芯耀
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/ 前言 /
功率半導(dǎo)體熱設(shè)計是實現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎(chǔ)，只有掌握功率半導(dǎo)體的熱設(shè)計基礎(chǔ)知識，才能完成精確熱設(shè)計，提高功率器件的利用率，降低系統(tǒng)成本，并保證系統(tǒng)的可靠性。
功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)系列文章會比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計基礎(chǔ)知識，相關(guān)標準和工程測量方法。
功率半導(dǎo)體的電流密度
隨著功率半導(dǎo)體芯片損耗降低，最高工作結(jié)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。
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，當單個器件電流的增加，對PCB熱設(shè)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(shè)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(jù)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(shè)計不當，就會成為電流的瓶頸。
摘自FS300R12N3E7數(shù)據(jù)手冊
PCB設(shè)計規(guī)范
PCB是成熟的技術(shù)，已經(jīng)形成標準化的設(shè)計規(guī)范，現(xiàn)在也有PCB的創(chuàng)新設(shè)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(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(guān)，譬如導(dǎo)線電流、走線寬度、走線在內(nèi)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(fù)雜，為此國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會IPC制定了相應(yīng)的標準，IPC-2152 Standard for Determining Current Carrying Capacity inPrinted Board Design，即《印刷板設(shè)計中電流承載能力的確定標準》。
標準有近百頁，內(nèi)含豐富的圖表以支持PCB的設(shè)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(yīng)的溫升要求10°C，然后回到Y(jié)軸找到可通過的最大電流2.75A。
橙色箭頭是從電流設(shè)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(nèi)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(shè)計時，PCB面積、成本、不是最優(yōu)的，能滿足一般電流和溫升設(shè)計要求。
Econo封裝的PCB設(shè)計
在設(shè)計PCB時，可以利用IPC標準中圖表進行計算，英飛凌的應(yīng)用指南也給出了針對特定模塊的設(shè)計參考。
針腳溫度
在功率線路板熱設(shè)計時，第一步應(yīng)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(guān)系過于復(fù)雜，并取決于各種應(yīng)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(dǎo)體的溫度曲線示例
總結(jié)
PCB熱設(shè)計設(shè)計是一個工程化設(shè)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)會標準IPC-2221《印制板設(shè)計通用標準》和IPC-2152《印刷板設(shè)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。
系列文章
功率器件的熱設(shè)計基礎(chǔ)（一）---功率半導(dǎo)體的熱阻
功率器件的熱設(shè)計基礎(chǔ)（二）---熱阻的串聯(lián)和并聯(lián)
功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)（三）----功率半導(dǎo)體殼溫和散熱器溫度定義和測試方法
功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)（四）——功率半導(dǎo)體芯片溫度和測試方法
功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)（五）——功率半導(dǎo)體熱容
功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)（六）——瞬態(tài)熱測量
功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)（八）——利用瞬態(tài)熱阻計算二極管浪涌電流
功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)（九）——功率半導(dǎo)體模塊的熱擴散
