Perangkat semikonduktor daya banyak digunakan di bidang industri, konsumsi, militer dan bidang lainnya, serta memiliki posisi strategis yang tinggi. Mari kita lihat gambaran keseluruhan perangkat listrik dari sebuah gambar:
Perangkat semikonduktor daya dapat dibagi menjadi tipe penuh, tipe semi-terkontrol, dan tipe tidak dapat dikontrol sesuai dengan tingkat kendali sinyal rangkaian. Atau menurut sifat sinyal dari rangkaian penggerak, dapat dibagi menjadi tipe yang digerakkan oleh tegangan, tipe yang digerakkan oleh arus, dll.
| Klasifikasi | jenis | Perangkat semikonduktor daya tertentu |
| Pengendalian sinyal listrik | Tipe semi-terkontrol | SCR |
| Kontrol penuh | GTO, GTR,MOSFET, IGBT | |
| Tidak terkendali | Dioda Daya | |
| Sifat sinyal mengemudi | Tipe yang digerakkan oleh tegangan | IGBT, MOSFET, SITH |
| Tipe yang digerakkan saat ini | SCR、GTO、GTR | |
| Bentuk gelombang sinyal yang efektif | Jenis pemicu pulsa | SCR、GTO |
| Jenis kontrol elektronik | GTR, MOSFET, IGBT | |
| Situasi di mana elektron pembawa arus berpartisipasi | perangkat bipolar | Dioda Daya, SCR, GTO, GTR, BSIT, BJT |
| Perangkat unipolar | MOSFET, DUDUK | |
| Perangkat komposit | MCT, IGBT, SITH dan IGCT |
Perangkat semikonduktor daya yang berbeda memiliki karakteristik yang berbeda seperti tegangan, kapasitas arus, kemampuan impedansi, dan ukuran. Dalam penggunaan sebenarnya, perangkat yang tepat perlu dipilih sesuai dengan bidang dan kebutuhan yang berbeda.
Industri semikonduktor telah melalui tiga generasi perubahan material sejak kelahirannya. Hingga saat ini, material semikonduktor pertama yang diwakili oleh Si masih banyak digunakan di bidang perangkat semikonduktor daya.
| Bahan semikonduktor | celah pita (eV) | Titik lebur (K) | aplikasi utama | |
| Bahan semikonduktor generasi pertama | Ge | 1.1 | 1221 | Tegangan rendah, frekuensi rendah, transistor daya sedang, fotodetektor |
| Bahan semikonduktor generasi ke-2 | Si | 0,7 | 1687 | |
| Bahan semikonduktor generasi ke-3 | GaA | 1.4 | 1511 | Microwave, perangkat gelombang milimeter, perangkat pemancar cahaya |
| SiC | 3.05 | 2826 | 1. Perangkat berdaya tinggi bersuhu tinggi, frekuensi tinggi, dan tahan radiasi 2. Dioda pemancar cahaya biru, kelas, ungu, laser semikonduktor | |
| GaN | 3.4 | 1973 | ||
| AIN | 6.2 | 2470 | ||
| C | 5.5 | ＞3800 | ||
| ZnO | 3.37 | 2248 | ||
Ringkaslah karakteristik perangkat listrik semi-terkontrol dan terkontrol penuh:
| Jenis perangkat | SCR | GTR | MOSFET | IGBT |
| Tipe kontrol | Pemicu denyut nadi | Kontrol saat ini | kontrol tegangan | pusat film |
| saluran mati sendiri | Penutupan pergantian | perangkat mati sendiri | perangkat mati sendiri | perangkat mati sendiri |
| frekuensi kerja | ＜1khz | ＜30khz | 20khz-Mhz | ＜40khz |
| Kekuatan mengemudi | kecil | besar | kecil | kecil |
| mengalihkan kerugian | besar | besar | besar | besar |
| kehilangan konduksi | kecil | kecil | besar | kecil |
| Tingkat tegangan dan arus | 最大 | besar | minimum | lagi |
| Aplikasi khas | Pemanasan induksi frekuensi menengah | Konverter frekuensi UPS | mengalihkan catu daya | Konverter frekuensi UPS |
| harga | terendah | lebih rendah | di tengah | Yang paling mahal |
| efek modulasi konduktansi | memiliki | memiliki | tidak ada | memiliki |
Mengenal MOSFET
MOSFET memiliki impedansi masukan yang tinggi, kebisingan yang rendah, dan stabilitas termal yang baik; memiliki proses pembuatan yang sederhana dan radiasi yang kuat, sehingga biasanya digunakan pada rangkaian penguat atau rangkaian switching;
(1) Parameter pemilihan utama: VDS tegangan sumber pembuangan (tegangan penahan), arus bocor kontinu ID, resistansi RDS(on), kapasitansi masukan Ciss (kapasitansi sambungan), faktor kualitas FOM=Ron*Qg, dll.
(2) Menurut proses yang berbeda, ini dibagi menjadi TrenchMOS: MOSFET parit, terutama di medan tegangan rendah dalam 100V; SGT (Split Gate) MOSFET: MOSFET gerbang terpisah, terutama di medan tegangan menengah dan rendah dalam 200V; SJ MOSFET: MOSFET persimpangan super, terutama di bidang tegangan tinggi 600-800V;
Dalam catu daya switching, seperti rangkaian saluran terbuka, saluran pembuangan dihubungkan ke beban secara utuh, yang disebut saluran terbuka. Pada rangkaian saluran terbuka, tidak peduli seberapa tinggi tegangan yang dihubungkan ke beban, arus beban dapat dihidupkan dan dimatikan. Ini adalah perangkat switching analog yang ideal. Ini adalah prinsip MOSFET sebagai perangkat switching.
Dalam hal pangsa pasar, MOSFET hampir semuanya terkonsentrasi di tangan produsen besar internasional. Diantaranya, Infineon mengakuisisi IR (American International Rectifier Company) pada tahun 2015 dan menjadi pemimpin industri. ON Semiconductor juga menyelesaikan akuisisi Fairchild Semiconductor pada bulan September 2016. , pangsa pasar melonjak ke posisi kedua, dan kemudian peringkat penjualan adalah Renesas, Toshiba, IWC, ST, Vishay, Anshi, Magna, dll.;
Merek MOSFET mainstream dibagi menjadi beberapa seri: Amerika, Jepang dan Korea.
