散热增强型封装：是真“热”还是虚火？

人工智能、云计算和自动驾驶等领域对性能的不懈追求，正引发一场散热危机。随着新一代处理器需要在更小的空间内实现更高的功率，开关电源(SMPS)正被推向其热极限。传统SMPS集成电路(IC)封装通常在底部采用一块大型导热焊盘，称为裸片贴装焊盘(DAP)，通过印制电路板(PCB)散发大部分热量。但随着功率密度不断提升，仅依赖封装单侧散热很快就会成为严重瓶颈。

散热增强型封装是一种旨在同时从顶部和底部表面散热的IC封装。本文将探讨IC封装的标准热性能指标，并介绍散热增强型封装的结构、顶部散热方法及其热性能优势。

IC封装的热性能指标

要理解散热增强型封装及其优势，首先需掌握描述IC封装热性能的术语。三个基础热阻指标是：结到环境热阻(RθJA)、结到外壳(顶部)热阻(RθJC(top))和结到电路板热阻(RθJB)。

热阻衡量介质对热流的阻碍程度。在IC封装中，热阻通常以摄氏度每瓦(℃/W)表示，即IC每耗散1W功率时的温升。

RθJA衡量结(J)(即硅裸片本身)与周围环境空气(A)之间的热阻。RθJC(top)专指结(J)与封装外壳(C)顶部(t)之间的热阻。RθJB则衡量结(J)与PCB之间的热阻。

RθJA在很大程度上取决于其子项——RθJC(top)和RθJB。RθJA越低越好，因为它表明单位功耗下的温升更低。电源IC设计人员投入大量资源寻找降低RθJA的方法，而散热增强型封装正是其中之一。

散热增强型封装组成

散热增强型封装是一种四方扁平无引脚(QFN)封装，其底部设有DAP，顶部则开孔以直接暴露硅裸片背面至环境中。图1展示了德州仪器(TI)LM61495T-Q1降压转换器的灰色裸片背面。

图1：采用散热增强型封装的LM61495T-Q1降压转换器。(来源：TI)

将裸片暴露于封装顶部具有双重作用：一是相比完全包封裸片的标准封装，显著降低RθJC(top)；二是实现裸片与外部散热器的直接连接，从而大幅降低RθJA。

散热增强型封装中的RθJC(top)

RθJC(top)使热量能更高效地从器件顶部逸出。通常，热量需穿过封装塑封料再散入空气；而在散热增强型封装中，热量可直接散发至空气。这有助于降低器件温度，减少热关断风险及长期热应力问题。此外，该封装还具备更低的RθJA，使转换器能够处理更大电流并在更高环境温度下工作。

图2展示了在两种常见工作条件下，采用散热增强型封装的LM61495T-Q1与采用标准QFN封装的TI LM61495-Q1降压转换器在不同输出电流下的结温测量结果。

图2：LM61495-Q1与LM61495T-Q1在无散热器时的输出电流与结温关系。(来源：TI)

显然，即使未安装散热器，散热增强型封装的运行温度也略低——仅因更多热量从封装顶部散出。其RθJA略低，这表明：即便改善甚微，此类封装仍优于顶部完全包封的标准QFN封装，且无需额外散热措施。表1列出了两款器件数据手册中的官方热性能指标。

表1：LM61495-Q1与LM61495T-Q1数据手册中的热性能指标对比。(来源：TI)

顶部散热vs.标准QFN

将散热增强型封装接近零的顶部热阻RθJC(top)与高效散热器结合，可显著降低IC的整体热阻RθJA。相比同款IC在标准QFN封装下的表现，在相同工作条件下可实现三大显著改进：

• 更高开关频率；
  
• 更高输出电流能力；
  
• 更高环境温度下运行。
  

对于任一SMPS，在给定输入电压(VIN)、输出电压(VOUT)及输出电流下，最大开关频率受热限制。每个开关周期均产生开关损耗与导通损耗，以热量形式耗散。开关频率越高，IC功耗越大，结温随之升高。这对工程师而言颇为棘手，因为更高频率可使用更小电感，从而缩小方案尺寸并降低成本。

在相同条件下，采用散热增强型封装加散热器，每个周期产生的热量更易导出IC，从而降低结温，允许更高开关频率而不触发热限。但切勿超过器件数据手册规定的最大开关频率。

在高电流多相设计中(每相均需电感)，小电感优势尤为突出。图3展示了一个简化四相设计，采用TI LM644A2-Q1降压转换器，可在2.2MHz下提供24A、3.3V输出。若因过热需将开关频率降至400kHz，则必须更换全部四个电感为更大电感值与物理尺寸的型号，大幅增加方案成本与体积。

图3：采用散热增强型封装的LM644A2-Q1单输出四相降压转换器简化原理图。(来源：TI)

反之，对于给定VIN、VOUT及开关频率的SMPS，最大输出电流同样受热限制。需注意：所有集成高侧FET的SMPS，其数据手册均规定了高侧电流限值，此值约束了最大输出电流。

