SOT23封装的散热效能

　　摘要
　　传统焊线式（wirebond）SOT23封装的散热能力不甚佳；覆晶式（FCOL）SOT23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SOT23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，SOT23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（thermalpad）。
　　在JEDEC散热参考板中，标准焊线式SOT236封装的热阻值JA（从接面到环境的热阻）约为220250W；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SOT23封装内部的结构。
　　传统焊线式（wirebond）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（WIREBOND）SOT236的封装结构
　　下方图一显示焊线式（wirebond）SOT236封装的基本结构。
　　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（bondingwire）通常是2538um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SOT236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。
　　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。FCOLSOT236的封装结构
　　下方图三显示覆晶式（FCOL，FlipChipOnLead）SOT236封装的内部结构。（为清楚说明，晶粒以透视图显示。）
　　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。
　　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SOT23PCB布局的建议
　　由此可知，焊线式（wirebond）和覆晶式（FCOL）SOT23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ACOT架构、FCOLSOT23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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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）。
　　第三层是电源。多放从ICVIN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
　　图八
　　图八显示两个热扫描结果：左边是标准焊线式（wirebond）SOT236封装，而右边则是覆晶式（FCOL）SOT236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。SOT236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2030；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，FCOLSOT236封装从接面至环境的热阻可以低至55W。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7080W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。
　　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（wirebond）的封装相比，覆晶式（FCOL）封装确能提供较好的散热能力。