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Forum: Platinen QFN-28 und Thermal Pad


Autor: Sam (Gast)
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Hallo,

ich habe hier einen 8051 Mikrocontroller im QFN-28 Package. Dazu zwei 
Fragen:

1. muss ich unbedingt Vias in das Thermal Pad bohren oder funktioniert 
das auch ohne, da ja so ein einfacher Controller wenig Wärme entwickelt 
(oder auch nicht)?

2. in einem Eck ist noch so ein kleines quadratisches Pad das mit GND 
belegt werden soll. Das Thermal Pad liegt auch auf GND. Warum ist das 
kleine Pad nicht bereits mit dem Thermal Pad im IC verbunden und das 
wiederum mit dem GND-Pin? Kann ich die alle einfach direkt miteinander 
verbinden?

Gruß Sam

Autor: Werner (Gast)
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zu 2.

Da war der Platz wohl etwas eng um das intern zu verdrahten ... ;-)

Ansonsten immer alles so machen wie es im Datenblatt steht, ansonsten 
läuft er nicht oder intern fliessen hohe Ströme die nicht dort 
hingehören ...

Autor: Иван S. (ivan)
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Hallo Sam,

Sam wrote:
> ich habe hier einen 8051 Mikrocontroller im QFN-28 Package.

SiLabs, deinen Beschreibungen nach :)
Gleich vorweg: Ich komme aus der MSP430er-Ecke und die QFNs sind mir 
eigentlich ziemlich symphatisch, nur der MSP ist eben auf Low-Power 
getrimmt, da ist die Thermik daher in vielen Fällen nicht ganz so 
heikel. Natürlich, auch hier kommt es darauf an, was ich mit der MCU 
machen will.

> 1. muss ich unbedingt Vias in das Thermal Pad bohren oder funktioniert
> das auch ohne, da ja so ein einfacher Controller wenig Wärme entwickelt
> (oder auch nicht)?

Generell schadet es nicht, ein Thermal Via einzusetzen wenn dies möglich 
ist, der Vorteil ist nämlich ungemein: Dadurch bekommst Du nämlich einen 
Wärmeübergang auf einen weiteren Layer, auf die Groundplane. Und diese 
stellt mit ihrer großen Fläche eine ungleich größere Wärmekapazität dar, 
als dies die kleine Kupferfläche direkt under dem Thermal bieten könnte.

Wie immer, der Fachmann staunt und der Laie wundert sich: Ohne die 
konkreten Fakten der Applikation und den damit verbundenen thermischen 
Leistungsumsatz einigermaßen zu kennen kann man keine allgemeingültigen 
Ratschläge erteilen. Nur einige (teils extreme) Beispiele:

1.) MCU kaum belastet und ist zu 99% im Low-Power-Sleep-Mode: Unter 
gewissen Umständen kann man in diesem Fall sogar vollkommen auf das 
Thermal Pad verzichten (ich rate jedoch nicht dazu und es gibt 
eigentlich - zumindest fällt mir auf die Schnelle nichts dergleichen ein 
- keinen vernünftigen Grund auf das Thermal Pad komplett zu verzichten).

2.) MCU wird mäßig gering belastet: Thermal wird mit der Kupferfläche 
auf der Bestückungsseite velötet, keine Thermal Vias. "Good Practice" 
ist es, wie z.ß im SiLabs Datenblatt auch schön als "Optional Connection 
Thermal Pad to GND-Pad" dargestellt, auch eine Leiterbahn zwischen 
Thermal und GND-Pad einzuplanen. Immerhin kostet es ja nichts und die 
Länge der Ground-Versorgungsbahn ställt eine zusätzliche, brauchbare 
Wärmekapazität dar.

3.) MCU wird mäßig stark belastet: Thermal Pad verwenden, thermische 
Brücke zum GND-Pad nutzen.

4.) MCU wird stark belastet und - Sonderfall - Thermal Vias sind extrem 
teurer (technologisch nicht machbar, eventuell Bastlerproblem): Thermal 
Pad und GND-Pad-Brücke notwendig, Thermal Vias wären auch notwendig. 
Workaround: Nächstgrößere QFN-Bauform wählen, einige I/Os mittels (falls 
möglich am Besten Tristate-Z-hochohmig) deaktivieren. Dadurch ist es 
möglich, zusätzliche Bahnen im Bereich der deaktivierten I/Os vom 
Thermal Pad herauszuführen. Das kann oft reichen.

5.) MCU wird stark belastet und Thermal Vias technologisch möglich, oder 
auch: MCU wird thermisch bis ans Limit ausgereizt: Thermal Vias 
verwenden, GND-Brücke möglicher Weise obligatorisch. Eventuell 
zusätzlicher Kühlkörper für MCU notwendig, im Extremfall mit aktiver 
Kühlung. Maximale Junction-Temperatur beachten ;-)

Ohne über Deinen Fall jetzt genaueres zu wissen: Schau' Dir die Optionen 
2.) und 3.) genauer an.

