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摘要
傳統(tǒng)焊線式 (wire-bond) SOT-23封裝的散熱能力不甚佳；覆晶式 (FCOL) SOT-23 封裝因內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，有較好的散熱能力。本應(yīng)用須知將比較這兩種封裝技術(shù)，且提出關(guān)于改進(jìn) PCB 布局以達(dá)到最佳散熱性能的一些實(shí)用原則。1. 簡(jiǎn)介
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于各種應(yīng)用之中，如線性穩(wěn)壓器 (LDO) 和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。然而，SOT-23封裝的缺點(diǎn)之一是其散熱能力不佳，這是因?yàn)檫@類(lèi)封裝都沒(méi)有導(dǎo)熱墊 (thermal pad) 。在JEDEC散熱參考板中，標(biāo)準(zhǔn)焊線式 SOT-23-6 封裝的熱阻值 θJA（從接面到環(huán)境的熱阻）約為220?250 ℃/W；即該封裝的環(huán)境溫度約為 55 ℃ 左右、而IC的功耗為0.3W時(shí)，接面溫度就會(huì)達(dá)到最高建議值 125℃。在實(shí)際的 PCB 布局中，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，仍要取決于 SOT-23 封裝內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)焊線式 (wire-bond) 封裝和覆晶式 (FCOL) 封裝的散熱方式有很大的不同。透過(guò)對(duì)這兩種封裝類(lèi)型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有更多的了解，就可以產(chǎn)生優(yōu)化的 PCB 布局。2. 焊線式 (WIRE BOND) SOT-23-6 的封裝結(jié)構(gòu)
下方圖一顯示焊線式 (wire bond) SOT-23-6封裝的基本結(jié)構(gòu)。圖一硅晶粒粘合到中間的接地引線；晶粒的其他電氣連接是經(jīng)由焊線連至導(dǎo)線架的接腳，其中焊線 (bonding wire) 通常是25-38um金或銅導(dǎo)線。在重要的電路節(jié)點(diǎn)上，這些細(xì)焊線會(huì)增加電阻、電感和雜散電容，造成高頻開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的性能降低。特別是在大電流的降壓轉(zhuǎn)換器，這些焊線對(duì)整個(gè)元件的總功率損耗影響甚大。這些細(xì)焊線同時(shí)也是很差的熱導(dǎo)體，所以無(wú)法將大多數(shù)產(chǎn)生的熱能從接腳傳遞出去。熱傳導(dǎo)主要是從晶粒的背面、通過(guò)粘合劑到中間的接地接腳，因此會(huì)在中間接腳上產(chǎn)生熱點(diǎn)。圖二顯示一個(gè)采焊線式SOT-23-6封裝之降壓轉(zhuǎn)換器的熱影像仿真。該元件的功耗設(shè)定為0.5W。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(guò)此一接腳傳導(dǎo)，所以在此元件中心接腳的周?chē)鷷?huì)形成一熱點(diǎn)。
3. FCOL SOT-23-6 的封裝結(jié)構(gòu)
下方圖三顯示覆晶式 (FCOL，F(xiàn)lip-Chip-On-Lead) SOT-23-6 封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。（為清楚說(shuō)明，晶粒以透視圖顯示。）圖三硅晶粒的正面透過(guò)焊柱直接貼著于導(dǎo)線架，使得熱與電可直接由硅晶粒傳至導(dǎo)線架。焊柱的聯(lián)機(jī)長(zhǎng)度非常短，電阻、電感和雜散電容都明顯地降低，所以I2R和開(kāi)關(guān)造成的損耗都因此而降低，同時(shí)廢熱也可減少。所有的接腳現(xiàn)在都如同小散熱片，可達(dá)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(shí)，該元件的熱模擬。圖四
