与便携式产品发展并驾齐驱

功率元件小型化的竞赛在上个世纪九十年代初便开始了。那时，人们对索尼公司的随身听这类手持式消费类产品的需求急速上升，为了满足人们的需要以及改善产品性能，元器件制造商努力把器件做得更容易装配，同时尽量减少功率封装的尺寸。例如，摩托罗拉公司推出的被称作D-Pak的第一个表面贴装的功率封装，尺寸要比TO-220封装小很多，但是电气性能并不亚于TO-220封装。此外，由于缩短了用成型工艺制造的引脚，以及使用可以焊接的焊盘，D-Pak的出现，使得功率元件第一次可以可靠地用常规的表面贴装工艺进行装配。
在功率晶体管市场有了异乎寻常的增长之后，制造商们开始利用同样的表面贴装技术来改进功率二极管。最早在市场上出现的表面贴装整流器封装是D-64，它里面安装了一只1A的二极管，在电路板上占用的面积只有15.4 mm2。在功率元件的表面贴装技术成为行业标准之后，整机制造商们自然而然地利用元件密度的提高来缩小便携设备的尺寸，或者增加其功能。在设计中，设计师通常利用SO-8、SOT-23、TSSOP-8 和TSOP-6封装来满足MOSFET功率晶体管的需要，而利用SMC、 SMB、SMA和DO-216AA封装来满足二极管的需要。

图1 比较了倒装芯片与标准封装的芯片面积与封装面积之比

从目前来看，便携设备的发展趋势仍然是把尺寸做得更小、集成更多的功能。因此，对功率管理中使用的尺寸更小的功率集成电路以及有关分立元件的需求将继续保持高速增长。Communications Industry Researchers公司在最近的一份报告中指出，2004年功率半导体器件的总销售量预计将达到43亿美元，到2008年将攀升到72亿美元。在某些情况下，尽管低功率元件可以用集成的办法来缩小尺寸，但是仍然有很多功率元件，例如MOSFET功率晶体管和肖特基二极管，由于在尺寸方面受到的限制或者不能充分地散热，而不易于集成。元器件制造商们认识到了这点，正不断努力以进一步缩小那些很难集成在一块硅片上的器件的封装尺寸，并且提高它们的性能。
在进一步缩小MOSFET功率晶体管和肖特基二极管这些功率元件的尺寸时，人们遇到的困难是，为了流过一定数量的电流，对于给定的工艺来讲，需要一定面积的硅片，这样特性参数才能达到要求，才能有效地散热。在使用传统技术的情况下，即使可以把硅片面积减少很多，在特性参数方面也能达到要求，可是仍然需要把芯片安装在引线框上，然后在上面覆盖模塑材料，把硅片和四周环境隔离开来。而在使用现有工艺的情况下，引线框和覆盖在上面的模塑材料的体积一般是硅的五倍以上。所增加的这些封装材料的体积，对降低高度和缩小在电路板上占的面积影响很大，同时还会带来不需要的特性参数，如增大半导体结、四周环境的热阻和引线电感等，此外对装配工序和成本也会产生很多影响。
国际整流器公司为向产业界提供最小的FlipFET MOSFET功率晶体管和FlipKY肖特基二极管而研制的一种新方法，通过把现有的硅半导体工艺和芯片级封装(CSP)技术结合起来，可制造出面积很小、特性参数很有竞争力的功率元件，并同时大量地减少了常规封装中那些不需要的特性参数。在本文中，把这些器件统称为倒装芯片器件。图1是市场上买得到的一些表面贴装器件的芯片面积与封装面积比值的发展趋势。可以看到，倒装芯片的芯片面积与封装面积的比值是最大的，是特别适合于空间受限制的便携设备的封装技术。
FlipFET功率晶体管和FlipKY肖特基二极管是真正在晶片上进行的芯片级封装元件，硅芯片本身就是封装。这些器件上有焊锡球珠，它们之间的距离是0.8 mm，可以用常规的表面贴装工艺进行装配。

这个系列最早的产品是IRF6100 型FlipFET功率晶体管，而最近推出的IR140CSP型FlipKY肖特基二极管是业界最小的1 A肖特基二极管。这些倒装芯片器件不需要引线框，也不需要在上面覆盖模塑材料，这在低功率市场引发了一场革命。因为引线框和覆盖模塑材料是低功率至中功率二极管流行使用的传统工艺。同时倒装芯片器件与常规封装的功率硅芯片在封装形式上也不相同，在常规硅芯片的两个表面上都有漏极和源极或者阳极和阴极，而倒装芯片器件的引出端子都在硅芯片的同一个表面上，这将显著减小此类器件的封装尺寸。
在连接方式上倒装芯片器件与传统器件也有所不同，该类器件是利用焊盘直接进行连接，而不是用伸出来的引脚进行连接。与传统上最接近的最小封装相比，这样做不仅把器件在印刷电路板上的面积减少了78%，而且还把高度减少了30%，因此，可以把倒装芯片器件用于面积和高度都受到很大限制的设计。设计人员利用无引线连接的方法，可以轻而易举地把元件装到印刷电路板上，这样做进一步减小了电路板的电感，提高了电路的总体效率，尤其在开关电路应用方面，这一点特别重要。
此外，与覆盖了模塑材料的标准封装相比，FlipFET功率晶体管不仅节省了空间，同时在特性参数方面也很有竞争力。
元件制造商不断致力于开发尺寸小、可以进行表面贴装的功率元件，从而使得整机制造商能够将体积较大的便携式产品，变成体积更小的手持产品。随着科技的发展，以及客户对体积、功能日益苛刻的需求，可以看到发展的潮流不仅是进一步缩小便携式产品的尺寸，而且要把更多功能集成到手持产品中去，这就要求元器件厂商要继续研发尺寸更小的集成电路和功率元件。但是，在使用常规的引线框和覆盖模塑材料的功率封装时，缩小封装尺寸的进度，很快就受到限制。克服这局限性的一个办法是在晶片上进行的芯片级封装，该办法旨在不用引线框、不覆盖模塑材料，把硅片本身做成封装，从而大大提高电路板的集成度。对于业界来讲，这并不是什么新事物，但是国际整流器公司是第一家用这种工艺制造MOSFET功率晶体管和肖特基二极管的公司。与采用业界标准封装、性能相似的产品比较，该公司制造的FlipFET功率晶体管和FlipKY肖特基二极管在电路板上占用的面积减少了78 %。对于便携式设备、蜂窝电话、PDA、数码相机、手持式电脑、MP3播放器以及硬盘驱动器等对空间和性能要求都极为苛刻的应用场合，倒装芯片器件是用于这些设备的理想器件。■