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作者: Nicholaus Smith,IDT 在便攜式電子市場(chǎng)，電源管理集成電路（PMIC）正在越來(lái)越多地采用球柵陣列（BGA）封裝和芯片級封裝（CSP），以便降低材料成本，改進(jìn)器件的電性能（無(wú)焊線(xiàn)阻抗），并且實(shí)現更小的外形尺寸。但是這些優(yōu)勢的取得并不是沒(méi)有其他方面的妥協(xié)。芯片級封裝的硅片不再直接與用于導電和導熱的較大散熱板（E-PADs）接觸，由于IC基板不再與E-PAD接觸，從IC基板到散熱印刷電路板（PCB）銅面之間沒(méi)有高導熱性的直接連接，這是性能受到影響的主要原因。本文將討論在PCB級使用的降低CSP器件工作溫度的方法，并通過(guò)降低在設計中使用的CSP集成電路熱阻來(lái)探尋將熱量從熱源傳輸到周?chē)h(huán)境的方法。通常有多種方式可以提高性能，同時(shí)降低工作溫度，這可以通過(guò)采用新的印刷電路板或者更改現有電路板來(lái)實(shí)現 。 便攜式電子設計中由于尺寸和重量的限制，要求設計人員必須減少電子元器件的尺寸和用于PCB連接其他電子設備的區域大小，為了滿(mǎn)足這些需求，采用CSP封裝來(lái)減小所需要的PCB面積是在設計中所常見(jiàn)的變化。由于總PCB面積減小，可用于擴散熱量和部設高功率PCB走線(xiàn)的選項隨之減少。而且，QFN封裝與一個(gè)同等CSP封裝進(jìn)行比較，其散熱性能也不匹配。因此，當務(wù)之急是要對PCB設計進(jìn)行優(yōu)化以使熱量從CSP傳輸至PCB，再由PCB擴散到空氣中。測量熱傳導率的參數是結到周?chē)h(huán)境的熱阻指標Theta-JA (θJA (℃/W))。 作為參考，在使一個(gè)典型的QFN封裝E-PAD（3x3mm2）與一個(gè)具有0.4mm間距的CSP器件連接時(shí)，為了匹配傳熱所用的面積大小，需要連接將近30個(gè)CSP引腳以便維持同等的由E-PAD面積決定的散熱能力。對于一個(gè)精心設計的PCB，在同一電氣負載條件下把相同的硅器件焊接到類(lèi)似的印刷電路板時(shí)，θJA數據大小可從CSP封裝的45℃/W到等效QFN封裝的25℃/W（來(lái)源于IDT P9023無(wú)線(xiàn)充電接收器的參考數據），比同等QFN相比，這樣的差異意味著(zhù)CSP將會(huì )工作在更高的溫度下。一個(gè)采用CSP封裝的IC在與具有相同功耗的QFN相比時(shí)，其散熱性能通常僅有后者的一半。因此，對于一個(gè)精心計劃的PCB設計，如果沒(méi)有進(jìn)行合適的補償，CSP封裝的熱性能可以很容易地比同等QFN壞兩倍。 對于一個(gè)封裝好的IC，其工作溫度通常由三個(gè)因素決定：對流、傳導和實(shí)現一定性能所消耗的功率。在采用熱阻參數對于CSP IC進(jìn)行熱分析計算時(shí)，應該注意到計算是基于對IC到PCB之間散熱通孔（via）數量的估計，每個(gè)連接都可形成用于把熱量從IC半導體結導出的散熱路徑。這些估算假定IC安裝到由JEDEC標準51所限定的3“×4.5”的固體銅4層印刷電路板上，而在實(shí)際應用中，PCB設計所占面積通常比較小，具有切口部和其他不規則形狀因素，并且有許多組件、多個(gè)路徑和電連接，這與JEDEC標準相比會(huì )使PCB熱性能下降。 設計者面臨的一個(gè)常見(jiàn)的困境是如何把在IC上產(chǎn)生的熱量通過(guò)PCB傳輸到空氣中，在散熱路徑上具有最小的溫度下降。 
圖1：展示熱傳輸的貼裝CSP封裝器件PCB剖面圖 在圖1中，每個(gè)連接到元器件測端的焊盤(pán)以及每個(gè)盤(pán)上散熱孔道（via-in-pad）都可以把芯片產(chǎn)生的熱量傳輸到PCB銅面上。盤(pán)上散熱通孔的設計以及數量，以及散熱通孔直接接觸的銅板面積都會(huì )影響散熱路徑的效率。所開(kāi)發(fā)的IC引腳間距會(huì )影響孔的大小，而且與可用來(lái)經(jīng)過(guò)散熱通孔（即銅平面或布線(xiàn)）把熱傳輸到銅表面的銅體積成正比（可把散熱通孔認為是中空的傳熱銅圓柱體）。