與便攜式產(chǎn)品發(fā)展并駕齊驅(qū)

功率元件小型化的競(jìng)賽在上個(gè)世紀(jì)九十年代初便開始了。那時(shí)，人們對(duì)索尼公司的隨身聽這類手持式消費(fèi)類產(chǎn)品的需求急速上升，為了滿足人們的需要以及改善產(chǎn)品性能，元器件制造商努力把器件做得更容易裝配，同時(shí)盡量減少功率封裝的尺寸。例如，摩托羅拉公司推出的被稱作D-Pak的第一個(gè)表面貼裝的功率封裝，尺寸要比TO-220封裝小很多，但是電氣性能并不亞于TO-220封裝。此外，由于縮短了用成型工藝制造的引腳，以及使用可以焊接的焊盤，D-Pak的出現(xiàn)，使得功率元件第一次可以可靠地用常規(guī)的表面貼裝工藝進(jìn)行裝配。
在功率晶體管市場(chǎng)有了異乎尋常的增長(zhǎng)之后，制造商們開始利用同樣的表面貼裝技術(shù)來改進(jìn)功率二極管。最早在市場(chǎng)上出現(xiàn)的表面貼裝整流器封裝是D-64，它里面安裝了一只1A的二極管，在電路板上占用的面積只有15.4 mm2。在功率元件的表面貼裝技術(shù)成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之后，整機(jī)制造商們自然而然地利用元件密度的提高來縮小便攜設(shè)備的尺寸，或者增加其功能。在設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師通常利用SO-8、SOT-23、TSSOP-8 和TSOP-6封裝來滿足MOSFET功率晶體管的需要，而利用SMC、 SMB、SMA和DO-216AA封裝來滿足二極管的需要。

圖1  比較了倒裝芯片與標(biāo)準(zhǔn)封裝的芯片面積與封裝面積之比

從目前來看，便攜設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)仍然是把尺寸做得更小、集成更多的功能。因此，對(duì)功率管理中使用的尺寸更小的功率集成電路以及有關(guān)分立元件的需求將繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)。Communications Industry Researchers公司在最近的一份報(bào)告中指出，2004年功率半導(dǎo)體器件的總銷售量預(yù)計(jì)將達(dá)到43億美元，到2008年將攀升到72億美元。在某些情況下，盡管低功率元件可以用集成的辦法來縮小尺寸，但是仍然有很多功率元件，例如MOSFET功率晶體管和肖特基二極管，由于在尺寸方面受到的限制或者不能充分地散熱，而不易于集成。元器件制造商們認(rèn)識(shí)到了這點(diǎn)，正不斷努力以進(jìn)一步縮小那些很難集成在一塊硅片上的器件的封裝尺寸，并且提高它們的性能。
在進(jìn)一步縮小MOSFET功率晶體管和肖特基二極管這些功率元件的尺寸時(shí)，人們遇到的困難是，為了流過一定數(shù)量的電流，對(duì)于給定的工藝來講，需要一定面積的硅片，這樣特性參數(shù)才能達(dá)到要求，才能有效地散熱。在使用傳統(tǒng)技術(shù)的情況下，即使可以把硅片面積減少很多，在特性參數(shù)方面也能達(dá)到要求，可是仍然需要把芯片安裝在引線框上，然后在上面覆蓋模塑材料，把硅片和四周環(huán)境隔離開來。而在使用現(xiàn)有工藝的情況下，引線框和覆蓋在上面的模塑材料的體積一般是硅的五倍以上。所增加的這些封裝材料的體積，對(duì)降低高度和縮小在電路板上占的面積影響很大，同時(shí)還會(huì)帶來不需要的特性參數(shù)，如增大半導(dǎo)體結(jié)、四周環(huán)境的熱阻和引線電感等，此外對(duì)裝配工序和成本也會(huì)產(chǎn)生很多影響。
國際整流器公司為向產(chǎn)業(yè)界提供最小的FlipFET  MOSFET功率晶體管和FlipKY肖特基二極管而研制的一種新方法，通過把現(xiàn)有的硅半導(dǎo)體工藝和芯片級(jí)封裝(CSP)技術(shù)結(jié)合起來，可制造出面積很小、特性參數(shù)很有競(jìng)爭(zhēng)力的功率元件，并同時(shí)大量地減少了常規(guī)封裝中那些不需要的特性參數(shù)。在本文中，把這些器件統(tǒng)稱為倒裝芯片器件。圖1是市場(chǎng)上買得到的一些表面貼裝器件的芯片面積與封裝面積比值的發(fā)展趨勢(shì)?？梢钥吹剑寡b芯片的芯片面積與封裝面積的比值是最大的，是特別適合于空間受限制的便攜設(shè)備的封裝技術(shù)。
FlipFET功率晶體管和FlipKY肖特基二極管是真正在晶片上進(jìn)行的芯片級(jí)封裝元件，硅芯片本身就是封裝。這些器件上有焊錫球珠，它們之間的距離是0.8 mm，可以用常規(guī)的表面貼裝工藝進(jìn)行裝配。

