功率器件封裝技術(shù)家族新成員推動(dòng)電路板設(shè)計(jì)向前發(fā)展

BPA在其剛剛發(fā)表的報(bào)告《電路板中的金屬—增強(qiáng)印刷電路板的熱能與功率管理的機(jī)遇》中確定了功率半導(dǎo)體家族的新成員，且指出這些半導(dǎo)體器件對(duì)電路板的熱能和功率管理提出了新的設(shè)計(jì)要求。該報(bào)告依據(jù)下述原則將大量應(yīng)運(yùn)而生的電路板級(jí)解決方案分為12大類(lèi)：

● 熱能管理技術(shù)—熱導(dǎo)管、內(nèi)嵌物和散熱面等;

● 電流管理—銅面、嵌入式母線(xiàn)、離散布線(xiàn)或帶;

● 電路板鋪設(shè)—層數(shù)及內(nèi)部/外部散熱面的使用。

這些解決方案提供了廣泛的熱能與功率管理能力，且通過(guò)電路板熱路徑能夠提供溫升在10℃以?xún)?nèi)的不同功率密度管理能力。這些解決方案的功率密度范圍為0.25W/cm2~35W/cm2。

如今，功率轉(zhuǎn)換、管理與控制的數(shù)字化進(jìn)程不斷加快，功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化裝配成本優(yōu)勢(shì)日益突出，進(jìn)而推動(dòng)表貼封裝技術(shù)向著更新、更小的趨勢(shì)發(fā)展。在這種情形下，這些解決方案所能提供的能力范圍是至關(guān)重要的。

小型封裝提供高能量

“等量”封裝產(chǎn)品家族便是其中之一，這種器件由國(guó)際整流器公司(IR)開(kāi)發(fā)并命名為“DirectFET”進(jìn)入市場(chǎng)。還有一種類(lèi)似的封裝就是英飛凌科技股份有限公司的“CanPAK”，采用國(guó)際整流公司授權(quán)的DirectFET技術(shù)制成。這些器件之所以被稱(chēng)為“等量”器件是因?yàn)樗鼈兲峁┮粭l既可通往電路板內(nèi)部又可在需要時(shí)通過(guò)封裝頂部通往電路板外部的平衡散熱路徑，如圖1所示。

圖1：“等量”封裝提供兩條散熱路徑：通往電路板內(nèi)部和周?chē)h(huán)境。

除了能夠滿(mǎn)足熱量要求外，等量封裝中使用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的電源應(yīng)用能夠承載五十安培至幾百安培的電流。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)印刷電路板能夠承載的電流上限(10A～15A)。要管理該種電流強(qiáng)度需要一套不同且獨(dú)特的電路板設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

載流容量—功率封裝中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)

通過(guò)導(dǎo)體的電流會(huì)以熱的形式造成電阻功率的損耗(I2R)，在高電流強(qiáng)度的情況下，溫升成為載流容量的一個(gè)決定因素，因?yàn)閷?dǎo)體的電阻率隨著溫度的變化而變化。電阻率和溫度呈線(xiàn)性關(guān)系，也就是說(shuō)，電阻率與溫度變化成正比，變化速率由導(dǎo)體的溫度系數(shù)決定。

RT = RT0 × [(1 + α(T-T0)] (1)

式中：

T—測(cè)量電阻率時(shí)的溫度;

T0—參考溫度(周?chē)h(huán)境溫度);

α—線(xiàn)性溫度系數(shù)(銅電阻溫度系數(shù)=0.004);

RT—測(cè)量溫度下的電阻率;

RT0—參考溫度下的電阻率。

對(duì)于一個(gè)銅導(dǎo)體而言，溫度每增加25℃，導(dǎo)體的電阻率RT隨之增加，最大載流容量則降低5%?？紤]到這可能會(huì)使功率損耗更加嚴(yán)重并導(dǎo)致溫度升高，在MiB設(shè)計(jì)實(shí)踐中必須考慮有效地控制和降低導(dǎo)體電阻率，同時(shí)提供低熱阻路徑用于散發(fā)熱量。

