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處理器頻率躍進

最新的Pentium4計算機在全速運轉時耗電大約為50瓦，而Intel專門針對服務器與工作站應用所設計的最新Itanium處理器耗電則大幅攀升到130瓦，另一方面，其它的制造商，如IBM與AMD所生產(chǎn)的芯片產(chǎn)品也有類似的功率需求，不過消耗功率所代表的僅僅是目前直流─直流轉換器要求的一部份，因為將電壓由以往的5V降到低于1V，在相同的功率消耗情況下，電流的需求卻提升了5倍之多。

在轉換器設計中，功率耗損大約等于負載電流的平方，因此將電流提升5倍就會造成大約25倍的功率耗損，大部份的討論都將焦點放在采用新的改良型組件或電路組態(tài)來改善效率，雖然可以將耗損控制在以較線性的方式增加，但要將最新功率轉換器上愈來愈高的熱能移除也引發(fā)了系統(tǒng)包裝方式的快速改變。

如果這樣聽起來挑戰(zhàn)性還不夠，那么伴隨因特網(wǎng)而來的服務器快速成長需求也為服務器帶來全新的要求，因為必須要能夠容納在一個機箱高度(1U)單位的機殼中，這項要求縮減了超過一半的可用空間，并且將電流密度提升了約10倍。依業(yè)界預估，功率密度的需求將從2000年的每平方英寸5瓦快速提升到2006年的每平方英寸20瓦。

為了解決這些挑戰(zhàn)，設計工程師已經(jīng)開始采用更有效率的多相位轉換器，同時提升可使用散熱片的氣流量與尺寸，雖然加入強制式氣流散熱功能是讓目前轉換器能夠滿足較舊型處理器挑戰(zhàn)的重大突破，但由于在有限空間內快速移動氣流所帶來噪聲的影響，因此會限制氣流量的提升。現(xiàn)有的系統(tǒng)雖然在可接受的噪聲范圍內，但較高的氣流還是無法滿足現(xiàn)有包裝，如SO-8或加強型SO-8組件等透過將熱能由功率MOSFET傳送到電路板然后再送到散熱片上的要求。表1顯示了當MOSFET可以由包裝頂端直接散熱所帶來的大氣接面熱阻抗R(THj-a)的重大改善，將熱阻抗降低到1/3，可以帶來3倍的可允許功率消耗，或降低MOSFET接面溫度以改善可靠度，目前市面上有兩種新型包裝能夠讓熱能有效地由功率MOSFET組件的頂端與底端散熱。

散熱需求殷切封裝技術更上一層樓

其中一種包裝為第業(yè)界第一個完全針對功率半導體應用所設計，專利的DirectFET技術表面黏著包裝，從表1中我們可以看到，這種形式的包裝可以由組件的頂端散熱讓熱能離開電路板，透過采用散熱片與冷卻氣流，這個MOSFET可以由包裝的頂端散去更多的熱能，與傳統(tǒng)的SO-8比較，可以降低運作溫度達50℃，高效率的頂端散熱可以將熱能由電路板移除，而冷卻整個電路則能提升組件所能承載的電流量，較高的頂端Rth(J-C)阻抗可以解釋為什么標準或衍生型SO-8包裝會使用透用電路板的單端冷卻方式，因此在效能上的些微提升就值回努力。

結合更新的硅芯片技術與新的改進型MOSFET包裝，加上使用最新，由Intel最新電壓穩(wěn)壓器規(guī)格VR 10.x所規(guī)范的散熱片尺寸可以用來作為目前可以達到效能的范例，請見表2。

用來描述可達到電流密度所采用的組件為IRF6608與IRF6618，由國際整流器公司最新的控制芯片IR3081與相位芯片IR3087所推動，請見表2，顯示了FET頂端與底端，底端FET上散熱片為VRM 10.x設計，尺寸為95mmx25mm(3.8英吋x 0.9英吋)，電路板為6層板4 oz銅線并使用貫孔接點(pad-in-via)技術，在輸出與輸入濾波器上則采用「全陶瓷」解決方案。

采用D-Pak或SO-8包裝組件的類似設計在每個相位上使用4到5顆組件，不僅增加零件數(shù)，同時也帶來更高的包裝耗損與切換耗損，同時增加平行運作的MOSFET數(shù)目也會提高驅動器的耗損并影響效率，電路板的大小與布局的復雜度也將增加現(xiàn)場運作失效的可能性，并降低對1U服務器相當重要的功率密度，增加電路板面積不僅大幅增加設計的成本，同時也較輸出電壓為5V時產(chǎn)生更大的寄生耗損而影響轉換效率，這些限制顯示出這樣的解決方案甚至還無法滿足現(xiàn)有的需求。

新的包裝設計以400kHz運作以便將耗損降到最低，能夠在1.3V輸出時以相當小的電路板占用面積提供105A(每相位>20A)的電流輸出，并在每相位使用單一個控制與同步DirectFET MOSFET組件，DirectFETMOSFET組件厚度較低，因此可以直接安排在電路板的后端，并將散熱片直接放在DirectFET組件上，在符合VR1.0定義的規(guī)格內取得最大的散熱片尺寸。散熱片是一個94mmx15mm(3.75英吋x 0.60英吋)大小的鋁鰭型散熱片，采用電氣隔離但可導熱的導熱接口物質(Thermal Interface Material, TIM)將它黏貼到MOSFET上，在45°C環(huán)境溫度、400LFM氣流下所達到的電流密度大于5.4 A/cm2(35 A/in2)，提供了新一代服務器用處理器一個相當具有成本效益的解決方案。

表3為這些30V控制與同步FET組件的規(guī)格，兩個組件的高電流承載能力(ID)主要來自于相當?shù)偷臏囟茸杩埂?/p>

由于新DirectFET的高溫度與電氣效率，因此可以達到較小的電路板面積與高效率的電路板布局安排，而IRF6608的更小尺寸也讓電路只有達到先前3.9 A/cm2(25 A/in2)電流密度IRF6604大小的一半。