這個(gè)系列最早的產(chǎn)品是IRF6100 型FlipFET功率晶體管，而最近推出的IR140CSP型FlipKY肖特基二極管是業(yè)界最小的1 A肖特基二極管。這些倒裝芯片器件不需要引線框，也不需要在上面覆蓋模塑材料，這在低功率市場(chǎng)引發(fā)了一場(chǎng)革命。因?yàn)橐€框和覆蓋模塑材料是低功率至中功率二極管流行使用的傳統(tǒng)工藝。同時(shí)倒裝芯片器件與常規(guī)封裝的功率硅芯片在封裝形式上也不相同，在常規(guī)硅芯片的兩個(gè)表面上都有漏極和源極或者陽極和陰極，而倒裝芯片器件的引出端子都在硅芯片的同一個(gè)表面上，這將顯著減小此類器件的封裝尺寸。
在連接方式上倒裝芯片器件與傳統(tǒng)器件也有所不同，該類器件是利用焊盤直接進(jìn)行連接，而不是用伸出來的引腳進(jìn)行連接。與傳統(tǒng)上最接近的最小封裝相比，這樣做不僅把器件在印刷電路板上的面積減少了78%，而且還把高度減少了30%，因此，可以把倒裝芯片器件用于面積和高度都受到很大限制的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員利用無引線連接的方法，可以輕而易舉地把元件裝到印刷電路板上，這樣做進(jìn)一步減小了電路板的電感，提高了電路的總體效率，尤其在開關(guān)電路應(yīng)用方面，這一點(diǎn)特別重要。
此外，與覆蓋了模塑材料的標(biāo)準(zhǔn)封裝相比，F(xiàn)lipFET功率晶體管不僅節(jié)省了空間，同時(shí)在特性參數(shù)方面也很有競(jìng)爭(zhēng)力。
元件制造商不斷致力于開發(fā)尺寸小、可以進(jìn)行表面貼裝的功率元件，從而使得整機(jī)制造商能夠?qū)Ⅲw積較大的便攜式產(chǎn)品，變成體積更小的手持產(chǎn)品。隨著科技的發(fā)展，以及客戶對(duì)體積、功能日益苛刻的需求，可以看到發(fā)展的潮流不僅是進(jìn)一步縮小便攜式產(chǎn)品的尺寸，而且要把更多功能集成到手持產(chǎn)品中去，這就要求元器件廠商要繼續(xù)研發(fā)尺寸更小的集成電路和功率元件。但是，在使用常規(guī)的引線框和覆蓋模塑材料的功率封裝時(shí)，縮小封裝尺寸的進(jìn)度，很快就受到限制?？朔@局限性的一個(gè)辦法是在晶片上進(jìn)行的芯片級(jí)封裝，該辦法旨在不用引線框、不覆蓋模塑材料，把硅片本身做成封裝，從而大大提高電路板的集成度。對(duì)于業(yè)界來講，這并不是什么新事物，但是國際整流器公司是第一家用這種工藝制造MOSFET功率晶體管和肖特基二極管的公司。與采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)封裝、性能相似的產(chǎn)品比較，該公司制造的FlipFET功率晶體管和FlipKY肖特基二極管在電路板上占用的面積減少了78 %。對(duì)于便攜式設(shè)備、蜂窩電話、PDA、數(shù)碼相機(jī)、手持式電腦、MP3播放器以及硬盤驅(qū)動(dòng)器等對(duì)空間和性能要求都極為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合，倒裝芯片器件是用于這些設(shè)備的理想器件。■