通過3D封裝和組件放置方式解決POL穩(wěn)壓器散熱問題

下面將要陳述的一些事實一定會讓 DC/DC IC 及電路設(shè)計師不快，不過，真實情況是，這些問題今天比幾年前更加顯著。盡管這些設(shè)計師腦力強大，通曉設(shè)計藝術(shù)和設(shè)計學(xué)，擁有豐富經(jīng)驗，可以熟練擺弄波德圖 (Bode plot)、麥克斯韋方程 (Maxwell’s equations) 和零極點，能夠設(shè)計出精致的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路，但是 IC 設(shè)計師常常對付最后一個可怕的物理難題：熱量。這本來是封裝工程師的事兒。如今，封裝工程師對 DC/DC (負(fù)載點) 穩(wěn)壓器熱性能的影響要比以往大得多，尤其是那些大功率、小封裝穩(wěn)壓器。

POL 穩(wěn)壓器之所以產(chǎn)生熱量，是因為沒有電壓轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到 100%。這樣一來就產(chǎn)生了一個問題，由封裝結(jié)構(gòu)、布局和熱阻導(dǎo)致的熱量會有多大? 封裝的熱阻不僅提高 POL 穩(wěn)壓器的溫度，還提高 PCB 及周圍組件的溫度，并使得系統(tǒng)散熱設(shè)計更加復(fù)雜。

組件安裝到 PCB 上以后，消除封裝產(chǎn)生的熱量主要有兩種方法：

1)采用表面貼裝方式時，將熱量傳導(dǎo)到銅質(zhì) PCB 層，從封裝底部散熱。

2)用冷氣流從封裝頂部散熱，或者更準(zhǔn)確地說，熱量被傳遞到與封裝頂部表面接觸、溫度更低、快速運動的空氣分子中。

當(dāng)然，還有一些無源和有源散熱方法，為討論簡便起見，我們將這些方法統(tǒng)統(tǒng)歸入上述第二個類別。因此，從熱量管理的角度來看，要保持包括 DC/DC POL 穩(wěn)壓器在內(nèi)的整個系統(tǒng)在安全的溫度范圍內(nèi)運行，更多銅質(zhì) PCB 層、更大的 PCB 面積、更厚的 PCB 層、在 PCB 上分散擺放組件、更大和轉(zhuǎn)速更快的風(fēng)扇等都是好主意。好主意是好主意，不過對小型、大功率 POL 穩(wěn)壓器進(jìn)行熱量管理時，是否還有其他有助的方法?

盡管上述某些或所有方法對限制系統(tǒng)熱量都很有效，但是采用這些散熱方法也許會使系統(tǒng)或最終產(chǎn)品失去競爭優(yōu)勢。最終產(chǎn)品 (例如路由器) 可能由于故意在 PCB 上擴大組件之間的距離而變得太大，由于風(fēng)扇數(shù)量增加和氣流快速進(jìn)出發(fā)熱的電路而導(dǎo)致可聽的噪聲增大，這些因素最終也許會使最終產(chǎn)品成為市場上的劣等品，因為為了在競爭中勝出，各公司都不斷在緊湊性、計算能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、效率、冷卻成本等方面做出改進(jìn)。28nm、20nm 和低于 20nm 的數(shù)字器件提供更高性能，但功耗更大，而設(shè)備供應(yīng)商則在憑借更快、更小、噪聲更低、效率更高的創(chuàng)新相互比拼。新型數(shù)字技術(shù)能力超群、令人振奮，但背后仍然存在模擬和電源技術(shù)角力，以在封裝更小的情況下提供更大功率，同時最大限度減小對系統(tǒng)總體溫度的影響。具備較高功率密度的 POL 穩(wěn)壓器似乎是一個不錯的選擇：這種穩(wěn)壓器尺寸較小，但功率較大。