Seri Amerika: Infineon, IR, Fairchild, ON Semiconductor, ST, TI, PI, AOS, dll.;
Jepang: Toshiba, Renesas, ROHM, dll.;
Serial Korea: Magna, KEC, AUK, Morina Hiroshi, Shinan, KIA
Kategori paket MOSFET
Menurut cara pemasangannya pada papan PCB, ada dua jenis utama paket MOSFET: plug-in (Through Hole) dan pemasangan permukaan (Surface Mount).
Tipe plug-in berarti pin MOSFET melewati lubang pemasangan papan PCB dan dilas ke papan PCB. Paket plug-in yang umum meliputi: paket dual in-line (DIP), paket garis transistor (TO), dan paket pin grid array (PGA).
Kemasan plug-in
Pemasangan di permukaan adalah tempat pin MOSFET dan flensa pembuangan panas dilas ke bantalan di permukaan papan PCB. Paket pemasangan permukaan yang umum meliputi: transistor outline (D-PAK), transistor outline kecil (SOT), paket outline kecil (SOP), paket quad flat (QFP), pembawa chip bertimbal plastik (PLCC), dll.
paket pemasangan permukaan
Dengan perkembangan teknologi, papan PCB seperti motherboard dan kartu grafis saat ini semakin sedikit menggunakan kemasan plug-in langsung, dan semakin banyak menggunakan kemasan pemasangan di permukaan.
1. Paket ganda in-line (DIP)
Paket DIP memiliki dua baris pin dan perlu dimasukkan ke dalam soket chip dengan struktur DIP. Metode derivasinya adalah SDIP (Shrink DIP), yaitu paket shrink double-in-line. Kepadatan pin 6 kali lebih tinggi dibandingkan DIP.
Bentuk struktur pengemasan DIP meliputi: DIP dual-in-line keramik multi-layer, DIP dual-in-line keramik single-layer, DIP rangka timah (termasuk tipe penyegelan kaca-keramik, tipe struktur enkapsulasi plastik, enkapsulasi kaca keramik dengan titik leleh rendah tipe) dll. Karakteristik kemasan DIP adalah dapat dengan mudah mewujudkan pengelasan papan PCB melalui lubang dan memiliki kompatibilitas yang baik dengan motherboard.
Namun karena area pengemasan dan ketebalannya relatif besar, serta pin mudah rusak selama proses pemasangan dan pencabutan, keandalannya buruk. Pada saat yang sama, karena pengaruh proses, jumlah pin umumnya tidak melebihi 100. Oleh karena itu, dalam proses integrasi industri elektronik yang tinggi, kemasan DIP secara bertahap menarik diri dari tahap sejarah.
2. Paket Garis Besar Transistor (TO)
Spesifikasi kemasan awal, seperti TO-3P, TO-247, TO-92, TO-92L, TO-220, TO-220F, TO-251, dll. Semuanya merupakan desain kemasan plug-in.
TO-3P/247: Ini adalah bentuk kemasan yang umum digunakan untuk MOSFET tegangan menengah-tinggi dan arus tinggi. Produk ini memiliki karakteristik tegangan tahan tinggi dan ketahanan kerusakan yang kuat.
TO-220/220F: TO-220F adalah kemasan yang sepenuhnya plastik, dan tidak perlu menambahkan bantalan isolasi saat memasangnya pada radiator; TO-220 memiliki lembaran logam yang dihubungkan ke pin tengah, dan bantalan insulasi diperlukan saat memasang radiator. MOSFET dari kedua gaya paket ini memiliki tampilan serupa dan dapat digunakan secara bergantian.
TO-251: Produk kemasan ini terutama digunakan untuk mengurangi biaya dan mengurangi ukuran produk. Hal ini terutama digunakan di lingkungan dengan tegangan menengah dan arus tinggi di bawah 60A dan tegangan tinggi di bawah 7N.
TO-92: Paket ini hanya digunakan untuk MOSFET tegangan rendah (arus di bawah 10A, tegangan tahan di bawah 60V) dan tegangan tinggi 1N60/65, untuk mengurangi biaya.
Dalam beberapa tahun terakhir, karena tingginya biaya pengelasan pada proses pengemasan plug-in dan kinerja pembuangan panas yang lebih rendah dibandingkan produk tipe tambalan, permintaan di pasar pemasangan permukaan terus meningkat, yang juga mengarah pada pengembangan pengemasan TO. ke dalam kemasan pemasangan di permukaan.
TO-252 (juga disebut D-PAK) dan TO-263 (D2PAK) keduanya merupakan paket pemasangan di permukaan.。
UNTUK mengemas penampilan produk
TO252/D-PAK merupakan paket chip plastik yang biasa digunakan untuk mengemas transistor daya dan chip penstabil tegangan. Ini adalah salah satu paket utama saat ini. MOSFET yang menggunakan metode pengemasan ini memiliki tiga elektroda, gerbang (G), saluran (D), dan sumber (S). Pin pembuangan (D) terputus dan tidak digunakan. Sebagai gantinya, heat sink di bagian belakang digunakan sebagai saluran pembuangan (D), yang langsung dilas ke PCB. Di satu sisi, ini digunakan untuk mengeluarkan arus besar, dan di sisi lain, ini menghilangkan panas melalui PCB. Oleh karena itu, terdapat tiga bantalan D-PAK pada PCB, dan bantalan pembuangan (D) lebih besar. Spesifikasi kemasannya adalah sebagai berikut:
Spesifikasi ukuran paket TO-252/D-PAK
TO-263 merupakan varian dari TO-220. Hal ini terutama dirancang untuk meningkatkan efisiensi produksi dan pembuangan panas. Ini mendukung arus dan tegangan yang sangat tinggi. Hal ini lebih sering terjadi pada MOSFET arus tinggi tegangan menengah di bawah 150A dan di atas 30V. Selain D2PAK (TO-263AB), juga mencakup TO263-2, TO263-3, TO263-5, TO263-7 dan gaya lainnya, yang berada di bawah TO-263, terutama karena perbedaan jumlah dan jarak pin. .
Spesifikasi ukuran paket TO-263/D2PAKs
3. Pin paket array grid (PGA)
Ada beberapa pin array persegi di dalam dan di luar chip PGA (Pin Grid Array Package). Setiap pin array persegi disusun pada jarak tertentu di sekitar chip. Tergantung jumlah penitinya, dapat dibentuk menjadi 2 hingga 5 lingkaran. Selama instalasi, cukup masukkan chip ke dalam soket PGA khusus. Ia memiliki keunggulan dalam hal pemasangan dan pencabutan yang mudah serta keandalan yang tinggi, dan dapat beradaptasi dengan frekuensi yang lebih tinggi.
