新型電路板技術(shù)滿足數(shù)字電源的需求(1)

功率器件封裝技術(shù)家族新成員推動電路板設(shè)計向前發(fā)展

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

● 熱能管理技術(shù)—熱導(dǎo)管、內(nèi)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(shè)—層數(shù)及內(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)換、管理與控制的數(shù)字化進(jìn)程不斷加快，功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和自動化裝配成本優(yōu)勢日益突出，進(jìn)而推動表貼封裝技術(shù)向著更新、更小的趨勢發(fā)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(guān)重要的。

小型封裝提供高能量

“等量”封裝產(chǎn)品家族便是其中之一，這種器件由國際整流器公司(IR)開發(fā)并命名為“DirectFET”進(jìn)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(quán)的DirectFET技術(shù)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(nèi)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(nèi)部和周圍環(huán)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(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的電源應(yīng)用能夠承載五十安培至幾百安培的電流。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)印刷電路板能夠承載的電流上限(10A～15A)。要管理該種電流強(qiáng)度需要一套不同且獨特的電路板設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

載流容量—功率封裝中的一個關(guān)鍵參數(shù)

通過導(dǎo)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(qiáng)度的情況下，溫升成為載流容量的一個決定因素，因為導(dǎo)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(guān)系，也就是說，電阻率與溫度變化成正比，變化速率由導(dǎo)體的溫度系數(shù)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(huán)境溫度);

α—線性溫度系數(shù)(銅電阻溫度系數(shù)=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(dǎo)體而言，溫度每增加25℃，導(dǎo)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(yán)重并導(dǎo)致溫度升高，在MiB設(shè)計實踐中必須考慮有效地控制和降低導(dǎo)體電阻率，同時提供低熱阻路徑用于散發(fā)熱量。

在印刷電路板中，載流容量取決于多種不同因素：

● 由擴(kuò)散層、接地層和疊層提供的傳導(dǎo)和對流能力;

● 路徑寬度和厚度的比率;

● 周圍環(huán)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(dǎo)體串聯(lián)鍍通孔的存在、數(shù)量和導(dǎo)電橫截面。

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

MiB—創(chuàng)新型設(shè)計的福音

“電路板中的金屬”(簡寫為MiB)包含多種將MiB構(gòu)件結(jié)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(fā)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(nèi)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(nèi)層。

與傳統(tǒng)厚銅板或金屬芯板相比，這種解決方案有很多優(yōu)勢：

● 傳統(tǒng)PCB工藝確保始終如一的高可靠性;

● 只在需要時提供加強(qiáng)型熱量和電流路徑;

● MiB成本取決于需要MiB的那些網(wǎng);

● 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(jīng)常出現(xiàn)的熱膨脹系數(shù)(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(gòu)成DWPCB電路板MiB組件的型材和導(dǎo)線被焊接在蝕刻于內(nèi)芯的路徑上，形成一個由蝕刻路徑和結(jié)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(guān)重要的導(dǎo)線/型材之間熔合線的一致性和導(dǎo)體橫截面的一致性。同時，這一工藝簡化了布局任務(wù)和/或從傳統(tǒng)設(shè)計的轉(zhuǎn)化流程，因為高電流MiB組件(導(dǎo)線和型材)的布置是在內(nèi)層或外層顯著擴(kuò)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(dǎo)線焊接在路由路徑上，散熱面可與MiB路徑同層或設(shè)置在與MiB路徑同軸的飾面層。經(jīng)證實，設(shè)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(shè)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(dá)約140A(40℃溫升)的“中等”功率應(yīng)用。

圖4：各種型材橫截面和電流(安培)的溫升。

結(jié)合熱通孔或內(nèi)嵌物，取決于占空比的大小，這一數(shù)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(yīng)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(shè)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(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。

設(shè)計實例：電動動力系統(tǒng)

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。