通過功率密度數(shù)值判斷 POL 穩(wěn)壓器是否適合是 …… 對新手而言

每平方 (或立方) 厘米 40W 的 POL 穩(wěn)壓器應(yīng)該好于每平方厘米 30W 的穩(wěn)壓器。銷售商利用功率密度優(yōu)勢銷售產(chǎn)品，系統(tǒng)設(shè)計師對穩(wěn)壓器功率密度的要求逐年提高，以憑借下一版更快、更小、噪聲更低、效率更高的產(chǎn)品與對手競爭。在選擇“更好的”POL 穩(wěn)壓器時，更高的功率密度數(shù)值是決定性因素嗎? 我們從如下幾個方面來考慮這個問題。

首先，把功率密度數(shù)值放在一邊，研究一下 POL 穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)表。找到熱量降額曲線。描述詳盡的 POL 穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)表應(yīng)該有很多這類曲線，分別規(guī)定了不同輸入電壓、輸出電壓和氣流速度時的輸出電流、輸出電壓和氣流速度。換句話說，這樣的數(shù)據(jù)表應(yīng)該顯示在具體電路條件下 POL 穩(wěn)壓器的輸出電流能力，這樣設(shè)計師才能夠根據(jù)穩(wěn)壓器的熱量和負(fù)載電流能力判斷其是否適用。穩(wěn)壓器是否滿足系統(tǒng)的典型和最高環(huán)境溫度及氣流速度要求? 請記住，輸出電流降額與器件的熱性能有關(guān)。這兩個因素密切相關(guān)，同等重要。

其次是效率，效率問題不在第一位，而是在第二位。單提效率會產(chǎn)生誤導(dǎo)，僅用效率來表述一個 DC/DC 穩(wěn)壓器的熱特性是不準(zhǔn)確的。還需要計算輸入電流和負(fù)載電流、輸入功耗、功耗、結(jié)溫 ... 等等。不過，為了更好地說明問題，應(yīng)該在考慮輸出電流降額以及其他與器件及其封裝有關(guān)之熱量數(shù)據(jù)的同時，研究效率數(shù)值。例如，一個效率為 98% 的 DC/DC 降壓型轉(zhuǎn)換器會給人留下極其深刻的印象。更加令人贊嘆的是，這款轉(zhuǎn)換器還聲稱具備出色的功率密度數(shù)值。你會不會買這個器件?

一位老道的工程師應(yīng)該問問 2% 的效率損失有什么影響。這種效率損失是怎樣轉(zhuǎn)換成封裝溫度上升的? 這種高功率密度和高效率穩(wěn)壓器在 60°C 環(huán)境溫度和 200LFM 氣流時結(jié)溫是多少? 要突破 25°C 室溫時的典型數(shù)值來思考問題。在 40°C、85°C 或 125°C 的極端溫度時測得的最大值和最小值是多少? 如果封裝熱阻過高、結(jié)溫上升到安全工作溫度范圍以外時怎么辦? 如果這款昂貴的穩(wěn)壓器必須降額到很低的輸出電流值，那么會不會因輸出功率能力減弱而使該器件的高價格不再合理?

最后一個需要考慮的因素是這款 POL 穩(wěn)壓器是否易于冷卻。數(shù)據(jù)表中提供的封裝熱阻值是仿真和計算該器件的結(jié)溫、環(huán)境溫度以及外殼溫度上升的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。由于表面貼裝封裝的大部分熱量都是從封裝底部擴散到 PCB，所以數(shù)據(jù)表中必須明確說明布局指導(dǎo)原則和各種熱量測量條件及方法，以免在后續(xù)形成系統(tǒng)原型時出現(xiàn)意外。

設(shè)計良好的封裝應(yīng)該能夠高效率地通過所有封裝表面均勻散熱，以消除熱量集中問題和熱點，這些問題會降低 POL 穩(wěn)壓器的可靠性，應(yīng)該消除或減輕。如之前所述，PCB 負(fù)責(zé)吸收表面貼裝 POL 穩(wěn)壓器的熱量并提供散熱途徑，不過，在如今密集、復(fù)雜的系統(tǒng)中，氣流是很常見，因此一種設(shè)計思路更加聰明的 POL 穩(wěn)壓器利用了這種“免費”冷卻機會，用來去除 MOSFET 、電感器等發(fā)熱組件產(chǎn)生的熱量。

