新型電路板技術滿足數字電源的需求(1)

功率器件封裝技術家族新成員推動電路板設計向前發展

BPA在其剛剛發表的報告《電路板中的金屬—增強印刷電路板的熱能與功率管理的機遇》中確定了功率半導體家族的新成員，且指出這些半導體器件對電路板的熱能和功率管理提出了新的設計要求。該報告依據下述原則將大量應運而生的電路板級解決方案分為12大類：

● 熱能管理技術—熱導管、內嵌物和散熱面等;

● 電流管理—銅面、嵌入式母線、離散布線或帶;

● 電路板鋪設—層數及內部/外部散熱面的使用。

這些解決方案提供了廣泛的熱能與功率管理能力，且通過電路板熱路徑能夠提供溫升在10℃以內的不同功率密度管理能力。這些解決方案的功率密度范圍為0.25W/cm2~35W/cm2。

如今，功率轉換、管理與控制的數字化進程不斷加快，功率半導體技術的發展和自動化裝配成本優勢日益突出，進而推動表貼封裝技術向著更新、更小的趨勢發展。在這種情形下，這些解決方案所能提供的能力范圍是至關重要的。

小型封裝提供高能量

“等量”封裝產品家族便是其中之一，這種器件由國際整流器公司(IR)開發并命名為“DirectFET”進入市場。還有一種類似的封裝就是英飛凌科技股份有限公司的“CanPAK”，采用國際整流公司授權的DirectFET技術制成。這些器件之所以被稱為“等量”器件是因為它們提供一條既可通往電路板內部又可在需要時通過封裝頂部通往電路板外部的平衡散熱路徑，如圖1所示。

圖1：“等量”封裝提供兩條散熱路徑：通往電路板內部和周圍環境。

除了能夠滿足熱量要求外，等量封裝中使用金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的電源應用能夠承載五十安培至幾百安培的電流。這遠遠超過傳統印刷電路板能夠承載的電流上限(10A～15A)。要管理該種電流強度需要一套不同且獨特的電路板設計標準。

載流容量—功率封裝中的一個關鍵參數

通過導體的電流會以熱的形式造成電阻功率的損耗(I2R)，在高電流強度的情況下，溫升成為載流容量的一個決定因素，因為導體的電阻率隨著溫度的變化而變化。電阻率和溫度呈線性關系，也就是說，電阻率與溫度變化成正比，變化速率由導體的溫度系數決定。

RT = RT0 × [(1 + α(T-T0)] (1)

式中：

T—測量電阻率時的溫度;

T0—參考溫度(周圍環境溫度);

α—線性溫度系數(銅電阻溫度系數=0.004);

RT—測量溫度下的電阻率;

RT0—參考溫度下的電阻率。

對于一個銅導體而言，溫度每增加25℃，導體的電阻率RT隨之增加，最大載流容量則降低5%。考慮到這可能會使功率損耗更加嚴重并導致溫度升高，在MiB設計實踐中必須考慮有效地控制和降低導體電阻率，同時提供低熱阻路徑用于散發熱量。

在印刷電路板中，載流容量取決于多種不同因素：

● 由擴散層、接地層和疊層提供的傳導和對流能力;

● 路徑寬度和厚度的比率;

● 周圍環境溫度;

● 相鄰高電流路徑;

● 交流(AC)或直流(DC)電流;

● 局部橫截面收縮的存在與頻率;

● 與導體串聯鍍通孔的存在、數量和導電橫截面。

因此，設計過程中需考慮更多的可變因素，而不僅僅只依據IPC 2152電流和溫度表的對比。

MiB—創新型設計的福音

“電路板中的金屬”(簡寫為MiB)包含多種將MiB構件結合在一起從而提供有效高電流解決方案的方法。離散線印刷電路板(簡寫為DWPCB)就是最常用的一種。

市場上可以買到的一種DWPCB是由澳大利亞PCB制造商Häusermann GmbH開發的“HSMTec”。HSMTec使用直徑為0.5mm的銅線和0.5mm厚的矩形橫截面銅帶(“型材”)，在電路板內提供離散性低電阻電流和熱量路徑，如圖2所示。

圖2：“離散布線”工藝—將高電流元件焊接至電路板內層。

與傳統厚銅板或金屬芯板相比，這種解決方案有很多優勢：

● 傳統PCB工藝確保始終如一的高可靠性;

● 只在需要時提供加強型熱量和電流路徑;

● MiB成本取決于需要MiB的那些網;

● 布線密度高且符合高密度互連(HDI)使能邏輯和功率集成;

● FR-4材料的使用減少了鋁基板中經常出現的熱膨脹系數(CTE)不匹配情況;

● 組裝期間電路板可折疊，為LED燈具提供光度解決方案且無需使用子板/接頭。

構成DWPCB電路板MiB組件的型材和導線被焊接在蝕刻于內芯的路徑上，形成一個由蝕刻路徑和結合元件組成的三明治形狀。這一專利工藝可以確保路徑與對均勻散熱至關重要的導線/型材之間熔合線的一致性和導體橫截面的一致性。同時，這一工藝簡化了布局任務和/或從傳統設計的轉化流程，因為高電流MiB組件(導線和型材)的布置是在內層或外層顯著擴大了的路徑上完成的。

這種排列方式為疊層配置提供了更多的靈活性。型材/導線焊接在路由路徑上，散熱面可與MiB路徑同層或設置在與MiB路徑同軸的飾面層。經證實，設置于飾面層的散熱面可改善散熱效果，如圖3所示。

圖3：散熱面對散熱效果的影響。

設計指南包括基于不同布局安排的熱像觀察載流容量表。如圖4所示，DWPCB電路板適合額定電流高達約140A(40℃溫升)的“中等”功率應用。

圖4：各種型材橫截面和電流(安培)的溫升。

結合熱通孔或內嵌物，取決于占空比的大小，這一數值能夠超過300A。BPA報告中提及的其他MiB類型適用于高電流應用(250A～1000A)，尤其是混合動力/電動汽車或高功率整流。

DWPCB電路板的中等電流能力、高散熱特性和設計靈活性使其成為邏輯電路板、總線和線纜的更具性價比的替代品，而且其應用范圍正在不斷擴大。

設計實例：電動動力系統

圖5所示的鋰離子電池組可為輕型電動車提供平均100A、最大300A的電流。