驅動(dòng)IC散熱Layout指南
作者：Pete Millett, Technical Marketing Engineer, Monolithic Power Systems，翻譯：Toffee Jia，來(lái)源：MPS
電機驅動(dòng) IC 傳遞大量電流的同時(shí)也耗散了大量電能。通常，能量會(huì )耗散到印刷電路板（PCB）的鋪銅區域。為保證PCB充分冷卻，需要依靠特殊的PCB設計技術(shù)。在本文的上篇中，將為您提供一些電機驅動(dòng)IC 的PCB 設計一般性建議。
使用大面積鋪銅！
銅是一種極好的導熱體。由于 PCB 的基板材料（FR-4 玻璃環(huán)氧樹(shù)脂）是一種不良導熱體。因此，從熱管理的角度來(lái)看，PCB的鋪銅區域越多則導熱越理想。如2盎司（68微米厚）的厚銅板相比較薄的銅板導熱效果更好。 然而，厚銅不但價(jià)格昂貴，而且也很難實(shí)現精細的幾何形狀。所以通常會(huì )選用1盎司（34微米厚）的銅板。外層板則經(jīng)常使用1/2盎司的鍍銅，厚度可達1盎司。
多層板中的內層板常采用實(shí)心銅板以便更好地散熱。但是，由于其平面層通常位于電路板堆疊的中心位置，因此熱量可能會(huì )被鎖在電路板內部。那么，可以在 PCB 的外層板上添加鋪銅區域，使用過(guò)孔連接到內層板，將熱量傳遞出來(lái)。
由于雙層 PCB 中存在走線(xiàn)和元器件，散熱也會(huì )更加困難。 所以電機驅動(dòng)IC應該使用盡可能多的實(shí)心銅板和利于散熱的過(guò)孔。將銅澆鑄在外層板的兩邊，使用過(guò)孔將它們連接起來(lái)，這樣做可以將熱量分散到被走線(xiàn)和元器件隔開(kāi)的不同區域。
走線(xiàn)一定要寬—越寬越好！
因為流經(jīng)電機驅動(dòng) IC 的電流很大（有時(shí)超過(guò) 10A），所以應仔細考慮接入芯片的 PCB 走線(xiàn)寬度。走線(xiàn)越寬電阻越小。必須調整好走線(xiàn)的寬度，才能保證走線(xiàn)中的電阻不會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的能量耗散而導致走線(xiàn)溫度升高?？墒翘毜淖呔€(xiàn)就像電熔絲一樣很容易被燒斷。
設計師通常會(huì )采用 IPC-2221 標準來(lái)計算合適的走線(xiàn)粗細。該規范有個(gè)圖表，顯示了不同電流水平的銅橫截面積和其允許的溫升，可以根據給定的銅層厚度下?lián)Q算出走線(xiàn)寬度。比如，1盎司厚度的銅層中負載10A電流需要剛好7mm寬的走線(xiàn)來(lái)實(shí)現10°C的溫升，那么對于1A的電流來(lái)說(shuō)，僅需0.3mm的走線(xiàn)即可。
如果根據這種方法推算的話(huà)，似乎無(wú)法通過(guò)微型IC焊盤(pán)運行10A電流。
所以，需要重點(diǎn)了解的是 IPC-2221標準中，用于恒定寬度的長(cháng)PCB走線(xiàn)寬度建議。如果走線(xiàn)是連接到較大的走線(xiàn)或鋪銅區，那么采用PCB走線(xiàn)的一小段傳遞更大的電流則沒(méi)有不良影響。這是因為短而窄的PCB走線(xiàn)電阻很小，而且其產(chǎn)生的熱量都被吸入到更寬的鋪銅區域內。從圖1的示例中可以看出：即使此器件中的散熱焊盤(pán)只有0.4mm寬，也能承載高達3A的持續電流，因為走線(xiàn)被加寬到了盡可能接近器件的實(shí)際寬度。
圖 1：加寬PCB走線(xiàn)