將熱量從封裝內(nèi)部引導(dǎo)到封裝頂部并擴散到空氣中

大功率開關(guān) POL 穩(wěn)壓器靠電感器或變壓器將輸入電源電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的輸出電壓。非隔離式降壓型 POL 穩(wěn)壓器使用一個電感器，該電感器以及 MOSFET 等伴隨的開關(guān)組件在 DC/DC 轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生熱量。大約 10 年前，由于封裝技術(shù)的進(jìn)步，包括磁性組件在內(nèi)的整個 DC/DC 穩(wěn)壓器電路可以裝入一個模制塑料封裝中，稱為模塊或 SiP，模制塑料封裝內(nèi)部產(chǎn)生的大部分熱量必須從封裝底部引導(dǎo)到 PCB。提高封裝散熱能力的任何傳統(tǒng)方法都會導(dǎo)致封裝變大，例如在表面貼裝封裝頂部附著一個散熱器。

不過，3 年前出現(xiàn)了一種創(chuàng)新性模塊封裝方法，該方法利用可用氣流實現(xiàn)器件冷卻。散熱器集成到模塊封裝內(nèi)部，是完全模制的。該散熱器形狀獨特，一端在封裝內(nèi)連接到發(fā)熱源 MOSFET 和電感器，另一端是一個平坦的表面，暴露于封裝頂部。憑借這種新型封裝和內(nèi)置散熱器技術(shù)，器件可以在某些氣流的作用下快速冷卻，因為在封裝頂部，平坦的散熱器表面與空氣接觸，空氣可以從封裝頂部帶走熱量 (參見 TechClip 視頻中的 LTM4620 數(shù)據(jù)表)。另一種提高大功率 POL 穩(wěn)壓器熱性能的封裝理念又將這種方法向前推進(jìn)了一步。

以疊置電感器作為散熱器的 POL 模塊型穩(wěn)壓器

POL 穩(wěn)壓器中電感器的大小取決于很多因素，其中包括電壓、開關(guān)頻率、需處理的電流及其結(jié)構(gòu)。采取模塊化方法時，包括電感器的 DC/DC 電路是完全模制的，密封在一種塑料封裝中，看起來就像一個 IC 一樣，電感器的大小決定封裝的厚度、體積和重量。電感器還是個發(fā)熱組件，提高了 POL 模塊型穩(wěn)壓器的內(nèi)部總體溫度。之前討論的方法，即在封裝中集成散熱器以將 MOSFET 和電感器的熱量傳導(dǎo)到封裝頂部，這是非常有用的，可以將封裝內(nèi)部的熱量從封裝頂部快速傳遞到封裝外部，并最終傳遞到空氣中，這種散熱器是一種冷卻板或稱無源散熱器。不過，這種方法適用于尺寸和電流都較小的電感器，這種電感器很容易放入塑料模制封裝中。功率較大的 POL 穩(wěn)壓器需要使用尺寸和電流都較大的電感器，將這樣的磁性組件放入封裝中，會使電路的其他組件被擠到旁邊，因此增大了封裝在 PCB 上占用的面積。較大的占板面積意味著較重的封裝。為了保持較小的占板面積，并進(jìn)一步改進(jìn)散熱，封裝工程師已經(jīng)開發(fā)出另一種方法：垂直、疊置或 封裝 (圖 1)。

圖 1：用于大功率 POL 穩(wěn)壓器模塊的 3D 或垂直封裝技術(shù)升高了電感器放置位置，將其作為散熱器裸露于氣流中。DC/DC 電路的其余部分安裝在電感器下面的襯底中，以使封裝占用較小的 PCB 面積，并提高其熱性能。

Model Construction without Mold：未模制的模型結(jié)構(gòu)

High Current Carrying Paths to Power Inductor：進(jìn)入功率電感器的大電流通路

More Effective Use of Substrate Copper for both Lower Impedance Board Connections and Better Thermals：更有效地用銅襯底降低電路板連接阻抗并改進(jìn)散熱