达到限值时，高侧FET关断，IC可能进入“打嗝”模式以降温直至过流消失。但即便未达电流限，高输出电流需求(尤其在高频下)仍可能导致IC过热。只要不超电流限，采用散热增强型封装加散热器的IC，可将最大输出电流提升至标准QFN封装会过热的水平。

另一关键比较前提是环境温度(TA)。TA显著影响SMPS在过热前可提供的功率。

例如，某降压转换器在TA=25℃时可轻松实现12VIN至5VOUT、6A连续输出、2.2MHz开关频率，但在105℃时则无法维持。因此，散热增强型封装的第三重优势在于：当VIN、VOUT、输出电流及最大开关频率固定时，配合散热器的散热增强型封装可使SMPS在远高于标准QFN(无散热器)的环境温度下运行。

图4通过电流降额曲线展示了更高输出电流能力及更高TA运行能力。实验中，我们测量了LM61495-Q1(标准QFN，无散热器)与LM61495T-Q1(散热增强型QFN，配市售45×45×15mm独立鳍片散热器)的输出电流与TA关系。除封装与散热器外，其余条件(工作条件、PCB、仪器)均相同。

图4：LM61495-Q1(无散热器)与LM61495T-Q1(配45×45×15mm散热器)的输出电流与环境温度的关系。(来源：TI)

当TA升至约83℃时，标准QFN触发热关断，输出电流开始下降。TA继续升高，器件反复进入和退出热关断，最大输出电流持续降低；至TA=125℃时，可能无法维持5A输出。

相比之下，采用散热器的散热增强型QFN封装，其首次热关断直到约117℃才发生。这意味着触发热关断前的TA提高了34℃，即40%。LM61495-Q1为10A降压转换器(推荐最大输出10A)，但在此配置下，即使在117℃仍可持续输出11A——即在高温下最大连续输出电流提升10%。

顶部冷却方法

图5、6、7展示了三种常见顶部冷却方法。独立式散热器结构简单，有多种形状、材料和尺寸可选，但在小型化设计中有时不实用。

图5：独立式鳍片散热器，结构简单且易获取，但在小型化设计中可能不实用。(来源：TI)

冷板散热器散热效果极佳，但实现更复杂且成本更高(图6)。

图6：冷板式散热器，散热效果优异，但结构复杂且成本较高。(来源：TI)

若电源及周边电子元件已置于金属外壳中，利用外壳作为散热器是一种紧凑、高效且经济的方法。如图7所示，该方法通过在IC与外壳之间设置柱状凸起或凹坑，实现高效热传导。在为处理器供电的系统中，此类结构通常已用于处理器散热；若再为电源IC增设一个连接至外壳的柱或坑，即可使其同样借助外壳散热——改动简单，因而在处理器电源中极为流行。

图7：外壳接触式散热，通过柱状或凹坑结构连接IC与外壳以实现高效热传递。(来源：TI)

散热方式多样，但效果各异。散热器的尺寸、材料、形状至关重要；IC与散热器间的导热界面材料(TIM)类型、用量及放置位置亦需优化。

散热器对比

图8展示了另一条电流降额曲线，对比了两种散热器在LM61495T-Q1上的表现，并包含无散热器的标准QFN作为参考。

图8：LM61495-Q1(无散热器)、LM61495T-Q1(配45×45×15mm鳍片散热器)及(配铝板散热器)的输出电流与环境温度的关系。(来源：TI)

图9与图10展示了PCB俯视图及散热器安装方式。图9为市售45×45mm铝合金散热器，底座厚3mm，带针状鳍片以增大散热面积并支持全向气流。

图9：LM61495T-Q1评估板配市售45×45×15mm独立鳍片散热器。(来源：TI)

图10为定制铝板散热器：50×50mm、厚2mm的铝板，带一小柱直接接触IC，模拟外壳接触散热方式——因其尺寸与材质与实际应用中的外壳相似。

图10：LM61495T-Q1评估板配定制铝板散热器，模拟外壳接触散热。(来源：TI)

相同条件下，采用独立散热器的方案相比无散热器的标准QFN优势显著：后者在TA≈67℃时即发生热关断，前者则延至约111℃。而铝板散热器全程未触发热关断——在最高测试TA(125℃)下仍可持续输出10A。这既凸显了按系统需求选择散热器的重要性，也印证了外壳接触散热法的普及性。

应对现代散热挑战

随着现代应用在更热环境中追求更高功率与更小尺寸，电源设计者面临日益严峻的散热挑战。标准QFN封装长期依赖底部向PCB散热。散热增强型QFN封装则利用顶、底双面散热，本质是并联热阻路径，降低有效热阻。

将散热增强型封装与高效散热结合，可显著提升热性能，实现更高功率密度设计。因这些优势源于RθJA的有效降低，设计人员可根据需要，在不同程度上实现其中一项或多项收益：提高最大开关频率，从而减小方案尺寸并降低成本；实现更高的最大输出电流，以支持更高功率转换；以及在更高的TA下运行。

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