导到散热器或散热平面，通常通过热过孔阵列实现。虽然这种方法需要预留足够空间以布置热过孔，但如果没有热过孔，将依赖PCB材料的热导率来发挥重要作用。

然而，底部散热存在诸多局限性。由于有多个界面，热阻往往相对较高，包括从裸晶到封装、从封装到PCB，从PCB到散热器的界面以及FR4等PCB材料的低导热性。此外，散热还受到PCB布局和可用占板空间的限制。

双面散热

双面散热技术旨在通过使热量同时从MOSFET顶部和底部散发，从而提升散热效率。尽管这种方法能够提高散热性能，但同时也增加了机械整合和电路板设计的复杂性。

这种方法带来了几个方面的挑战。由于需要额外的散热器或热垫，导致成本增加。它还使装配过程变得复杂，并且由于器件两侧的热膨胀不匹配而产生更高的机械应力。

顶部散热的优点

顶部散热型MOSFET采用将漏极暴露在封装顶部的设计方法。这使得漏极能够直接与散热片或冷却板接触，从而显着降低热阻。

这种方法有多项关键优势。首先，整体热阻更低，因为热传导路径更短且更直接（见图1）。

其次，由于散热效率更高，设计师能够在不超出发热限制的情况下提高功率输出，从而提升功率密度（见图2）。第三，顶部散热简化了PCB设计，因为底部可以完全用于电气连接，减少了对复杂热过孔结构的需求。在可靠性方面，更低的工作温度有助于延长元件寿命，并提高整体系统可靠性。此外，散热器可以与PCB机械分离，这减少了对焊点施加的应力，并有助于防止在热循环过程中发生变形或开裂。

例如，顶部散热型PowerPAK 8x8LR封装采用无引线键合设计，以最大限度地降低电气和热阻，并配备了鸥翼引线，旨在实现最大的机械应力缓解（见图1）。暴露的顶部焊盘提供了一条低热阻的散热路径，而顶部散热功能使器件在顶部表面贴装散热片时能够实现更高的性能。

由于热量直接散发到散热片，PCB不再是主要热传导路径，同时可以避免在MOSFET的PCB区域使用热过孔。其余元件可以缩小尺寸，从而使PCB的铜含量更低，而且成本更低。

这种封装还经过严格的应力测试，以确保与PCB的连接完整性以及电路板的高可靠性。最高结温可达175℃，与更低温度等级的器件相比，这使得其使用寿命更长。

应用与展望

顶部散热在高功率模块、汽车逆变器和服务器电源等应用中的优势尤为明显，因为这些领域对空间和热管理有严格要求。随着封装技术的演进（例如DirectFET、LFPAK或TSC封装），顶部散热型MOSFET日益普及，而且成本效益更高，适用于更广泛的应用场景。

除8mm x 8mm的PowerPAK 8x8LR外，Vishay还推出了不同尺寸的替代方案，以满足不同功率的需求，例如5mm x 7mm的PowerPAK SO-10LR和10mm x 15mm的PowerPAK 10x15LR，这两款产品将于2025年晚些时候上市。

尽管底部散热和双面散热方法在功率电子领域仍占有一席之地，但顶部散热技术凭藉其在性能、设计灵活性和长期可靠性方面的明显优势，已成为一种极具吸引力的替代方案。