Gaya paket PGA
Sebagian besar substrat chipnya terbuat dari bahan keramik, dan ada pula yang menggunakan resin plastik khusus sebagai substratnya. Dari segi teknologi, jarak pusat pin biasanya 2,54 mm, dan jumlah pin berkisar antara 64 hingga 447. Ciri-ciri kemasan jenis ini adalah semakin kecil area (volume) kemasan maka semakin rendah konsumsi daya (kinerja). ) dapat bertahan, dan sebaliknya. Gaya pengemasan chip ini lebih umum pada masa-masa awal, dan sebagian besar digunakan untuk mengemas produk dengan konsumsi daya tinggi seperti CPU. Misalnya, Intel 80486 dan Pentium semuanya menggunakan gaya kemasan ini; itu tidak diadopsi secara luas oleh produsen MOSFET.
4. Paket Transistor Garis Kecil (SOT)
SOT (Small Out-Line Transistor) adalah paket transistor daya kecil tipe patch, terutama termasuk SOT23, SOT89, SOT143, SOT25 (yaitu SOT23-5), dll. SOT323, SOT363/SOT26 (yaitu SOT23-6) dan tipe lainnya adalah turunan, yang ukurannya lebih kecil dari paket TO.
Jenis paket SOT
SOT23 merupakan paket transistor yang umum digunakan dengan tiga pin berbentuk sayap yaitu kolektor, emitor, dan basis yang tertera pada kedua sisi sisi panjang komponen. Diantaranya, emitor dan basis berada pada sisi yang sama. Mereka umum terjadi pada transistor berdaya rendah, transistor efek medan, dan transistor komposit dengan jaringan resistor. Mereka memiliki kekuatan yang baik tetapi kemampuan menyoldernya buruk. Tampilannya ditunjukkan pada Gambar (a) di bawah ini.
SOT89 memiliki tiga pin pendek yang didistribusikan pada satu sisi transistor. Sisi lainnya adalah heat sink logam yang terhubung ke alas untuk meningkatkan kemampuan pembuangan panas. Hal ini biasa terjadi pada transistor pemasangan permukaan daya silikon dan cocok untuk aplikasi daya yang lebih tinggi. Tampilannya ditunjukkan pada Gambar (b) di bawah ini.
SOT143 memiliki empat pin berbentuk sayap pendek, yang diarahkan keluar dari kedua sisi. Ujung pin yang lebih lebar adalah kolektor. Jenis paket ini umum pada transistor frekuensi tinggi, dan tampilannya ditunjukkan pada Gambar (c) di bawah.
SOT252 adalah transistor daya tinggi dengan tiga pin terkemuka di satu sisi, dan pin tengah lebih pendek dan merupakan kolektor. Hubungkan ke pin yang lebih besar di ujung lainnya, yang merupakan lembaran tembaga untuk pembuangan panas, dan tampilannya seperti yang ditunjukkan pada Gambar (d) di bawah.
Perbandingan tampilan paket SOT umum
MOSFET SOT-89 empat terminal biasanya digunakan pada motherboard. Spesifikasi dan dimensinya adalah sebagai berikut:
Spesifikasi ukuran MOSFET SOT-89 (satuan: mm)
5. Paket Garis Besar Kecil (SOP)
SOP (Small Out-Line Package) adalah salah satu paket pemasangan permukaan, disebut juga SOL atau DFP. Peniti ditarik keluar dari kedua sisi kemasan dalam bentuk sayap burung camar (bentuk L). Bahannya plastik dan keramik. Standar pengemasan SOP antara lain SOP-8, SOP-16, SOP-20, SOP-28, dan seterusnya. Angka setelah SOP menunjukkan jumlah pin. Kebanyakan paket SOP MOSFET mengadopsi spesifikasi SOP-8. Industri sering menghilangkan “P” dan menyingkatnya menjadi SO (Small Out-Line).
Ukuran paket SOP-8
SO-8 pertama kali dikembangkan oleh Perusahaan PHILIP. Itu dikemas dalam plastik, tidak memiliki pelat bawah pembuangan panas, dan pembuangan panas yang buruk. Umumnya digunakan untuk MOSFET berdaya rendah. Kemudian secara bertahap diturunkan spesifikasi standar seperti TSOP (Thin Small Outline Package), VSOP (Very Small Outline Package), SSOP (Shrink SOP), TSSOP (Thin Shrink SOP), dan lain-lain; diantaranya, TSOP dan TSSOP yang biasa digunakan dalam kemasan MOSFET.
Spesifikasi turunan SOP yang umum digunakan untuk MOSFET
6. Paket Quad Flat (QFP)
Jarak antar pin chip pada paket QFP (Plastic Quad Flat Package) sangat kecil dan pinnya sangat tipis. Umumnya digunakan pada sirkuit terpadu skala besar atau ultra-besar, dan jumlah pin umumnya lebih dari 100. Chip yang dikemas dalam bentuk ini harus menggunakan teknologi pemasangan permukaan SMT untuk menyolder chip ke motherboard. Metode pengemasan ini memiliki empat karakteristik utama: ① Sangat cocok untuk teknologi pemasangan permukaan SMD untuk memasang kabel pada papan sirkuit PCB; ② Sangat cocok untuk penggunaan frekuensi tinggi; ③ Mudah dioperasikan dan memiliki keandalan yang tinggi; ④ Perbandingan antara area chip dan area pengemasan kecil. Seperti metode pengemasan PGA, metode pengemasan ini membungkus chip dalam kemasan plastik dan tidak dapat menghilangkan panas yang dihasilkan saat chip bekerja tepat waktu. Ini membatasi peningkatan kinerja MOSFET; dan kemasan plastik itu sendiri menambah ukuran perangkat, yang tidak memenuhi persyaratan pengembangan semikonduktor ke arah ringan, tipis, pendek, dan kecil. Selain itu, metode pengemasan jenis ini didasarkan pada satu chip, yang memiliki permasalahan efisiensi produksi yang rendah dan biaya pengemasan yang tinggi. Oleh karena itu, QFP lebih cocok untuk digunakan pada rangkaian LSI logika digital seperti mikroprosesor/gate array, dan juga cocok untuk mengemas produk rangkaian LSI analog seperti pemrosesan sinyal VTR dan pemrosesan sinyal audio.
