使用功率 WCSP 技術(shù)解決小型應(yīng)用中的熱性能問(wèn)題

1.前言

當(dāng)談到以經(jīng)濟(jì)高效的方式為空間受限的高功率密度應(yīng)用供電時(shí)，例如固態(tài)驅(qū)動(dòng)器 (SSD) 或可穿戴設(shè)備，晶圓芯片級(jí)封裝 (WCSP) DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案廣泛用于行業(yè)。更緊密地集成到系統(tǒng)級(jí)封裝 (SIP) 模塊的趨勢(shì)對(duì)現(xiàn)有封裝技術(shù)提出了越來(lái)越大的挑戰(zhàn)，迫使工程師尋找優(yōu)化空間受限應(yīng)用中熱性能的新方法。

熱性能和解決方案尺寸，尤其是最大輪廓高度，是每位 SIP 設(shè)計(jì)人員都面臨的非?，F(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)。作為為您的下一個(gè)應(yīng)用設(shè)計(jì)小尺寸 SIP 模塊的設(shè)計(jì)師，您可能正在尋找一種電源設(shè)備，它既適合您擁有的狹小空間，又能在為您的系統(tǒng)提供所需電源的同時(shí)保持涼爽。

TI 的電源芯片級(jí)封裝（電源 WCSP）是一種低調(diào)的 WCSP 增強(qiáng)型，專(zhuān)注于熱性能和電流密度優(yōu)化。與使用固定球直徑（圖 1a）的標(biāo)準(zhǔn) WCSP 不同，電源 WCSP 利用銅柱尺寸的靈活性來(lái)增加電源引腳等關(guān)鍵互連的面積，而無(wú)需增加芯片尺寸或侵犯間距表面貼裝制造技術(shù)的公差。銅柱可以是方形或矩形，總堆疊厚度小至 85 μm（圖 1b）。接線柱的形狀可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵引腳的顯著表面增益，從而提高電流處理能力并改善封裝的傳熱和熱性能。同時(shí)，封裝高度可低至0.3mm，

圖 1：6 引腳標(biāo)準(zhǔn) WCSP 封裝（a）

6 引腳電源 WCSP 封裝 (b)

TI 的TPS62088 DC/DC 轉(zhuǎn)換器展示了電源 WCSP 封裝的熱性能。TPS62088 是一款 1.2mm x 0.8mm、高效率 2.4V 至 5.5V 輸入、3A DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器，以 4MHz 開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行。該器件提供兩種封裝選項(xiàng)：標(biāo)準(zhǔn) WCSP (TPS62088YFP) 或新型電源 WCSP (TPS62088YWC)。通過(guò)查看每個(gè)封裝選項(xiàng)中這些其他相同器件的熱特性，我們可以清楚地比較兩種封裝技術(shù)的熱性能。

圖 2a 顯示了 TPS62088YFP (WCSP) 的熱性能，圖 2b 顯示了 TPS62088YWC（功率 WCSP）在 V IN = 5 V、V OUT = 1.8 V 和 I OUT = 3 A 下工作，使用紅外相機(jī)在室溫下拍攝. 由于結(jié)到頂部特性參數(shù)值非常低——兩種封裝的Ψ JT = 0.5-0.7°C/W——您可以假設(shè)結(jié)溫大致等于外殼溫度。結(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn) WCSP 器件相比，功率 WCSP 器件的溫度降低了 3°C，同時(shí)考慮器件和印刷電路板 (PCB) 布局解決方案。

TPS62088YWC 功率 WCSP 版本在通過(guò)將輪廓高度從 0.5 毫米降低到 0.3 毫米來(lái)提高功率密度的同時(shí)，使您能夠通過(guò)更大的凸塊結(jié)構(gòu)改善向 PCB 的熱傳遞，從而優(yōu)化系統(tǒng)的熱性能。當(dāng)然，設(shè)計(jì)您的應(yīng)用以獲得最佳熱性能意味著還要注意系統(tǒng)的其他方面。正確的 PCB 布局會(huì)產(chǎn)生更小的結(jié)到環(huán)境和結(jié)到電路板的熱阻，從而在給定的耗散功率和電路板溫度下降低器件結(jié)溫。寬電源走線還可以有效地吸收散發(fā)的熱量。請(qǐng)記住，許多與系統(tǒng)相關(guān)的屬性，例如熱耦合、氣流、增加的散熱器和對(duì)流表面，以及其他發(fā)熱組件的存在，

圖 2：TPS62088（測(cè)量點(diǎn)：Bx1）的熱性能在 V IN = 5 V、V OUT = 1.8 V 和 I OUT = 3 A 時(shí)在室溫下獲得：TPS62088YFP WCSP 版本 (a)；TPS62088YWC 電源 WCSP 版 (b)

許多空間受限的應(yīng)用，如 SIP 模塊、SSD 或可穿戴設(shè)備，都需要整體電源解決方案（不僅僅是電源 IC），以適應(yīng)最薄的空間。TPS62088YWC 的高開(kāi)關(guān)頻率允許您使用纖巧、低外形尺寸的 0.24 μH 電感器將解決方案尺寸縮小至 15 mm 2，并充分利用整個(gè)電源電路的 0.3 mm 輪廓高度。