干货分享 | 双侧扁平无引脚封装(DFN)的散热性能

来源:Amadeus发布时间:2021-03-2512650浏览

引言 ▶▶▶

现代汽车中越来越多的电子功能必须在给定（和受限）空间内实现。这导致印刷电路板上的器件密度不断增加。为解决板级器件密度问题，必须缩小所用电子器件的尺寸。与此同时，更小的封装需要在更小的管脚尺寸内耗散相同的热量，从而提高了板上功率密度。

双侧扁平无引脚（DFN）封装是一系列非常小的现代化无引脚表面贴装塑料封装，可替代庞大的有引脚表面贴装封装。本应用笔记介绍了汽车 DFN 封装较之于对等的有引脚封装的散热能力，以及高功率密度封装所需的散热管理。

封装概念

图 1. SOT23 与 DFN1110D-3 中热流的热模拟比较

几十年来，有引脚 SMD 封装一直都是分立式电子器件的行业标准。SOT23 可能是世界上最著名的 SMD 封装，其结构如图 1 所示。图中芯片置于引脚框架上，与金属焊盘一起采用复合模具完全封装。主要的热传输机制为热传导，因为在给定结构和温度范围内，热对流与辐射几乎无关紧要。产生的热量通过芯片贴片层传导至引脚框架中，然后从引脚框架流经长引脚进入 PCB。图 1 中的热模拟显示了 SOT23 封装器件沿引脚框架并穿过封装中间部分的横截面，突出显示了热通道。

作为 Nexperia（安世半导体）用于代替 SOT23 的 DFN 封装，DFN1110D-3 没有引脚。由于没有引脚，且焊线长度更短，DFN 封装的寄生电感比对等的有引脚封装更小。金属焊盘更紧凑，且更靠近引脚框架。这样可以大大减小封装尺寸，同时在芯片下仍采用相同大小的引脚框架。引脚框架可有效地作为封装底部的外露散热器和电触点，从而使热量直接从芯片流向 PCB，如图 1 中的热模拟所示。正因如此，尽管 DFN 封装尺寸非常紧凑，但仍具有出色的功耗能力。

图 2. SOT23 和 DFN2020D-3 上的红外测量

为充分利用 DFN 封装，必须使用具有低热阻和足够导热性的 PCB，以实现适当的横向散热。热量直接通过外露散热器进入 PCB，并通过 PCB 上的更小面积传输。高功率密度如图 2 中的红外图所示，显示了功耗相同（250 mW）的 SOT23 和 DFN2020D-3 之间的比较。显然，DFN2020D-3 具有较高的功率密度和良好的散热性能，尤其是封装上没有白点。

Nexperia 汽车 DFN 封装系列

表 1 概述了供应的 DFN 封装及其对等的有引脚封装。此外，它还列出了转为使用 DFN 封装后可能节省的空间。节省的空间是根据建议用于回流焊的管脚尺寸计算得出的。该表并不意味着在无深入热传导的情况下使用 DFN 封装一对一替代有引脚封装。DFN 封装的散热性能以及一些精选的 DFN 封装与其对等的有引脚封装的散热性能比较将在下一段进行讨论。

表 1. Nexperia 的汽车 DFN 封装系列

散热性能

表 2 总结了针对不同的 PCB 类型和设置，在结温与作为热接地的环境温度之间测得的典型热阻。用于计算 Ptot值的 ΔT 为 125 k（环境温度为 25°C，最大结温为 150°C）。在下面的段落中，我们将讨论一些封装的散热性能，并与对等的有引脚封装进行比较。在以下比较中，有引脚封装和 DFN 封装的芯片尺寸相同，因此可以排除芯片尺寸对散热性能差异的影响。

表 2. Nexperia 的汽车 DFN 封装系列

[1] R

th(j-a)

和 P

tot

的给定范围强调了封装中芯片尺寸对热阻的影响

DFN1110D-3 与 SOT23 比较

如表 2 所示，根据 310 K/W 的 R

th(j-a)

典型值计算得出，在采用标准管脚尺寸和 70 µm 铜厚的单侧 FR4 板上，DFN1110D-3 的功耗为 400 mW。其对等的有引脚封装 SOT23（主体尺寸大 3.4 倍）的 R

th(j-a)

典型值为 350 K/W，计算得出的功耗为 360 mW，比 DFN1110D-3 低 10%。测得的数据与热模拟结果比较一致，如图 3 所示。

在模拟中，假设功耗为 250 mW，这样 SOT23 的结温则为 130℃，DFN1110D-3 为 115℃。在功耗给定的情况下，DFN 封装中较低的芯片结温还可用作为额外的余量，以防由于特定应用的可靠性标准而要求降低最大结温。因此，器件的运行温度低很多，同时还可以节省大量的 PCB 空间。由于前面提到的外露散热器可以将热功率直接传入 PCB 中，因此 DFN1110D-3 具有出色的散热性能。

