功率器件熱設計基礎(十二)——功率半導體器件的PCB設計

發(fā)布時(shí)間:2025-3-18 16:54    發(fā)布者:唯樣商城
關(guān)鍵詞: 功率器件 , 功率半導體 , PCB設計 , IGBT
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。



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。


圖: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。


圖: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。


圖: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。

參考資料:

1. Application notes: PCB layout for Econo boards

2.《IGBT模塊:技術(shù)、驅動(dòng)和應用 》機械工業(yè)出版社

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