傳統的SOT-23-6封裝是通過Wire-Bond( 打線,俗稱“邦定” )的方式將芯片內核和封裝骨架上的導線架連接起來的,所用連接線通常是25至38μm的金線或銅線。
有時候,為了達成一定的性能指標,兩個連接點之間會同時打很多條線,這能改善性能,同時也提高了成本。下面的圖形可讓我們從不同的角度看到這樣的做法在IC的封裝內部是如何實現的:
從上圖中可見連接芯片內核和導線架的導線是細而長的。
我們都知道導體的電阻R和它的長度成正比、和它的橫截面積成反比,當電流I流過導線時,它們集合起來形成的功率是I^2×R,由于此功率和電流的平方成正比,所以電流加大以后,功率就會以指數形式猛增,遺憾的是這部分功率是不能轉化為有用的輸出的,它們只能和芯片內核發熱所形成的熱量一起升高封裝內部的溫度。當封裝內部的溫度高于環境溫度以后,受溫度差的壓力,熱量才會向外傳遞。
在這里的熱量傳遞只能采用傳導的方式進行,哪里的熱阻比較小,熱量就會向哪里傳導得比較多,這樣的傳遞過程會形成一個溫度的梯度,越是靠近熱源的地方,溫度越高,越是遠離熱源的地方,溫度越低。這里說的遠近不是距離的遠近,而要理解為熱阻的大小,即熱阻大則距離遠、熱阻小則距離短。在這種打線方式的SOT-23-6封裝中,由流過的電流形成的熱量在向外傳遞的過程中形成的溫度梯度是怎樣的呢?下面的模擬圖可以給出一點示意:
由圖可見,IC封裝中部的溫度是最高的,到了邊沿部分就低些了,到了引腳部分就更低了,PCB板上的溫度則非常接近常溫,這樣一來,就有大部分的熱量是通過封裝的中間部位向空氣中傳播的。很顯然,這樣的傳播效率是很低的,下面的實物熱成像照片可以驗證這一點:
這樣的溫度分布圖說明了傳統的SOT-23-6封裝是非常容易出現局部高溫的,而我們知道半導體器件對溫度是非常敏感的,過高的溫度很容易讓器件失去它應有的功效,甚至可能造成火災等危險,這就大大地限制了這種封裝的應用空間。
我們在前面提到了熱阻的概念,它定義了熱量由一個地方向另一個地方傳遞時所受到的阻力的大小,其單位為℃/W,當兩地的溫度指標已經確定時,熱阻的大小就確定了能夠在兩地之間傳遞的熱功率的大小。由這個概念,再加上芯片內核能夠承受的最高溫度和環境溫度,我們就能夠得到這個芯片能夠承受的耗散功率,其計算公式為:
安裝在標準測試板上的傳統SOT-23-6封裝的θJA約等于250℃/W,芯片內核的最高結溫為150℃,當環境空氣溫度為25℃時,計算所得的P_D(MAX)=0.5W,這比我們規格書中標示出來的0.4W大不了多少,但請你理解我們的規格書是不能虛標的,但低標總是可以的吧?這樣做是為了確保應用的安全,避免用戶將它們用在不恰當的地方。
高熱阻的傳統SOT-23-6封裝有這里說到的缺陷,可它同時又是具有很多優勢的,它很小,使用非常方便,生產規模很大,價格很低,如能針對它的缺陷進行有針對性的改變,就有可能突破其限制,為它的應用空間帶來突破。
我們在上面的封裝透視圖中看到的芯片內核是平躺在骨架上的,焊點和導線架之間不在一個平面上,它們之間的連接必須依靠長長的導線來進行連接。如果能將導線架金屬部分延伸到芯片下面,再將芯片內核翻個面使其直接面對導線架并焊接在一起,則整個電流路徑就能大大地縮短而且變得很粗壯,這樣就可以將其R大大地降低,當電流流過時形成的I^2×R就可以大大地減小了。與此同時,由于粗大的金屬具有遠高于塑膠的熱傳導能力,由芯片內核所產生的熱量也很容易透過骨架傳遞到PCB和空氣中,最后形成的溫度梯度就會表現得完全不一樣,從而為傳統的SOT-23-6封裝帶來新的生機。這種新的做法就是立锜投入巨大精力開發的全新的FCOL (Flip-Chip On Lead:在引腳上的芯片倒裝) 封裝技術,它完全摒棄了傳統的連接線,而是將芯片內核上的觸點直接和骨架的導線架焊接在一起,有效地降低了連接線的長度、電阻和熱阻,寄生電感也大大降低,使應用它的產品有了更好的電性表現和優化了的散熱能力,為傳統的SOT-23-6封裝注入了新的生命,大大拓展了它的生存空間。
下面的圖片展示了FCOL技術的實現方式:
它的熱表現會如何呢?先來看看模擬效果圖:
從中我們可以看到和傳統打線方式的溫度分布是很不一樣的,已經表現得非常均勻了。如果模擬還不能說明問題,實物的熱成像圖就更有說服力了,直接看圖吧:
有了全新的FCOL封裝方式,SOT-23-6封裝的熱阻降到了很低的水平,安裝在標準測試板上時測得的θJA=70℃/W,依此計算出的 P_D(MAX)=1.78W,規格書中的標示數據為1.429W,是傳統封裝的耗散功率的3.57倍,這就使得它的應用空間大大擴展了。目前,立锜科技的ACOTTM Buck器件中的一個子系列已大量使用SOT-23-6封裝,其電流輸出能力分別有1.5A、2.5A和3.5A,而且還有更大的提升空間等在后面。要知道在沒有這種FCOL封裝以前,這樣大的電流只能在類似SOP-8這樣的封裝里才能實現,所以這樣的技術進步是非常有價值的。
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