【导读】本文将讨论在PCB级使用的降低CSP器件工作温度的方法，并通过降低在设计中使用的CSP集成电路热阻来探寻将热量从热源传输到周围环境的方法。通常有多种方式可以提高性能，同时降低工作温度，这可以通过采用新的印刷电路板或者更改现有电路板来实现 。
在便携式电子市场，电源管理集成电路（PMIC）正在越来越多地采用球栅阵列（BGA）封装和芯片级封装（CSP），以便降低材料成本，改进器件的电性能（无焊线阻抗），并且实现更小的外形尺寸。但是这些优势的取得并不是没有其他方面的妥协。芯片级封装的硅片不再直接与用于导电和导热的较大散热板（E-PADs）接触，由于IC基板不再与E-PAD接触，从IC基板到散热印刷电路板（PCB）铜面之间没有高导热性的直接连接，这是性能受到影响的主要原因。本文将讨论在PCB级使用的降低CSP器件工作温度的方法，并通过降低在设计中使用的CSP集成电路热阻来探寻将热量从热源传输到周围环境的方法。通常有多种方式可以提高性能，同时降低工作温度，这可以通过采用新的印刷电路板或者更改现有电路板来实现 。
便携式电子设计中由于尺寸和重量的限制，要求设计人员必须减少电子元器件的尺寸和用于PCB连接其他电子设备的区域大小，为了满足这些需求，采用CSP封装来减小所需要的PCB面积是在设计中所常见的变化。由于总PCB面积减小，可用于扩散热量和部设高功率PCB走线的选项随之减少。而且，QFN封装与一个同等CSP封装进行比较，其散热性能也不匹配。因此，当务之急是要对PCB设计进行优化以使热量从CSP传输至PCB，再由PCB扩散到空气中。测量热传导率的参数是结到周围环境的热阻指标Theta-JA (θJA (℃/W))。
作为参考，在使一个典型的QFN封装E-PAD（3x3mm2）与一个具有0.4mm间距的CSP器件连接时，为了匹配传热所用的面积大小，需要连接将近30个CSP引脚以便维持同等的由E-PAD面积决定的散热能力。对于一个精心设计的PCB，在同一电气负载条件下把相同的硅器件焊接到类似的印刷电路板时，θJA数据大小可从CSP封装的45℃/W到等效QFN封装的25℃/W（来源于IDT P9023无线充电接收器的参考数据），比同等QFN相比，这样的差异意味着CSP将会工作在更高的温度下。一个采用CSP封装的IC在与具有相同功耗的QFN相比时，其散热性能通常仅有后者的一半。因此，对于一个精心计划的PCB设计，如果没有进行合适的补偿，CSP封装的热性能可以很容易地比同等QFN坏两倍。
对于一个封装好的IC，其工作温度通常由三个因素决定：对流、传导和实现一定性能所消耗的功率。在采用热阻参数对于CSP IC进行热分析计算时，应该注意到计算是基于对IC到PCB之间散热通孔（via）数量的估计，每个连接都可形成用于把热量从IC半导体结导出的散热路径。这些估算假定IC安装到由JEDEC标准51所限定的3“×4.5”的固体铜4层印刷电路板上，而在实际应用中，PCB设计所占面积通常比较小，具有切口部和其他不规则形状因素，并且有许多组件、多个路径和电连接，这与JEDEC标准相比会使PCB热性能下降。
设计者面临的一个常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，在散热路径上具有最小的温度下降。
图1：展示热传输的贴装CSP封装器件PCB剖面图
