| ? 便攜式產(chǎn)品的小型化、高速化和低成本的需求趨勢似乎永無至境。由于芯片的封裝越來越小,設(shè)計人員總是面臨新的挑戰(zhàn)。許多場合下,為了達到各種電性能,元件在印制板上的間距變得越來越小,這會導(dǎo)致在一很小區(qū)域內(nèi)功率或熱的集中,從而使元件溫度過高,超出系統(tǒng)所能正常工作的要求。
? 一般采用諸如風(fēng)扇、定制的散熱器及熱管等加速冷卻措施,然而這些方法會.增加系統(tǒng)的復(fù)雜性,使系統(tǒng)的成本增加,因而實用性也并不是很好。
? 那么設(shè)計人員又該做些什么呢？首先,為有效地解決散熱問題,應(yīng)盡早地仔細(xì)考慮印制板的熱設(shè)計以及元件之間的相互作用等方面將精力集中到冷卻問題的核心。
? 在印制板設(shè)計之初,對于不同元件的功耗要有一個透徹的了解,對不同的功率水平要選擇相應(yīng)的封裝形式,同時還要充分利用封裝的散熱特性。預(yù)先考慮到這些問題,能使設(shè)計工作事半功倍,減少印制板上過熱區(qū)的出現(xiàn)。
? 為指導(dǎo)設(shè)計人員進行更加有效的設(shè)計,本文首先回顧一下基本的熱學(xué)方面的概念。
熱阻
? 通常用熱阻來表征一個已封裝好的器件的熱性能,其符號為希臘字母θ。對于一個半導(dǎo)體元件,熱阻表示了在穩(wěn)態(tài)時從芯片表面每耗散一瓦功率（熱）時,芯片結(jié)點與參考點之間的溫度之差,單位為℃/W。
? 常用到的熱阻有θja(結(jié)到環(huán)境)、θjc(結(jié)到封蓋)和θjb(結(jié)到印制板)等。Θja通常用于自然或強制對流的風(fēng)冷系統(tǒng)中。在這些系統(tǒng)里,元件是安裝在環(huán)氧玻璃型印制板上的。Θjc常用在高導(dǎo)熱的封蓋式封裝中,封蓋上安裝了散熱器。Θjb使用的場合是當(dāng)靠近封裝外引線的印制板溫度能比較精確控制時。本文著重討論θja,因為在便攜式產(chǎn)品中多數(shù)是這種對流冷卻的印制板系統(tǒng)。
? 元件制造商通常是從實驗室測得的數(shù)據(jù)或計算機模擬的結(jié)果來決定θja值。這些數(shù)據(jù)包括芯片的結(jié)溫（Tj）,環(huán)境空氣的溫度（Ta）--它和封裝表面的溫度近似相等,以及所耗散的功率(Pd)。有了這些數(shù)據(jù),θja可按下式計算出來：
θja = (Tj-Ta)/Pd, 單位℃/W
一個系統(tǒng)級的最終用戶,從給定的θja值（例如從產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中查到的）,按照下式估算出芯片的結(jié)溫：
Tj = Ta + (θja×Pd), 單位℃
? 從上式可以看出,要降低結(jié)溫可以從降低θja、Pd或Ta著手。也許降低Tj最穩(wěn)妥的方法是進行有效的器件設(shè)計,使得耗散功率Pd降低,這就從根本上減少了器件耗散的熱量。另一種降低θja的方法是采用強制氣冷措施,這種方法和被動式的自然對流和輻射冷卻方法相比,主要是增加了系統(tǒng)的對流系數(shù),從而提高了系統(tǒng)的散熱能力。在給定了功率、Ta和氣流大小的情況下,唯一能夠降低Tj的途徑,是選擇合理的封裝和進行優(yōu)化的印制板設(shè)計,只有這樣才能使θja降低到最小值。
測試方法和測試板
? 采用標(biāo)準(zhǔn)化的測試方法,能有助于比較不同器件相對的熱特性。如果在標(biāo)準(zhǔn)化測試中,一個元件或一種封裝形式所表現(xiàn)出來的特性比另一種要好,那么在同樣設(shè)計的實際系統(tǒng)中,它就有可能會有同樣較佳的表現(xiàn)。
? 標(biāo)準(zhǔn)化的試驗方法方便了元件的制造,同時也為設(shè)計時選擇合理的封裝提供了依據(jù)。然而在實際系統(tǒng)中采用供應(yīng)商提供的這些“硬”數(shù)據(jù)時,尤其要注意的一點是這些數(shù)據(jù)是在特定的測試條件下測得的。這就要求板/系統(tǒng)設(shè)計人員必須了解這些數(shù)據(jù)是如何獲得的,諸如測試時所用的方法和測試板的狀況以及它們與所設(shè)計的實際系統(tǒng)之間有什么差別,同時還要考慮板上其它功耗元件產(chǎn)生的影響等等。