在印刷電路板中，載流容量取決于多種不同因素：

● 由擴(kuò)散層、接地層和疊層提供的傳導(dǎo)和對(duì)流能力;

● 路徑寬度和厚度的比率;

● 周?chē)h(huán)境溫度;

● 相鄰高電流路徑;

● 交流(AC)或直流(DC)電流;

● 局部橫截面收縮的存在與頻率;

● 與導(dǎo)體串聯(lián)鍍通孔的存在、數(shù)量和導(dǎo)電橫截面。

因此，設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮更多的可變因素，而不僅僅只依據(jù)IPC 2152電流和溫度表的對(duì)比。

MiB—創(chuàng)新型設(shè)計(jì)的福音

“電路板中的金屬”(簡(jiǎn)寫(xiě)為MiB)包含多種將MiB構(gòu)件結(jié)合在一起從而提供有效高電流解決方案的方法。離散線(xiàn)印刷電路板(簡(jiǎn)寫(xiě)為DWPCB)就是最常用的一種。

市場(chǎng)上可以買(mǎi)到的一種DWPCB是由澳大利亞PCB制造商Häusermann GmbH開(kāi)發(fā)的“HSMTec”。HSMTec使用直徑為0.5mm的銅線(xiàn)和0.5mm厚的矩形橫截面銅帶(“型材”)，在電路板內(nèi)提供離散性低電阻電流和熱量路徑，如圖2所示。

圖2：“離散布線(xiàn)”工藝—將高電流元件焊接至電路板內(nèi)層。

與傳統(tǒng)厚銅板或金屬芯板相比，這種解決方案有很多優(yōu)勢(shì)：

● 傳統(tǒng)PCB工藝確保始終如一的高可靠性;

● 只在需要時(shí)提供加強(qiáng)型熱量和電流路徑;

● MiB成本取決于需要MiB的那些網(wǎng);

● 布線(xiàn)密度高且符合高密度互連(HDI)使能邏輯和功率集成;

● FR-4材料的使用減少了鋁基板中經(jīng)常出現(xiàn)的熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配情況;

● 組裝期間電路板可折疊，為L(zhǎng)ED燈具提供光度解決方案且無(wú)需使用子板/接頭。

構(gòu)成DWPCB電路板MiB組件的型材和導(dǎo)線(xiàn)被焊接在蝕刻于內(nèi)芯的路徑上，形成一個(gè)由蝕刻路徑和結(jié)合元件組成的三明治形狀。這一專(zhuān)利工藝可以確保路徑與對(duì)均勻散熱至關(guān)重要的導(dǎo)線(xiàn)/型材之間熔合線(xiàn)的一致性和導(dǎo)體橫截面的一致性。同時(shí)，這一工藝簡(jiǎn)化了布局任務(wù)和/或從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)化流程，因?yàn)楦唠娏鱉iB組件(導(dǎo)線(xiàn)和型材)的布置是在內(nèi)層或外層顯著擴(kuò)大了的路徑上完成的。

這種排列方式為疊層配置提供了更多的靈活性。型材/導(dǎo)線(xiàn)焊接在路由路徑上，散熱面可與MiB路徑同層或設(shè)置在與MiB路徑同軸的飾面層。經(jīng)證實(shí)，設(shè)置于飾面層的散熱面可改善散熱效果，如圖3所示。

圖3：散熱面對(duì)散熱效果的影響。

設(shè)計(jì)指南包括基于不同布局安排的熱像觀察載流容量表。如圖4所示，DWPCB電路板適合額定電流高達(dá)約140A(40℃溫升)的“中等”功率應(yīng)用。

圖4：各種型材橫截面和電流(安培)的溫升。

結(jié)合熱通孔或內(nèi)嵌物，取決于占空比的大小，這一數(shù)值能夠超過(guò)300A。BPA報(bào)告中提及的其他MiB類(lèi)型適用于高電流應(yīng)用(250A～1000A)，尤其是混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車(chē)或高功率整流。

