隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)的功率密度持續(xù)提高，高效的熱管理已成為確保系統(tǒng)性能、可靠性和使用壽命的關(guān)鍵因素——尤其是在工業(yè)驅(qū)動(dòng)、汽車系統(tǒng)和供電等高功率應(yīng)用領(lǐng)域。盡管通過 PCB 進(jìn)行底部散熱的方法已作為標(biāo)準(zhǔn)沿用多年，但頂部散熱正逐漸成為一種更高效的替代方案。本文將重點(diǎn)闡述頂部散熱相較于傳統(tǒng) PCB 散熱及雙面散熱方案所具有的核心優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)底部散熱

對(duì)于采用底部散熱的 MOSFET，半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱量通過器件的漏極墊傳導(dǎo)到 PCB，再從 PCB 傳導(dǎo)到散熱器或散熱平面，通常通過熱過孔陣列實(shí)現(xiàn)。雖然這種方法需要預(yù)留足夠空間以布置熱過孔，但如果沒有熱過孔，PCB 材料的熱導(dǎo)率將占主導(dǎo)，無法有效散熱。

然而，底部散熱存在諸多局限性。由于有多個(gè)界面，熱阻往往相對(duì)較高，包括從裸晶到封裝、從封裝到 PCB，從 PCB 到散熱器的界面以及 FR4 等 PCB 材料的低導(dǎo)熱性。此外，散熱還受到 PCB 布局和可用占板空間的限制。

雙面散熱

雙面散熱技術(shù)旨在通過使熱量同時(shí)從 MOSFET 頂部和底部散發(fā)，從而提升散熱效率。盡管這種方法能夠提高散熱性能，但同時(shí)也增加了機(jī)械集成和電路板設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。這種方法帶來了幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)。由于需要額外的散熱器或熱墊，導(dǎo)致成本增加。它還使裝配過程變得復(fù)雜，并且由于器件兩側(cè)的熱膨脹不匹配而產(chǎn)生更高的機(jī)械應(yīng)力。

頂部散熱的優(yōu)點(diǎn)

頂部散熱型 MOSFET 采用將漏極暴露在封裝頂部的設(shè)計(jì)方法。這使得漏極能夠直接與散熱片或冷卻板接觸，從而顯著降低熱阻。這種方法有多項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。首先，整體熱阻更低，因?yàn)闊醾鲗?dǎo)路徑更短且更直接（見圖1）。

1. 標(biāo)準(zhǔn) 8x8L 封裝與頂部散熱 8x8LR 封裝對(duì)比。

其次，由于散熱效率更高，設(shè)計(jì)師能夠在不超出發(fā)熱限制的情況下提高功率輸出，從而提升功率密度（見圖 2）。第三，頂部散熱簡(jiǎn)化了 PCB 設(shè)計(jì)，因?yàn)榈撞靠梢酝耆糜陔姎膺B接，減少了對(duì)復(fù)雜熱過孔結(jié)構(gòu)的需求。在可靠性方面，更低的工作溫度有助于延長(zhǎng)組件壽命，并提高整體系統(tǒng)可靠性。此外，散熱器可以與 PCB 機(jī)械分離，這減少了對(duì)焊點(diǎn)施加的應(yīng)力，并有助于防止在熱循環(huán)過程中發(fā)生變形或開裂。

圖 2. 底部散熱型標(biāo)準(zhǔn)封裝 (SQJQ140E) 與頂部散熱型封裝 (SQJQ140ER) 在不同負(fù)載電流下的 PCB 溫度對(duì)比。

例如，頂部散熱型 PowerPAK 8x8LR 封裝采用無引線鍵合設(shè)計(jì)，以最大限度地降低電氣和熱阻，并配備了鷗翼引線，旨在實(shí)現(xiàn)最大的機(jī)械應(yīng)力緩解（見圖1）。暴露的頂部焊盤提供了一條低熱阻的散熱路徑，而頂部散熱功能使器件在頂部表面貼裝散熱片時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的性能。由于熱量直接散發(fā)到散熱片，PCB 不再是主要熱傳導(dǎo)路徑，同時(shí)可以避免在 MOSFET 的 PCB 區(qū)域使用熱過孔。其余組件可以縮小尺寸，從而使 PCB 的銅含量更低，而且成本更低。

這種封裝還經(jīng)過嚴(yán)格的應(yīng)力測(cè)試，以確保與 PCB 的連接完整性以及電路板的高可靠性。最高結(jié)溫可達(dá) 175 ℃，與更低溫度等級(jí)的器件相比，這使得其使用壽命更長(zhǎng)。

應(yīng)用與展望

頂部散熱在高功率模塊、汽車逆變器和服務(wù)器電源等應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)尤為明顯，因?yàn)檫@些領(lǐng)域?qū)臻g和熱管理有嚴(yán)格要求。隨著封裝技術(shù)的演進(jìn)（例如 DirectFET、LFPAK 或 TSC 封裝），頂部散熱型 MOSFET 日益普及，而且成本效益更高，適用于更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。除 8 mm x 8 mm 的 PowerPAK 8x8LR 外，Vishay 還推出了不同尺寸的替代方案，以滿足不同功率的需求，例如 5 mm x 7 mm 的 PowerPAK SO-10LR 和 10 mm x 15  mm 的 PowerPAK 10x15LR，這兩款產(chǎn)品將于今年晚些時(shí)候上市。

盡管底部散熱和雙面散熱方法在功率電子領(lǐng)域仍占有一席之地，但頂部散熱技術(shù)憑借其在性能、設(shè)計(jì)靈活性和長(zhǎng)期可靠性方面的明顯優(yōu)勢(shì)，已成為一種極具吸引力的替代方案。

注：熱設(shè)計(jì)尊重原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載文章的版權(quán)歸原作者或原公眾號(hào)所有。

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