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SOT-23 FCOL封装的散热效能

摘要

传统焊线式 (wire-bond) SOT-23封装的散热能力不甚佳;覆晶式 (FCOL) SOT-23 封装因内部结构不同,有较好的散热能力。本应用须知将比较这两种封装技术,且提出关于改进 PCB 布局以达到最佳散热性能的一些实用原则。


1. 简介

因SOT-23 封装占用的面积小、成本低,因此非常普遍,而两种接脚形式,6-接脚和8-接脚,使得它们可以广泛用于各种应用之中,如线性稳压器 (LDO) 和开关稳压器。

然而,SOT-23封装的缺点之一是其散热能力不佳,这是因为这类封装都没有导热垫 (thermal pad) 。

在JEDEC散热参考板中,标准焊线式 SOT-23-6 封装的热阻值 θJA(从接面到环境的热阻)约为220〜250 ℃/W;即该封装的环境温度约为 55 ℃ 左右、而IC的功耗为0.3W时,接面温度就会达到最高建议值 125℃。

在实际的 PCB 布局中,有一些方式可以增加散热能力,如增加至IC 接脚的走线宽度。然而,这些方式是否有效,仍要取决于 SOT-23 封装内部的结构。

传统焊线式 (wire-bond) 封装和覆晶式 (FCOL) 封装的散热方式有很大的不同。透过对这两种封装类型的内部结构有更多的了解,就可以产生优化的 PCB 布局。


2. 焊线式 (WIRE BOND) SOT-23-6 的封装结构

下方图一显示焊线式 (wire bond) SOT-23-6封装的基本结构。

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图一

硅晶粒粘合到中间的接地引线;晶粒的其他电气连接是经由焊线连至导线架的接脚,其中焊线 (bonding wire) 通常是25-38um金或铜导线。

在重要的电路节点上,这些细焊线会增加电阻、电感和杂散电容,造成高频开关转换器的性能降低。特别是在大电流的降压转换器,这些焊线对整个元件的总功率损耗影响甚大。

这些细焊线同时也是很差的热导体,所以无法将大多数产生的热能从接脚传递出去。热传导主要是从晶粒的背面、通过粘合剂到中间的接地接脚,因此会在中间接脚上产生热点。

图二显示一个采焊线式SOT-23-6封装之降压转换器的热影像仿真。该元件的功耗设定为0.5W。

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图二

由上图可以清楚地看出,中心接脚的温度明显比相邻接脚的温度要高得多。所有从晶粒到PCB的热能仅透过此一接脚传导,所以在此元件中心接脚的周围会形成一热点。

3. FCOL SOT-23-6 的封装结构

下方图三显示覆晶式 (FCOL,Flip-Chip-On-Lead) SOT-23-6 封装的内部结构。(为清楚说明,晶粒以透视图显示。)

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图三

硅晶粒的正面透过焊柱直接贴着于导线架,使得热与电可直接由硅晶粒传至导线架。

焊柱的联机长度非常短,电阻、电感和杂散电容都明显地降低,所以I2R和开关造成的损耗都因此而降低,同时废热也可减少。

所有的接脚现在都如同小散热片,可达降温效果,所以有更多的热从封装传到PCB,因此而降低晶粒温度。图四显示了同样消耗0.5W、在FCOL封装时,该元件的热模拟。

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图四

上述热仿真清楚地显示在FCOL封装时,所有接脚的热传导更均匀,且在该元件中间接脚的周围并无形成热点。

4. 有关 SOT-23 PCB 布局的建议

由此可知,焊线式(wire bond) 和覆晶式 (FCOL) SOT-23封装在元件接脚上的热传导特性有很明显的差异。藉由对此特性的了解,PCB布局工程师可以针对每种封装来设计并优化 PCB 的布局。

图六为一个应用 RT7295CGJ6F 的布局范例。它是一个采用立锜专有的ACOTTM 架构、FCOL SOT-23封装、3.5A的降压转换器。(型号中的 “F” 代表FCOL)。图五为其电路示意图。

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图五

该降压转换器布局的基本配置如下所示;它采用四层电路板,利用标准通孔连接至内层和底层。

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图六

在图六的布局中,每个接脚都增加铜箔面积。然而,对BOOT和SW接脚,铜箔面积变大可能会产生额外的辐射,所以必须采取折衷方式。 FB接脚对噪声较敏感,所以也不适合用大铜箔面积。 GND和VIN接脚透过几个通孔连至内层的铜箔面。EN接脚也可以加大铜箔面积,并且连接到底层。

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图七

图七PCB 板的横截面按比例显示它的通孔和内层。通孔通常能有效地将热从顶层传导到其它层,所以多加一些通孔有助于热传导。

下表显示不同层的布局。

描述: PCB Top.PNG

描述: PCB GND layer.PNG

顶层:在 SW,BOOT (橘色),EN (黄色),FB (米色),VIN (紫色),GND (蓝色) 等的铜箔面。将通孔放在靠近 IC 接脚附近。

第二层:接地平面。在IC 的GND 接脚附近多放 GND 通孔 (蓝色) 。

描述: PCB supply layer.PNG

描述: PCB bottom layer.PNG

第三层是电源。多放从 IC VIN 到紫色 VIN 层的通孔。可在此层增加 GND 和 EN 信号的铜箔面。

底层有到 EN 的黄色通孔,到 VIN 的紫色通孔和到 GND 的蓝色通孔。

上方的布局范例仅供参考。在一些PCB板设计中,顶层和底层空间可能不够大;在此情况下,透过通孔使IC的接脚与内层的铜箔面连接。而在FCOL封装中,IC 所有的接脚都可以帮助导热,所以至PCB铜箔面有好的热连接,对散热也会有很大的帮助。


5. 散热效果量测

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图八

图八显示两个热扫描结果:左边是标准焊线式 (wire-bond) SOT-23-6封装,而右边则是覆晶式(FCOL) SOT-23-6封装;两者都被安装在立锜的评估板,元件消耗功率都是 0.7W,并根据第四章所建议的布局方式,达到良好的散热性能。SOT-23-6封装可见中央有一大热点,且从热扫描图也可看出在封装左侧的接脚较右侧的接脚为热,而这是因为GND接脚位于左侧。覆晶式 (FCOL) 封装的热点比焊线式的约低了20〜30 ℃;扫描图也显示所有接脚有较均匀的热传导。

根据上述结果,在一个优化的布局中, FCOL SOT-23-6 封装从接面至环境的热阻可以低至 55℃/ W。若在布局空间有限的情况下,散热性能可能会差一点,但热阻值 70〜80℃/ W 是一定可以办到的。换言之,在 60℃ 的环境温度下,元件功耗可达到 0.85W。

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图九

图九显示 RT7295C 于 12V 至 1.2V 应用的效率曲线图。在负载为 3.1A 时,此 IC的功耗约为 0.85W。这表示当RT7295C用于有加强散热的 PCB 布局中时,它可以提供3A的负载电流也不会有过热现象。


6. 总结

FCOL封装在电气与散热方面都有很好的优点。在FCOL封装,每个接脚都能为硅晶粒提供良好的热传导;且透过适当的PCB布局,每一个接脚从晶粒到PCB传导的热能都更多。如此一来,从接面至环境的总热阻可以大为降低。和相同外形、而内部是焊线式 (wire-bond) 的封装相比,覆晶式 (FCOL) 封装确能提供较好的散热能力。



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