由于較窄走線(xiàn)所產(chǎn)生的熱量會(huì )傳導至較寬的鋪銅區域，所以窄走線(xiàn)的溫升可以忽略不計。
嵌在PCB內層板中的走線(xiàn)散熱效果不如外層走線(xiàn)，因為絕緣體的導熱效果不佳。正因為如此，內層走線(xiàn)的寬度應為外層走線(xiàn)的兩倍。
表1 大致給出了電機驅動(dòng)應用中長(cháng)走線(xiàn)（大于2cm)的推薦寬度。
電流 (RMS 或 DC) | 走線(xiàn)寬度為1盎司鋪銅 | 走線(xiàn)寬度為2盎司鋪銅 | ||
外層板 | 內層板 | 外層板 | 內層板 | |
≤1A | 0.6mm | 1.2mm | 0.3mm | 0.6mm |
2.5A | 1mm | 2mm | 0.5mm | 1mm |
5A | 2.5mm | 5mm | 1.2mm | 2.5mm |
10A | 7mm | 14mm | 3.5mm | 7mm |
表 1: PCB走線(xiàn)寬度
如果空間允許，越寬的走線(xiàn)或灌銅可以最大限度地降低溫升并能減小電壓落差。
熱過(guò)孔-越多越好！
過(guò)孔是一種小的鍍孔，通常用于將信號走線(xiàn)從一層傳遞到另一層。 顧名思義，熱過(guò)孔是將熱量從一層傳遞到另一層。適當地使用熱過(guò)孔可以有效幫助PCB散熱，但也需要考慮實(shí)際生產(chǎn)中的諸多問(wèn)題。
過(guò)孔具有熱阻，這就意味著(zhù)每當熱量流經(jīng)時(shí)，過(guò)孔兩端會(huì )有一定溫差，其測量單位為攝氏度/每瓦特。所以，為最大限度地降低熱阻，提高過(guò)孔的散熱效率，過(guò)孔應設計大一點(diǎn)，且孔內的覆銅面積越大越好（見(jiàn)圖2）。
圖 2：過(guò)孔橫截面
雖然可以在PCB的開(kāi)放區域使用大的過(guò)孔，但是，過(guò)孔常常被放在散熱焊盤(pán)的內部，因為這樣可以直接從IC封裝散熱。在這種情況下，不可能使用大過(guò)孔，因為電鍍孔過(guò)大會(huì )導致“滲錫”，其中用于連接IC至PCB的焊料會(huì )往下流入通孔，導致焊點(diǎn)不良。
有幾種方法可以減少“滲錫”。一種是使用非常小的過(guò)孔，以減少滲入孔內的焊料。然而，過(guò)孔越小熱阻越高，因此想要達到相同的散熱性能，需要更多的小過(guò)孔才行。
另一種技術(shù)是“覆蓋”電路板背面的過(guò)孔。這需要去除背板上阻焊層的開(kāi)口，使得阻焊材料覆蓋過(guò)孔。阻焊層會(huì )蓋住小的過(guò)孔使焊錫無(wú)法滲入PCB。
但這又會(huì )帶來(lái)另一問(wèn)題：助焊劑滯留。如果使用阻焊層蓋住過(guò)孔，那么助焊劑會(huì )滯留在過(guò)孔內部。有些助焊劑配方具有腐蝕性，長(cháng)時(shí)間不去除的話(huà)會(huì )影響芯片的可靠性。所幸大多數現代免清洗助焊劑工藝都是無(wú)腐蝕性的，不會(huì )引起問(wèn)題。
這里需注意，散熱孔本身不具備散熱功能，必須把它們直接連接至鋪銅區域（見(jiàn)圖3）。
圖 3：熱過(guò)孔
建議PCB設計師與PCB組裝廠(chǎng)的SMT制程工程師協(xié)商出最佳的過(guò)孔尺寸和構造，尤其當過(guò)孔位于散熱焊盤(pán)內部時(shí)。
焊接散熱焊盤(pán)
TSSOP 和 QFN 封裝中，芯片底部會(huì )焊有大片散熱焊盤(pán)。這里的焊盤(pán)直接連到晶元的背面，為器件散熱。必須將焊盤(pán)很好地焊接到PCB上才能耗散功率。