? 許多公司采用JEDEC EIA/JESD 51-X 系列標(biāo)準(zhǔn)。這種標(biāo)準(zhǔn)定義了測試方法、條件以及印制板設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)這個標(biāo)準(zhǔn)可從 www.jedec.org 網(wǎng)頁上點擊"Free Standards"得到。Intersil公司的TB379技術(shù)規(guī)范--“Thermal Characterization of Packages for Ics"(集成電路封裝的熱特性)為JEDEC規(guī)范提供了一些其它可適用的參考信息。它可從www.intersil.com 主頁上點擊 "Design Support/Packaging Information" (設(shè)計支持/封裝信息)得到。
? 因為印制板會對測試產(chǎn)生很大的影響,因此嚴(yán)格控制用來測試熱特性的測試板的設(shè)計就非常必要。這將有助于排除由測試板不同而產(chǎn)生的影響,將注意力集中在不同公司的元件或封裝設(shè)計的不同之處。JEDEC主要有兩種用來測試θja的測試板。第一種為“低有效熱導(dǎo)”板,稱作JESD51-3。板上的表層輸入/輸出銅布線有2盎司重（厚度為0.07毫米）。它通常稱作"1S"或"1S0P",即 "一個信號層,零個（沒有）電源/接地層"。以前許多廠家都是用這種通用板形式來測試θja的值。
? 第二種板的形式是最近新出的“高有效熱導(dǎo)”板,稱作JESD51-7。板上增加了兩層連續(xù)的銅埋層,增加的這兩層銅埋層分別重1盎司（0.035毫米厚）。它經(jīng)常被稱為"1S2P",但有時也稱作 "2S2P"。因為第二層信號線在印制板的底面邊緣附近,這層線與熱特性無關(guān),僅僅是作為測試時的連接引線。
? JEDEC最近還發(fā)布了一個叫JESD51-5的擴展版本。它主要應(yīng)用于為散熱需要而直接粘接了機械散熱裝置的封裝形式。這個規(guī)范的制定考慮了表面貼裝的焊盤和鍍銅熱通孔連接到1S2P型板的上埋層。這種類型的印制板有時也稱作"1S2P-DA",直接粘接型。
? 這種新標(biāo)準(zhǔn)可應(yīng)用于多種封裝形式,例如SOIC、TSSOP以及TQFP等。這類封裝的粘片區(qū)是暴露在封裝底部的（如圖1所示）。它也適用于一種稱作無引線塑料封裝（PLP）的新封裝形式。這種新的芯片載體形式有許多不同的名稱。
圖一 無引線塑料封裝(PLP)示意圖
? PLP型封裝的粘片區(qū)以及周邊分布的輸入/輸出引線,是從一個共面的銅引線框架上制造出來的。芯片底部粘結(jié)到引線框架的粘片區(qū)后再進行塑封處理。此種封裝輸入/輸出引線僅外露一點,它需要的焊盤非常小,占據(jù)印制板的面積也很小,而且焊點的電性能及熱性能都很好,是進行便攜式產(chǎn)品設(shè)計時優(yōu)先的選擇。
封裝/系統(tǒng)板的組合
? 值得一提的是選擇不同的封裝和進行不同的印制板設(shè)計,對于元件的θja以及印制板上的溫度分布影響很大。下面舉些例子使你能看到這些影響情況,供你在設(shè)計時參考。
? 第一個例子是8線的SOIC、SOP8以及16線PLP三種封裝的比較結(jié)果。每種封裝中被封裝的芯片大小是一樣的,因此任何θja的差別,只是分別由于各自不同的封裝以及印制板設(shè)計的差異而帶來的（圖2）。普通的8線SOIC安裝在1S0P型印制板上的θja值約為160℃/W。如此高的值,限制了在這種封裝/板組合方式下可用的集成電路的功率。例如,當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時,僅1瓦的芯片其結(jié)溫就將達到200℃,這已經(jīng)大大超過了我們可接受的水平。
圖2 三種典型封裝及JEDEC板組合方式下的θja值
? 接下來是SOP8封裝安裝在1S2P印制板上的結(jié)果。這里討論的特殊SOP8封裝是8線SOIC的內(nèi)部改進型。此封裝是專為分立的功率MOS場效應(yīng)管而設(shè)計的。8只外引線的其中4只直接連到了包封住的管芯粘片區(qū)。這四只“鷗翼型”引線形成了一個熱通道,將熱從封裝的一側(cè)散出。這種封裝在“1S2P”上的θja值約為65℃/W。在環(huán)境溫度為40℃時,1瓦的芯片結(jié)溫將達到105℃�？梢娺@種封裝/板組合方式下,散熱性能有了很大提高,但還沒有粘片區(qū)外露的封裝那么好,因為后者的粘片區(qū)是直接連接到了印制板上。
