一 正确理解MOSFET 数据手册中的热阻值
在数据手册中通常会列出MOSFET 热阻值Rth(j-a)和Rth(j-mb)
Rth(j-a): 指器件结点（die）到周围环境的热阻。可以理解为是MOSFET元件本身的固有属性，无法通过外界的措施加以改善；
Rth(j-mb): 指器件结点到焊接衬底的热阻。焊接衬底通常定义为焊接到 PCB 的点，也是唯一首要的热传导路径。
但要注意的是，表格中给出的值是有测试条件的，如果不是一样的测试条件，热阻值将会不同。如表格下面的注释中明确提到焊接在FR4类型的PCB上，只有一层铜箔，铜箔表面是镀锡的，并且采用的是标准的焊盘封装。
然而在实际的PCB布局上，基本上都不是只有一层铜箔，也有可能用没有镀锡的OSP材质的PCB，所以数据手册中的数据是绝对不能直接应用在实际产品的温度计算中的，而是要根据实际的电路消耗和PCB布局情况通过仿真或者测量的方式来获得真实可信的温度Tj数据。
二 正确设计散热铜箔面积，通过仿真模型理解散热铜箔面积与元件Tj的关系
并不是散热铜箔面积越大，散热效果就会好，通过下面的仿真模型来看一看散热铜箔面积与元件Tj的关系。
下面的仿真模型为一个MOSFET器件焊接在了尺寸为 40 x 40 mm，FR 4 材质的 PCB 上，元件下面的直接相接触的铜箔为边长x mm的正方形，周围环境温度为20°C。
经过扩大焊盘铜箔的边长，不断地进行Tj的仿真，绘制出下面的曲线。可以看出：
结点温度Tj很大程度上依赖于边长x，或者说是单层铜箔的面积。
但随着铜箔面积的增大，Tj的下降将放缓，增大到一定面积后，Tj将不再受铜箔面积的影响。这也展示了“效果递减法则”的道理。
所以并不是焊盘的铜箔面积越大，元件的散热效果就越好。
三 在元件正下方设置无电气连接的铜箔对散热的正向关系
上面展示了一层PCB板，将散热铜箔面积增加到一定大小之后，散热效果将不再明显。那么这时我们就可以将PCB板变为两层板，并在元件的正下方添加相应的铜箔帮助散热，即使没有电气连接的过孔也是有帮助的。
基于第二部分的仿真模型，在元件的正下方设置面积为25mm x 25mm的铜箔，通过变化顶层焊盘铜箔的面积，发现即使没有电气连接性的铜箔也是对散热是有帮助的。
原因可以理解为热是通过热辐射的方式进行上下层之间的传导的。
通过上面的仿真结果图，当顶层元件密度较高时，可以考虑将顶层铜箔面积从 25 x 25 mm 减小到大约 15 x 15mm，然后在底层添加25mm x 25mm的铜箔，这样就可以保证相同的热性性能（Tj都是56°C左右）。
四 PCB 散热孔的设计
4.1 什么是 PCB 散热孔
散热孔是利用贯通PCB板的通道（过孔）使热量传导到背面来散热的手法，配置在发热体的正下方或尽可能靠近发热体。
散热孔是利用PCB板来提高表面贴装部件散热效果的一种方法，在结构上是在PCB板上设置通孔。
如果是单层双面PCB板，则是将PCB板表面和背面的铜箔连接，增加用于散热的面积和体积，即降低热阻的手法。
如果是多层PCB板，则可连接各层之间的面或限定部分连接的层等，目的是相同的。
4.2 PCB 散热孔怎么设置
PCB散热孔的放置和尺寸差异很大，这取决于组件的类型、不同的规则和专业知识。
但一个主要规则是使用散热孔，尽可能靠近加热元件正下方的热源。然后在热源不理想的情况下，无论元件焊盘放置如何，热通孔也可以放置元件的外围。在这种情况下，规则也保持不变，即将散热孔放置在尽可能靠近组外围的位置。
要想有效使用散热孔，很重要的一点是将散热孔配置在靠近发热体的位置，比如在部件的正下方等。如下图所示，可以看出利用热量平衡效果，连接温度差较大的位置是很好的方法。
PCB散热孔放置示例
示例：散热孔的配置以下是背面散热片外露型封装HTSOP-J8的散热孔布局和尺寸示例。
4.3 PCB散热孔一般多大
为提高散热孔的热导率，建议采用可电镀填充的内径 0.3mm 左右的小孔径通孔。需要注意的是，如果孔径过大，在回流焊处理工序可能会发生焊料爬越问题。
散热孔的间隔为1.2mm左右，配置于封装背面散热片的正下方。如果仅背面散热片的正下方不足以散热，则还可在IC的周围配置散热孔。在这种情况下的配置要点是要尽量靠近IC来配置。
4.4不同材料的导热系数
热导率是一个关键因素，用于确定材料可以吸收多少热量。下表可以了解不同材料的导热系数。在这张表的帮助下，就可以有一定参考
见下表：
因此，从上表可知，铝的导热性比铜差。但是，由于铝制散热器的面积更大，因此对加热的设备产生更有效的冷却效果。但是，正如我们所看到的，如果有效使用铜，它可以比相同面积的铝散发更多的热量。
