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
