新型电路板技术满足数字电源的需求(1)

功率器件封装技术家族新成员推动电路板设计向前发展

BPA在其刚刚发表的报告《电路板中的金属—增强印刷电路板的热能与功率管理的机遇》中确定了功率半导体家族的新成员，且指出这些半导体器件对电路板的热能和功率管理提出了新的设计要求。该报告依据下述原则将大量应运而生的电路板级解决方案分为12大类：

● 热能管理技术—热导管、内嵌物和散热面等;

● 电流管理—铜面、嵌入式母线、离散布线或带;

● 电路板铺设—层数及内部/外部散热面的使用。

这些解决方案提供了广泛的热能与功率管理能力，且通过电路板热路径能够提供温升在10℃以内的不同功率密度管理能力。这些解决方案的功率密度范围为0.25W/cm2~35W/cm2。

如今，功率转换、管理与控制的数字化进程不断加快，功率半导体技术的发展和自动化装配成本优势日益突出，进而推动表贴封装技术向着更新、更小的趋势发展。在这种情形下，这些解决方案所能提供的能力范围是至关重要的。

小型封装提供高能量

“等量”封装产品家族便是其中之一，这种器件由国际整流器公司(IR)开发并命名为“DirectFET”进入市场。还有一种类似的封装就是英飞凌科技股份有限公司的“CanPAK”，采用国际整流公司授权的DirectFET技术制成。这些器件之所以被称为“等量”器件是因为它们提供一条既可通往电路板内部又可在需要时通过封装顶部通往电路板外部的平衡散热路径，如图1所示。

图1：“等量”封装提供两条散热路径：通往电路板内部和周围环境。

除了能够满足热量要求外，等量封装中使用金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的电源应用能够承载五十安培至几百安培的电流。这远远超过传统印刷电路板能够承载的电流上限(10A～15A)。要管理该种电流强度需要一套不同且独特的电路板设计标准。

载流容量—功率封装中的一个关键参数

通过导体的电流会以热的形式造成电阻功率的损耗(I2R)，在高电流强度的情况下，温升成为载流容量的一个决定因素，因为导体的电阻率随着温度的变化而变化。电阻率和温度呈线性关系，也就是说，电阻率与温度变化成正比，变化速率由导体的温度系数决定。

RT = RT0 × [(1 + α(T-T0)] (1)

式中：

T—测量电阻率时的温度;

T0—参考温度(周围环境温度);

α—线性温度系数(铜电阻温度系数=0.004);

RT—测量温度下的电阻率;

RT0—参考温度下的电阻率。

对于一个铜导体而言，温度每增加25℃，导体的电阻率RT随之增加，最大载流容量则降低5%。考虑到这可能会使功率损耗更加严重并导致温度升高，在MiB设计实践中必须考虑有效地控制和降低导体电阻率，同时提供低热阻路径用于散发热量。

在印刷电路板中，载流容量取决于多种不同因素：

● 由扩散层、接地层和叠层提供的传导和对流能力;

● 路径宽度和厚度的比率;

● 周围环境温度;

● 相邻高电流路径;

● 交流(AC)或直流(DC)电流;

● 局部横截面收缩的存在与频率;

● 与导体串联镀通孔的存在、数量和导电横截面。

因此，设计过程中需考虑更多的可变因素，而不仅仅只依据IPC 2152电流和温度表的对比。

MiB—创新型设计的福音

“电路板中的金属”(简写为MiB)包含多种将MiB构件结合在一起从而提供有效高电流解决方案的方法。离散线印刷电路板(简写为DWPCB)就是最常用的一种。

市场上可以买到的一种DWPCB是由澳大利亚PCB制造商Häusermann GmbH开发的“HSMTec”。HSMTec使用直径为0.5mm的铜线和0.5mm厚的矩形横截面铜带(“型材”)，在电路板内提供离散性低电阻电流和热量路径，如图2所示。

图2：“离散布线”工艺—将高电流元件焊接至电路板内层。

与传统厚铜板或金属芯板相比，这种解决方案有很多优势：

● 传统PCB工艺确保始终如一的高可靠性;

● 只在需要时提供加强型热量和电流路径;

● MiB成本取决于需要MiB的那些网;

● 布线密度高且符合高密度互连(HDI)使能逻辑和功率集成;

● FR-4材料的使用减少了铝基板中经常出现的热膨胀系数(CTE)不匹配情况;

● 组装期间电路板可折叠，为LED灯具提供光度解决方案且无需使用子板/接头。

构成DWPCB电路板MiB组件的型材和导线被焊接在蚀刻于内芯的路径上，形成一个由蚀刻路径和结合元件组成的三明治形状。这一专利工艺可以确保路径与对均匀散热至关重要的导线/型材之间熔合线的一致性和导体横截面的一致性。同时，这一工艺简化了布局任务和/或从传统设计的转化流程，因为高电流MiB组件(导线和型材)的布置是在内层或外层显著扩大了的路径上完成的。

这种排列方式为叠层配置提供了更多的灵活性。型材/导线焊接在路由路径上，散热面可与MiB路径同层或设置在与MiB路径同轴的饰面层。经证实，设置于饰面层的散热面可改善散热效果，如图3所示。

图3：散热面对散热效果的影响。

设计指南包括基于不同布局安排的热像观察载流容量表。如图4所示，DWPCB电路板适合额定电流高达约140A(40℃温升)的“中等”功率应用。

图4：各种型材横截面和电流(安培)的温升。

结合热通孔或内嵌物，取决于占空比的大小，这一数值能够超过300A。BPA报告中提及的其他MiB类型适用于高电流应用(250A～1000A)，尤其是混合动力/电动汽车或高功率整流。