> 2. in einem Eck ist noch so ein kleines quadratisches Pad das mit GND
> belegt werden soll. Das Thermal Pad liegt auch auf GND. Warum ist das
> kleine Pad nicht bereits mit dem Thermal Pad im IC verbunden und das
> wiederum mit dem GND-Pin?

Intern sind sie zu einer hohen Wahrscheinlichkeit schon verbunden, 
relativ sicher zumindest das GND-Pad und das Thermal. Nur ist damit 
alleine noch nichts gewonnen.

Drei Möglichkeiten:
1.) Die unwahrscheinliche: Wie mein Vorredner Werner schon bemerkte: 
Internes Platzproblem. Nur, wenn ich mir das die Größe des Dies im 
Vergleich zum gesamten Bauteil ansehe mag ich das kaum glauben. Aber 
möglich ist es.
2.) Die mögliche: Das Quadrat versorgt direkt die leistungshungrigeren 
Schaltkreisteile, wie relativ hochstromige DACs oder allgemein 
Analogkomponenten mit Massen, die hier zusammen herausgeführt werden. 
Wie Werner schon sagte: Ohne dem Quadrat fließen intern möglicher Weise 
relativ hohe Ströme, die dort nicht hingehören.
3.) Die wahrscheinlichste: Möglicher Weise ist das Quadrat auch mit 
einer internen Art Groundplane im Analogteil verbunden, sprich: Es ist 
ein Anti-Störungs-Groundquadrat :-)

Binde das Quadrat jedenfalls so gut als möglich an einer möglichst 
breiten GND-Leiterbahn an. Der Hersteller will Kosten sparen, wenn es 
also relativ unwichtig wäre hätte der Hersteller dieses - in der 
Herstellung im Vergleich zu den anderen Pads teure - Quadrat bestimmt 
nicht eingebaut.

> Kann ich die alle einfach direkt miteinander verbinden?

Natürlich, solltest Du sogar. Zwischen dem GND-Pad und dem Thermal Pad 
bedeutet es keinen Aufwand, das Quadrat will möglicher Weise eine 
besonders gute Analogmasse. Und bitte bei den Leiterbahnbreiten am 
Quadrat nicht sparen.

Ich könnte mich in den Hintern beißen, daß ich erst im Q3 mein Mikroskop 
und die Depackageing-Chemie bekomme. Dein Posting hat das Interesse an 
dieser Thematik bei mir geweckt, ich würde mir gerne 'mal genauer 
anschauen, was da genau gespielt wird.

> Gruß Sam

Gruß, Iwan

Autor: Jack Kilby der trollige (Gast)
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Blos gut das die MSP430 und die TMS320F280X sowas nicht haben.

Bei einem Stino-8051 würde ich ein Thermal Pad einfach ignorieren.
Naja, eine Leiterbahn würde ich da auch nicht gerade durchführen.

Silabs 8051 kenn ich leider nicht im Detail.

Autor: Sam (Gast)
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Danke für die ausführlichen und interessanten Infos. Ich habe auch noch 
einmal gesucht und folgendes gefunden:


Question

There is a center pad and a corner pad on the MLP/QFN package that are 
labeled "GND" in the datasheet. Do these pads need to be connected on 
the board, or can they be left floating?


Answer

For most Silicon Laboratories MLP/QFN microcontrollers, the only 
required ground connections on the devices are the numbered pins that 
are designated as a ground connection (GND, DGND or AGND).  An example 
of this is pin 3 on the CP2101 (QFN28 package).  On MLP11 or QFN11 
packaged devices, the center pad is a numbered pin (pin 11) and should 
be connected to ground.

When using a MLP/QFN device without a numbered center pad, it is 
recommended but not required that the center pad also be connected to 
ground.  This pad is designed into the package for heat dissipation. If 
the center pad is to be grounded in a system, it is a good idea to 
follow the solder paste recommendations in the product datasheet.  The 
solder paste recommendations will help ensure that the device does not 
"float" or rotate during the soldering process.

The corner pad is primarily used for device orientation, and is not a 
necessary connection.

Important: Traces other than ground should NOT be routed underneath the 
chip in the area of the center or corner pads.  Both the center and 
corner pads do have a resistive connection to ground inside the device, 
and any trace that contacts these pads will have a low-impedance path to 
ground.


Gruß Sam

Autor: Иван S. (ivan)
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Sam wrote:
> The corner pad is primarily used for device orientation, and is not a
> necessary connection.

Wieder einmal etwas gelernt, darauf wäre ich wohl nie gekommen, daß die 
nur zur Orientierung dieses große GND-Pad einbauen. Ich bin erstaunt.

Der trollige (Gast) wrote:
> Blos gut das die MSP430 [...] sowas nicht haben.

Ausnahmslos alle MSP430er im QFN-Package besitzen ein Thermal Pad.

> Bei einem Stino-8051 würde ich ein Thermal Pad einfach ignorieren.

Mach doch. Und erzähle uns von deinen Erfolgserlebnissen.

Iwan

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