使用功率 WCSP 技术解决小型应用中的热性能问题

1.前言

当谈到以经济高效的方式为空间受限的高功率密度应用供电时，例如固态驱动器 (SSD) 或可穿戴设备，晶圆芯片级封装 (WCSP) DC/DC 转换器解决方案广泛用于行业。更紧密地集成到系统级封装 (SIP) 模块的趋势对现有封装技术提出了越来越大的挑战，迫使工程师寻找优化空间受限应用中热性能的新方法。

热性能和解决方案尺寸，尤其是最大轮廓高度，是每位 SIP 设计人员都面临的非常现实的挑战。作为为您的下一个应用设计小尺寸 SIP 模块的设计师，您可能正在寻找一种电源设备，它既适合您拥有的狭小空间，又能在为您的系统提供所需电源的同时保持凉爽。

TI 的电源芯片级封装（电源 WCSP）是一种低调的 WCSP 增强型，专注于热性能和电流密度优化。与使用固定球直径（图 1a）的标准 WCSP 不同，电源 WCSP 利用铜柱尺寸的灵活性来增加电源引脚等关键互连的面积，而无需增加芯片尺寸或侵犯间距表面贴装制造技术的公差。铜柱可以是方形或矩形，总堆叠厚度小至 85 µm（图 1b）。接线柱的形状可以实现关键引脚的显着表面增益，从而提高电流处理能力并改善封装的传热和热性能。同时，封装高度可低至0.3mm，

图 1：6 引脚标准 WCSP 封装（a）

6 引脚电源 WCSP 封装 (b)

TI 的TPS62088 DC/DC 转换器展示了电源 WCSP 封装的热性能。TPS62088 是一款 1.2mm x 0.8mm、高效率 2.4V 至 5.5V 输入、3A DC/DC 降压转换器，以 4MHz 开关频率运行。该器件提供两种封装选项：标准 WCSP (TPS62088YFP) 或新型电源 WCSP (TPS62088YWC)。通过查看每个封装选项中这些其他相同器件的热特性，我们可以清楚地比较两种封装技术的热性能。

图 2a 显示了 TPS62088YFP (WCSP) 的热性能，图 2b 显示了 TPS62088YWC（功率 WCSP）在 V IN = 5 V、V OUT = 1.8 V 和 I OUT = 3 A 下工作，使用红外相机在室温下拍摄. 由于结到顶部特性参数值非常低——两种封装的Ψ JT = 0.5-0.7°C/W——您可以假设结温大致等于外壳温度。结果表明，与标准 WCSP 器件相比，功率 WCSP 器件的温度降低了 3°C，同时考虑器件和印刷电路板 (PCB) 布局解决方案。

TPS62088YWC 功率 WCSP 版本在通过将轮廓高度从 0.5 毫米降低到 0.3 毫米来提高功率密度的同时，使您能够通过更大的凸块结构改善向 PCB 的热传递，从而优化系统的热性能。当然，设计您的应用以获得最佳热性能意味着还要注意系统的其他方面。正确的 PCB 布局会产生更小的结到环境和结到电路板的热阻，从而在给定的耗散功率和电路板温度下降低器件结温。宽电源走线还可以有效地吸收散发的热量。请记住，许多与系统相关的属性，例如热耦合、气流、增加的散热器和对流表面，以及其他发热组件的存在，

图 2：TPS62088（测量点：Bx1）的热性能在 V IN = 5 V、V OUT = 1.8 V 和 I OUT = 3 A 时在室温下获得：TPS62088YFP WCSP 版本 (a)；TPS62088YWC 电源 WCSP 版 (b)

许多空间受限的应用，如 SIP 模块、SSD 或可穿戴设备，都需要整体电源解决方案（不仅仅是电源 IC），以适应最薄的空间。TPS62088YWC 的高开关频率允许您使用纤巧、低外形尺寸的 0.24 µH 电感器将解决方案尺寸缩小至 15 mm 2，并充分利用整个电源电路的 0.3 mm 轮廓高度。