功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（十二）——功率半導(dǎo)體器件的PCB設(shè)計(jì)

/ 前言 /

功率半導(dǎo)體熱設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎(chǔ)，只有掌握功率半導(dǎo)體的熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，才能完成精確熱設(shè)計(jì)，提高功率器件的利用率，降低系統(tǒng)成本，并保證系統(tǒng)的可靠性。

功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)系列文章會(huì)比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程測(cè)量方法。

功率半導(dǎo)體的電流密度

隨著功率半導(dǎo)體芯片損耗降低，最高工作結(jié)溫提升，器件的功率密度越來(lái)越高，也就是說(shuō)，相同的器件封裝可以采用更大電流規(guī)格的芯片，使輸出電流更大，但同時(shí)實(shí)際的損耗和發(fā)熱量也會(huì)明顯增大。

功率器件中的分立器件、Easy系列模塊，Econo系列模塊都是PCB安裝式封裝，當(dāng)單個(gè)器件電流的增加，對(duì)PCB熱設(shè)計(jì)是個(gè)挑戰(zhàn)。

TO-247分立器件

Easy2B

Econo3

PCB載流能力

當(dāng)器件功率密度提升，單一管腳的電流增加，如IKQ150N65EH7，一個(gè)TO-247封裝的150A 650V單管，其集電極直流電流是160A，限制是引線。那么在芯片散熱允許的情況下，設(shè)計(jì)中不希望PCB成為器件輸出電流的瓶頸，這樣的話才能最大限度利用器件，不因?yàn)镻CB限制而降額使用，以降低系統(tǒng)成本。

摘自IKQ150N65EH7數(shù)據(jù)手冊(cè)

模塊的功率密度提升了，Easy 2B能做到100A，Econo3可以做到300A，雖然單一針腳電流有限，但模塊可以用多針腳并聯(lián)保證器件輸出電流能力。譬如FS300R12N3E7 300A 1200V的EconoPACK? 3的三相橋，正負(fù)直流母線分別用6針并聯(lián)，AC輸出分別用5針并聯(lián)以保證300A的電流能力，這時(shí)PCB板如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會(huì)成為電流的瓶頸。

摘自FS300R12N3E7數(shù)據(jù)手冊(cè)

PCB設(shè)計(jì)規(guī)范

PCB是成熟的技術(shù)，已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)規(guī)范，現(xiàn)在也有PCB的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以提高PCB的載流能力。

在PCB行業(yè)中，覆銅板的厚度用重量單位盎司表示，1oz意思是重量1oz的銅均勻平鋪在1平方英尺的面積上所達(dá)到的厚度。PCB規(guī)格從0.5-10oz不等，常用的規(guī)格如下圖，但在制作印刷電路板時(shí)還可以加厚，適當(dāng)提高載流能力。

PCB載流能力的設(shè)計(jì)原則

印刷電路板載流能力決定于走線損耗，其可通過(guò)以下方式估算：

A：銅的橫截面，l：導(dǎo)體的長(zhǎng)度，ρ：銅的電阻率，Irms:流過(guò)線路板的電流有效值，這些損耗是導(dǎo)致印刷電路板溫度上升的主要因素。但實(shí)際溫升還與眾多的因數(shù)有關(guān)，譬如導(dǎo)線電流、走線寬度、走線在內(nèi)層或外層，走線厚度、PCB板材、相鄰走線、層間距離、有無(wú)阻焊膜、環(huán)境條件等諸多因素，非常復(fù)雜，為此國(guó)際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(huì)IPC制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，IPC-2152 Standard for Determining Current Carrying Capacity inPrinted Board Design，即《印刷板設(shè)計(jì)中電流承載能力的確定標(biāo)準(zhǔn)》。

標(biāo)準(zhǔn)有近百頁(yè)，內(nèi)含豐富的圖表以支持PCB的設(shè)計(jì)。其中最基本的圖表如下所示。

紅色箭頭是從線寬開始查找最大電流，圖中PCB走線寬度140mil，使用1oz的銅厚，垂直找到對(duì)應(yīng)的溫升要求10°C，然后回到Y(jié)軸找到可通過(guò)的最大電流2.75A。

橙色箭頭是從電流設(shè)計(jì)目標(biāo)入手，查找線寬，圖中電流為1A，目標(biāo)溫升30°C，垂直向下找到不同銅厚下，所需要的走線寬度，如使用0.5oz的銅厚時(shí)，走線寬度需要達(dá)到40mil。

保守圖表適用于外層和內(nèi)層走線、常見(jiàn)PCB材料和厚度等，從該圖表中獲得的值非常安全，在任何情況（除真空外的環(huán)境）下都有效，不考慮其他變量。

工程師按照保守圖表做設(shè)計(jì)時(shí)，PCB面積、成本、不是最優(yōu)的，能滿足一般電流和溫升設(shè)計(jì)要求。

Econo封裝的PCB設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，可以利用IPC標(biāo)準(zhǔn)中圖表進(jìn)行計(jì)算，英飛凌的應(yīng)用指南也給出了針對(duì)特定模塊的設(shè)計(jì)參考。

針腳溫度

在功率線路板熱設(shè)計(jì)時(shí)，第一步應(yīng)該了解針腳的在實(shí)際線路板上載流能力。下圖是Econo 2單一針腳和Econo 3三腳并聯(lián)的圖表，由于針腳損耗造成的熱大部分通過(guò)線路板散掉，通過(guò)模塊銅基板到散熱器路徑可以忽略不計(jì)。圖表給出在不同的印刷電路板溫度下的值。

圖表也僅僅是個(gè)在一定條件下的案例，整個(gè)熱力系統(tǒng)的相互依存關(guān)系過(guò)于復(fù)雜，并取決于各種應(yīng)用限制，因此無(wú)法做出任何一般性說(shuō)明。

PCB走線上的熱分布

對(duì)于一條PCB走線，功率針腳一頭一般比較熱，熱量會(huì)沿著走線流向溫度低的另外一頭，分析其溫度分布梯度，發(fā)現(xiàn)最熱并不在針腳位置。

仿真案例中，200mm的直線走線，藍(lán)線的最熱距離針腳60mm。橫截面大，最高溫度就越低，而且遠(yuǎn)離針腳。

仿真僅僅提示一種現(xiàn)象，原型樣機(jī)PCB用熱成像儀測(cè)試最壞情況是非常必要的。

帶狀導(dǎo)體的溫度曲線示例

總結(jié)

PCB熱設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)是一個(gè)工程化設(shè)計(jì)，與各種條件有關(guān)，可以參考國(guó)際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IPC-2221《印制板設(shè)計(jì)通用標(biāo)準(zhǔn)》和IPC-2152《印刷板設(shè)計(jì)中電流承載能力的確定標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)于原型樣機(jī)建議進(jìn)行必要的熱測(cè)試。