? 便携式产品的小型化、高速化和低成本的需求趋势似乎永无至境。由于芯片的封装越来越小，设计人员总是面临新的挑战。许多场合下，为了达到各种电性能，元件在印制板上的间距变得越来越小，这会导致在一很小区域内功率或热的集中，从而使元件温度过高，超出系统所能正常工作的要求。
? 一般采用诸如风扇、定制的散热器及热管等加速冷却措施，然而这些方法会.增加系统的复杂性，使系统的成本增加，因而实用性也并不是很好。
? 那么设计人员又该做些什么呢？首先，为有效地解决散热问题，应尽早地仔细考虑印制板的热设计以及元件之间的相互作用等方面将精力集中到冷却问题的核心。
? 在印制板设计之初，对于不同元件的功耗要有一个透彻的了解，对不同的功率水平要选择相应的封装形式，同时还要充分利用封装的散热特性。预先考虑到这些问题，能使设计工作事半功倍，减少印制板上过热区的出现。
? 为指导设计人员进行更加有效的设计，本文首先回顾一下基本的热学方面的概念。

热阻
? 通常用热阻来表征一个已封装好的器件的热性能，其符号为希腊字母θ。对于一个半导体元件，热阻表示了在稳态时从芯片表面每耗散一瓦功率（热）时，芯片结点与参考点之间的温度之差，单位为℃/W。
? 常用到的热阻有θja(结到环境)、θjc(结到封盖)和θjb(结到印制板)等。Θja通常用于自然或强制对流的风冷系统中。在这些系统里，元件是安装在环氧玻璃型印制板上的。Θjc常用在高导热的封盖式封装中，封盖上安装了散热器。Θjb使用的场合是当靠近封装外引线的印制板温度能比较精确控制时。本文着重讨论θja，因为在便携式产品中多数是这种对流冷却的印制板系统。
? 元件制造商通常是从实验室测得的数据或计算机模拟的结果来决定θja值。这些数据包括芯片的结温（Tj），环境空气的温度（Ta）--它和封装表面的温度近似相等，以及所耗散的功率(Pd)。有了这些数据，θja可按下式计算出来：
θja = (Tj-Ta)/Pd, 单位℃/W
一个系统级的最终用户，从给定的θja值（例如从产品数据手册中查到的），按照下式估算出芯片的结温：
Tj = Ta + (θja×Pd), 单位℃
? 从上式可以看出，要降低结温可以从降低θja、Pd或Ta着手。也许降低Tj最稳妥的方法是进行有效的器件设计，使得耗散功率Pd降低，这就从根本上减少了器件耗散的热量。另一种降低θja的方法是采用强制气冷措施，这种方法和被动式的自然对流和辐射冷却方法相比，主要是增加了系统的对流系数，从而提高了系统的散热能力。在给定了功率、Ta和气流大小的情况下，唯一能够降低Tj的途径，是选择合理的封装和进行优化的印制板设计，只有这样才能使θja降低到最小值。

测试方法和测试板
? 采用标准化的测试方法，能有助于比较不同器件相对的热特性。如果在标准化测试中，一个元件或一种封装形式所表现出来的特性比另一种要好，那么在同样设计的实际系统中，它就有可能会有同样较佳的表现。
? 标准化的试验方法方便了元件的制造，同时也为设计时选择合理的封装提供了依据。然而在实际系统中采用供应商提供的这些“硬”数据时，尤其要注意的一点是这些数据是在特定的测试条件下测得的。这就要求板/系统设计人员必须了解这些数据是如何获得的，诸如测试时所用的方法和测试板的状况以及它们与所设计的实际系统之间有什么差别，同时还要考虑板上其它功耗元件产生的影响等等。
