UCSP封裝的熱考慮
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摘要：本文討論了UCSP封裝的功率耗散能力和其相對于其他封裝是如何限制輸出功率的。
關(guān)鍵詞：UCSP封裝；功率耗散
UCSP 封裝
UCSP(晶片級封裝)是一種封裝技術(shù)，它消除了傳統(tǒng)的密封集成電路(IC)的塑料封裝，直接將硅片焊接到PCB上，節(jié)省了PCB空間。但也犧牲了傳統(tǒng)封裝的一些優(yōu)點，尤其是散熱能力。
大多數(shù)音頻放大器的封裝都帶有一個裸露焊盤，使IC底層直接連接到散熱器或PCB地層。這種設(shè)計為IC到周圍環(huán)境提供了一條低熱阻的導(dǎo)熱通道，避免器件過熱。
使用UCSP封裝，IC通過底部焊球直接焊接到PCB上，因而器件底層到PCB通過焊球形成了直接通道。這些焊球擁有低熱阻，但它們的面積比典型的裸露焊盤小得多，導(dǎo)致散熱能力下降。雖然非接地焊球也有助于散熱，但相對于接地焊球的散熱能力來說低許多。大多數(shù)使用UCSP封裝芯片的系統(tǒng)空間非常有限，因此，利用器件頂層通過散熱器散熱也不現(xiàn)實。UCSP封裝不像其他使用散熱器的封裝具有比較牢固機械安裝，連接散熱器時容易受到損壞。 UCSP封裝的散熱能力要結(jié)合芯片的接地焊球和未接地焊球兩方面考慮。
功率耗散
音頻放大器一般提供多種封裝，其最大耗散功率與封裝有關(guān)。在很多例子中，封裝限制了耗散功率，進而限制了可能的輸出功率。
很多IC在其數(shù)據(jù)資料的最大絕對額定值中給出了每種封裝可以耗散的最大連續(xù)功率，如表1所示。具有裸露焊盤的封裝(如TDFN)通常能耗散最多的功率。注意，UCSP封裝能耗散的功率比裸露焊盤要小得多。
輸出功率限制的計算
當(dāng)我們考慮沒有裸露焊盤的封裝時，我們必須認識到封裝形式降低了功率耗散能力，進而降低了輸出功率。使用高阻負載可以使效率最大化，使損耗最低。
AB類放大器
放大器能夠提供的輸出功率與選用的放大器類型有關(guān)，AB類放大器制造商通常具有與圖1類似的耗散功率與輸出功率對應(yīng)關(guān)系曲線。對于某個放大器，還可能提供不同輸入電壓、負載阻抗下的關(guān)系曲線。
將從絕對額定值(表1)中的連續(xù)耗散功率和耗散功率與輸出功率關(guān)系曲線(圖1)進行比較，確定給定封裝可提供的最大輸出功率。在這個例子中，TDFN和mMAX兩種封裝對輸出功率沒有限制，而UCSP封裝則會限制輸出功率。雖然例子中的放大器額定連續(xù)功率為1.1W，但使用UCSP封裝時只能輸出100mW。
圖1 典型的音頻放大器連續(xù)耗散功率額定值
D類放大器
D類放大器一般用效率曲線取代耗散功率曲線，如圖2所示。
圖2 D類放大器效率與輸出功率的對應(yīng)關(guān)系
D類放大器的效率比AB類高得多，因此在同等輸出功率條件下需要耗散的功率要低得多。耗散功率可以通過下式計算:
, η=效率/100
獲得1.1W的連續(xù)輸出功率時，放大器需要耗散的功率為225mW，低于表1所示所有封裝的最大耗散功率，所以，對于同樣的輸出功率，可以采用各種封裝形式，包括UCSP封裝。
音源考慮
音頻放大器的輸出功率計算一般采用具有1%(< 6W)或10%( > 6W)THD+N 的1kHz正弦波。 實際應(yīng)用中，放大器常被用來恢復(fù)語音、音樂或音效，這些波形所包含的能量比正弦波小。表2給出了幾種常見音源信號的有效能量。
這些數(shù)據(jù)顯示要獲得同樣的輸出功率，輸出信號需要比正弦波具有更高的峰值電壓。例如上面提到的UCSP封裝AB類放大器，如果連續(xù)輸出的正弦波峰值是2.5VP-P，換成表2的搖滾樂，輸出電壓峰值即使達到6.2VP-P也不會超過封裝允許功率耗散能力。同樣電壓峰值的正弦波能夠為8W負載提供600mW驅(qū)動功率。
結(jié)語
選擇音頻放大器時必須考慮各種封裝的功率耗散能力。在一些案例中，不同的封裝也可以獲得相同的連續(xù)輸出功率。事實上，UCSP封裝能夠允許的連續(xù)功率低于帶裸露焊盤的封裝。可以利用高效D類放大器取代AB類放大器來克服功率耗散問題，而不是簡單地放棄UCSP封裝。這種設(shè)計能夠使UCSP封裝的應(yīng)用范圍更廣。
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