功率器件熱設計基礎（十二）——功率半導體器件的PCB設計

/ 前言 /

功率半導體熱設計是實(shí)現IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎，只有掌握功率半導體的熱設計基礎知識，才能完成精確熱設計，提高功率器件的利用率，降低系統成本，并保證系統的可靠性。

功率器件熱設計基礎系列文章會(huì )比較系統地講解熱設計基礎知識，相關(guān)標準和工程測量方法。

功率半導體的電流密度

隨著(zhù)功率半導體芯片損耗降低，最高工作結溫提升，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，當單個(gè)器件電流的增加，對PCB熱設計是個(gè)挑戰。

TO-247分立器件

Easy2B

Econo3

PCB載流能力

當器件功率密度提升，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(xiàn)。那么在芯片散熱允許的情況下，設計中不希望PCB成為器件輸出電流的瓶頸，這樣的話(huà)才能最大限度利用器件，不因為PCB限制而降額使用，以降低系統成本。

摘自IKQ150N65EH7數據手冊

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，正負直流母線(xiàn)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板如果設計不當，就會(huì )成為電流的瓶頸。

摘自FS300R12N3E7數據手冊

PCB設計規范

PCB是成熟的技術(shù)，已經(jīng)形成標準化的設計規范，現在也有PCB的創(chuàng )新設計，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到的厚度。PCB規格從0.5-10oz不等，常用的規格如下圖，但在制作印刷電路板時(shí)還可以加厚，適當提高載流能力。

PCB載流能力的設計原則

印刷電路板載流能力決定于走線(xiàn)損耗，其可通過(guò)以下方式估算：

A：銅的橫截面，l：導體的長(cháng)度，ρ：銅的電阻率，Irms:流過(guò)線(xiàn)路板的電流有效值，這些損耗是導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有關(guān)，譬如導線(xiàn)電流、走線(xiàn)寬度、走線(xiàn)在內層或外層，走線(xiàn)厚度、PCB板材、相鄰走線(xiàn)、層間距離、有無(wú)阻焊膜、環(huán)境條件等諸多因素，非常復雜，為此國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(huì )IPC制定了相應的標準，IPC-2152 Standard for Determining Current Carrying Capacity inPrinted Board Design，即《印刷板設計中電流承載能力的確定標準》。

標準有近百頁(yè)，內含豐富的圖表以支持PCB的設計。其中最基本的圖表如下所示。

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

橙色箭頭是從電流設計目標入手，查找線(xiàn)寬，圖中電流為1A，目標溫升30°C，垂直向下找到不同銅厚下，所需要的走線(xiàn)寬度，如使用0.5oz的銅厚時(shí)，走線(xiàn)寬度需要達到40mil。

保守圖表適用于外層和內層走線(xiàn)、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計時(shí)，PCB面積、成本、不是最優(yōu)的，能滿(mǎn)足一般電流和溫升設計要求。

Econo封裝的PCB設計

在設計PCB時(shí)，可以利用IPC標準中圖表進(jìn)行計算，英飛凌的應用指南也給出了針對特定模塊的設計參考。

針腳溫度

在功率線(xiàn)路板熱設計時(shí)，第一步應該了解針腳的在實(shí)際線(xiàn)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(xiàn)路板散掉，通過(guò)模塊銅基板到散熱器路徑可以忽略不計。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)熱力系統的相互依存關(guān)系過(guò)于復雜，并取決于各種應用限制，因此無(wú)法做出任何一般性說(shuō)明。

PCB走線(xiàn)上的熱分布

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

仿真案例中，200mm的直線(xiàn)走線(xiàn)，藍線(xiàn)的最熱距離針腳60mm。橫截面大，最高溫度就越低，而且遠離針腳。

仿真僅僅提示一種現象，原型樣機PCB用熱成像儀測試最壞情況是非常必要的。

帶狀導體的溫度曲線(xiàn)示例

總結

PCB熱設計設計是一個(gè)工程化設計，與各種條件有關(guān)，可以參考國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(huì )標準IPC-2221《印制板設計通用標準》和IPC-2152《印刷板設計中電流承載能力的確定標準》，對于原型樣機建議進(jìn)行必要的熱測試。