有效的热过孔放置是当过孔在 IC 或使用传导的加热元件焊盘中适当使用时，作为一种热传递方法，热量分布在多层铜之间，然后通过自由空气，散热开始使用对流方法在空气中传输。建议热通孔内径需要更小，例如 大约 0.35 毫米。如果孔径较大，在回流焊过程中可能会出现吸锡不正确的焊接问题，因此需要格外小心。但是，如果需要更大的直径，热填充可能有助于对此进行补偿。
4.5 通过热仿真来看散热孔数量、成本、性能的平衡
一般来讲在器件下方加入过孔可以提升热性能，但我们却很难知道需要加几个过孔才是最佳的方案。添加过孔时要考虑EMC和PCB成本两个方面，做到与散热性能的平衡。
EMC：考虑到EMC向外辐射及信号互相串扰的路径，一般需要PCB中有一层完整的地平面用来屏蔽，但过孔的增加势必会将破坏地平面的整体性。
PCB成本：每一个过孔都是由钻头钻出来的，所以会增加PCB制作的成本。
上面的仿真结果图表明了从器件下面无过孔到器件下面有 20 个过孔，器件的Tj有明显的下降。这清楚表明，热能从 MOSFET 散热片通过过孔传导至第四层，其结果同预料的完全一致。
但也可以发现，尽管在器件下面逐步增加了过孔的个数（由20增加到了77个）却没有导致Tj额外的降温。这是因为我们加入更多的过孔，虽然使得 PCB 板的层与层之间的热传导增加，但同时也减小了可以暴露在空气中与器件接触的第一层 PCB 铜箔的面积。
因此我们并没有看到热性能方面大幅提升。因此结论是通过加入过孔可以提高散热性能，但继续加入过多的过孔，对散热性能不会有明显的提升。
4.6 PCB散热孔设计的其他注意事项
在热通孔设计过程中，需要注意的事项很少，有以下6点建议
4.6 .1、裸露焊盘的设计方式是将热量直接从外壳传递到铜区域。焊料作为散热片的效果不明显，因为它很薄，而且焊料的导电性能差。
U1 裸露焊盘上的热通孔
上图显示了 U1 裸露焊盘上的热通孔。
4.6 .2、、对于裸焊盘封装，最大的散热发生在通过过孔到 PCB 的底层，然后散发到空气中。因此，大面积的底层也将减少元件封装的散热。
4.6 .3、将受热元器件隔开，利用散热孔进行散热，有助于将热量均匀分布到其他封装上。
4.6 .4、热通孔是 DFN 和 QFN 封装上散热的唯一来源，因为顶层铜由于引脚分配而没有最大空间。因此，要使用底层铜，增加热导率的唯一方法是使用散热孔。
U5 和 IC2 使用 散热孔。IC2 使用 QFN 扁平封装，其中热通孔是唯一可能的，因为由于元件焊盘的分布，这不包括焊接层上更大的铜区域。
4.6 .5、热通孔连接设备的有效铜面积将是使用热通孔与元件封装直接连接的最大铜长度（与焊接层无关）。
4.6 .6、铜平面的厚度也影响导热性，2Oz 铜比 1.0 Oz 或 0.5Oz 铜具有更好的耐热性。
五. MOSFET 元件以外的温度影响分析
MOSFET结合点温度Tj是由自身发热所产生的温度和环境温度共同组成的。
想办法更好地散热的同时也要注意到元件以外的温度，如：
产品所在的环境温度：一般为客户需求，不能更改。
元件周围是否有其他高功率，大发热量的器件：这会通过热辐射的方式来提升元件周围的温度，造成理论设计计算中考虑不到的失效。
增加空气对流散热方式：产品是否可以加入风扇来加快空气流动，提高散热性能。
MOSFET的散热不光靠焊接衬底，也可以通过管脚来散热，所以增大管脚焊盘的铜箔面积也是有积极效果的。
极限情况下也可以考虑加入散热片来增加散热面积。
六 选择顶部散热、 双面散热、集成合封等先进封装工艺产品
（以重庆平伟 TCOP10 顶部散热为例）
由于器件的引线框架（包括裸露漏极焊盘）直接焊接到覆铜区，这导致热量主要通过PCB进行传播。而器件的其余部分均封闭在塑封料中，仅能通过空气对流来散热。因此，热传递效率在很大程度上取决于电路板的特性：覆铜的面积大小、层数、厚度和布局。无论电路板是否安装到散热器上，都会导致这种情况的发生。通常器件的最大功率能力无法达到最优情形，是因为 PCB 一般不具有高的热导率和热质量。为解决这个问题并进一步缩小应用尺寸，全球功率器件巨头们都在极力开发一种新的 MOSFET 封装，即让 MOSFET 的引线框架（漏极）在封装的顶部暴露出来（如下图所示）。
为何要推出顶部散热封装设计？
在半导体行业发展的相当一段时间里，不论是功率半导体、模拟半导体，还是数字半导体，芯片的尺寸都在不断地缩小，工艺在不断地微缩。具体到功率半导体方面，过去十多年的芯片演进主要在晶圆部分，比如使用更小的芯片尺寸，实现更低的导通阻抗等等，随着时间的推移，专家们逐渐发现封装技术成为了突破瓶颈的关键方式。
硅功率器件的FOM值基本已经达到了物理极限，在此情况下要想继续降低导通阻抗或者是实现更高的能效，封装技术是继续把硅的功率发挥到极致的必经之路。不仅是硅基半导体，现在大热的宽禁带半导体SiC/GaN也需要仰仗新的封装技术,TCOP10顶部散热封装为顾客带来的好处.
