與便攜式產(chǎn)品發(fā)展并駕齊驅(qū)

功率元件小型化的競賽在上個(gè)世紀(jì)九十年代初便開始了。那時(shí)，人們對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。
在功率晶體管市場有了異乎尋常的增長之后，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)展趨勢仍然是把尺寸做得更小、集成更多的功能。因此，對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。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)很有競爭力的功率元件，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?？梢钥吹?，倒裝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，這在低功率市場引發(fā)了一場革命。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)方面也很有競爭力。
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)器等對空間和性能要求都極為苛刻的應(yīng)用場合，倒裝芯片器件是用于這些設(shè)備的理想器件。■