DWPCB電路板的中等電流能力、高散熱特性和設(shè)計(jì)靈活性使其成為邏輯電路板、總線(xiàn)和線(xiàn)纜的更具性?xún)r(jià)比的替代品，而且其應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。

設(shè)計(jì)實(shí)例：電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)

圖5所示的鋰離子電池組可為輕型電動(dòng)車(chē)提供平均100A、最大300A的電流。[!--empirenews.page--]

在本應(yīng)用中，重量和尺寸都至關(guān)重要，兩者一旦增加就會(huì)直接影響到車(chē)輛的可行駛里程數(shù)。為了減輕重量并縮小尺寸，本實(shí)例中的電池組正前部安裝了一個(gè)由控制邏輯單元和8塊DirectFET功率器件組成的電機(jī)控制器。經(jīng)驗(yàn)證，該DWPCB解決方案在整合控制邏輯單元和功率單元方面的效果非常理想，且將PCB數(shù)量由兩塊縮減至一塊，并省去了相關(guān)的接頭和布線(xiàn)。

圖5：輕型電動(dòng)車(chē)的鋰離子電池組/電機(jī)控制器裝置。

設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)在于要將100A/300A的電流發(fā)送至一個(gè)FR-4電路板，再到DirectFET，最終傳遞到總線(xiàn)上。對(duì)此，Häusermann公司開(kāi)發(fā)的多功能DWPCB技術(shù)為設(shè)計(jì)人員提供了多種選擇：從單層功率分配到帶有一體化熱通孔和散熱面的多層設(shè)計(jì)。

圖6為我們展示了一種性?xún)r(jià)比最高的設(shè)計(jì)方案。

圖6：使用HSMTec的DirectFET封裝的MiB布局。

在該方案中，型材焊接在一個(gè)由高耐熱性(Tg)且敷銅2盎司(70μ)的FR-4覆層組成的內(nèi)芯中。由于所有的型材都位于相同的基準(zhǔn)面上，焊接器件的安裝和運(yùn)行時(shí)間得以?xún)?yōu)化，而且與型材安裝于多個(gè)不同層的設(shè)計(jì)方案相比，后續(xù)大規(guī)模分層過(guò)程中的嵌入任務(wù)會(huì)更加簡(jiǎn)單。

嵌入型材同時(shí)可為電路板表面提供更多空間：用于高電流路徑的空間僅限于導(dǎo)孔陣列，用以使電流通過(guò)嵌入型材。同時(shí)，支撐型材的寬路徑僅限于內(nèi)層之中。

大功率微孔

電流通過(guò)激光微孔到達(dá)高電流型材，該技術(shù)普遍運(yùn)用于多種MiB中。盡管激光孔的直徑一般為100μ或更小，但MiB應(yīng)用中最重要的是導(dǎo)電元件的長(zhǎng)度(在該實(shí)例中為微孔深度)和用于電流傳輸?shù)你~的橫截面面積。

銅橫截面面積有若干種計(jì)算方法。公式(2)中使用鉆孔圓周直徑和內(nèi)鍍圓周直徑算出的表面積的不同得出銅橫截面面積。由此可得出微孔陣列的熱阻率：

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

式中：

I—微孔深度;

k—銅的導(dǎo)電率(約380W/m-K);

D1—鉆孔圓周直徑;

D2—成品(內(nèi)鍍)孔圓周直徑;

Nvias—陣列中微孔個(gè)數(shù)。

另外，由于激光微孔很小且鉆孔的有效命中率為每分鐘10,000次以上(CO2銅箔直接加工工藝)，很多激光微孔均可有效打通于隔熱盤(pán)上，且成本較低。一塊含有1296個(gè)微孔的100mm2的隔熱盤(pán)的熱阻率可高達(dá)約0.01W/℃：相當(dāng)于使用釬焊接頭將器件的散熱片焊接在隔熱盤(pán)上。

