SiP的挑战：空洞和高效散热

系统级封装（SiP）技术正得到广泛应用，多项研究预测，未来五年该技术将实现两位数的增长。这一增长势头的背后，既得益于其独特的电气性能，也源于它能够将不同尺寸的芯片集成在单一封装内。但是在实际生产过程中，SiP仍存在挑战，为此意法半导体给出了一些“避坑指南”。

SiP面临的挑战：制备高可靠性的无空洞焊点

以 PWD5T60 器件的SiP工艺为例，生产线最常面临的难题，是如何制备出无空洞的高可靠性焊点。在实际生产中，仅通过涂覆焊膏、加热器件的常规操作，往往无法达到理想效果。SiP器件极易出现芯片对位偏差，焊膏用量过多则会导致相邻焊盘之间形成桥连，而在回流焊过程中，焊膏内的气体若无法及时排出，就会在焊点处形成空洞。这些空洞会严重影响器件的散热效率，进而导致器件过热，同时还会造成产品良率下降。

这一问题在SiP器件上表现得尤为突出，因为该类器件通常会设计大面积的裸露焊盘，以实现高效散热。国际印刷电路协会（IPC）制定的传统工艺标准要求，裸露焊盘区域内的空洞面积占比不得超过 50%，而若没有标准化的工艺支撑，这一指标很难达成。

针对这个问题，意法半导体强推的解决方案是回归工艺基础，将封装器件存放于防潮袋中，并确保整个生产环境符合防静电（ESD）要求。这看似是简单的操作，但如果生产线存在湿气干扰问题，任何其他补救措施都将收效甚微。

PWD5T60梳状图形

在此基础上，下一步关键是选择适配的钢网图形。相比采用全覆盖式图形或方形阵列图形，采用开口宽度为 300μm、图形间距为600μm的梳状图形，能够取得最佳的焊接效果。根据国际印刷电路协会（IPC）的标准，任何面积超过 4 毫米 ×4 毫米的裸露焊盘，都应采用特定的钢网图形进行焊膏涂覆，因此，选择合适的钢网图形至关重要。

PWD5T60 PCB顶层通孔

另一个解决方案是在焊盘周围均匀布置直径约为 0.25 毫米、间距为 1 毫米的导通孔，为焊膏助焊剂中的气体提供排出通道。导通孔直径过大，会导致焊膏过度下渗；直径过小，则无法有效提升气体排出效率。在AN6217的应用文档中，通过SiP器件底部的 X 光扫描图像，直观展示了 “梳状图形 + 导通孔” 组合方案的优势该文档同时还涵盖了其他工艺要点，例如规范的回流焊工艺参数、焊膏的优选类型（通常优先选用 4 型焊膏，3 型焊膏也可兼容）等。不过，合理的钢网图形设计与导通孔结构设计，才是解决空洞问题的关键所在。

SiP面临的挑战：实现合理的电路布局与高效散热

SiP器件的独特优势是其能够在超薄封装体内集成多种不同功能的芯片，从而有效缩减各类器件在PCB上的占用面积，简化整体电路设计。

为实现这一集成特性，SiP技术采用了中介层、重布线层、芯片桥接等多种技术手段，这也意味着工程师需要采用区别于传统器件的设计思路。SiP器件通常无需额外安装散热片，其热量主要通过底部焊盘传导至PCB，因此它在PCB上的布局方式，与传统封装器件截然不同。如果直接套用传统器件的设计规范，极易导致器件过热、电路短路以及可靠性下降等问题。

在此情况下，一个解决方案就是在PCB上设计 “散热岛”，即在裸露焊盘对应的 PCB 区域，铺设厚铜层，以增强热量的传导效率，将器件产生的热量快速导出。

这种 “散热岛” 相当于工程师为器件量身定制的内置散热结构，还可通过导通孔进一步连接其他铜层，提升整体散热能力。铜层的设计层数需结合PCB的总层数来确定，因此，将电路板结构从两层升级为四层，往往是十分必要的选择。虽然四层PCB的生产成本相对更高，但采用这种方案后，设计人员能够选用性价比更高的SiP器件，在满足散热需求的同时提升电路板的集成度，最终降低产品的整体成本。

此前的一项以PWD5T60 器件为核心，针对风扇电机驱动电路的内部基准测试，对比了四层板与两层板方案的散热效果差异。

测试数据显示，在 29 瓦的功率负载下，采用四层板方案可使器件的顶部表面温度降低 8.6%；而在 110 瓦的高功率负载下，降温幅度更是超过 30%。尽管测试中 PWD5T60 器件的结温仍处于 125℃的额定范围内，但已十分接近临界值。不仅如此，在另一项压缩机电机驱动电路的设计测试中，两层板方案甚至无法承受 90 瓦的功率负载。由此可见，增加PCB的铜层层数，能够为系统带来显著的散热增益，而选用厚度更大的电路板，也能产生可观的收益。

在电路布局方面，还需考虑其他影响电气性能的因素，例如接地设计。当微控制器驱动SiP器件的功率级电路时，必须将接地点与分流电阻可靠连接，以此抑制电压尖峰的产生。因此建议将所有接地焊盘和裸露焊盘，均连接至功率器件正下方的完整接地层，且该接地层应位于信号层上方，从而起到屏蔽电磁干扰的作用。

此外，将大容量储能电容尽可能靠近SiP器件布置，同时将去耦电容紧贴电源引脚摆放，能够有效降低电路中的寄生电感与寄生电阻。