此外，盤(pán)上散熱通孔在電鍍（electro-plating）完成后，在均勻地處理表面以便放置CSP器件之前需要填充一些非導電或導電材料。通孔填充材料被“注入”入孔，其填充比例常常是制造者根據孔徑而優(yōu)化。用作后端填充（back-fill）通孔的導電填充材料通常具有比銅高的電和熱阻性能，由于盤(pán)上散熱通孔中的銅具有較低的熱阻和電阻，所以填充材料對熱性能只有很小的影響。另外，大多數的導電材料具有比銅高的熱膨脹系數，可能導致通孔壁破裂。由于這些原因，在大批量生產(chǎn)階段一般只用非導電材料填充，但隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，導電材料的性能可能開(kāi)始大幅超越非導電材料，而不會(huì )出現良率降低的風(fēng)險。
圖2：從CSP器件引腳到PCB和盤(pán)上通孔的熱量傳輸路徑 根據一階熱流和熱傳導原理，影響熱流從熱源傳輸到一定體積材料的主要因素是與源之間的距離、橫截面（銅連接）以及熱源和體積之間的溫度差1：
雖然這種簡(jiǎn)單的近似可能不會(huì )解決目前的問(wèn)題，但它表明，為了傳輸更多的熱量，截面面積應該盡可能大，而熱流經(jīng)過(guò)的路徑長(cháng)度則盡可能小。要保持最大限度的熱流，重要的是橫截面積與到表面（如銅面）的銅連接長(cháng)度的比值。 通過(guò)考察圖2可以發(fā)現，垂直方向的傳能傳輸受三個(gè)平行的熱阻影響，Q1為通孔壁的銅，并且是最有效的熱傳輸。Q2為盤(pán)上通孔填充材料，Q3則為通過(guò)FR-4材料的熱流。幾種用來(lái)優(yōu)化熱流動(dòng)的方法包括：使通孔直徑（d）盡可能大，以便最大限度地增大構成通孔壁的銅的體積（求解圓柱體的體積）；在盡可能多的盤(pán)上通孔內層上附著(zhù)盡可能多的銅，并且使這些通孔與平行層連接，以增加銅連接體積（每增加一個(gè)通孔連接的內層可以增大可用來(lái)散熱的體積）。 一旦焊盤(pán)上通孔到達被用來(lái)完成電連接的PCB層，盡量端接層上的銅布線(xiàn)，使產(chǎn)生的熱量有足夠多的銅去傳導和擴散。在CSP封裝下，硅片基底的熱阻應比焊盤(pán)上通孔的熱阻低得多，焊盤(pán)上通孔會(huì )把熱量從PCB上元件側端傳導到任何其它層，CSP封裝在整個(gè)體積內將近似為等溫（isothermal）（上下幾度范圍）。因此，即使某個(gè)引腳的信號只有較小的電流或在IC內部物理位置上沒(méi)有靠近發(fā)熱源，每個(gè)CSP引腳應當被認為同等地連接到熱源，并且能夠從IC傳輸同等的熱量。有了這個(gè)概念，如果每個(gè)CSP引腳連接到同樣大小的銅，它們則能夠傳輸相同的熱量，連接到CSP的每個(gè)連接都應該使用最大面積銅平面或者盡可能厚的銅布線(xiàn)（例如2盎司銅重量而不是1盎司），以便最大限度地提高PCB的散熱能力。
圖3：部設在一個(gè)4層PCB上的IDT P9028AC CSP器件，所示為第3層（中間第2層） 上面圖中所示為PCB上從元器件側開(kāi)始的第三層，不論布線(xiàn)傳導的電流大小，每個(gè)盤(pán)上通孔的銅表面區域都有連接并且最大化。布線(xiàn)中被保持“薄細”的地方是那些不與盤(pán)上通孔直接接觸并連接到IC中的部分。這些可以通過(guò)較大直徑的孔（灰色圓圈）相對于位于CSP封裝下方較小直徑（較小直徑是由于0.4 mm的IC引腳對引腳間距）的盤(pán)上通孔來(lái)區分，只允許0.254mm（10mil ）焊盤(pán)和0.127mm（5mil）直徑（d，見(jiàn)圖2）。在本例的PCB布局中，針對/ENABLE、TS、FOD2的信號每個(gè)最多將只有不到1mA的電流，但布線(xiàn)可以故意加寬，以便利用盤(pán)上通孔連接所具有的導熱能力，盤(pán)上通孔還連接到CSP封裝。 這里重新考慮一下等式1，熱量的流動(dòng)受熱源到散熱面或散熱層距離（L）的影響。簡(jiǎn)單地檢查一下銅和FR-4的熱導率值可以證明，銅（熱導率406 (W/(m'K)) ）在傳遞熱量方面比FR-4（熱導率為0.1 到 1 (W/(m'K))）優(yōu)越。然而，當距離（L或電介質(zhì)的厚度）相對于面積很小時(shí)（L< 對于一個(gè)最佳的PCB設計，頂層PCB的整個(gè)表面應該具有近乎均勻的溫度，而底層溫度將盡可能接近于頂層，這是使熱量從PCB電路上傳輸到空氣中（或PCB所處的其它介質(zhì)）的最佳設計點(diǎn)（最小溫度下降），此時(shí)PCB兩側都可以作為傳熱表面。 