除了用于使電流通過(guò)埋放型材的微孔，本設(shè)計(jì)方案中還通過(guò)底層散熱面上的熱通孔擴(kuò)大了器件的散熱區(qū)域。其中所面臨的制備挑戰(zhàn)包括如何在銅金屬主體上實(shí)現(xiàn)打孔進(jìn)刀量少于FR-4打孔進(jìn)刀量的三分之一。

然而，熱通孔一般來(lái)說(shuō)就是熱導(dǎo)管，所以本設(shè)計(jì)方案中層3焊點(diǎn)中出現(xiàn)的釘頭并不會(huì)影響到電性能。本設(shè)計(jì)方案旨在得到一個(gè)干凈清潔的孔并使銅均勻地沉積，進(jìn)而提升熱能傳輸能力。熱通孔陣列可以有效地使熱能向下通過(guò)電路板傳輸至背端散熱面：一個(gè)普通的微孔陣列的傳導(dǎo)率在20W/m-K~30W/m-K之間，是FR-4傳導(dǎo)率的100多倍。

對(duì)電路板內(nèi)部功率路徑的有效管理可以為外層提供信號(hào)和控制布線(xiàn)的空間，同時(shí)，并行FET的門(mén)信號(hào)也位于電路板表面。圖6展示了這類(lèi)電路板的典型布局以及型材在蝕刻核心載流路徑上的分布情況。

為清晰起見(jiàn)，型材之間的空隙被拉大：空隙體積會(huì)使總導(dǎo)體體積發(fā)生小于0.1%的變化。圖7展示了本設(shè)計(jì)最終呈現(xiàn)的清晰布局。

圖7：成品電路板：DirectFET焊盤(pán)。

MiB = 電路板的價(jià)值

面對(duì)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的創(chuàng)新型解決方案，人們通常問(wèn)的第一個(gè)問(wèn)題便是：得花多少錢(qián)?

用到該解決方案首先考慮的是可靠性和性能(電動(dòng)汽車(chē)壽命為15年~25年，功能密度的改善意味著質(zhì)量和體積的減少和運(yùn)行自主性的增加)，成本公式為零和，即替代技術(shù)要么與原有技術(shù)等同且取代原有技術(shù)后會(huì)遵循相同的成本下降曲線(xiàn)，要么該替代技術(shù)可以在成本、性能、可靠性或以上三個(gè)方面同時(shí)帶來(lái)數(shù)量級(jí)的改善效果。成本下降曲線(xiàn)取決于一套潛在的數(shù)學(xué)關(guān)系，這在BPA即將出版的關(guān)于學(xué)習(xí)曲線(xiàn)理論和對(duì)MiB技術(shù)相關(guān)影響的文章中會(huì)有進(jìn)一步的探討。

以上設(shè)計(jì)實(shí)例基本上實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)目標(biāo)：

● 應(yīng)用了最新的等量功率器件，使熱能和電流管理所需的電路板空間減少了30%。

● 通過(guò)降低功率板面積、除去控制子板、用更小的鰭片組和底盤(pán)螺柱代替PIH(銷(xiāo)釘孔)TO器件所需的垂直散熱片以及使用直連電源總線(xiàn)的方式代替高電流布線(xiàn)來(lái)減小電路板的體積和重量。

與最初的設(shè)計(jì)方案相比，MiB解決方案僅在組件數(shù)目和組裝成本方面就節(jié)省了約13%。完整的成本/功能分析需考慮到重量和體積的減少所帶來(lái)的利潤(rùn)，這也是下一步研究的課題。

本設(shè)計(jì)結(jié)果已成為一項(xiàng)印刷電路解決方案，用以應(yīng)對(duì)尤其是使用最新SMT封裝的中等功率應(yīng)用的散熱和功率分配方面的挑戰(zhàn)。這些器件的表面貼裝特性意味著電路板必須能夠提供低電阻熱能和電氣路徑。該設(shè)計(jì)是將傳統(tǒng)印刷電路技術(shù)(包括激光和機(jī)械鉆孔)與新型技術(shù)相結(jié)合用以面對(duì)數(shù)字電源挑戰(zhàn)的最佳示例。