選擇倒裝電源IC提高PCB設(shè)計(jì)中的散熱性能

1.前言

電源集成電路 (IC) 尺寸的顯著減小使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)電源解決方案尺寸和成本的減小，這對(duì)于推動(dòng)汽車行業(yè)先進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展勢(shì)在必行。

然而，這一趨勢(shì)帶來(lái)的一個(gè)挑戰(zhàn)是熱性能受損。如果沒(méi)有周到的印刷電路板布局來(lái)散熱，在設(shè)計(jì)中使用較小的 IC 可能會(huì)導(dǎo)致顯著的溫升，這對(duì)于汽車應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤其重要。

一種常見(jiàn)的小尺寸封裝是倒裝芯片 IC。倒裝芯片封裝使 IC 變得更小，使其成為設(shè)計(jì)微型電源解決方案的工程師的首選。然而，這種尺寸的減小進(jìn)一步影響了熱性能，并使熱緩解更具挑戰(zhàn)性。在本文中，我將回顧使用小型倒裝芯片 IC 實(shí)現(xiàn)最佳熱性能的注意事項(xiàng)和指南。

2.標(biāo)準(zhǔn)打線QFN和倒裝芯片封裝的區(qū)別

典型的引線鍵合四方扁平無(wú)引線 (QFN) 封裝具有通常連接到散熱墊以進(jìn)行散熱的結(jié)點(diǎn)/芯片，如圖 1 所示。結(jié)點(diǎn)具有將結(jié)點(diǎn)連接到引腳的鍵合線. 鍵合線非常細(xì)并且不能很好地導(dǎo)熱，導(dǎo)致大部分熱量從導(dǎo)熱墊中逸出。

圖 1：標(biāo)準(zhǔn)引線鍵合 QFN 封裝中引腳和散熱墊的結(jié)連接

倒裝芯片技術(shù)翻轉(zhuǎn)芯片/結(jié)，使銅凸點(diǎn)倒置并直接焊接到引線框架，如圖 2 所示。這導(dǎo)致從引腳到結(jié)的寄生阻抗降低，提高效率、尺寸、開(kāi)關(guān)給定規(guī)格的振鈴和整體性能。然而，倒裝芯片禁止芯片直接連接到散熱墊——典型的倒裝芯片設(shè)備上沒(méi)有散熱墊。幸運(yùn)的是，鍵合線的消除促進(jìn)了從芯片到引腳并進(jìn)入電路板的高導(dǎo)熱性路徑。這會(huì)導(dǎo)致管芯和電路板之間的熱傳導(dǎo)良好，從而消除 IC 的熱量。

圖 2：倒裝芯片器件引腳的結(jié)連接

3.使用引腳優(yōu)化熱分布

通過(guò)連接和使用倒裝芯片引腳進(jìn)行熱分布，電源設(shè)計(jì)人員可以使用倒裝芯片 IC 實(shí)現(xiàn)非常好的熱性能。將引腳連接到大銅跡線和多邊形澆注可降低熱阻并從封裝中吸收更多熱量。

電源接地 (PGND) 引腳通常用于從 IC 中提取熱量。PGND 還需要更高的電流能力；因此，將結(jié)連接到 PGND 引腳的銅凸點(diǎn)通常大于信號(hào)引腳的銅凸點(diǎn)。這個(gè)更大的銅凸點(diǎn)允許更多的熱量從 PGND 引腳流出。在系統(tǒng)方面，PGND 在電氣上是安靜的，因此大的銅表面積不會(huì)影響電磁干擾 (EMI) 水平——這是汽車系統(tǒng)的一個(gè)重要要求。

您可以使用其他引腳來(lái)提高熱性能，但注意不要增加噪聲節(jié)點(diǎn)（例如開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和自舉引腳）的表面積，因?yàn)檫@會(huì)影響 EMI 性能并可能導(dǎo)致違反 EMI 測(cè)試限制。

讓我們使用LMR36015-Q1測(cè)試這些策略，這是一款額定溫度為 150°C、輸入電壓為 60V 、輸出電流為1.5A 的倒裝芯片降壓轉(zhuǎn)換器。圖 3 顯示了LMR36015-Q1的引腳排列。

圖 3：LMR36015-Q1 的引腳排列

圖 4 顯示了LMR36015-Q1的熱優(yōu)化布局 。引腳 1 和 11 是 PGND 引腳，連接到大地平面，提供良好的熱分布。該布局還在地平面上使用了散熱孔，利用內(nèi)層實(shí)現(xiàn)更多的熱量分布。引腳 6 是模擬地，它也有一個(gè)大的地平面和熱過(guò)孔。引腳 2 和 10 是輸入電壓 (V IN ) 引腳，它們與 PGND 引腳一樣具有較大的內(nèi)部銅凸點(diǎn)以增加電流容量并改善導(dǎo)熱性以更好地散熱。然而，降壓轉(zhuǎn)換器上的輸入電壓本質(zhì)上是有噪聲的，因此請(qǐng)注意 V IN的大小平面，以免將 EMI 水平超過(guò)可接受的限制。由于電壓的快速變化，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和自舉引腳會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此保持這些節(jié)點(diǎn)盡可能小很重要。

圖 4：LMR36015-Q1倒裝芯片 IC 的示例布局

所述LMR36015-Q1板措施2.2 2.3英寸（5.6厘米5.8厘米）和僅具有兩層：頂部和底部。典型的電路板更大，包含四層或更多層，因此層的大小和數(shù)量增加了熱挑戰(zhàn)。熱優(yōu)化布局允許LMR36015-Q1在 12 V IN、5 V OUT和 1.5 A OUT滿負(fù)載下運(yùn)行，在 22°C 靜止空氣環(huán)境中以 400 kHz 開(kāi)關(guān)，溫升僅 28°C . 這種布局允許額定 150°C 的 IC 在高達(dá) 115°C 的環(huán)境溫度下運(yùn)行，這比 105°C 環(huán)境要求高 10°C 的裕度，用于一些最惡劣的汽車環(huán)境。

采用倒裝芯片封裝的小功率 IC 不一定會(huì)導(dǎo)致較差的熱性能。與引線鍵合封裝相比，遵循本文提供的指導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)等效的熱性能。