? 许多公司采用JEDEC EIA/JESD 51-X 系列标准。这种标准定义了测试方法、条件以及印制板设计的标准。有关这个标准可从 www.jedec.org 网页上点击"Free Standards"得到。Intersil公司的TB379技术规范--“Thermal Characterization of Packages for Ics"(集成电路封装的热特性)为JEDEC规范提供了一些其它可适用的参考信息。它可从www.intersil.com 主页上点击 "Design Support/Packaging Information" (设计支持/封装信息)得到。
? 因为印制板会对测试产生很大的影响，因此严格控制用来测试热特性的测试板的设计就非常必要。这将有助于排除由测试板不同而产生的影响，将注意力集中在不同公司的元件或封装设计的不同之处。JEDEC主要有两种用来测试θja的测试板。第一种为“低有效热导”板，称作JESD51-3。板上的表层输入/输出铜布线有2盎司重（厚度为0.07毫米）。它通常称作"1S"或"1S0P"，即 "一个信号层，零个（没有）电源/接地层"。以前许多厂家都是用这种通用板形式来测试θja的值。
? 第二种板的形式是最近新出的“高有效热导”板，称作JESD51-7。板上增加了两层连续的铜埋层，增加的这两层铜埋层分别重1盎司（0.035毫米厚）。它经常被称为"1S2P",但有时也称作 "2S2P"。因为第二层信号线在印制板的底面边缘附近，这层线与热特性无关，仅仅是作为测试时的连接引线。
? JEDEC最近还发布了一个叫JESD51-5的扩展版本。它主要应用于为散热需要而直接粘接了机械散热装置的封装形式。这个规范的制定考虑了表面贴装的焊盘和镀铜热通孔连接到1S2P型板的上埋层。这种类型的印制板有时也称作"1S2P-DA",直接粘接型。
? 这种新标准可应用于多种封装形式，例如SOIC、TSSOP以及TQFP等。这类封装的粘片区是暴露在封装底部的（如图1所示）。它也适用于一种称作无引线塑料封装（PLP）的新封装形式。这种新的芯片载体形式有许多不同的名称。
图一 无引线塑料封装(PLP)示意图
? PLP型封装的粘片区以及周边分布的输入/输出引线，是从一个共面的铜引线框架上制造出来的。芯片底部粘结到引线框架的粘片区后再进行塑封处理。此种封装输入/输出引线仅外露一点，它需要的焊盘非常小，占据印制板的面积也很小，而且焊点的电性能及热性能都很好，是进行便携式产品设计时优先的选择。

封装/系统板的组合
? 值得一提的是选择不同的封装和进行不同的印制板设计，对于元件的θja以及印制板上的温度分布影响很大。下面举些例子使你能看到这些影响情况，供你在设计时参考。
? 第一个例子是8线的SOIC、SOP8以及16线PLP三种封装的比较结果。每种封装中被封装的芯片大小是一样的，因此任何θja的差别，只是分别由于各自不同的封装以及印制板设计的差异而带来的（图2）。普通的8线SOIC安装在1S0P型印制板上的θja值约为160℃/W。如此高的值，限制了在这种封装/板组合方式下可用的集成电路的功率。例如，当环境温度为40℃时，仅1瓦的芯片其结温就将达到200℃，这已经大大超过了我们可接受的水平。
图2 三种典型封装及JEDEC板组合方式下的θja值
? 接下来是SOP8封装安装在1S2P印制板上的结果。这里讨论的特殊SOP8封装是8线SOIC的内部改进型。此封装是专为分立的功率MOS场效应管而设计的。8只外引线的其中4只直接连到了包封住的管芯粘片区。这四只“鸥翼型”引线形成了一个热通道，将热从封装的一侧散出。这种封装在“1S2P”上的θja值约为65℃/W。在环境温度为40℃时，1瓦的芯片结温将达到105℃。可见这种封装/板组合方式下，散热性能有了很大提高，但还没有粘片区外露的封装那么好，因为后者的粘片区是直接连接到了印制板上。
