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功率器件熱設計基礎(十二)——功率半導體器件的PCB設計

作者: 時間:2025-01-17 來源:英飛凌 收藏

/ 前言 /

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/202501/466442.htm

功率半導體熱設計是實現(xiàn)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,提高的利用率,降低系統(tǒng)成本,并保證系統(tǒng)的可靠性。

熱設計基礎系列文章會比較系統(tǒng)地講解熱設計基礎知識,相關標準和工程測量方法。

功率半導體的電流密度

隨著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越高,也就是說,相同的器件封裝可以采用更大電流規(guī)格的芯片,使輸出電流更大,但同時實際的損耗和發(fā)熱量也會明顯增大。

中的分立器件、Easy系列模塊,Econo系列模塊都是PCB安裝式封裝,當單個器件電流的增加,對PCB熱設計是個挑戰(zhàn)。

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TO-247封裝的150A 650V單管,其集電極直流電流是160A,限制是引線。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(tǒng)成本。

摘自IKQ150N65EH7數(shù)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PCB板如果設計不當,就會成為電流的瓶頸。

摘自FS300R12N3E7數(shù)據手冊

規(guī)范

PCB是成熟的技術,已經形成標準化的設計規(guī)范,現(xiàn)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(guī)格從0.5-10oz不等,常用的規(guī)格如下圖,但在制作印刷電路板時還可以加厚,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損耗,其可通過以下方式估算:

A:銅的橫截面,l:導體的長度,ρ:銅的電阻率,Irms:流過線路板的電流有效值,這些損耗是導致印刷電路板溫度上升的主要因素。但實際溫升還與眾多的因數(shù)有關,譬如導線電流、走線寬度、走線在內層或外層,走線厚度、PCB板材、相鄰走線、層間距離、有無阻焊膜、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,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。

紅色箭頭是從線寬開始查找最大電流,圖中PCB走線寬度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軸找到可通過的最大電流2.75A。

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

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

Econo封裝的

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

針腳溫度

在功率線路板熱設計時,第一步應該了解針腳的在實際線路板上載流能力。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線路板散掉,通過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。

圖表也僅僅是個在一定條件下的案例,整個熱力系統(tǒng)的相互依存關系過于復雜,并取決于各種應用限制,因此無法做出任何一般性說明。

PCB走線上的熱分布

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

仿真案例中,200mm的直線走線,藍線的最熱距離針腳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(xiàn)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示例

總結

PCB熱設計設計是一個工程化設計,與各種條件有關,可以參考國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會標準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行必要的熱測試。



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