引言
使用生产厂封装的功率mosfet器件，可以大幅度地提高多相稳压器组件(vrm)的功率密度。电流密度的提高是由两个因素决定的：1. 封装的寄生阻抗降低了；2. 功率器件的半导体结和外界环境之间的热阻大幅度地减少了。
要充分地发挥生产厂提供的封装的优点，很大程度上取决于系统设计人员所采用的热管理方案。本文将探讨可以用于生产厂封装好的器件的各种热管理方案，并且引用了国际整流器公司测试的数据，来评估使用小型散热器改善这些器件散热性能的优点。本文也研究了在进行通电循环的情况下，在器件上直接安装散热器时，对器件可靠性的影响。
图1是国际整流器公司的directfet封装mosfet的结构图，在这个器件中，把一块功率mosfet裸片装在一个铜质外壳上。这个mosfet的栅极和源极是在裸片的正面，它们的连接电极是可焊接的，而背面是mosfet漏极的电极，使用一种导电粘合剂固定在外壳上。外壳顺着mosfet的四个边弯下来，这样就可以把漏极连接到电路板上。
与so-8等常规的封装技术相比，把功率mosfet裸片装在铜质外壳中，在热性能方面有很大的优点：封装的顶部(即金属外壳)与功率mosfet之间的连接热阻很小。由于是利用这个热阻很小的散热通路把热量从功率芯片上散发出去，传送到电路板上的热量就比较少。换句话说，热量是从功率芯片经过电路板和封装的顶部散发出去的。这项技术称作双面冷却，利用该技术，电路设计人员可以十分灵活地实现极为有效的热管理方案。

图1 directfet封装mosfet的结构图
小型散热器
在directfet设计中，实现热管理的一个方案是使用小型散热器，可以把它直接装到器件的表面上。
在安装时，可在散热器表面上使用散热膏，在器件上还装了热电偶，用于测量器件外壳的温度。
为了对实际情况进行全面的评估，在试验中使用了实验风洞，用它来模拟各种冷却条件所产生的影响，用以测试directfet封装器件的热性能。这个风洞是一个用绝缘塑料做成的空心圆筒，在圆筒的入口处有一个变速交流风扇。风扇吹出来的气流经过一个格网板形成层流型气流，进入到系统中。在风扇出口处安装一个波托管，用它来测量气流的速度。
在实验期间，在每个mosfet的栅极和源极之间连接一个电压跟随器，用它来控制mosfet的功耗。电压跟随器是由运算放大器构成的。这样，每一个mosfet都工作在线性范围，它消耗的功率是恒定的，加在器件的栅极和源极之间的电压不存在漂移。每个mosfet栅极与源极之间所加的电压决定了器件所消耗的功率，这个功率可以由测量到的电压和电流通过计算得到。

研究结果
把恒定的功率加在mosfet的半导体结上，监测器件外壳的温度，可以得到散热器的温度上升到稳定值所用的时间。在器件通电大约300秒之后，外壳的温度上升到稳定的数值。
在没有散热器、directfet封装与环境之间是自然对流散热的情况下，封装与环境之间的热阻r热(外壳-环境)为50℃/w。在自然对流的情况下，加上散热器时，r热(外壳-环境)下降到41.8~45℃/w，这与所用散热器的类型有关。由这个数据可以得到的结论是：在自然对流的情况下，加上散热器后，虽然r热(外壳-环境)减小了，但从设计的热管理方面讲，元件、材料和装配成本也增加了，所以意义并不大。但是，在人工冷却的情况下，在生产厂提供封装的器件上加一个散热器，它的作用就很大。在人工冷却的气流速度为2.3m/s时，r热(外壳-环境)降低到12.3~12.5℃/w，热阻减少的数量不止21℃/w，这取决于所使用的散热器。
随着气流速度上升，外壳温度会随器件功率变化的曲线的斜率下降。这说明外壳与环境之间的热阻随着气流速度的上升而减少。

小型散热器对器件可靠性的影响
上述试验说明，在directfet封装上安装一个小型散热器，可以大幅度地降低外壳与环境之间的热阻。但是，用散热器散热也会对可靠性产生影响，主要包括以下3种情况：
1. 由于安装了散热器，降低了半导体结的工作温度，会对器件的平均无故障时间(mttf)产生影响。
2. 由于安装了散热器，降低了半导体结的工作温度，对电路上焊点疲劳产生影响。
3. 由于在directfet封装顶部装了一个散热器，因此造成的机械应力对热循环性能可能产生影响。
在一项应用中，降低半导体结的温度可以提高mosfet的寿命，这是广为人知的。通过人工冷却实验的结果，可以看到，装一个小型散热器，把热阻r热(结－环境)从21℃/w (没有散热器)降低到12.5℃/w (有散热器)。对于一个功耗是4w的应用，这意味着增加一个散热器，可以把半导体结的温度降低34℃。利用arrhenius公式，可以计算出，温度下降34℃大概相当于器件的平均无故障时间增加10倍以上。
随着工作温度的降低，器件/电路板系统温度变化的范围也收窄了。这样将会降低电路板上焊点疲劳的速度。工作温度范围降低34℃，这相当于器件的平均无故障时