IC規格書(shū)不一定會(huì )指定焊盤(pán)焊膏的開(kāi)口。通常，SMT制程工程師對放多少焊料，過(guò)孔模具使用什么樣的形狀都有自己的一套規則。
如果使用和焊盤(pán)大小一樣的開(kāi)口，則需要使用更多的焊料。當焊料熔化時(shí)，其張力會(huì )使器件表面鼓起。另外，還會(huì )引起焊料空洞（焊錫內部凹洞或間隙）。當焊料回流過(guò)程中助焊劑的揮發(fā)性物質(zhì)蒸發(fā)或沸騰時(shí)，會(huì )發(fā)生焊料空洞。這會(huì )導致接合處的焊料析出。
為了解決這些問(wèn)題，對于面積大于約2mm2的焊盤(pán)，焊膏通常沉積在幾個(gè)小的正方形或圓形區域中（見(jiàn)圖4）。將焊料分布在多個(gè)較小的區域里可以使助焊劑的揮發(fā)性物質(zhì)更容易揮發(fā)出來(lái)，以免造成焊料析出。
圖 4：QFN 焊具
再次建議PCB設計師與SMT制程工程師共同協(xié)商出正確的散熱焊盤(pán)模具開(kāi)口。也可以參考網(wǎng)上的一些論文。
元件貼裝
電機驅動(dòng)IC的元件貼裝指南與其他電源IC相同。旁路電容應盡可能靠近器件電源引腳放置，且旁邊需放置大容量電容。許多電機驅動(dòng)IC會(huì )使用自舉電容或充電泵電容，這些也應放在IC附近。
請參考圖5中的元件貼裝示例。圖5顯示了MP6600步進(jìn)電機驅動(dòng)的雙層板PCB布局。大部分信號走線(xiàn)直接布置在頂層。電源走線(xiàn)從大容量電容繞到旁路，并在底層使用多個(gè)過(guò)孔，在更換層的位置使用多個(gè)過(guò)孔。
圖5: MP6600 元件貼裝
在本文的 下篇 中，我們將探討詳細的電機驅動(dòng)IC封裝方法和PCB布局。
下篇在本文上篇 文章中就使用電機驅動(dòng)器 IC 設計PCB板提供了一些一般性建議，要求對 PCB 進(jìn)行精心的布局以實(shí)現適當性能。在本文下篇中，將針對使用典型封裝的電機驅動(dòng)器，提供一些具體的 PCB 布局建議。
引線(xiàn)封裝布局
標準的引線(xiàn)封裝（如 SOIC 和 SOT-23 封裝）通常用于低功率電機驅動(dòng)器中（圖 6）。
圖 6: SOT 23 和 SOIC 封裝
為了充分提高引線(xiàn)封裝的功耗能力，MPS公司采用 “倒裝芯片引線(xiàn)框架” 結構（圖 7）。在不使用接合線(xiàn)的情況下，使用銅凸點(diǎn)和焊料將芯片粘接至金屬引線(xiàn)，從而可通過(guò)引線(xiàn)將熱量從芯片傳導至 PCB。
圖 7: 倒裝芯片引線(xiàn)框架
通過(guò)將較大的銅區域連接至承載較大電流的引線(xiàn)，可優(yōu)化熱性能。在電機驅動(dòng)器 IC 上，通常電源、接地和輸出引腳均連接至銅區域。
圖 8: 倒裝芯片 SOIC PCB 布局
圖 8 所示為“倒裝芯片引線(xiàn)框架”SOIC 封裝的典型 PCB 布局。引腳 2 為器件電源引腳。請注意，銅區域置于頂層器件的附近，同時(shí)幾個(gè)熱通孔將該區域連接至 PCB 背面的銅層。引腳 4 為接地引腳，并連接至表層的接地覆銅區。引腳 3（器件輸出）也被路由至較大的銅區域。
QFN 和 TSSOP 封裝TSSOP 封裝為長(cháng)方形，并使用兩排引腳。電機驅動(dòng)器 IC 的 TSSOP 封裝通常在封裝底部帶有一個(gè)較大的外露板，用于排除器件中的熱量（圖9）。
圖 9: TSSOP 封裝
QFN 封裝為無(wú)引線(xiàn)封裝，在器件外緣周?chē)鷰в邪?，器件底部中央還帶有一個(gè)更大的板（圖 10）。這個(gè)更大的板用于吸收芯片中的熱量。.
