SOT-23 FCOL封裝的散熱效能

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<div class="WordSection1"> <h1>SOT-23 FCOL封裝的散熱效能</h1> <h2 id="__Bookmark__0">摘要</h2> 傳統銲線式 (wire-bond) SOT-23封裝的散熱能力不甚佳；覆晶式 (FCOL) SOT-23 封裝因內部結構不同，有較好的散熱能力。本應用須知將比較這兩種封裝技術，且提出關於改進 PCB 佈局以達到最佳散熱性能的一些實用原則。 <div class="WordSection2"> <h2 id="__Bookmark__1">1. 簡介</h2> 因SOT-23 封裝占用的面積小、成本低，因此非常普遍，而兩種接腳形式，6-接腳和8-接腳，使得它們可以廣泛用於各種應用之中，如線性穩壓器 (LDO) 和開關穩壓器。 然而，SOT-23封裝的缺點之一是其散熱能力不佳，這是因為這類封裝都沒有導熱墊 (thermal pad) 。 在JEDEC散熱參考板中，標準銲線式 SOT-23-6 封裝的熱阻值 θJA（從接面到環境的熱阻）約為220〜250 ℃ / W；即該封裝的環境溫度約為 55 ℃ 左右、而IC的功耗為0.3W時，接面溫度就會達到最高建議值 125℃。 在實際的 PCB 佈局中，有一些方式可以增加散熱能力，如增加至IC 接腳的走線寬度。然而，這些方式是否有效，仍要取決於 SOT-23 封裝內部的結構。 傳統銲線式 (wire-bond) 封裝和覆晶式 (FCOL) 封裝的散熱方式有很大的不同。透過對這兩種封裝類型的內部結構有更多的了解，就可以產生最佳化的 PCB 佈局。 <h2 id="__Bookmark__2">2. 銲線式 (wire bond) SOT-23-6 的封裝結構</h2> 下方圖一顯示銲線式 (wire bond) SOT-23-6封裝的基本結構。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image001_zh-tw.jpg"> <img id="Picture 97" alt="Technical Document Image Preview" height="223" height="223" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image001_zh-tw.jpg" width="590" width="590" /></a> 圖一 矽晶粒粘合到中間的接地引線；晶粒的其他電氣連接是經由銲線連至導線架的接腳，其中銲線 (bonding wire) 通常是25-38um金或銅導線。 在重要的電路節點上，這些細銲線會增加電阻、電感和雜散電容，造成高頻開關轉換器的性能降低。特別是在大電流的降壓轉換器，這些銲線對整個元件的總功率損耗影響甚大。 這些細銲線同時也是很差的熱導體，所以無法將大多數產生的熱能從接腳傳遞出去。熱傳導主要是從晶粒的背面、通過粘合劑到中間的接地接腳，因此會在中間接腳上產生熱點。 圖二顯示一個採銲線式SOT-23-6封裝之降壓轉換器的熱影像模擬。該元件的功耗設定為0.5W。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image002_zh-tw.jpg"> <img id="Picture 104" alt="Technical Document Image Preview" height="139" height="139" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image002_zh-tw.jpg" width="604" width="604" /></a> 圖二 由上圖可以清楚地看出，中心接腳的溫度明顯比相鄰接腳的溫度要高得多。所有從晶粒到PCB的熱能僅透過此一接腳傳導，所以在此元件中心接腳的周圍會形成一熱點。 <h2 id="__Bookmark__3">3. FCOL SOT-23-6 的封裝結構</h2> 下方圖三顯示覆晶式 (FCOL，Flip-Chip-On-Lead) SOT-23-6 封裝的內部結構。（為清楚說明，晶粒以透視圖顯示。） <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image003_zh-tw.jpg"> <img id="Picture 108" alt="Technical Document Image Preview" height="193" height="193" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image003_zh-tw.jpg" width="482" width="482" /></a> 圖三 矽晶粒的正面透過銲柱直接貼著於導線架，使得熱與電可直接由矽晶粒傳至導線架。 銲柱的連線長度非常短，電阻、電感和雜散電容都明顯地降低，所以I2R和開關造成的損耗都因此而降低，同時廢熱也可減少。 所有的接腳現在都如同小散熱片，可達降溫效果，所以有更多的熱從封裝傳到PCB，因此而降低晶粒溫度。圖四顯示了同樣消耗0.5W、在FCOL封裝時，該元件的熱模擬。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image004_zh-tw.jpg"> <img id="Picture 109" alt="Technical Document Image Preview" height="142" height="142" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image004_zh-tw.jpg" width="602" width="602" /></a> 圖四 上述熱模擬清楚地顯示在FCOL封裝時，所有接腳的熱傳導更均勻，且在該元件中間接腳的周圍並無形成熱點。 <h2 id="__Bookmark__4">4. 有關 SOT-23 PCB 佈局的建議</h2> 由此可知，銲線式(wire bond) 和覆晶式 (FCOL) SOT-23封裝在元件接腳上的熱傳導特性有很明顯的差異。藉由對此特性的瞭解，PCB佈局工程師可以針對每種封裝來設計並優化 PCB 的佈局。 圖六為一個應用 RT7295CGJ6F 的佈局範例。它是一個採用立錡專有的ACOT® 架構、FCOL SOT-23封裝、3.5A的降壓轉換器。（型號中的 “F” 代表FCOL）。圖五為其電路示意圖。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image005_zh-tw.jpg"> <img id="Picture 5" alt="Technical Document Image Preview" height="209" height="209" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image005_zh-tw.jpg" width="600" width="600" /></a> 圖五 該降壓轉換器佈局的基本配置如下所示；它採用四層電路板，利用標準通孔連接至內層和底層。