在图1中，每个连接到元器件测端的焊盘以及每个盘上散热孔道（via-in-pad）都可以把芯片产生的热量传输到PCB铜面上。盘上散热通孔的设计以及数量，以及散热通孔直接接触的铜板面积都会影响散热路径的效率。所开发的IC引脚间距会影响孔的大小，而且与可用来经过散热通孔（即铜平面或布线）把热传输到铜表面的铜体积成正比（可把散热通孔认为是中空的传热铜圆柱体）。此外，盘上散热通孔在电镀（electro-plating）完成后，在均匀地处理表面以便放置CSP器件之前需要填充一些非导电或导电材料。通孔填充材料被“注入”入孔，其填充比例常常是制造者根据孔径而优化。用作后端填充（back-fill）通孔的导电填充材料通常具有比铜高的电和热阻性能，由于盘上散热通孔中的铜具有较低的热阻和电阻，所以填充材料对热性能只有很小的影响。另外，大多数的导电材料具有比铜高的热膨胀系数，可能导致通孔壁破裂。由于这些原因，在大批量生产阶段一般只用非导电材料填充，但随着产业技术的进一步发展，导电材料的性能可能开始大幅超越非导电材料，而不会出现良率降低的风险。
图2：从CSP器件引脚到PCB和盘上通孔的热量传输路径
根据一阶热流和热传导原理，影响热流从热源传输到一定体积材料的主要因素是与源之间的距离、横截面（铜连接）以及热源和体积之间的温度差1：
虽然这种简单的近似可能不会解决目前的问题，但它表明，为了传输更多的热量，截面面积应该尽可能大，而热流经过的路径长度则尽可能小。要保持最大限度的热流，重要的是横截面积与到表面（如铜面）的铜连接长度的比值。
通过考察图2可以发现，垂直方向的传能传输受三个平行的热阻影响，Q1为通孔壁的铜，并且是最有效的热传输。Q2为盘上通孔填充材料，Q3则为通过FR-4材料的热流。几种用来优化热流动的方法包括：使通孔直径（d）尽可能大，以便最大限度地增大构成通孔壁的铜的体积（求解圆柱体的体积）；在尽可能多的盘上通孔内层上附着尽可能多的铜，并且使这些通孔与平行层连接，以增加铜连接体积（每增加一个通孔连接的内层可以增大可用来散热的体积）。
一旦焊盘上通孔到达被用来完成电连接的PCB层，尽量端接层上的铜布线，使产生的热量有足够多的铜去传导和扩散。在CSP封装下，硅片基底的热阻应比焊盘上通孔的热阻低得多，焊盘上通孔会把热量从PCB上元件侧端传导到任何其它层，CSP封装在整个体积内将近似为等温（isothermal）（上下几度范围）。因此，即使某个引脚的信号只有较小的电流或在IC内部物理位置上没有靠近发热源，每个CSP引脚应当被认为同等地连接到热源，并且能够从IC传输同等的热量。有了这个概念，如果每个CSP引脚连接到同样大小的铜，它们则能够传输相同的热量，连接到CSP的每个连接都应该使用最大面积铜平面或者尽可能厚的铜布线（例如2盎司铜重量而不是1盎司），以便最大限度地提高PCB的散热能力。
图3：部设在一个4层PCB上的IDT P9028AC CSP器件，所示为第3层（中间第2层）
上面图中所示为PCB上从元器件侧开始的第三层，不论布线传导的电流大小，每个盘上通孔的铜表面区域都有连接并且最大化。布线中被保持“薄细”的地方是那些不与盘上通孔直接接触并连接到IC中的部分。这些可以通过较大直径的孔（灰色圆圈）相对于位于CSP封装下方较小直径（较小直径是由于0.4 mm的IC引脚对引脚间距）的盘上通孔来区分，只允许0.254mm（10mil ）焊盘和0.127mm（5mil）直径（d，见图2）。在本例的PCB布局中，针对/ENABLE、TS、FOD2的信号每个最多将只有不到1mA的电流，但布线可以故意加宽，以便利用盘上通孔连接所具有的导热能力，盘上通孔还连接到CSP封装。
这里重新考虑一下等式1，热量的流动受热源到散热面或散热层距离（L）的影响。简单地检查一下铜和FR-4的热导率值可以证明，铜（热导率406 (W/(m'K)) ）在传递热量方面比FR-4（热导率为0.1 到 1 (W/(m'K))）优越。然而，当距离（L或电介质的厚度）相对于面积很小时（L<
对于一个最佳的PCB设计，顶层PCB的整个表面应该具有近乎均匀的温度，而底层温度将尽可能接近于顶层，这是使热量从PCB电路上传输到空气中（或PCB所处的其它介质）的最佳设计点（最小温度下降），此时PCB两侧都可以作为传热表面。
