芯片散热设计方案

在一些芯片应用中，例如稳压器，当器件正在工作时，高发热量是不可避免的。具有裸露焊盘封装是一种耐热增强型标准尺寸IC封装，其优点是除了使用笨重的散热片外，从标准的PCB布局及焊接流程之中也可实现散热的功能。

裸露焊盘一般暴露在封装底部。这在芯片和芯片之间提供了极低的热阻 (θ_JC)路径。如下图1所示，是其中一种裸露焊盘的设计。

图1，裸露焊盘芯片内部结构示意图

根据经验，部份声称“零件过热”的不良零件个案，最后发现并非线路的设计问题，反而是裸露焊盘焊接方面的不善导致散热不良。

以下有一些小贴士，有助于工程师在PCB布局及焊接层面上也同时能够照顾芯片的散热。

小贴士1：

留意厂商建议使用“Solder Mask定义（Solder Mask Defined, SMD）”还是“非Solder Mask定义（Non-Solder Mask Defined，NSMD）”焊接方法。

两种定义的焊接方法各有特点，如下图2所示：

图2，“非Solder Mask定义”与“Solder Mask定义”焊接方法的比较（图片来源：http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND9107-D.PDF）

两种方法各有优点：“Solder Mask定义”下，solder mask会覆盖部份焊盘，以减少零件接触后焊膏被挤压后与旁边焊盘短路风险；“非Solder Mask定义”中开孔较大，焊膏全覆盖PCB焊盘且应力集中程度较低。根据与工程师的分享，在使用“非Solder Mask定义”时会有一定问题，由于他们担心在没有Solder Mask下放了过多的焊膏而造成短路，反而导致焊膏不足，散热不良。使用焊接模板能协助工程师更有效及精准在PCB焊盘上放上焊膏，市场上也提供多种封装尺寸的焊接模板可选择。

小贴士2：

设计焊盘的大小须符合数据手册上的要求

基本上，工程师要了解PCB焊盘需要符合数据手册上要求的尺寸。但同时，如果PCB板布局容许，设计较大的PCB焊盘表面面积也能够帮助增加芯片的散热性能。图3是其中一个例子，生产商建议增大铜面积，以加强裸露焊盘的散热效益。

图3，铜面积大于裸露焊盘面积的例子（图片来源：http://www.ti.com/lit/an/sloa120/sloa120.pdf）

小贴士3：

善用散热过孔 (Thermal Vias)

从裸露焊盘的焊盘区域到PCB的另一侧添加散热过孔，可以有效地散热。当中的散热过孔应用可设计于PCB散热焊盘内或焊盘外（即是在铜面上，不掏上焊膏）。图4中的例子中生产商建议散热过孔布设在焊盘外。

图4，生产商建议散热过孔布设在焊盘外的例子 (来源：http://www.ti.com/lit/an/sloa120/sloa120.pdf）

结语

除了外加散热片外，具有裸露焊盘封装的芯片设计可给工程师多一种散热渠道，增加产品设计的灵活性。但需使用适合的焊接技巧方法，否则就无法利用裸露焊盘发挥应有的散热效果。

以下是一些实用的经验总结：

1. 留意生产商建议使用“Solder Mask定义”或“非Solder Mask定义”焊接方法。在使用“非Solder Mask定义”时， 工程师可考虑使用焊接模板以便更有效及精准地涂上焊膏;
2. 如PCB布局容许，PCB焊盘可比实物面积大。如PCB布局的空间有限，谨记至少要符合数据手册上的焊盘要求;
3. 可应用焊盘内或焊盘外散热过孔。使用焊盘内散热过孔，工程师可考虑使用可剥离 (peelable) 或可清洗(washable) solder mask，以保护“外露铜面积”及“焊盘外散热过孔”在波峰焊接(wave soldering) 或组装后PCB板涂层工艺过程中，防止过孔被堵塞或过热。

更多技术內容，请参考以下文献

• Optimizing PCB Thermal Performance for Cree XLamp® LEDs
• Recommended Soldering Techniques