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DFND-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，DFND-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DFND-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（mW）的SOT23和DFND-3之间的比较。显然，DFND-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k（环境温度为25°C，最大结温为°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]Rth(j-a)和Ptot的给定范围强调了封装中芯片尺寸对热阻的影响
DFND-3与SOT23比较
如表2所示，根据K/W的Rth(j-a)典型值计算得出，在采用标准管脚尺寸和70μm铜厚的单侧FR4板上，DFND-3的功耗为mW。其对等的有引脚封装SOT23（主体尺寸大3.4倍）的Rth(j-a)典型值为K/W，计算得出的功耗为mW，比DFND-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mW，这样SOT23的结温则为℃，DFND-3为℃。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DFND-3具有出色的散热性能。
如表2中所示，增加的1cm2贴装焊盘一侧可能会使功耗翻倍。无引脚DFND-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Ptot和75%的巨大PCB空间节省量。
图3.SOT23和DFND-3的散热性能
图3：DFND-3（右）与SOT23（左）的散热性能模拟。模拟设置：FR4PCB，采用35μm厚铜线路，标准管脚尺寸，Tamb=25°C。在模拟中，假设功耗为mW，这样SOT23的结温则为°C，DFND-3为°C。
DFND-2与SOD比较
双引脚DFND-2封装的主体尺寸为1.28mm2，而对等的有引脚封装SOD的主体尺寸为4.32mm2，前者明显更小。DFND-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Rth(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，FND-2的Rth(j-a)值也已经明显低于SOD（为K/W，而SOD为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，DFND-2的功耗可增加至高达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3：20V2ANPNBJT在三种不同封装中的比较：SOT、SOT89和DFND-3。根据不同PCB设置下测得的Rth(j-a)，比较了封装的散热能力。Ptot是在最大结温°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SOT和SOT89）比较起来如何。
表3显示了20V2ANPN晶体管在3中不同封装中测得的Rth(j-a)典型值和相应的Ptot值：SOT、SOT89和DFND-3。在采用标准管脚尺寸的单侧FR4PCB上，SOT封装耗散的Ptot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6cm2（该设置模仿陶瓷板，可比较表2中的Rth(j-a)值），DFN封装中的Ptot典型值增加至1mW。这相当于SOT的Ptot值的约80%，而该封装面积要大5.7倍。使用1cm2集电极贴装焊盘时，可实现mW的Ptot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FR4PCB和1cm2贴装焊盘面积时，Ptot显著增加至mW，这说明DFND-3封装具有出色的散热能力。DFND-3的散热能力还体现在其Rth(j-sp)值上，即结点至焊点间的热阻。表4显示了与SOT和SOT89的最大热阻比较。DFND-3的Rth(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DFND-3和DFND-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SOT和SOT89这样带有大型散热器的超大有引脚封装，也可以使用DFND-3代替。在这种情况下，需要在标准FR4PCB上采用1cm2贴装焊盘，以便与面积大5.7倍的SOT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mW的功耗，是FR4板上SOT功耗的两倍以上。
Nexperia(安世半导体)
Nexperia（安世半导体），作为半导体基础元器件生产领域的高产能生产专家，其产品广泛应用于全球各类电子设计。公司丰富的产品组合包括二极管、双极性晶体管、ESD保护器件、MOSFET器件、氮化镓场效应晶体管(GaNFET)以及模拟IC和逻辑IC。Nexperia总部位于荷兰奈梅亨，每年可交付多亿件产品，产品符合汽车行业的严苛标准。其产品在效率（如工艺、尺寸、功率及性能）方面获得行业广泛认可，拥有先进的小尺寸封装技术，可有效节省功耗及空间。
凭借几十年来的专业经验，Nexperia（安世半导体）持续不断地为全球各地的优质企业提供高效的产品及服务，并在亚洲、欧洲和美国拥有超过12,名员工。Nexperia（安世半导体）是闻泰科技股份有限公司(.SS)的子公司，拥有庞大的知识产权组合，并获得了IATF、ISO1、ISO11和OHSAS认证。
Nexperia：效率致胜。
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