功率元件熱設計基礎（十二）——功率半導體元件的PCB設計

  前言  

功率半導體的熱設計是實現IGBT、碳化矽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，才能完成精確的熱設計，提高功率元件的利用率，降低系統成本，並確保系統的可靠性。

功率元件熱設計基礎系列文章將會較為系統地講解熱設計的基礎知識、相關標準以及工程測量方法。

  功率半導體的電流密度  

隨著功率半導體晶片損耗降低，最高工作結溫提升，元件的功率密度越來越高。也就是說，相同的元件封裝可以採用更大電流規格的晶片，使輸出電流更大，但同時實際的損耗和發熱量也會明顯增加。

功率元件中的分立元件、Easy系列模組、Econo系列模組都是PCB安裝式封裝，當單個元件電流增加時，對PCB的熱設計是一個挑戰。

  PCB載流能力  

當元件功率密度提升，單一管腳的電流增加，例如IKQ150N65EH7，一個TO-247封裝的150A 650V單管，其集電極直流電流為160A，限制在於引腳。因此，在晶片散熱允許的情況下，設計中不希望PCB成為元件輸出電流的瓶頸，這樣才能最大限度地利用元件，而不因PCB的限制而降額使用，從而降低系統成本。

摘自IKQ150N65EH7數據手冊

模組的功率密度提升了，Easy 2B能達到100A，Econo3可以達到300A。雖然單一針腳的電流有限，但模組可以透過多針腳並聯來保證元件的輸出電流能力。例如，FS300R12N3E7 300A 1200V的EconoPACK™ 3三相橋，正負直流母線分別使用6針並聯，AC輸出分別使用5針並聯以確保300A的電流能力。在這種情況下，如果PCB板設計不當，就會成為電流的瓶頸。

摘自FS300R12N3E7數據手冊

  PCB 設計規範  

PCB是一項成熟的技術，已經形成標準化的設計規範，現在也有PCB的創新設計，以提升PCB的載流能力。

在PCB行業中，覆銅板的厚度以重量單位盎司表示，1oz的意思是重量為1盎司的銅均勻鋪在1平方英尺的面積上所達到的厚度。PCB的規格範圍從0.5-10oz不等，常見的規格如下圖所示，但在製作印刷電路板時還可以加厚，以適當提高載流能力。

PCB載流能力的設計原則

印刷電路板的載流能力取決於走線的損耗，其可透過以下方式估算：

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。但實際溫升還與許多因素有關，例如導線電流、走線寬度、走線位於內層或外層、走線厚度、PCB板材、相鄰走線、層間距離、有無阻焊膜、環境條件等，情況非常複雜。為此，國際電子工業聯接協會（IPC）制定了相應的標準，即《印刷板設計中電流承載能力的確定標準》（IPC-2152 Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Board Design）。

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，然後回到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，例如使用0.5oz的銅厚時，走線寬度需要達到40mil。

保守圖表適用於外層和內層走線、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（除真空外的環境）下都有效，且不考慮其他變數。

工程師按照保守圖表進行設計時，PCB面積和成本並非最佳，但能滿足一般電流和溫升的設計要求。

  Econo封裝的PCB設計  

在設計PCB時，可以利用IPC標準中的圖表進行計算，英飛凌的應用指南也提供了針對特定模組的設計參考。

針腳溫度

在功率線路板的熱設計時，第一步應該了解針腳在實際線路板上的載流能力。下圖是Econo 2單一針腳和Econo 3三腳並聯的圖表，由於針腳損耗造成的熱量大部分通過線路板散掉，通過模組銅基板到散熱器的路徑可以忽略不計。圖表給出了在不同印刷電路板溫度下的數值。

圖表也僅僅是一個在特定條件下的案例，整個熱力系統的相互依存關係過於複雜，並且取決於各種應用限制，因此無法做出任何一般性的說明。

PCB走線上的熱分布

對於一條PCB走線，電源針腳的一端通常比較熱，熱量會沿著走線流向溫度較低的另一端。分析其溫度分布梯度後發現，最熱的地方並不在針腳位置。

在仿真案例中，200mm 的直線走線，藍線的最熱距離針腳為 60mm。橫截面越大，最高溫度就越低，並且會遠離針腳。

模擬僅僅是提示一種現象，對於原型樣機的PCB使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範例

  總結  

PCB 熱設計是一個工程化設計，與各種條件相關，可以參考國際電子工業聯接協會標準 IPC-2221《印製板設計通用標準》和 IPC-2152《印刷板設計中電流承載能力的確定標準》，對於原型樣機建議進行必要的熱測試。

參考資料

1. 應用說明：Econo 板的 PCB 佈局

2.《IGBT模組：技術、驅動和應用》機械工業出版社