7、Paket quad datar tanpa lead (QFN)
Paket QFN (Quad Flat Non-leaded package) dilengkapi dengan kontak elektroda di keempat sisinya. Karena tidak ada kabel, area pemasangan lebih kecil dari QFP dan tingginya lebih rendah dari QFP. Diantaranya, QFN keramik disebut juga LCC (Leadless Chip Carriers), dan QFN plastik murah yang menggunakan bahan dasar substrat cetak resin epoksi kaca disebut plastik LCC, PCLC, P-LCC, dll. Ini adalah kemasan chip pemasangan permukaan yang sedang berkembang teknologi dengan ukuran bantalan kecil, volume kecil, dan plastik sebagai bahan penyegel. QFN terutama digunakan untuk pengemasan sirkuit terpadu, dan MOSFET tidak akan digunakan. Namun, karena Intel mengusulkan solusi driver dan MOSFET terintegrasi, Intel meluncurkan DrMOS dalam paket QFN-56 ("56" mengacu pada 56 pin koneksi di bagian belakang chip).
Perlu dicatat bahwa paket QFN memiliki konfigurasi lead eksternal yang sama dengan paket garis besar ultra-tipis (TSSOP), namun ukurannya 62% lebih kecil dari TSSOP. Menurut data pemodelan QFN, kinerja termalnya 55% lebih tinggi dibandingkan kemasan TSSOP, dan kinerja kelistrikannya (induktansi dan kapasitansi) masing-masing 60% dan 30% lebih tinggi dibandingkan kemasan TSSOP. Kerugian terbesarnya adalah sulitnya memperbaikinya.
DrMOS dalam paket QFN-56
Catu daya switching step-down DC/DC diskrit tradisional tidak dapat memenuhi persyaratan untuk kepadatan daya yang lebih tinggi, juga tidak dapat memecahkan masalah efek parameter parasit pada frekuensi switching yang tinggi. Dengan inovasi dan kemajuan teknologi, integrasi driver dan MOSFET untuk membangun modul multi-chip telah menjadi kenyataan. Metode integrasi ini dapat menghemat banyak ruang dan meningkatkan kepadatan konsumsi daya. Melalui optimalisasi driver dan MOSFET, hal ini menjadi kenyataan. Efisiensi daya dan arus DC berkualitas tinggi, ini adalah IC driver terintegrasi DrMOS.
DrMOS generasi ke-2 Renesa
Paket tanpa timbal QFN-56 membuat impedansi termal DrMOS sangat rendah; dengan ikatan kawat internal dan desain klip tembaga, kabel PCB eksternal dapat diminimalkan, sehingga mengurangi induktansi dan resistansi. Selain itu, proses MOSFET silikon saluran dalam yang digunakan juga dapat secara signifikan mengurangi kehilangan konduksi, peralihan, dan muatan gerbang; ini kompatibel dengan berbagai pengontrol, dapat mencapai mode operasi yang berbeda, dan mendukung mode konversi fase aktif APS (Auto Phase Switching). Selain pengemasan QFN, bilateral flat no-lead packing (DFN) juga merupakan proses pengemasan elektronik baru yang telah banyak digunakan di berbagai komponen ON Semiconductor. Dibandingkan dengan QFN, DFN memiliki elektroda timbal keluar yang lebih sedikit di kedua sisinya.
8、Pembawa Chip Bertimbal Plastik (PLCC)
PLCC (Plastic Quad Flat Package) mempunyai bentuk persegi dan ukurannya jauh lebih kecil dibandingkan dengan paket DIP. Ini memiliki 32 pin dengan pin di sekelilingnya. Pin dituntun keluar dari keempat sisi kemasan dalam bentuk T. Ini adalah produk plastik. Jarak pusat pin adalah 1,27 mm, dan jumlah pin berkisar antara 18 hingga 84. Pin berbentuk J tidak mudah berubah bentuk dan lebih mudah dioperasikan daripada QFP, tetapi pemeriksaan tampilan setelah pengelasan lebih sulit. Kemasan PLCC cocok untuk memasang kabel pada PCB menggunakan teknologi pemasangan permukaan SMT. Ini memiliki kelebihan ukuran kecil dan keandalan yang tinggi. Kemasan PLCC relatif umum dan digunakan dalam logika LSI, DLD (atau perangkat logika program) dan rangkaian lainnya. Bentuk kemasan ini sering digunakan pada BIOS motherboard, namun saat ini kurang umum digunakan pada MOSFET.
Enkapsulasi dan peningkatan untuk perusahaan arus utama
Karena tren perkembangan tegangan rendah dan arus tinggi pada CPU, MOSFET diharuskan memiliki arus keluaran yang besar, resistansi rendah, pembangkitan panas rendah, pembuangan panas cepat, dan ukuran kecil. Selain meningkatkan teknologi dan proses produksi chip, produsen MOSFET juga terus meningkatkan teknologi pengemasan. Atas dasar kesesuaian dengan spesifikasi tampilan standar, mereka mengusulkan bentuk kemasan baru dan mendaftarkan nama merek dagang untuk kemasan baru yang mereka kembangkan.
1、Paket RENESAS WPAK, LFPAK dan LFPAK-I
WPAK adalah paket radiasi panas tinggi yang dikembangkan oleh Renesas. Dengan meniru paket D-PAK, chip heat sink dilas ke motherboard, dan panasnya dibuang melalui motherboard, sehingga paket kecil WPAK juga dapat mencapai arus keluaran D-PAK. WPAK-D2 mengemas dua MOSFET tinggi/rendah untuk mengurangi induktansi kabel.
Ukuran paket Renesas WPAK
LFPAK dan LFPAK-I adalah dua paket faktor bentuk kecil lainnya yang dikembangkan oleh Renesas yang kompatibel dengan SO-8. LFPAK mirip dengan D-PAK, namun lebih kecil dari D-PAK. LFPAK-i menempatkan unit pendingin ke atas untuk membuang panas melalui unit pendingin.
Paket Renesas LFPAK dan LFPAK-I
2. Kemasan Vishay Power-PAK dan Polar-PAK
Power-PAK adalah nama paket MOSFET yang didaftarkan oleh Vishay Corporation. Power-PAK mencakup dua spesifikasi: Power-PAK1212-8 dan Power-PAK SO-8.