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image006_zh-tw.jpg"> <img id="Picture 6" alt="Technical Document Image Preview" height="379" height="379" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image006_zh-tw.jpg" width="482" width="482" /></a> 圖六 在圖六的佈局中，每個接腳都增加銅箔面積。然而，對BOOT和SW接腳，銅箔面積變大可能會產生額外的輻射，所以必須採取折衷方式。 FB接腳對雜訊較敏感，所以也不適合用大銅箔面積。 GND和VIN接腳透過幾個通孔連至內層的銅箔面。EN接腳也可以加大銅箔面積，並且連接到底層。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image007_zh-tw.jpg"> <img id="Picture 9" alt="Technical Document Image Preview" height="96" height="96" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image007_zh-tw.jpg" width="604" width="604" /></a> 圖七 圖七PCB 板的橫截面按比例顯示它的通孔和內層。通孔通常能有效地將熱從頂層傳導到其它層，所以多加一些通孔有助於熱傳導。 下表顯示不同層的佈局。 <table border="1" cellpadding="0" cellspacing="0" class="MsoTableGrid" style="border: currentColor; border-collapse: collapse;"> <tr> <td style="padding: 0cm 5.4pt; border: 1pt solid windowtext; width: 231.05pt;" valign="top"> <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image008_zh-tw.jpg"> <img id="Picture 12" alt="描述: PCB Top.PNG" height="226" height="226" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image008_zh-tw.jpg" width="294" width="294" /></a> </td> <td style="border-width: 1pt 1pt 1pt medium; border-style: solid solid solid none; border-color: windowtext windowtext windowtext currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 231.05pt;" valign="top"> <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image009_zh-tw.jpg"> <img id="Picture 13" alt="描述: PCB GND layer.PNG" height="225" height="225" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image009_zh-tw.jpg" width="294" width="294" /></a> </td> </tr> <tr> <td style="border-width: medium 1pt 1pt; border-style: none solid solid; border-color: currentColor windowtext windowtext; padding: 0cm 5.4pt; width: 231.05pt;" valign="top"> 頂層：在 SW，BOOT (橘色)，EN (黃色)，FB (米色)，VIN (紫色)，GND (藍色) 等的銅箔面。將通孔放在靠近 IC 接腳附近。 </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor windowtext windowtext currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 231.05pt;" valign="top"> 第二層：接地平面。在IC 的GND 接腳附近多放 GND 通孔 (藍色) 。 </td> </tr> <tr> <td style="border-width: medium 1pt 1pt; border-style: none solid solid; border-color: currentColor windowtext windowtext; padding: 0cm 5.4pt; width: 231.05pt;" valign="top"> <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image010_zh-tw.jpg"> <img id="Picture 14" alt="描述: PCB supply layer.PNG" height="221" height="221" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image010_zh-tw.jpg" width="294" width="294" /></a> </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor windowtext windowtext currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 231.05pt;" valign="top"> <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image011_zh-tw.jpg"> <img id="Picture 15" alt="描述: PCB bottom layer.PNG" height="192" height="192" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image011_zh-tw.jpg" width="294" width="294" /></a> </td> </tr> <tr> <td style="border-width: medium 1pt 1pt; border-style: none solid solid; border-color: currentColor windowtext windowtext; padding: 0cm 5.4pt; width: 231.05pt;" valign="top"> 第三層是電源。