圖 10: QFN 封裝
為排除這些封裝中的熱量，外露板必須進(jìn)行良好的焊接。外露板通常為接地電位，因此可以接入 PCB 接地層。在圖 11 的 TSSOP 封裝的示例中，采用了一個(gè) 18 通孔陣列，鉆孔直徑為 0.38 mm。該通孔陣列的計算熱阻約為 7.7°C/W。
圖 11: TSSOP PCB 布局
通常，這些熱通孔使用 0.4 mm 及更小的鉆孔直徑，以防止出現滲錫。如果 SMT 工藝要求使用更小的孔徑，則應增加孔數，以盡可能保持較低的整體熱阻。
除了位于板區域的通孔，IC 主體外部區域也設有熱通孔。在 TSSOP 封裝中，銅區域可延伸至封裝末端之外，這為器件中的熱量穿過(guò)頂部的銅層提供了另一種途徑。
QFN 器件封裝邊緣四周的板避免在頂部使用銅層吸收熱量。必須使用熱通孔將熱量驅散至內層或 PCB 的底層。
圖 12 中的 PCB 布局所示為一個(gè)小型的 QFN (4 × 4 mm) 器件。在外露板區域中，只容納了九個(gè)熱通孔。(見(jiàn)圖 12) 因此，該 PCB 的熱性能不及圖 11 中所示的 TSSOP 封裝。
圖 12: QFN (4mmx4mm) 布局
倒裝芯片 QFN 封裝
倒裝芯片 QFN (FCQFN) 封裝與常規的 QFN 封裝類(lèi)似，但其芯片采取倒裝的方式直接連接至器件底部的板上，而不是使用接合線(xiàn)連接至封裝板上。這些板可以置于芯片上的發(fā)熱功率器件的反面，因此它們通常以長(cháng)條狀而不是小板狀布置（見(jiàn)圖13）。
圖 13: FCQFN 封裝
這些封裝在芯片的表面采用了多排銅凸點(diǎn)粘接至引線(xiàn)框架（圖 14）。
圖 14: FCQFN 結構
小通孔可置于板區域內，類(lèi)似于常規 QFN 封裝。在帶有電源和接地層的多層板上，通孔可直接將這些板連接至各層。在其他情況下，銅區域必須直接連接至板，以便將 IC 中的熱量吸入較大的銅區域中。
圖15: FCQFN PCB 布局
圖15 顯示了所示為 MPS 公司的功率級 IC MP6540 。該器件具有較長(cháng)的電源和接地板，以及三個(gè)輸出口。請注意，該封裝只有 5mmx5mm。
器件左側的銅區域為功率輸入口。這個(gè)較大的銅區域直接連接至器件的兩個(gè)電源板。
三個(gè)輸出板連接至器件右側的銅區域。注意銅區域在退出板之后盡可能地擴展。這樣可以充分將熱量從板傳遞到環(huán)境空氣中。
同時(shí)，注意器件右側兩個(gè)板中的數排小通孔。這些板均進(jìn)行了接地，且 PCB 背面放置了一個(gè)實(shí)心接地層。這些通孔的直徑為 0.46 mm，鉆孔直徑為 0.25 mm。通孔足夠小，適合置于板區域內。
綜上所述，為了使用 電機驅動(dòng)器 IC實(shí)施成功的 PCB 設計，必須對 PCB 進(jìn)行精心的布局。因此，本文提供了一些實(shí)用性的建議，以期望可以幫助 PCB 設計人員實(shí)現PCB板良好的電氣和熱性能。
作者：Pete Millett, Technical Marketing Engineer, Monolithic Power Systems，來(lái)源：MPS
*博客內容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀(guān)點(diǎn)，如有侵權請聯(lián)系工作人員刪除。