Paket Vishay Power-PAK1212-8
Paket Vishay Power-PAK SO-8
Polar PAK adalah kemasan kecil dengan pembuangan panas dua sisi dan merupakan salah satu teknologi pengemasan inti Vishay. Polar PAK sama dengan paket so-8 biasa. Ini memiliki titik pembuangan di sisi atas dan bawah kemasan. Tidak mudah mengumpulkan panas di dalam kemasan dan dapat meningkatkan rapat arus operasi hingga dua kali lipat dari SO-8. Saat ini, Vishay telah melisensikan teknologi Polar PAK kepada STMicroelectronics.
Paket Vishay Polar PAK
3. Paket timah datar Onsemi SO-8 dan WDFN8
ON Semiconductor telah mengembangkan dua jenis MOSFET timah datar, di antaranya MOSFET timah datar yang kompatibel dengan SO-8 digunakan oleh banyak papan. ON MOSFET daya NVMx dan NVTx yang baru diluncurkan dari Semikonduktor menggunakan paket kompak DFN5 (SO-8FL) dan WDFN8 untuk meminimalkan kerugian konduksi. Ia juga memiliki fitur QG dan kapasitansi rendah untuk meminimalkan kerugian pengemudi.
PADA Paket Timbal Datar SO-8 Semikonduktor
PADA paket Semikonduktor WDFN8
4. Kemasan NXP LFPAK dan QLPAK
NXP (sebelumnya Philps) telah meningkatkan teknologi pengemasan SO-8 menjadi LFPAK dan QLPAK. Diantaranya, LFPAK dianggap sebagai paket daya SO-8 yang paling andal di dunia; sedangkan QLPAK memiliki karakteristik ukuran kecil dan efisiensi pembuangan panas lebih tinggi. Dibandingkan dengan SO-8 biasa, QLPAK menempati area papan PCB 6*5mm dan memiliki ketahanan termal 1,5k/W.
Paket NXP LFPAK
Kemasan NXP QLPAK
4. Paket ST Semikonduktor PowerSO-8
Teknologi pengemasan chip MOSFET daya STMicroelectronics mencakup SO-8, PowerSO-8, PowerFLAT, DirectFET, PolarPAK, dll. Diantaranya, Power SO-8 adalah versi perbaikan dari SO-8. Selain itu ada paket PowerSO-10, PowerSO-20, TO-220FP, H2PAK-2 dan lainnya.
Paket STMicroelectronics Power SO-8
5. Paket Fairchild Semiconductor Power 56
Power 56 adalah nama eksklusif Farichild, dan nama resminya adalah DFN5×6. Area pengemasannya sebanding dengan TSOP-8 yang umum digunakan, dan kemasan tipisnya menghemat tinggi jarak bebas komponen, dan desain Thermal-Pad di bagian bawah mengurangi ketahanan termal. Oleh karena itu, banyak produsen perangkat listrik telah menerapkan DFN5×6.
Paket Fairchild Power 56
6. Paket FET Langsung Penyearah Internasional (IR).
Direct FET memberikan pendinginan atas yang efisien dalam ukuran SO-8 atau lebih kecil dan cocok untuk aplikasi konversi daya AC-DC dan DC-DC di komputer, laptop, telekomunikasi, dan peralatan elektronik konsumen. Konstruksi kaleng logam DirectFET menyediakan pembuangan panas dua sisi, secara efektif menggandakan kemampuan penanganan konverter buck DC-DC frekuensi tinggi saat ini dibandingkan dengan paket diskrit plastik standar. Paket Direct FET adalah tipe yang dipasang terbalik, dengan saluran pembuangan panas (D) menghadap ke atas dan ditutup dengan cangkang logam, tempat panas dibuang. Pengemasan FET langsung sangat meningkatkan pembuangan panas dan memakan lebih sedikit ruang dengan pembuangan panas yang baik.
Meringkaskan
Di masa depan, seiring dengan perkembangan industri manufaktur elektronik ke arah ultra-tipis, miniaturisasi, tegangan rendah, dan arus tinggi, tampilan dan struktur kemasan internal MOSFET juga akan berubah agar lebih beradaptasi dengan kebutuhan perkembangan manufaktur. industri. Selain itu, untuk menurunkan ambang batas seleksi bagi produsen elektronik, tren pengembangan MOSFET ke arah modularisasi dan pengemasan tingkat sistem akan menjadi semakin jelas, dan produk akan berkembang secara terkoordinasi dari berbagai dimensi seperti kinerja dan biaya. . Paket adalah salah satu faktor referensi penting untuk pemilihan MOSFET. Produk elektronik yang berbeda memiliki persyaratan kelistrikan yang berbeda, dan lingkungan pemasangan yang berbeda juga memerlukan spesifikasi ukuran yang sesuai untuk dipenuhi. Dalam seleksi aktual, keputusan harus diambil sesuai dengan kebutuhan aktual berdasarkan prinsip umum. Beberapa sistem elektronik dibatasi oleh ukuran PCB dan tinggi internal. Misalnya, catu daya modul sistem komunikasi biasanya menggunakan paket DFN5*6 dan DFN3*3 karena batasan ketinggian; di beberapa catu daya ACDC, desain ultra-tipis atau karena keterbatasan cangkang cocok untuk merakit MOSFET daya paket TO220. Saat ini, pin dapat langsung dimasukkan ke dalam akar, yang tidak cocok untuk produk kemasan TO247; beberapa desain ultra-tipis mengharuskan pin perangkat ditekuk dan diletakkan rata, yang akan meningkatkan kompleksitas pemilihan MOSFET.
Bagaimana memilih MOSFET
Seorang insinyur pernah mengatakan kepada saya bahwa dia tidak pernah melihat halaman pertama lembar data MOSFET karena informasi "praktis" hanya muncul di halaman kedua dan seterusnya. Hampir setiap halaman pada lembar data MOSFET berisi informasi berharga bagi para desainer. Namun tidak selalu jelas bagaimana menafsirkan data yang diberikan oleh produsen.
