UCSP封裝的熱考慮

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，它消除了傳統的密封集成電路(IC)的塑料封裝，直接將硅片焊接到PCB上，節省了PCB空間。但也犧牲了傳統封裝的一些優點，尤其是散熱能力。

大多數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。這種設計為IC到周圍環境提供了一條低熱阻的導熱通道，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。大多數使用UCSP封裝芯片的系統空間非常有限，因此，利用器件頂層通過散熱器散熱也不現實。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。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在其數據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，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關系曲線。對于某個放大器，還可能提供不同輸入電壓、負載阻抗下的關系曲線。

將從絕對額定值(表1)中的連續耗散功率和耗散功率與輸出功率關系曲線(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關系

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。 實際應用中，放大器常被用來恢復語音、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。

這些數據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驅動功率。

結語

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輸出功率。事實上，UCSP封裝能夠允許的連續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。這種設計能夠使UCSP封裝的應用范圍更廣。

參考文獻：
1. http://www.maxim-ic.com.cn/appnotes.cfm/anpk/1891