利用QFN封装解决LED 显示屏散热问题

前言

　　现今大多数的显示屏厂商，于PCB设计时几乎都会面临到散热的问题，尤其是因为驱动芯片所产生的热影响LED正常发光特性；进而影响整块显示屏的色彩均匀度。如何解决散热问题确实让设计者头痛。本文将进一步说明如何改变驱动芯片的封装以解决驱动芯片散热的问题。

　　QFN封装 (Quad Flat No Leads) - QFN是由日本电子机械工业会(JEDEC)规定的名称。

　　四侧无引脚扁平封装，表面贴装型封装之一，是一种底部有焊盘、尺寸小、体积小、以塑料作为密封材料的新兴表面贴装芯片封装技术。由于QFN封装不像传统的SOIC封装那样具有鸥翼状引线，内部引脚与焊盘之间的导电路径较短，所以自感系数以及封装体内布线电阻很低，所以它能提供卓越的电性能，也因为没有鸥翼状引线更能减少所谓的天线效应进而降低整体的电磁干扰(EMC/EMI)。此外，它还通过外露的引线框架焊盘提供了出色的散热性能，该焊盘具有直接散热信道，用于释放封装内芯片的热量。通常将散热焊盘直接焊接在电路板上，并且PCB中的散热过孔有助于将多余的功耗扩散到铜接地板中，从而吸收多余的热量；也可以藉此达到更佳的共地效果。目前QFN封装体在一般手机及笔记本计算机已大量被采用，但在LED显示屏中正要蓬勃发展。

图1：QFN 外观(正面及背面部份)

图2：QFN 剖面示意图

QFN与SOP散热及尺寸体积比较

　　一般在使用的SOP其尺寸为104 mm2(8X13x1.9mm)，而QFN相对的尺寸只有16mm2 (4X4X0.9mm)只有SOP的6~7分之一的尺寸；在做一些小间距的显示屏设计上具有更大的弹性。
热阻 (ΘJa)其系数为SOP = 59℃/W ，QFN=39℃/W亦即在一瓦特(Watt)的功率，芯片节点(Junction)到表面的温度。下列为一般业界常用的热阻计算公式：

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　　TJ=θja*PD+Ta

　　TJ=θjc*PD+Tc

　　θJa=θjc*θca

　　公式中所用到的符号、单位

　　TJ °C ：节点(芯片)温度

　　Tc °C ：实际温度

　　Ta °C ：环境温度

图3：QFN与SOP外观尺寸比较

图4：节点热阻示意图

　　PD W ：电源电压

　　θ ja (°C/W) ：从实际到外表面的热传输阻抗

　　θ jc (°C/W) ：从节点到实际的热传输阻抗

　　θ ca(°C/W) ：从实际到外表面的热传输阻抗

　　也就是说如果在相同的还境温度及功耗其因为封装的不同所停留在芯片上的节点温度也
会不同。举例说明：若环境温度为85°C，芯片的功耗为0.5W 则SOP 及QFN 分别的温度
如下：

　　TJ=θja*PD+Ta

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　　SOP -> Tj(SOP)=(59 C/W *0.5W)+85°C =114.5°C

　　QFN -> Tj(QFN)=(39 C/W *0.5W)+85°C =104.5°C

灯驱合一的设计

　　由于QFN 的体积小、散热佳的两大特点，以往在户外显示屏Pitch16mm 以下的规格因为PCB 板尺寸走线的限制及散热的问题所以一般显示屏厂都会选择灯驱分离的设计；亦即LED 灯板与驱动芯片板分别放在两至三块不同的PCB 板上，再透过连接器(Connector)及传输线 (Cable)相互连接在一起。此种设计虽可以解决散热问题，但是透过连接器及线材当中所产生的电感效应可能会使显示屏的色彩清析度大打折扣，况且电感效应也会增加电磁干扰产生的机会。使用QFN 设计时；因为其体积较小也没有散热的问题所以可以将芯片放置在LED 灯的间隙中，故不需使用多于的PCB 板及传输线在设计上更为简单其成本亦可降低。同理户内显示屏若使用QFN 设计亦可让散热问题做大幅度的进步。

图5：灯驱分离的设计示意图

图6：灯驱合一的设计示意图

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图8：灯驱分离所量测之电感效应之突波

完全自动化的生产

　　传统灯驱分离的设计除了比灯驱合一的设计材料成本较高外(多了PCB、连接器及线材成本)，可以节省组装的人力成本，可以达到SMT/DIP 完全自动化的生产。

结论

　　迅杰科技因为在笔记本计算机上的优势，对于一些先进封装制程领先同业，于两年前(2006)开始在显示屏业推行QFN4X4 封装，期望藉由此一封装产品的优点及成本优势带给显示屏厂商更高的竞争力。

　　*迅杰科技为一专业笔记本芯片专业研发生产厂商，目前在笔记本计算机市占率超过30%。在LED算是一个新兵；夹带着笔记本计算机强大的研发、生产优势希望带给LED显示屏业新的概念，就如迅杰科技的理念提供客户”性能优、品质佳、服务快”高性价比的产品，为客户创造更高的竞争优势。