如何提高芯片级封装集成电路的热性能?

作者:网上体育平台  时间:2021-09-10  浏览量:66428

本文摘要:在便携式电子市场,电源管理集成电路(PMIC)正在更加多地使用球栅阵列(BGA)PCB和芯片级PCB(CSP),以便减少材料成本,改良器件的电性能(无焊线电阻),并且构建更加小的外形尺寸。

在便携式电子市场,电源管理集成电路(PMIC)正在更加多地使用球栅阵列(BGA)PCB和芯片级PCB(CSP),以便减少材料成本,改良器件的电性能(无焊线电阻),并且构建更加小的外形尺寸。但是这些优势的获得并不是没其他方面的让步。芯片级PCB的硅片仍然必要与用作导电和导电的较小风扇板(E-PADs)认识,由于IC基板仍然与E-PAD认识,从IC基板到风扇印刷电路板(PCB)铜面之间没低导热性的必要相连,这是性能受到影响的主要原因。

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本文将辩论在PCB级用于的减少CSP器件工作温度的方法,并通过减少在设计中用于的CSP集成电路热阻来探索将热量从热源传输到周围环境的方法。一般来说有多种方式可以提升性能,同时减少工作温度,这可以通过使用新的印刷电路板或者变更现有电路板来构建。

  便携式电子设计中由于尺寸和重量的容许,拒绝设计人员必需增加电子元器件的尺寸和用作PCB相连其他电子设备的区域大小,为了符合这些市场需求,使用CSPPCB来增大所必须的PCB面积是在设计中所少见的变化。由于总PCB面积增大,可用作蔓延热量和部设高功率PCB走线的选项随之增加。而且,QFNPCB与一个同等CSPPCB展开较为,其风扇性能也不给定。因此,当务之急是要对PCB设计展开优化以使热量从CSP传输至PCB,再行由PCB蔓延到空气中。

测量热传导亲率的参数是结到周围环境的热阻指标Theta-JA(JA(℃/W))。  作为参照,在使一个典型的QFNPCBE-PAD(3x3mm2)与一个具备0.4mm间距的CSP器件相连时,为了给定热传导所用的面积大小,必须相连将近30个CSP插槽以便保持同等的由E-PAD面积要求的风扇能力。对于一个精心设计的PCB,在同一电气阻抗条件下把完全相同的硅器件焊到类似于的印刷电路板时,JA数据大小可从CSPPCB的45℃/W到等效QFNPCB的25℃/W(源于IDTP9023无线充电接收器的参照数据),比同等QFN比起,这样的差异意味著CSP将不会工作在更高的温度下。

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一个使用CSPPCB的IC在与具备完全相同功耗的QFN比起时,其风扇性能一般来说仅有后者的一半。因此,对于一个精心计划的PCB设计,如果没展开适合的补偿,CSPPCB的热性能可以很更容易地比同等QFN怕两倍。  对于一个PCB好的IC,其工作温度一般来说由三个因素要求:对流、传导和构建一定性能所消耗的功率。

在使用热阻参数对于CSPIC展开热分析计算出来时,应当注意到计算出来是基于对IC到PCB之间风扇通孔(via)数量的估算,每个相连都可构成用作把热量从IC半导体结给定的风扇路径。这些估计假设IC加装到由JEDEC标准51所限定版的34.5的液体铜4层印刷电路板上,而在实际应用于中,PCB设计所占到面积一般来说较为小,具备切口部和其他点状形状因素,并且有许多组件、多个路径和电相连,这与JEDEC标准比起不会使PCB热性能上升。  设计者面对的一个少见的困境是如何把在IC上产生的热量通过PCB传输到空气中,在风扇路径上具备大于的温度上升。    图1:展出热传输的贴装CSPPCB器件PCB剖面图  在图1中,每个相连到元器件测端的焊盘以及每个盘上风扇孔道(via-in-pad)都可以把芯片产生的热量传输到PCB铜面上。

盘上风扇通孔的设计以及数量,以及风扇通孔必要认识的铜板面积都会影响风扇路径的效率。所研发的IC插槽间距不会影响孔的大小,而且与能用来经过风扇通孔(即铜平面或布线)把热传输到铜表面的铜体积成正比(可把风扇通孔指出是中空的热传导铜圆柱体)。此外,盘上风扇通孔在电镀(electro-plating)已完成后,在均匀分布地处置表面以便摆放CSP器件之前必须填满一些非导电或导电材料。通孔填满材料被流经进孔,其填满比例经常是制造者根据孔径而优化。

用于后末端填满(back-fill)通孔的导电填满材料一般来说具备比铜低的电和热阻性能,由于盘上风扇通孔中的铜具备较低的热阻和电阻,所以填满材料对热性能只有较小的影响。另外,大多数的导电材料具备比铜低的热膨胀系数,有可能造成通孔壁裂痕。由于这些原因,在大批量生产阶段一般要用非导电材料填满,但随着产业技术的更进一步发展,导电材料的性能有可能开始大幅度打破非导电材料,而会经常出现良率减少的风险。


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