Artikel ini menguraikan beberapa spesifikasi utama MOSFET, bagaimana spesifikasi tersebut dinyatakan pada lembar data, dan gambaran jelas yang Anda perlukan untuk memahaminya. Seperti kebanyakan perangkat elektronik, MOSFET dipengaruhi oleh suhu pengoperasian. Jadi, penting untuk memahami kondisi pengujian di mana indikator-indikator tersebut diterapkan. Penting juga untuk memahami apakah indikator yang Anda lihat di "Pengenalan Produk" merupakan nilai "maksimum" atau "tipikal", karena beberapa lembar data tidak menjelaskannya dengan jelas.
Tingkat tegangan
Karakteristik utama yang menentukan MOSFET adalah tegangan sumber saluran (VDS), atau "tegangan kerusakan sumber saluran", yang merupakan tegangan tertinggi yang dapat ditahan oleh MOSFET tanpa kerusakan ketika gerbang dihubung pendek ke sumber dan arus saluran. adalah 250μA. . VDS juga disebut "tegangan maksimum absolut pada 25°C", namun penting untuk diingat bahwa tegangan absolut ini bergantung pada suhu, dan biasanya terdapat "koefisien suhu VDS" di lembar data. Anda juga perlu memahami bahwa VDS maksimum adalah tegangan DC ditambah lonjakan dan riak tegangan yang mungkin ada di rangkaian. Misalnya, jika Anda menggunakan perangkat 30V pada catu daya 30V dengan lonjakan 100mV, 5ns, tegangan akan melebihi batas maksimum absolut perangkat dan perangkat dapat memasuki mode longsoran salju. Dalam hal ini, keandalan MOSFET tidak dapat dijamin. Pada suhu tinggi, koefisien suhu dapat mengubah tegangan rusaknya secara signifikan. Misalnya, beberapa MOSFET saluran-N dengan peringkat tegangan 600V memiliki koefisien suhu positif. Saat mendekati suhu persimpangan maksimumnya, koefisien suhu menyebabkan MOSFET ini berperilaku seperti MOSFET 650V. Banyak aturan desain pengguna MOSFET memerlukan faktor penurunan daya sebesar 10% hingga 20%. Dalam beberapa desain, mengingat tegangan tembus sebenarnya 5% hingga 10% lebih tinggi dari nilai pengenal pada 25°C, margin desain berguna yang sesuai akan ditambahkan ke desain sebenarnya, yang sangat bermanfaat bagi desain. Sama pentingnya dengan pemilihan MOSFET yang benar adalah memahami peran VGS tegangan sumber gerbang selama proses konduksi. Tegangan ini adalah tegangan yang menjamin konduksi penuh MOSFET pada kondisi RDS(on) maksimum tertentu. Inilah sebabnya mengapa resistansi-on selalu berhubungan dengan level VGS, dan hanya pada tegangan inilah perangkat dapat dihidupkan. Konsekuensi desain yang penting adalah Anda tidak dapat menghidupkan MOSFET sepenuhnya dengan tegangan lebih rendah dari VGS minimum yang digunakan untuk mencapai peringkat RDS(on). Misalnya, untuk menggerakkan MOSFET sepenuhnya dengan mikrokontroler 3.3V, Anda harus dapat menghidupkan MOSFET pada VGS=2.5V atau lebih rendah.
On-resistance, gate charge, dan "figur of merit"
Resistansi MOSFET selalu ditentukan pada satu atau lebih tegangan gerbang-ke-sumber. Batas maksimum RDS(on) bisa 20% hingga 50% lebih tinggi dari nilai biasanya. Batas maksimum RDS(on) biasanya mengacu pada nilai pada suhu sambungan 25°C. Pada suhu yang lebih tinggi, RDS(on) dapat meningkat sebesar 30% hingga 150%, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Karena RDS(on) berubah seiring suhu dan nilai resistansi minimum tidak dapat dijamin, mendeteksi arus berdasarkan RDS(on) tidak dapat dilakukan. metode yang sangat akurat.
Gambar 1 RDS(on) meningkat seiring suhu dalam kisaran 30% hingga 150% dari suhu pengoperasian maksimum
On-resistance sangat penting untuk MOSFET saluran-N dan saluran-P. Dalam peralihan catu daya, Qg adalah kriteria pemilihan utama untuk MOSFET saluran-N yang digunakan dalam peralihan catu daya karena Qg mempengaruhi kerugian peralihan. Kerugian ini memiliki dua efek: satu adalah waktu peralihan yang mempengaruhi hidup dan matinya MOSFET; yang lainnya adalah energi yang diperlukan untuk mengisi kapasitansi gerbang selama setiap proses peralihan. Satu hal yang perlu diingat adalah bahwa Qg bergantung pada tegangan sumber gerbang, bahkan jika menggunakan Vgs yang lebih rendah akan mengurangi kerugian peralihan. Sebagai cara cepat untuk membandingkan MOSFET yang dimaksudkan untuk digunakan dalam aplikasi switching, perancang sering menggunakan rumus tunggal yang terdiri dari RDS(on) untuk rugi-rugi konduksi dan Qg untuk rugi-rugi switching: RDS(on)xQg. "Figur prestasi" (FOM) ini merangkum kinerja perangkat dan memungkinkan MOSFET dibandingkan dalam hal nilai tipikal atau maksimum. Untuk memastikan perbandingan yang akurat antar perangkat, Anda perlu memastikan bahwa VGS yang sama digunakan untuk RDS(on) dan Qg, dan bahwa nilai tipikal dan maksimum tidak tercampur bersama dalam publikasi. FOM yang lebih rendah akan memberi Anda performa yang lebih baik dalam berpindah aplikasi, namun hal ini tidak dijamin. Hasil perbandingan terbaik hanya dapat diperoleh pada rangkaian aktual, dan dalam beberapa kasus rangkaian mungkin perlu disesuaikan untuk setiap MOSFET. Nilai arus dan disipasi daya, berdasarkan kondisi pengujian yang berbeda, sebagian besar MOSFET memiliki satu atau lebih arus pengurasan kontinu dalam lembar data. Anda sebaiknya melihat lembar data dengan cermat untuk mengetahui apakah rating berada pada suhu kasus yang ditentukan (misalnya TC=25°C), atau suhu sekitar (misalnya TA=25°C). Nilai mana yang paling relevan akan bergantung pada karakteristik perangkat dan aplikasinya (lihat Gambar 2).