Topside Heat Sinking Utilizing Power Inductor：將功率電感器放置在封裝頂部起散熱作用

POWER INDUCTOR：功率電感器

AIRFLOW：氣流

Excellent Thermal Conduction：出色的熱傳導(dǎo)

具裸露疊置電感器的 3D 封裝：占板面積很小、功率提高、散熱性能改善

采用 3D 封裝這種構(gòu)造 POL 穩(wěn)壓器的新方法，可以同時獲得 PCB占板面積很小、功率更大、熱性能更高這 3 個優(yōu)點 (圖 1 和圖 2)。LTM4636 是一款μModule (微型模塊) 穩(wěn)壓器，具內(nèi)置 DC/DC 穩(wěn)壓器 IC、MOSFET、支持性電路以及一個大的電感器，可降低輸出紋波，提供高達(dá) 40A 的負(fù)載電流，并從 12V 輸入提供精確穩(wěn)定的 3.3V 至 0.6V 輸出電壓。4 個 LTM4636 器件可以均分電流，以提供 160A 負(fù)載電流。該器件的占板面積為僅為 16mm x 16mm。如果計算一下，功率密度是非常高的。不過，要記得不要被數(shù)字愚弄。對系統(tǒng)設(shè)計師而言，這款 μModule 穩(wěn)壓器的好處是熱性能，以及令人印象深刻的 DC/DC 轉(zhuǎn)換效率和散熱能力。

圖 2：LTM4636 用疊置電感器作為散熱器，以很小的占板面積實現(xiàn)了令人印象深刻的熱性能

為了保持很小的占板面積 (16mm x 16mm BGA)，占板面積很大的電感器升高了放置位置，并固定在兩個銅線框之上，以便其余電路組件 (二極管、電阻器、MOSFET、電容器、DC/DC IC) 能夠焊接在電感器下面的襯底上。如果電感器放置在襯底上，那么 μModule 穩(wěn)壓器可能很容易就占用超過 1225 平方毫米的 PCB 面積，而不是現(xiàn)在的 256 平方毫米。這種方法使系統(tǒng)設(shè)計師能夠設(shè)計出更加緊湊的 POL 穩(wěn)壓器布局，不過該方法還有一個非常大的好處，它可實現(xiàn)良好的熱性能。

LTM4636 中的疊置電感器不是與塑料封裝一起模制 (密封) 的。其余組件則是模制的。電感器有圓滑的邊角且結(jié)構(gòu)體是升高的，便于裸露于空氣中，空氣更容易在其周圍和上部流動 (流動阻力最小)。

數(shù)值中反映出的事實：40A LTM4636 的熱性能和效率

LTM4636 是一款 40A μModule 穩(wěn)壓器，采用 3D 封裝技術(shù)，也稱為 Component-on-Package (CoP，圖 2)。該器件采用完全模制的 16mm x 16mm x 1.91mm BGA 封裝。加上疊置在模制封裝頂部的電感器，LTM4636 的總體封裝高度即從 BGA 焊錫球(144 個) 底部到電感器頂部的高度為 7.16mm。

除了從頂部散熱，LTM4636 還可以高效率地將熱量從封裝底部傳遞到 PCB。該器件有 144 個 BGA 焊錫球，這些焊錫球成排成排地連接到有大電流流過的 GND、VIN 和 VOUT。這些焊錫球合起來充當(dāng)向 PCB 傳遞熱量的散熱器。LTM4636 為從封裝頂部和底部散熱而進(jìn)行了優(yōu)化。

在 12VIN、1VOUT、40A (40W) 滿負(fù)載電流和標(biāo)準(zhǔn) 200LFM 氣流時，LTM4636 的溫度僅比環(huán)境溫度 (25°C 至 26.5°C) 高 40°C。圖 3 顯示了 LTM4636 在上述條件時的熱像。接下來的圖 4 顯示了降額數(shù)值。在 200LFM 時，LTM4636 在環(huán)境溫度高達(dá) 83°C時提供 40A 最大電流。在環(huán)境溫度高達(dá) 110°C 時，可以提供最大電流的一半 (即 20A)。這意味著，有氣流時，LTM4636 提供負(fù)載電流的能力受環(huán)境溫度的影響較小。