上述熱仿真清楚地顯示在FCOL封裝時(shí)，所有接腳的熱傳導(dǎo)更均勻，且在該元件中間接腳的周?chē)o(wú)形成熱點(diǎn)。
4. 有關(guān) SOT-23 PCB 布局的建議
由此可知，焊線式(wire bond) 和覆晶式 (FCOL) SOT-23封裝在元件接腳上的熱傳導(dǎo)特性有很明顯的差異。藉由對(duì)此特性的了解，PCB布局工程師可以針對(duì)每種封裝來(lái)設(shè)計(jì)并優(yōu)化 PCB 的布局。圖六為一個(gè)應(yīng)用 RT7295CGJ6F 的布局范例。它是一個(gè)采用ACOT? 架構(gòu)、FCOL SOT-23封裝、3.5A的降壓轉(zhuǎn)換器。（型號(hào)中的 “F” 代表FCOL）。圖五為其電路示意圖。圖五該降壓轉(zhuǎn)換器布局的基本配置如下所示；它采用四層電路板，利用標(biāo)準(zhǔn)通孔連接至內(nèi)層和底層。圖六
在圖六的布局中，每個(gè)接腳都增加銅箔面積。然而，對(duì)BOOT和SW接腳，銅箔面積變大可能會(huì)產(chǎn)生額外的輻射，所以必須采取折衷方式。FB接腳對(duì)噪聲較敏感，所以也不適合用大銅箔面積。GND和VIN接腳透過(guò)幾個(gè)通孔連至內(nèi)層的銅箔面。EN接腳也可以加大銅箔面積，并且連接到底層。圖七
圖七PCB 板的橫截面按比例顯示它的通孔和內(nèi)層。通孔通常能有效地將熱從頂層傳導(dǎo)到其它層，所以多加一些通孔有助于熱傳導(dǎo)。下表顯示不同層的布局。上方的布局范例僅供參考。在一些PCB板設(shè)計(jì)中，頂層和底層空間可能不夠大；在此情況下，透過(guò)通孔使IC的接腳與內(nèi)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(dǎo)熱，所以至PCB銅箔面有好的熱連接，對(duì)散熱也會(huì)有很大的幫助。
5. 散熱效果量測(cè)
圖八圖八顯示兩個(gè)熱掃描結(jié)果：左邊是標(biāo)準(zhǔn)焊線式 (wire-bond) SOT-23-6封裝，而右邊則是覆晶式(FCOL) SOT-23-6封裝；兩者都被安裝在對(duì)應(yīng)的評(píng)估板上，元件消耗功率都是 0.7W，并根據(jù)第四章所建議的布局方式，達(dá)到良好的散熱性能。SOT-23-6封裝可見(jiàn)中央有一大熱點(diǎn)，且從熱掃描圖也可看出在封裝左側(cè)的接腳較右側(cè)的接腳為熱，而這是因?yàn)镚ND接腳位于左側(cè)。覆晶式 (FCOL) 封裝的熱點(diǎn)比焊線式的約低了20?30?℃；掃描圖也顯示所有接腳有較均勻的熱傳導(dǎo)。根據(jù)上述結(jié)果，在一個(gè)優(yōu)化的布局中， FCOL SOT-23-6 封裝從接面至環(huán)境的熱阻可以低至 55℃/ W。若在布局空間有限的情況下，散熱性能可能會(huì)差一點(diǎn)，但熱阻值 70?80℃/ W 是一定可以辦到的。換言之，在 60℃ 的環(huán)境溫度下，元件功耗可達(dá)到 0.85W。圖九
圖九顯示 RT7295C 于 12V 至 1.2V 應(yīng)用的效率曲線圖。在負(fù)載為 3.1A 時(shí)，此 IC的功耗約為 0.85W。這表示當(dāng)RT7295C用于有加強(qiáng)散熱的 PCB 布局中時(shí)，它可以提供3A的負(fù)載電流也不會(huì)有過(guò)熱現(xiàn)象。
6. 總結(jié)
FCOL封裝在電氣與散熱方面都有很好的優(yōu)點(diǎn)。在FCOL封裝，每個(gè)接腳都能為硅晶粒提供良好的熱傳導(dǎo)；且透過(guò)適當(dāng)?shù)腜CB布局，每一個(gè)接腳從晶粒到PCB傳導(dǎo)的熱能都更多。如此一來(lái)，從接面至環(huán)境的總熱阻可以大為降低。和相同外形、而內(nèi)部是焊線式 (wire-bond) 的封裝相比，覆晶式 (FCOL) 封裝確能提供較好的散熱能力。整理自|立綺電子技術(shù)End
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