选择倒装电源IC提高PCB设计中的散热性能

1.前言

电源集成电路 (IC) 尺寸的显着减小使系统设计人员能够实现电源解决方案尺寸和成本的减小，这对于推动汽车行业先进系统的发展势在必行。

然而，这一趋势带来的一个挑战是热性能受损。如果没有周到的印刷电路板布局来散热，在设计中使用较小的 IC 可能会导致显着的温升，这对于汽车应用来说尤其重要。

一种常见的小尺寸封装是倒装芯片 IC。倒装芯片封装使 IC 变得更小，使其成为设计微型电源解决方案的工程师的首选。然而，这种尺寸的减小进一步影响了热性能，并使热缓解更具挑战性。在本文中，我将回顾使用小型倒装芯片 IC 实现最佳热性能的注意事项和指南。

2.标准打线QFN和倒装芯片封装的区别

典型的引线键合四方扁平无引线 (QFN) 封装具有通常连接到散热垫以进行散热的结点/芯片，如图 1 所示。结点具有将结点连接到引脚的键合线. 键合线非常细并且不能很好地导热，导致大部分热量从导热垫中逸出。

图 1：标准引线键合 QFN 封装中引脚和散热垫的结连接

倒装芯片技术翻转芯片/结，使铜凸点倒置并直接焊接到引线框架，如图 2 所示。这导致从引脚到结的寄生阻抗降低，提高效率、尺寸、开关给定规格的振铃和整体性能。然而，倒装芯片禁止芯片直接连接到散热垫——典型的倒装芯片设备上没有散热垫。幸运的是，键合线的消除促进了从芯片到引脚并进入电路板的高导热性路径。这会导致管芯和电路板之间的热传导良好，从而消除 IC 的热量。

图 2：倒装芯片器件引脚的结连接

3.使用引脚优化热分布

通过连接和使用倒装芯片引脚进行热分布，电源设计人员可以使用倒装芯片 IC 实现非常好的热性能。将引脚连接到大铜迹线和多边形浇注可降低热阻并从封装中吸收更多热量。

电源接地 (PGND) 引脚通常用于从 IC 中提取热量。PGND 还需要更高的电流能力；因此，将结连接到 PGND 引脚的铜凸点通常大于信号引脚的铜凸点。这个更大的铜凸点允许更多的热量从 PGND 引脚流出。在系统方面，PGND 在电气上是安静的，因此大的铜表面积不会影响电磁干扰 (EMI) 水平——这是汽车系统的一个重要要求。

您可以使用其他引脚来提高热性能，但注意不要增加噪声节点（例如开关节点和自举引脚）的表面积，因为这会影响 EMI 性能并可能导致违反 EMI 测试限制。

让我们使用LMR36015-Q1测试这些策略，这是一款额定温度为 150°C、输入电压为 60V 、输出电流为1.5A 的倒装芯片降压转换器。图 3 显示了LMR36015-Q1的引脚排列。

图 3：LMR36015-Q1 的引脚排列

图 4 显示了LMR36015-Q1的热优化布局 。引脚 1 和 11 是 PGND 引脚，连接到大地平面，提供良好的热分布。该布局还在地平面上使用了散热孔，利用内层实现更多的热量分布。引脚 6 是模拟地，它也有一个大的地平面和热过孔。引脚 2 和 10 是输入电压 (V IN ) 引脚，它们与 PGND 引脚一样具有较大的内部铜凸点以增加电流容量并改善导热性以更好地散热。然而，降压转换器上的输入电压本质上是有噪声的，因此请注意 V IN的大小平面，以免将 EMI 水平超过可接受的限制。由于电压的快速变化，开关节点和自举引脚会产生噪声，因此保持这些节点尽可能小很重要。

图 4：LMR36015-Q1倒装芯片 IC 的示例布局

所述LMR36015-Q1板措施2.2 2.3英寸（5.6厘米5.8厘米）和仅具有两层：顶部和底部。典型的电路板更大，包含四层或更多层，因此层的大小和数量增加了热挑战。热优化布局允许LMR36015-Q1在 12 V IN、5 V OUT和 1.5 A OUT满负载下运行，在 22°C 静止空气环境中以 400 kHz 开关，温升仅 28°C . 这种布局允许额定 150°C 的 IC 在高达 115°C 的环境温度下运行，这比 105°C 环境要求高 10°C 的裕度，用于一些最恶劣的汽车环境。

采用倒装芯片封装的小功率 IC 不一定会导致较差的热性能。与引线键合封装相比，遵循本文提供的指导可以实现等效的热性能。