DWPCB电路板的中等电流能力、高散热特性和设计灵活性使其成为逻辑电路板、总线和线缆的更具性价比的替代品，而且其应用范围正在不断扩大。

设计实例：电动动力系统

图5所示的锂离子电池组可为轻型电动车提供平均100A、最大300A的电流。[!--empirenews.page--]

在本应用中，重量和尺寸都至关重要，两者一旦增加就会直接影响到车辆的可行驶里程数。为了减轻重量并缩小尺寸，本实例中的电池组正前部安装了一个由控制逻辑单元和8块DirectFET功率器件组成的电机控制器。经验证，该DWPCB解决方案在整合控制逻辑单元和功率单元方面的效果非常理想，且将PCB数量由两块缩减至一块，并省去了相关的接头和布线。

图5：轻型电动车的锂离子电池组/电机控制器装置。

设计过程中面临的挑战在于要将100A/300A的电流发送至一个FR-4电路板，再到DirectFET，最终传递到总线上。对此，Häusermann公司开发的多功能DWPCB技术为设计人员提供了多种选择：从单层功率分配到带有一体化热通孔和散热面的多层设计。

图6为我们展示了一种性价比最高的设计方案。

图6：使用HSMTec的DirectFET封装的MiB布局。

在该方案中，型材焊接在一个由高耐热性(Tg)且敷铜2盎司(70μ)的FR-4覆层组成的内芯中。由于所有的型材都位于相同的基准面上，焊接器件的安装和运行时间得以优化，而且与型材安装于多个不同层的设计方案相比，后续大规模分层过程中的嵌入任务会更加简单。

嵌入型材同时可为电路板表面提供更多空间：用于高电流路径的空间仅限于导孔阵列，用以使电流通过嵌入型材。同时，支撑型材的宽路径仅限于内层之中。

大功率微孔

电流通过激光微孔到达高电流型材，该技术普遍运用于多种MiB中。尽管激光孔的直径一般为100μ或更小，但MiB应用中最重要的是导电元件的长度(在该实例中为微孔深度)和用于电流传输的铜的横截面面积。

铜横截面面积有若干种计算方法。公式(2)中使用钻孔圆周直径和内镀圆周直径算出的表面积的不同得出铜横截面面积。由此可得出微孔阵列的热阻率：

Rθ array = l/k × (Nvias × {π×[(D1/2)2 - (D2/2)2]}) (2)

式中：

I—微孔深度;

k—铜的导电率(约380W/m-K);

D1—钻孔圆周直径;

D2—成品(内镀)孔圆周直径;

Nvias—阵列中微孔个数。

另外，由于激光微孔很小且钻孔的有效命中率为每分钟10,000次以上(CO2铜箔直接加工工艺)，很多激光微孔均可有效打通于隔热盘上，且成本较低。一块含有1296个微孔的100mm2的隔热盘的热阻率可高达约0.01W/℃：相当于使用钎焊接头将器件的散热片焊接在隔热盘上。

除了用于使电流通过埋放型材的微孔，本设计方案中还通过底层散热面上的热通孔扩大了器件的散热区域。其中所面临的制备挑战包括如何在铜金属主体上实现打孔进刀量少于FR-4打孔进刀量的三分之一。

然而，热通孔一般来说就是热导管，所以本设计方案中层3焊点中出现的钉头并不会影响到电性能。本设计方案旨在得到一个干净清洁的孔并使铜均匀地沉积，进而提升热能传输能力。热通孔阵列可以有效地使热能向下通过电路板传输至背端散热面：一个普通的微孔阵列的传导率在20W/m-K~30W/m-K之间，是FR-4传导率的100多倍。

对电路板内部功率路径的有效管理可以为外层提供信号和控制布线的空间，同时，并行FET的门信号也位于电路板表面。图6展示了这类电路板的典型布局以及型材在蚀刻核心载流路径上的分布情况。

为清晰起见，型材之间的空隙被拉大：空隙体积会使总导体体积发生小于0.1%的变化。图7展示了本设计最终呈现的清晰布局。

图7：成品电路板：DirectFET焊盘。

MiB = 电路板的价值

面对这样一个简单的创新型解决方案，人们通常问的第一个问题便是：得花多少钱?

用到该解决方案首先考虑的是可靠性和性能(电动汽车寿命为15年~25年，功能密度的改善意味着质量和体积的减少和运行自主性的增加)，成本公式为零和，即替代技术要么与原有技术等同且取代原有技术后会遵循相同的成本下降曲线，要么该替代技术可以在成本、性能、可靠性或以上三个方面同时带来数量级的改善效果。成本下降曲线取决于一套潜在的数学关系，这在BPA即将出版的关于学习曲线理论和对MiB技术相关影响的文章中会有进一步的探讨。

以上设计实例基本上实现了两个目标：

● 应用了最新的等量功率器件，使热能和电流管理所需的电路板空间减少了30%。

● 通过降低功率板面积、除去控制子板、用更小的鳍片组和底盘螺柱代替PIH(销钉孔)TO器件所需的垂直散热片以及使用直连电源总线的方式代替高电流布线来减小电路板的体积和重量。

与最初的设计方案相比，MiB解决方案仅在组件数目和组装成本方面就节省了约13%。完整的成本/功能分析需考虑到重量和体积的减少所带来的利润，这也是下一步研究的课题。

本设计结果已成为一项印刷电路解决方案，用以应对尤其是使用最新SMT封装的中等功率应用的散热和功率分配方面的挑战。这些器件的表面贴装特性意味着电路板必须能够提供低电阻热能和电气路径。该设计是将传统印刷电路技术(包括激光和机械钻孔)与新型技术相结合用以面对数字电源挑战的最佳示例。