Gambar 2 Semua nilai arus dan daya maksimum absolut adalah data nyata
Untuk perangkat pemasangan di permukaan kecil yang digunakan pada perangkat genggam, tingkat arus yang paling relevan mungkin adalah pada suhu sekitar 70°C. Untuk peralatan besar dengan heat sink dan pendinginan udara paksa, level arus pada TA=25℃ mungkin lebih mendekati situasi sebenarnya. Untuk beberapa perangkat, cetakan dapat menangani lebih banyak arus pada suhu sambungan maksimum daripada batas paket. Pada beberapa lembar data, level arus "terbatas pada die" ini merupakan informasi tambahan pada level saat ini "terbatas pada paket", yang dapat memberi Anda gambaran mengenai kekokohan dadu. Pertimbangan serupa berlaku untuk disipasi daya berkelanjutan, yang tidak hanya bergantung pada suhu tetapi juga waktu. Bayangkan sebuah perangkat beroperasi terus menerus pada PD=4W selama 10 detik pada TA=70℃. Apa yang dimaksud dengan periode waktu "kontinu" akan bervariasi berdasarkan paket MOSFET, jadi Anda sebaiknya menggunakan plot impedansi transien termal yang dinormalisasi dari lembar data untuk melihat seperti apa disipasi daya setelah 10 detik, 100 detik, atau 10 menit. . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, koefisien ketahanan termal perangkat khusus ini setelah pulsa 10 detik adalah sekitar 0,33, yang berarti bahwa setelah paket mencapai saturasi termal setelah sekitar 10 menit, kapasitas pembuangan panas perangkat hanya 1,33W, bukan 4W. . Meski kapasitas pembuangan panas perangkat bisa mencapai sekitar 2W dalam kondisi pendinginan yang baik.
Gambar 3 Resistansi termal MOSFET ketika pulsa daya diterapkan
Faktanya, kita dapat membagi cara memilih MOSFET menjadi empat langkah.
Langkah pertama: pilih saluran N atau saluran P
Langkah pertama dalam memilih perangkat yang tepat untuk desain Anda adalah memutuskan apakah akan menggunakan MOSFET saluran-N atau saluran-P. Dalam aplikasi daya pada umumnya, ketika MOSFET dihubungkan ke ground dan beban dihubungkan ke tegangan listrik, MOSFET membentuk saklar sisi rendah. Pada saklar sisi rendah, MOSFET saluran-N harus digunakan karena pertimbangan tegangan yang diperlukan untuk mematikan atau menghidupkan perangkat. Ketika MOSFET terhubung ke bus dan memuat ke ground, saklar sisi tinggi digunakan. MOSFET saluran-P biasanya digunakan dalam topologi ini, yang juga karena pertimbangan penggerak tegangan. Untuk memilih perangkat yang tepat untuk aplikasi Anda, Anda harus menentukan voltase yang diperlukan untuk menggerakkan perangkat dan cara termudah untuk melakukannya dalam desain Anda. Langkah selanjutnya adalah menentukan nilai tegangan yang diperlukan, atau tegangan maksimum yang dapat ditahan perangkat. Semakin tinggi peringkat tegangan, semakin tinggi biaya perangkat tersebut. Berdasarkan pengalaman praktis, tegangan pengenal harus lebih besar dari tegangan listrik atau tegangan bus. Ini akan memberikan perlindungan yang cukup sehingga MOSFET tidak akan gagal. Saat memilih MOSFET, perlu ditentukan tegangan maksimum yang dapat ditoleransi dari saluran ke sumber, yaitu VDS maksimum. Penting untuk diketahui bahwa tegangan maksimum MOSFET dapat menahan perubahan suhu. Perancang harus menguji variasi tegangan pada seluruh rentang suhu pengoperasian. Tegangan pengenal harus memiliki margin yang cukup untuk mencakup rentang variasi ini untuk memastikan bahwa rangkaian tidak akan gagal. Faktor keamanan lain yang perlu dipertimbangkan oleh para insinyur desain termasuk transien tegangan yang disebabkan oleh peralihan elektronik seperti motor atau transformator. Tegangan terukur bervariasi untuk aplikasi yang berbeda; biasanya, 20V untuk perangkat portabel, 20-30V untuk catu daya FPGA, dan 450-600V untuk aplikasi 85-220VAC.
Langkah 2: Tentukan arus pengenal
Langkah kedua adalah memilih rating MOSFET saat ini. Tergantung pada konfigurasi rangkaian, arus pengenal ini harus merupakan arus maksimum yang dapat ditahan oleh beban dalam segala keadaan. Mirip dengan situasi tegangan, perancang harus memastikan bahwa MOSFET yang dipilih dapat menahan nilai arus ini, bahkan ketika sistem menghasilkan lonjakan arus. Dua kondisi saat ini yang dipertimbangkan adalah mode kontinu dan lonjakan pulsa. Dalam mode konduksi kontinyu, MOSFET berada dalam kondisi stabil, dimana arus mengalir terus menerus melalui perangkat. Lonjakan pulsa mengacu pada lonjakan besar (atau lonjakan arus) yang mengalir melalui perangkat. Setelah arus maksimum dalam kondisi ini ditentukan, tinggal memilih perangkat yang dapat menangani arus maksimum ini. Setelah memilih arus pengenal, rugi konduksi juga harus dihitung. Dalam keadaan sebenarnya, MOSFET bukanlah perangkat yang ideal karena terdapat kehilangan energi listrik selama proses konduksi yang disebut dengan rugi konduksi. MOSFET berperilaku seperti resistor variabel ketika "on", yang ditentukan oleh RDS(ON) perangkat dan berubah secara signifikan terhadap suhu. Hilangnya daya perangkat dapat dihitung dengan Iload2×RDS(ON). Karena resistansi-on berubah seiring suhu, rugi-rugi daya juga akan berubah secara proporsional. Semakin tinggi tegangan VGS yang diterapkan pada MOSFET, semakin kecil RDS(ON); sebaliknya, semakin tinggi RDS(ON)nya. Bagi perancang sistem, di sinilah trade-off terjadi tergantung pada tegangan sistem. Untuk desain portabel, lebih mudah (dan lebih umum) menggunakan tegangan rendah, sedangkan untuk desain industri, tegangan lebih tinggi dapat digunakan. Perhatikan bahwa resistansi RDS(ON) akan meningkat sedikit seiring dengan arus. Variasi berbagai parameter kelistrikan resistor RDS(ON) dapat ditemukan di lembar data teknis yang disediakan oleh pabrikan. Teknologi mempunyai dampak yang signifikan terhadap karakteristik perangkat, karena beberapa teknologi cenderung meningkatkan RDS(ON) ketika meningkatkan VDS maksimum. Untuk teknologi seperti itu, jika Anda ingin mengurangi VDS dan RDS(ON), Anda harus meningkatkan ukuran chip, sehingga meningkatkan ukuran paket yang cocok dan biaya pengembangan terkait. Ada beberapa teknologi di industri yang mencoba mengendalikan peningkatan ukuran chip, yang paling penting adalah teknologi penyeimbangan saluran dan muatan. Dalam teknologi parit, parit dalam tertanam di wafer, biasanya disediakan untuk tegangan rendah, untuk mengurangi RDS(ON) pada resistansi. Untuk mengurangi dampak VDS maksimum pada RDS(ON), proses kolom pertumbuhan epitaksi/kolom etsa digunakan selama proses pengembangan. Misalnya, Fairchild Semiconductor telah mengembangkan teknologi yang disebut SuperFET yang menambahkan langkah-langkah manufaktur tambahan untuk pengurangan RDS(ON). Fokus pada RDS(ON) ini penting karena ketika tegangan tembus MOSFET standar meningkat, RDS(ON) meningkat secara eksponensial dan menyebabkan peningkatan ukuran cetakan. Proses SuperFET mengubah hubungan eksponensial antara RDS(ON) dan ukuran wafer menjadi hubungan linier. Dengan cara ini, perangkat SuperFET dapat mencapai RDS(ON) rendah yang ideal dalam ukuran cetakan kecil, bahkan dengan tegangan rusaknya hingga 600V. Hasilnya ukuran wafer bisa dikurangi hingga 35%. Bagi pengguna akhir, ini berarti pengurangan ukuran paket secara signifikan.