此外，在使用寬厚的銅平面時(shí)，因為銅平面具有高導熱性，熱量會(huì )水平地傳輸，并且均勻地加熱銅平面，使整個(gè)區域的溫度提高，這有助于在每個(gè)平面使熱量均勻地分布。一旦實(shí)現熱量均勻地分布，減小電介質(zhì)厚度并通過(guò)改善PCB層到層之間的傳熱，層到層之間的表面溫度會(huì )彼此接近。因此，就CSP芯片的整體工作溫度而言，如果所有其他變量保持不變，具有更薄電介質(zhì)厚度的PCB將勝過(guò)具有較厚電介質(zhì)的PCB。 降低CSP器件工作溫度的最終和最有效的方法來(lái)是使在PCB元件側與IC接觸的銅的用量最大化。PCB的元件側由于接近周?chē)h(huán)境，是電路板上能夠最有效地將熱量從PCB散開(kāi)的一層。任何內層的熱量必須經(jīng)過(guò)PCB表面才可以得到擴散。因此必須升高表面的溫度以便熱流從PCB散開(kāi)�？梢杂昧硪环N方法來(lái)分析表面銅能夠最有效傳遞熱量的事實(shí)，即對靠近熱源的銅面積與熱路徑長(cháng)度的比值進(jìn)行比較。確定最有意義熱路徑的關(guān)鍵是找出那些具有最大比值的路徑，這些路徑是累積性的，可以計算出這些路徑的數量并累加，這是計算個(gè)體潛在的熱阻以及累積傳熱能力的簡(jiǎn)單比較值的一種方式。以一個(gè)6x6陣列的36引腳CSP器件為例，假設IC有8個(gè)GND引腳，而且每個(gè)都直接連接到GND面�？紤]到較薄的通孔壁以及相對較長(cháng)的到下一層的距離，在與一個(gè)連接到PCB元件側銅表面的0.254mm長(cháng)布線(xiàn)進(jìn)行比較時(shí)，通孔的面積長(cháng)度比（A/L (m2/m）較大。例如，一個(gè)0.152mm直徑的通孔形成了一個(gè)長(cháng)度為0.47mm的圓柱體，每個(gè)無(wú)限薄圓筒環(huán)將是大約13.9nm（假設通孔壁厚鍍層為25μm厚），這將有29μ的熱傳遞比值（A/L）�，F在計算一個(gè)具有較短側端布線(xiàn)元件與一個(gè)散熱平面的熱傳遞比值，長(cháng)度為0.254mm，含有1盎司銅，寬度為0.254mm，所得到的熱傳遞比值為35μ（A/L）。短的銅布線(xiàn)具有更高的熱傳遞比值，因此比通孔能夠傳遞更多的熱量�，F在考慮8個(gè) GND通孔，如果CSP器件21個(gè)四周引腳中的10個(gè)能夠連接到寬的銅表面，總的焊盤(pán)上通孔熱比值將是280μ相對于350μ。因此，與可用于直接連接到銅平面的可用焊盤(pán)上通孔數量相比，PCB元件側的連接有較大的熱路徑比值，并且通常具有更多可連接到可用散熱面的連接。 工作溫度是環(huán)境溫度與傳輸和擴散所產(chǎn)生的熱量而導致溫度上升的疊加結果。通過(guò)優(yōu)化PCB設計， CSP器件產(chǎn)生的熱量經(jīng)過(guò)傳導能夠盡可能均勻地擴散到盡可能寬廣的區域，致使IC封裝的溫度、PCB表面的溫度、以及環(huán)境溫度之間具有最小的溫度差，可以實(shí)現對流效率的最大化，從而實(shí)現最佳的熱性能。由于CSP封裝功率器件沒(méi)有直接的基板到PCB連接（如QFN封裝的E-PAD），熱量的流動(dòng)必須一個(gè)引腳到一個(gè)引腳地考慮。對于CSP器件，考慮到硅片具有幾乎相同的溫度（1-2攝氏度以?xún)葴夭睿�，從每個(gè)引腳到基板的熱路徑幾乎是相同的。因此，每個(gè)引腳連接都應該仔細檢查，并加強銅的連接，以便優(yōu)化從集成電路到正在開(kāi)發(fā)或者修改的PCB的散熱性能。由于外圍引腳沒(méi)有較薄的通孔，而且具有大量的四周引腳，印刷電路板的元件側是實(shí)現熱傳遞的最有效途徑。不論節點(diǎn)上的電流大小，所有的四周引腳應該連接有空間所能允許的寬銅布線(xiàn)，也不可忽視電流承載要求。最后，焊盤(pán)上通孔可用來(lái)把每個(gè)內引腳連接到較寬的空間所允許的銅表面或布線(xiàn)，多層設計降低了工作溫度也實(shí)現了更薄的PCB。 參考文獻: Resnick, Robert. 物理（Physics）, 第5版，第1卷，Wiley. 2002. |