如表 2 中所示，增加的 1 cm

贴装焊盘一侧可能会使功耗翻倍。无引脚 DFN1110D-3 封装可直接替代有引脚 SOT23 封装，散热能力不会有任何损失，并且可获得更高的 P

tot

和 75% 的巨大 PCB 空间节省量。

图 3. SOT23 和 DFN1110D-3 的散热性能

图 3：DFN1110D-3（右）与 SOT23（左）的散热性能模拟。模拟设置：FR4 PCB，采用 35 µm 厚铜线路，标准管脚尺寸，T

amb

= 25 °C。在模拟中，假设功耗为 250 mW，这样 SOT23 的结温则为 130°C，DFN1110D-3 为 115°C。

DFN1608D-2 与 SOD123 比较

双引脚 DFN1608D-2 封装的主体尺寸为 1.28 mm

，而对等的有引脚封装 SOD123 的主体尺寸为 4.32 mm

，前者明显更小。DFN1608D-2 可实现 81% 的大幅 PCB 空间节省量，并且对散热性能不会有任何负面影响。通过比较 R

th(j-a)

值可以发现，即使是在采用标准管脚尺寸的单侧铜层 FR4 板上，FN1608D-2 的 R

th(j-a)

值也已经明显低于 SOD123（为 270 K/W，而 SOD123 为 300 K/W）。再次强调一下，由于采用外露散热器，热量可通过直接路径传入 PCB 中，因此管脚尺寸明显更小的 DFN 封装具有出色的散热性能。在陶瓷 PCB 上，DFN1608D-2 的功耗可增加至高达 1600 mW，这表明该封装可实现极高的功率密度。

表 3. Nexperia 的汽车 DFN 封装系列

表 3：20V 2A NPN BJT 在三种不同封装中的比较：SOT223、SOT89 和 DFN2020D-3。根据不同 PCB 设置下测得的 R

th(j-a)

，比较了封装的散热能力。P

tot

是在最大结温 150°C 和环境温度 25°C 条件下计算得出的。

与带有大型散热器的有引脚封装进行比较

尽管与对等的有引脚封装相比节省了大量空间，但两个重点介绍的 DFN 封装都具有出色的散热性能。这是因为外露散热器使得所述热流可直接进入 PCB 中。接下来的问题是，DFN 封装与带有大型散热器的较大有引脚封装（如 SOT223 和 SOT89）比较起来如何。

表 3 显示了 20 V 2A NPN 晶体管在 3 中不同封装中测得的 R

th(j-a)

典型值和相应的 P

tot

值：SOT223、SOT89 和 DFN2020D-3。在采用标准管脚尺寸的单侧 FR4 PCB 上，SOT223 封装耗散的 P

tot

值最高，这是因为该封装采用了大型散热器。然而，通过将集电极贴装焊盘面积增大至 6 cm

（该设置模仿陶瓷板，可比较表 2 中的 R

th(j-a)

值），DFN 封装中的 P

tot

典型值增加至 1250 mW。这相当于 SOT223 的 P

tot

值的约 80%，而该封装面积要大 5.7 倍。使用 1 cm

集电极贴装焊盘时，可实现 960 mW 的 P

tot

典型值，相当于 SOT89 功耗的 88%，而该封装面积要大 2.8 倍。

使用 4 层 FR4 PCB 和 1 cm

贴装焊盘面积时，Ptot显著增加至 1920 mW，这说明 DFN2020D-3 封装具有出色的散热能力。DFN2020D-3 的散热能力还体现在其 R

th(j-sp)

值上，即结点至焊点间的热阻。表 4 显示了与 SOT223 和 SOT89 的最大热阻比较。DFN2020D-3 的 R

th(j-sp)

最大值仅比对等的封装高 25%，而后两者的面积要庞大得多。

表 4. 结点与焊点之间的最大热阻

总结

DFN 封装尺寸紧凑，适用于替代 PCB 上体积庞大的有引脚封装。高密度的 PCB 意味着功率密度也更高，这就要求封装具有出色的散热能力。DFN 封装采用外露散热器，且热通道经过优化，因此可满足这一要求。建议使用导热性更高的 PCB 类型，以充分利用 DFN 封装的优势。

即使是在采用标准管脚尺寸的标准 FR4 板上，小型 DFN 封装（如 DFN1110D-3 和 DFN1412D-3）的 Ptot 值也比其对等的有引脚封装更高，同时仍可节省大量 PCB 板空间。然而，就连 SOT223 和 SOT89 这样带有大型散热器的超大有引脚封装，也可以使用 DFN2020D-3 代替。在这种情况下，需要在标准 FR4 PCB 上采用 1 cm

贴装焊盘，以便与面积大 5.7 倍的 SOT223 耗散相同的功率。如果改为使用 4 层 PCB 或陶瓷板，可实现高达 1900 mW 的功耗，是 FR4 板上 SOT223 功耗的两倍以上。

新闻来源：安世半导体，文中所述为作者独立观点，不代表icspec立场。更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议，请联系微信客服specltkj。

干货分享 | 双侧扁平无引脚封装(DFN)的散热性能

全部评论

热门搜索