Langkah Tiga: Tentukan Persyaratan Termal
Langkah selanjutnya dalam memilih MOSFET adalah menghitung kebutuhan termal sistem. Perancang harus mempertimbangkan dua skenario berbeda, skenario terburuk dan skenario dunia nyata. Disarankan untuk menggunakan hasil perhitungan kasus terburuk, karena hasil ini memberikan margin keamanan yang lebih besar dan menjamin sistem tidak akan gagal. Ada juga beberapa data pengukuran yang perlu diperhatikan pada lembar data MOSFET; seperti ketahanan termal antara sambungan semikonduktor perangkat yang dikemas dan lingkungan, dan suhu sambungan maksimum. Suhu sambungan perangkat sama dengan suhu lingkungan maksimum ditambah produk ketahanan termal dan disipasi daya (suhu sambungan = suhu lingkungan maksimum + [tahanan termal × disipasi daya]). Berdasarkan persamaan ini, disipasi daya maksimum sistem dapat diselesaikan, yaitu sebesar I2×RDS(ON) menurut definisi. Karena perancang telah menentukan arus maksimum yang akan melewati perangkat, RDS(ON) dapat dihitung pada suhu yang berbeda. Perlu dicatat bahwa ketika berhadapan dengan model termal sederhana, perancang juga harus mempertimbangkan kapasitas termal sambungan semikonduktor/kotak perangkat dan kotak/lingkungan; ini mengharuskan papan sirkuit tercetak dan paketnya tidak langsung memanas. Kerusakan longsoran berarti tegangan balik pada perangkat semikonduktor melebihi nilai maksimum dan membentuk medan listrik yang kuat untuk meningkatkan arus pada perangkat. Arus ini akan menghilangkan daya, meningkatkan suhu perangkat, dan kemungkinan merusak perangkat. Perusahaan semikonduktor akan melakukan pengujian longsoran pada perangkat, menghitung tegangan longsoran, atau menguji ketahanan perangkat. Ada dua metode untuk menghitung tegangan longsoran pengenal; satu adalah metode statistik dan yang lainnya adalah perhitungan termal. Perhitungan termal banyak digunakan karena lebih praktis. Banyak perusahaan telah memberikan rincian pengujian perangkat mereka. Misalnya, Fairchild Semiconductor menyediakan "Power MOSFET Avalanche Guidelines" (Power MOSFET Avalanche Guidelines-dapat diunduh dari situs web Fairchild). Selain komputasi, teknologi juga mempunyai pengaruh yang besar terhadap efek longsoran salju. Misalnya, peningkatan ukuran cetakan akan meningkatkan ketahanan terhadap longsoran salju dan pada akhirnya meningkatkan ketahanan perangkat. Bagi pengguna akhir, ini berarti menggunakan paket yang lebih besar dalam sistem.
Langkah 4: Tentukan kinerja sakelar
Langkah terakhir dalam memilih MOSFET adalah menentukan kinerja switching MOSFET. Ada banyak parameter yang mempengaruhi kinerja switching, tetapi yang paling penting adalah gerbang/saluran, gerbang/sumber dan kapasitansi saluran/sumber. Kapasitor ini menimbulkan rugi-rugi peralihan pada perangkat karena diisi dayanya setiap kali dialihkan. Oleh karena itu, kecepatan peralihan MOSFET berkurang, dan efisiensi perangkat juga berkurang. Untuk menghitung total rugi-rugi suatu alat selama peralihan, perancang harus menghitung rugi-rugi pada saat penyalaan (Eon) dan rugi-rugi pada saat mematikan (Eoff). Daya total saklar MOSFET dapat dinyatakan dengan persamaan berikut: Psw=(Eon+Eoff)×frekuensi switching. Biaya gerbang (Qgd) memiliki dampak terbesar pada kinerja switching. Berdasarkan pentingnya kinerja peralihan, teknologi baru terus dikembangkan untuk mengatasi masalah peralihan ini. Meningkatkan ukuran chip meningkatkan biaya gerbang; ini meningkatkan ukuran perangkat. Untuk mengurangi kerugian peralihan, teknologi baru seperti oksidasi dasar tebal saluran telah muncul, yang bertujuan untuk mengurangi muatan gerbang. Misalnya, teknologi baru SuperFET dapat meminimalkan kerugian konduksi dan meningkatkan kinerja peralihan dengan mengurangi RDS(ON) dan gate charge (Qg). Dengan cara ini, MOSFET dapat mengatasi transien tegangan berkecepatan tinggi (dv/dt) dan transien arus (di/dt) selama peralihan, dan bahkan dapat beroperasi dengan andal pada frekuensi peralihan yang lebih tinggi.
Waktu posting: 23 Oktober 2023