圖 3：在 40W 時溫度僅上升 40°C (12VIN 至 1VOUT，40A, 200LFM 氣流)

圖 4：200LFM、83°C 環(huán)境溫度時提供 40A 最大電流

OUTPUT CURRENT：輸出電流

AMBIENT TEMPERATURE：環(huán)境溫度

MOSFET 性能最佳以及 DC/DC 控制器強大的驅(qū)動器是 LTM4636 轉(zhuǎn)換效率很高的原因。以下是對 12Vin 電源進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換的一些數(shù)字：3.3V、25A 時效率為 95%，1.8V、40A 時效率為 93%，1V、40A 時效率為 88%。圖 5 總結(jié)了從 12Vin 轉(zhuǎn)換到 1Vout 至 3.3Vout 的效率數(shù)字。

圖 5：從 12VIN 轉(zhuǎn)換到各種輸出電壓時，DC/DC 轉(zhuǎn)換具有高效率

EFFICIENCY：效率

OUTPUT CURRENT：輸出電流

具熱平衡能力的 160W、可擴展 4 x 40A μModule POL 穩(wěn)壓器

一個 LTM4636 的負(fù)載電流額定值是 40A。兩個采用電流均分模式 (或并聯(lián)) 的 LTM4636 提供 80A 電流，4 個 LTM4636 則提供 160A 電流 (圖 6 和圖 7)。LTM4636 的電流模式架構(gòu)允許在多個 40A 模塊之間準(zhǔn)確均分電流。準(zhǔn)確的電流均分又允許在兩個、3 個或 4 個并聯(lián)器件之間平衡散熱 (圖 6 和圖 7)。由于這種平衡散熱能力，所以沒有哪一個器件會過載或過熱。這種器件的另一個特點是能夠異相運行，以降低輸出和輸入紋波電流，紋波電流降低又有助于減少輸入和輸出電容器數(shù)量。例如，4 個 LTM4636 以 90° 相差運行 (360° ÷ 4)。該器件還提供時鐘和相位控制功能。此外，增大功率時所需布局工作很簡單，只需復(fù)制和粘貼占板面積即可 (符號和占板面積可用)。

圖 6：精確電流均分使 4 個并聯(lián) LTM4636 能夠平衡散熱，在 12VIN、1VOUT、160A、400LFM 時，溫度僅上升 40°C

FOUR PARALLEL MODULES AT 160A 40°C RISE：4 個并聯(lián)模塊，160A 電流，溫度上升 40°C

Balanced Thermals Equate to Good Current Sharing and Thermal Design：良好的電流均分和熱設(shè)計等于平衡散熱

圖 7：4 個并聯(lián) LTM4636 每個都具精確電流均分能力和高效率，12VIN 至 0.9VOUT，160A

PER MODULE CURRENT：每模塊電流

ACCURACY：準(zhǔn)確度

TOTAL OUTPUT CURRENT：總輸出電流

EFFICIENCY：效率

LOAD CURRENT：負(fù)載電流

結(jié)論

為組件密集排列的系統(tǒng)選擇 POL 穩(wěn)壓器需要仔細(xì)考慮器件電壓和電流額定值以外的因素。評估封裝的熱特性是必不可少的步驟，因為該特性決定了設(shè)備的冷卻成本、PCB 成本和尺寸。3D 封裝方法，又稱為疊置、垂直、CoP 封裝方法，允許大功率 POL 模塊型穩(wěn)壓器占用很小的 PCB 面積，不過更重要的是，允許高效率散熱。LTM4636 系列是第一個受益于這種疊置封裝技術(shù)的 μModule 穩(wěn)壓器系列。LTM4636 是一款以疊置電感器作為散熱器的 40A POL μModule 穩(wěn)壓器，效率為 95% 至 88%，工作時溫度僅上升 40°C，且僅占用 16mm x 16mm PCB 面積。