MOSFET,即通常所说的MOS管,是电子产品中最常用到的元器件之一。由于发热功率密度大,MOS管往往是整个单板上温度最高的器件之一。MOS 管的温度控制是电子产品热设计中需要解决的主要问题之一。下面综述当前常用的MOS管及其散热特点。
MOS管的作用是使整个供电系统的需求电压稳定在需求的值。MOSFET的基本工作单元如下图所示:
必然包含源级S、栅极G和漏级D三个电极。芯片内部,PN结为发热源。一个单元包含两个PN结,PN结被半导体包裹,上方设置二氧化硅绝缘层。通过腐蚀的方法,在N区上方腐蚀两个沟槽,然后采用金属化的方法在绝缘层及沟槽内生成源级,栅极和漏级三个电极。电极之间是有沟槽隔开的,因而绝缘。
从封装形式即可看出,MOS管的热量源自PN结,可以从上方、管脚及底部进行散热。然而,由于应用场景及使用需求变化多样,MOS管有许多类型的封装形式。从大体上分类,有插入式(Through Hole)和表面贴装式(Surface Mount)两种。
从视觉上就可以容易地看出两种封装的区别。插入式的MOSFET通过管脚贯穿PCB的安装孔,然后焊接上。表面贴装的MOSFET的管脚会被直接焊接在PCB表面的焊盘上。
插入式的封装,MOS管基体仅通过管脚与单板连接,因此,不难理解当其发热量较大时,仅依靠管脚将热量传递到PCB,以及MOSFET自身表面往空气中进行热量散失是不够的。这时,在其表面贴装散热器是最为有效甚至必须采用的散热手段。这种情形下,就需要用到风道设计、风阻设计以及散热器优化设计的相关知识,这些都是热设计的核心内容,会在后续的文章中结合实例逐一论述。而对于表面贴装式封装,MOS不仅管脚与单板建立连接,其底部pad也可贴合单板,通过设计热过孔,也可以有效地将热量传递到单板中进而强化其散热。因而,表贴式的MOS管,不仅封装密集度增加,对于其热设计而言,也多了一条思路。尤其是考虑到表贴式MOS管应用的场景本身就结构非常紧凑,如果芯片顶面没有空间用来加装散热器,底部通热过孔将是非常有效的散热强化手段。同样,当通热过孔之后散热问题依然存在时,就还需要从风道设计及散热器设计的角度出发,解决其过热问题。
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