TCOP10顶部散热封装技术能够带来最大的益处在于：高度优化了生产工艺，让整个装配过程步骤变少，自动化制造流程更简洁，最终在下游厂商端实现包括PCB数量、层级和板间连接器用量减少，带来装配及整体系统成本大幅降低。
优化MOSFET应用需要尽可能降低系统热阻（Rthja），同时实现最高结温（Tj）。如此一来能够最大限度地增加流入散热片的热量，并最大限度地减少流入PCB的热量。
熟悉功率半导体行业的读者应该还有印象，10年前千瓦及以上的大功率应用基本以插件封装（THD）技术为主，例如大家熟知的TO247、TO220封装。这类插件封装技术的优势在于，在当时的装配和封装工艺下能使工程师最大限度地利用外加的散热片，非常高效地将芯片内部产生的热量散发出芯片之外，让芯片能够工作在一个大功率的应用场景中。
但随着数据中心、5G无线通信宏基站、工业或汽车驱动电机等设备对于功率密度的要求越来越高，设备尺寸越做越小。开始要求电源或电机驱动应用的电路板设计中采用更少，或不用独立散热片，同时把更多的热量均匀地散发到整个设备之外。我们经过长时间与产业链下游的行业头部客户以及工程师讨论，最终在业界达成共识，那就是顶部散热才是解决这一矛盾的根本途径。
贴片化是从带独立散热片的插件封装走向更高功率散热的第一步。一般贴片封装的散热主要是靠芯片底部跟PCB（印刷电路板）之间的接触，利用PCB铜箔把芯片产生的热量散发出去。但是这样做的一个明显弊端在于，它需要耗费比较大的PCB铜箔面积，才能有效地把热量散发出去。如果在此期间不能够用面积足够大的PCB铜箔，那么在芯片底部就会形成一个热点，而这个热点会给PCB带来很大的压力。目前业界常用的PCB是FR4材质，该材质的最高温度上限为110℃左右。在更高的功率设计中，底部散热封装无法通过贴片和PCB之间结合均匀地把更多热量散出去，导致这种散热方式走到了瓶颈。
而顶部散热只需要在顶部使用一个薄薄的散热片，而不靠底部的散热片去散热，它可以在同样的PCB材质下，更有效、更均匀地把热量散发出去。同时，它给用户带来的好处便是在同样的散热面积下，可提升整个设备对外输出的功率。
顶部散热的封装方案，顶部散热的主要优势在于；
●满足更大功率需求：优化利用电路板空间,节省PCB成本；
●提高功率密度：顶部散热可实现最高电路板利用率；
●提高效率：经优化的结构具有低电阻和超低寄生电感，可实现更高效率；
●减轻重量：综合优化散热和发热，有助于打造更小巧的外壳，从而减少用料，减轻重量；
TCOP10顶部封装最为适合数据中心、通信基站、汽车等需要产品具有体积小、重量轻、功率密度高、效率高等特性的应用场景中。其实，几家国际功率大厂比较早投入研发顶部散热封装技术。随着友商发现封装技术的发展趋势，未来做顶部散热封装技术的友商变得越来越多。平伟实业紧跟国际功率先进技术潮流，近三年来不断投入研发资源开发量产DFN铜夹片工艺，DFN5X6双面散热，TOLL/STOLL 大功率封装，到现在的TCOP10顶部散热，技术迭代创新，不断突破极限，为国内同行开辟新路线，填补技术空白。
平伟实业MOSFET 的先进封装还在迭代创新，顶部散热、 双面散热后，还在做集成合封的创新研究中，
任何MOS 选型、设计、 散热仿真等欢迎留言或者联系区域负责的销售经理，星瀚微Starrymicro 为您提供超附加的价值，全心全意为客户服务。