? 邊長為4毫米的方形16線無引線塑料封裝（PLP）,芯片粘片區(qū)是外裸露的,外引線呈凹槽狀,這種設(shè)計非常有利于散熱。當(dāng)它與具有四個熱通孔的1S2P-DA直接粘接型印制板組合使用時,θja值約為41℃/W。在環(huán)境溫度為40℃時,1瓦的芯片結(jié)點溫度僅為81℃。與前兩種組合方式相比,其散熱性能有了顯著的提高。
? 通常情況下,對于PLP型封裝,當(dāng)外露的粘接和焊接區(qū)的大小相同時,它的熱特性應(yīng)該也是相同的。PLP封裝并不象典型的有引線封裝那樣具有外展的“鷗翼型”引線,它的外引線呈凹槽狀,僅外露一點,因而它所需要的焊盤很小,這也是這種封裝的優(yōu)點之一。這種16線PLP占據(jù)的印制板表面要比8線的SOIC少45%的面積。
? 為比較不同板設(shè)計對熱的影響,將16線PLP封裝安裝在五種不同印制板上。對這五種情形進行了有限元模擬分析（圖3）。每種情形下,PLP外露的粘片區(qū)是用焊料焊接到印制板上的。這五個有限元分析模型中,唯一不同之處是有些板有內(nèi)部層和四個熱通孔。從分析結(jié)果可見,這五種情形下結(jié)果差別很大。例如,增加了內(nèi)部層后,θja從開始的1S0P型的126下降到1S1P型的79,到1S2P型板時只有74℃/W。
圖3 在自然對流冷卻時,16線PLP在五種不同印制板上的有限元分析模擬結(jié)果
? 增加四個熱通孔對進一步降低θja具有很明顯的效果。如從1S1P型的79下降到1S1P-DA型的48℃/W。同樣地,從1S2P型的74下降到1S2P-DA型的41℃/W。值得注意的是有一層內(nèi)埋層的1S1P-DA型板的θja值為48℃/W,它要比有兩層內(nèi)埋層的1S2P(非直接貼接)型板的74℃/W要好。換句話說,在直接粘接式板子中的四個熱通孔的散熱效果要比在板子中再增加第二個埋層的效果要更好。
印制板的溫度分布
? 我們將16線PLP封裝在三種印制板上--1S0P、增強的JEDEC 1S2P和 1S2P-DA,采用三種不同的有限元分析模型,模擬計算了封裝上表面的溫度值,所進行的比較是縱向的溫度分布值。
? 對于增強型印制板,封裝上表面的峰值溫度比1S0P型要低很多。1S0P的峰值為147℃,而對于1S2P型,峰值溫度下降到98℃,當(dāng)印制板為1S2P-DA型時,峰值溫度僅為66℃�？梢姴捎勉~內(nèi)埋層和熱通孔能降低元件的溫度。
? 模擬結(jié)果顯示這三種印制板的溫度分布是不同的。1S0P型的溫度均勻性最差,它的峰值溫度最高而邊緣的溫度最低。1S2P-DA型的溫度分布最均勻,它的峰值溫度最低而板子邊緣溫度最高。1S2P型除了在封裝附近區(qū)域與1S2P-DA有差別外,其它部分幾乎相同,這是因為1S2P-DA型內(nèi)部的熱通孔降低了峰值溫度。在遠(yuǎn)離封裝的印制板中,內(nèi)部埋層是影響溫度分布的主要因素,這也就是為什么后兩種印制板的溫度分布大致相同的原因。
? 大約距離封裝中心23毫米之外,"2P"比1S0P的要熱一些。這是因為"2P"的散熱性能更好,能散出的熱自然更多。"2P"邊緣的溫度為31℃,而1S0P為27℃。"2P"與環(huán)境溫度的溫度差ΔT是1S0P的3倍-即如果1S0P型溫差為2℃,那么"2P"將會是6℃的溫差。從ΔT值來看,溫差并不算大,但對"2P"來說,通過采取其它對流式散熱措施進行降溫處理,對于降低系統(tǒng)溫度卻非常奏效。
? 由上面的討論可見在設(shè)計過程中盡早作出正確的選擇,對最終的元件溫度影響很大。在進行最終的元件及封裝形式的選擇時,腦海中時常裝著這些系統(tǒng)設(shè)計時熱分布的情況,將提高我們對問題的預(yù)見能力,大大有助于我們的設(shè)計工作。印制板版圖的設(shè)計以及熱模擬,應(yīng)該考慮到不同封裝和內(nèi)部埋層以及熱通孔所帶來的影響。最終目的是使印制板設(shè)計工作更加嚴(yán)格,并且能夠一次成功,避免重復(fù)設(shè)計以及將來要做更多的份外工作,如必須采取額外的冷卻措施等。■（何衛(wèi)譯自《Portable Design》2000.11）
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