SOT-23 FCOL封装的散热效能
摘要
传统焊线式 (wire-bond) SOT-23封装的散热能力不甚佳；覆晶式 (FCOL) SOT-23 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SOT-23 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，SOT-23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 (thermal pad) 。
在JEDEC散热参考板中，标准焊线式 SOT-23-6 封装的热阻值 θJA（从接面到环境的热阻）约为220〜250 ℃/W；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 SOT-23 封装内部的结构。
传统焊线式 (wire-bond) 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 (WIRE
BOND) SOT-23-6 的封装结构
下方图一显示焊线式 (wire bond) SOT-23-6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 (bonding wire) 通常是25-38um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SOT-23-6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.
FCOL SOT-23-6 的封装结构
下方图三显示覆晶式 (FCOL，Flip-Chip-On-Lead) SOT-23-6 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 SOT-23 PCB 布局的建议
由此可知，焊线式(wire bond) 和覆晶式 (FCOL) SOT-23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、FCOL SOT-23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。
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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。
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第二层：接地平面。在IC 的GND 接脚附近多放 GND 通孔 (蓝色) 。
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第三层是电源。多放从 IC VIN 到紫色 VIN 层的通孔。可在此层增加 GND 和 EN 信号的铜箔面。
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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。
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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 (wire-bond) SOT-23-6封装，而右边则是覆晶式(FCOL) SOT-23-6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。SOT-23-6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20〜30 ℃；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， FCOL SOT-23-6 封装从接面至环境的热阻可以低至 55℃/ W。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 70〜80℃/ W 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 (wire-bond) 的封装相比，覆晶式 (FCOL) 封装确能提供较好的散热能力。