? 边长为4毫米的方形16线无引线塑料封装（PLP），芯片粘片区是外裸露的，外引线呈凹槽状，这种设计非常有利于散热。当它与具有四个热通孔的1S2P-DA直接粘接型印制板组合使用时，θja值约为41℃/W。在环境温度为40℃时，1瓦的芯片结点温度仅为81℃。与前两种组合方式相比，其散热性能有了显著的提高。
? 通常情况下，对于PLP型封装，当外露的粘接和焊接区的大小相同时，它的热特性应该也是相同的。PLP封装并不象典型的有引线封装那样具有外展的“鸥翼型”引线，它的外引线呈凹槽状，仅外露一点，因而它所需要的焊盘很小，这也是这种封装的优点之一。这种16线PLP占据的印制板表面要比8线的SOIC少45%的面积。
? 为比较不同板设计对热的影响，将16线PLP封装安装在五种不同印制板上。对这五种情形进行了有限元模拟分析（图3）。每种情形下，PLP外露的粘片区是用焊料焊接到印制板上的。这五个有限元分析模型中，唯一不同之处是有些板有内部层和四个热通孔。从分析结果可见，这五种情形下结果差别很大。例如，增加了内部层后，θja从开始的1S0P型的126下降到1S1P型的79，到1S2P型板时只有74℃/W。
图3 在自然对流冷却时，16线PLP在五种不同印制板上的有限元分析模拟结果
? 增加四个热通孔对进一步降低θja具有很明显的效果。如从1S1P型的79下降到1S1P-DA型的48℃/W。同样地，从1S2P型的74下降到1S2P-DA型的41℃/W。值得注意的是有一层内埋层的1S1P-DA型板的θja值为48℃/W，它要比有两层内埋层的1S2P(非直接贴接)型板的74℃/W要好。换句话说，在直接粘接式板子中的四个热通孔的散热效果要比在板子中再增加第二个埋层的效果要更好。

印制板的温度分布
? 我们将16线PLP封装在三种印制板上--1S0P、增强的JEDEC 1S2P和 1S2P-DA，采用三种不同的有限元分析模型，模拟计算了封装上表面的温度值，所进行的比较是纵向的温度分布值。
? 对于增强型印制板，封装上表面的峰值温度比1S0P型要低很多。1S0P的峰值为147℃，而对于1S2P型，峰值温度下降到98℃，当印制板为1S2P-DA型时，峰值温度仅为66℃。可见采用铜内埋层和热通孔能降低元件的温度。
? 模拟结果显示这三种印制板的温度分布是不同的。1S0P型的温度均匀性最差，它的峰值温度最高而边缘的温度最低。1S2P-DA型的温度分布最均匀，它的峰值温度最低而板子边缘温度最高。1S2P型除了在封装附近区域与1S2P-DA有差别外，其它部分几乎相同，这是因为1S2P-DA型内部的热通孔降低了峰值温度。在远离封装的印制板中，内部埋层是影响温度分布的主要因素，这也就是为什么后两种印制板的温度分布大致相同的原因。
? 大约距离封装中心23毫米之外，"2P"比1S0P的要热一些。这是因为"2P"的散热性能更好，能散出的热自然更多。"2P"边缘的温度为31℃，而1S0P为27℃。"2P"与环境温度的温度差ΔT是1S0P的3倍-即如果1S0P型温差为2℃，那么"2P"将会是6℃的温差。从ΔT值来看，温差并不算大，但对"2P"来说，通过采取其它对流式散热措施进行降温处理，对于降低系统温度却非常奏效。
? 由上面的讨论可见在设计过程中尽早作出正确的选择，对最终的元件温度影响很大。在进行最终的元件及封装形式的选择时，脑海中时常装着这些系统设计时热分布的情况，将提高我们对问题的预见能力，大大有助于我们的设计工作。印制板版图的设计以及热模拟，应该考虑到不同封装和内部埋层以及热通孔所带来的影响。最终目的是使印制板设计工作更加严格，并且能够一次成功，避免重复设计以及将来要做更多的份外工作，如必须采取额外的冷却措施等。■（何卫译自《Portable Design》2000.11）