应用示例 来自我们的实验室 电源
2025年12月17日  / 阅读时长：5分钟 /

SiP（系统级封装）技术正得到广泛应用，许多研究预测未来五年将实现两位数增长，这得益于其独特的电气特性以及能在单一封装内集成不同尺寸芯片的能力，即异质集成。意法半导体正通过PWD13F60、PWD5F60、PWD5T60功率驱动器或powerSTEP01微步进控制器等器件引领这一技术浪潮。然而我们也发现，装配线往往不太熟悉这项技术，因此需要更紧密的合作来助力客户攻克常见问题。因此，我们认为现在是回顾SiP集成相关制造基础知识的好时机。


SiP挑战一：可靠焊点
空洞问题

PWD5T60的SiP封装

最常见的关注点在于形成无空洞的可靠焊点。确实，仅简单涂抹焊膏并加热器件并非最优方案，因为SiP极易出现错位、过量的焊膏会造成两个焊盘桥接，或者是在回流焊过程中残留气体形成空洞。这些缝隙会导致散热不良引发过热，并降低良率，成为严重隐患。鉴于SiP器件通常配有大面积裸露焊盘用于散热，会进一步加重该问题。根据IPC（国际印制电路协会）的传统指导标准，空洞面积不应超过裸露焊盘面积的50%，但在缺乏适当工艺支持的情况下，这一标准往往难以实现。
梳状开窗

PWD5T60的梳状开窗设计

意法半导体推荐的第一个解决方案是回归基础：将封装件存放于防潮袋中，并确保防静电环境。这听起来或许过于简单，但如果装配线受到潮湿环境的影响，任何补救措施都将无济于事。下一步是选择合适的钢网进行作业。相较于全开窗（模拟裸露焊盘尺寸的大面积方形开窗）或方格阵列（以多个小方格填充区域），采用开口宽度300 µm、间距600 µm的梳状开窗结构能获得最佳效果。根据IPC标准，所有尺寸大于4 mm × 4 mm的裸露焊盘均应采用图形化开窗设计。因此，选择正确的开窗方案至关重要。


钻孔导通孔

PWD5T60顶层PCB的导通孔布局

另一关键解决方案是使用直径约0.25 mm、间距1 mm的导通孔，并均匀布置在焊盘周围，以便助焊剂中的气体有效排出。导通孔过大会吸附过量焊膏，过小则效果有限。在我们的应用笔记AN6217中，我们甚至展示了SiP封装底部的X射线图像，以展示梳状开窗结合导通孔设计方案的优势。该文档还涉及其他注意事项，包括正确的回流焊工艺以及焊膏的优选类型（通常首选4号粉，3号粉也可使用）。然而，合理的钢网设计与导通孔结构本身已能显著改善焊接质量。

空洞现象与钢网开窗类型的对应关系

SiP挑战二：高效布局与散热
传统设计指南的局限
SiP封装的独特之处正是其吸引力所在。它能够在纤薄的封装内容纳多种不同芯片，从而减少PCB上各类器件的整体占用面积并简化设计。为实现这一目标，SiP采用了中介层、重布线层、桥接技术等多种先进工艺。这意味着工程师需要以不同的方式处理它们。这类封装通常不配置散热器（我们的所有器件均如此），热量主要通过底部焊盘进行耗散。因此，其在PCB上的布局方式需与传统封装区别对待。若直接沿用其他封装的设计准则，将易导致过热、短路及可靠性降低等问题。


构建散热岛并采用四层PCB
我们向制造商最常建议的方案之一是构建“散热岛”——即在裸露焊盘下方的PCB层设置厚铜层，以更有效地将热量从源头导出。这实质上是工程师可通过导通孔连接的人造散热结构，能显著增强散热性能。铜层的数量也取决于PCB的总层数。因此，值得考虑从双层结构升级为四层结构。虽然四层PCB的生产成本更高，但它使设计人员能够采用更具性价比的SiP方案，在满足散热目标的同时提高整体元件密度，从而降低总成本。


实际上，我们使用PWD5T60进行了内部基准测试，以展示在设计风扇电机时，从四层PCB转为双层PCB所产生的影响。在29 W功率下，采用四层PCB可使意法半导体器件的表面温度降低8.6%；而在110 W时，温差超过30%。尽管PWD5T60在125 °C的额定结温范围内仍可运行，但双层PCB方案已极其接近其温度极限。事实上，在另一款压缩机电机设计中，双层PCB甚至无法承载90 W的功率。因此，工程师通过增加PCB层数可获得显著优势，而探索更厚的PCB设计也将带来可观的回报。

四层与双层PCB上PWD5T60在不同负载下的表面温度测量表

四层与双层PCB上PWD5T60在不同负载下的表面温度变化曲线图

新的电气设计考量

去耦电容布局示例

还需兼顾其他布局因素，例如接地连接。由于微控制器驱动着SiP的功率级，将接地点连接至分流电阻以抑制电压尖峰至关重要。我们同时建议将所有接地焊盘与裸露焊盘连接至电源组件正下方、信号层上方的实心接地层，从而有效屏蔽电磁干扰。将大容量电容尽可能靠近SiP布置，并使去耦电容尽量贴近电源引脚，也能有效降低寄生电感与电阻。总的来说，这些设计要点清晰直观，在设计中充分考量即可显著缩短项目的上市周期。