多放從 IC VIN 到紫色 VIN 層的通孔。可在此層增加 GND 和 EN 信號的銅箔面。 </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor windowtext windowtext currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 231.05pt;" valign="top"> 底層有到 EN 的黃色通孔，到 VIN 的紫色通孔和到 GND 的藍色通孔。 </td> </tr> </table> 上方的佈局範例僅供參考。在一些PCB板設計中，頂層和底層空間可能不夠大；在此情況下，透過通孔使IC的接腳與內層的銅箔面連接。而在FCOL封裝中，IC 所有的接腳都可以幫助導熱，所以至PCB銅箔面有好的熱連接，對散熱也會有很大的幫助。 <h2 id="__Bookmark__5">5. 散熱效果量測</h2> <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image012_zh-tw.jpg"> <img id="Picture 30" alt="Technical Document Image Preview" height="227" height="227" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image012_zh-tw.jpg" width="604" width="604" /></a> 圖八 圖八顯示兩個熱掃描結果：左邊是標準銲線式 (wire-bond) SOT-23-6封裝，而右邊則是覆晶式(FCOL) SOT-23-6封裝；兩者都被安裝在立錡的評估板，元件消耗功率都是 0.7W，並根據第四章所建議的佈局方式，達到良好的散熱性能。SOT-23-6封裝可見中央有一大熱點，且從熱掃描圖也可看出在封裝左側的接腳較右側的接腳為熱，而這是因為GND接腳位於左側。覆晶式 (FCOL) 封裝的熱點比銲線式的約低了20〜30 ℃；掃描圖也顯示所有接腳有較均勻的熱傳導。 根據上述結果，在一個最佳化的佈局中， FCOL SOT-23-6 封裝從接面至環境的熱阻可以低至 55℃/ W。若在佈局空間有限的情況下，散熱性能可能會差一點，但熱阻值 70〜80℃/ W 是一定可以辦到的。換言之，在 60℃ 的環境溫度下，元件功耗可達到 0.85W。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image013_zh-tw.jpg"> <img id="Picture 1" alt="Technical Document Image Preview" height="238" height="238" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an004/html-images-zh-tw/image013_zh-tw.jpg" width="373" width="373" /></a> 圖九 圖九顯示 RT7295C 於 12V 至 1.2V 應用的效率曲線圖。在負載為 3.1A 時，此 IC的功耗約為 0.85W。這表示當RT7295C用於有加強散熱的 PCB 佈局中時，它可以提供3A的負載電流也不會有過熱現象。 <h2 id="__Bookmark__6">6. 總結 </h2> FCOL封裝在電氣與散熱方面都有很好的優點。在FCOL封裝，每個接腳都能為矽晶粒提供良好的熱傳導；且透過適當的PCB佈局，每一個接腳從晶粒到PCB傳導的熱能都更多。如此一來，從接面至環境的總熱阻可以大為降低。和相同外形、而內部是銲線式 (wire-bond) 的封裝相比，覆晶式 (FCOL) 封裝確能提供較好的散熱能力。 <div> <table border="1" cellpadding="0" cellspacing="0" class="3-51" style="width: 637.5pt; border-collapse: collapse; border: medium none;"> <tr style="height: 17pt;"> <td colspan="2" style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #009eb8; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;"> 相關資源 </td> </tr> <tr> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #ffffff; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;"> 立錡科技電子報 </td> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #ffffff; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;"> <a class="link" href="http://www.richtek.com/My%20Richtek/Newsletters" target="_blank"> 訂閱立錡科技電子報</a> </td> </tr> <tr style="height: 17pt;"> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #ffffff; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;"> 檔案下載 </td> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #ffffff; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;"> <a class="link" href="http://www.richtek.com/Design%20Support/Technical%20Document/~/media/AN%20PDF/AN004_TW.ashx"> PDF 下載</a> </td> </tr> </table> </div> </div> </div>

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