功率器件封裝技術家族新成員推動電路板設計向前發(fā)展

BPA在其剛剛發(fā)表的報告《電路板中的金屬—增強印刷電路板的熱能與功率管理的機遇》中確定了功率半導體家族的新成員，且指出這些半導體器件對電路板的熱能和功率管理提出了新的設計要求。該報告依據下述原則將大量應運而生的電路板級解決方案分為12大類：

● 熱能管理技術—熱導管、內嵌物和散熱面等;

● 電流管理—銅面、嵌入式母線、離散布線或帶;

● 電路板鋪設—層數(shù)及內部/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，且通過電路板熱路徑能夠提供溫升在10℃以內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，功率轉換、管理與控制的數(shù)字化進程不斷加快，功率半導體技術的發(fā)展和自動化裝配成本優(yōu)勢日益突出，進而推動表貼封裝技術向著更新、更小的趨勢發(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重要的。

小型封裝提供高能量

“等量”封裝產品家族便是其中之一，這種器件由國際整流器公司(IR)開發(fā)并命名為“DirectFET”進入市場。還有一種類似的封裝就是英飛凌科技股份有限公司的“CanPAK”，采用國際整流公司授權的DirectFET技術制成。這些器件之所以被稱為“等量”器件是因為它們提供一條既可通往電路板內部又可在需要時通過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：通往電路板內部和周圍環(huán)境。

除了能夠滿足熱量要求外，等量封裝中使用金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的電源應用能夠承載五十安培至幾百安培的電流。這遠遠超過傳統(tǒng)印刷電路板能夠承載的電流上限(10A～15A)。要管理該種電流強度需要一套不同且獨特的電路板設計標準。

載流容量—功率封裝中的一個關鍵參數(shù)

通過導體的電流會以熱的形式造成電阻功率的損耗(I2R)，在高電流強度的情況下，溫升成為載流容量的一個決定因素，因為導體的電阻率隨著溫度的變化而變化。電阻率和溫度呈線性關系，也就是說，電阻率與溫度變化成正比，變化速率由導體的溫度系數(shù)決定。

RT = RT0 × [(1 + α(T-T0)] (1)

式中：

T—測量電阻率時的溫度;

T0—參考溫度(周圍環(huán)境溫度);

α—線性溫度系數(shù)(銅電阻溫度系數(shù)=0.004);

RT—測量溫度下的電阻率;

RT0—參考溫度下的電阻率。

對于一個銅導體而言，溫度每增加25℃，導體的電阻率RT隨之增加，最大載流容量則降低5%?？紤]到這可能會使功率損耗更加嚴重并導致溫度升高，在MiB設計實踐中必須考慮有效地控制和降低導體電阻率，同時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：

● 由擴散層、接地層和疊層提供的傳導和對流能力;

● 路徑寬度和厚度的比率;

● 周圍環(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;

● 與導體串聯(lián)鍍通孔的存在、數(shù)量和導電橫截面。

因此，設計過程中需考慮更多的可變因素，而不僅僅只依據IPC 2152電流和溫度表的對比。

MiB—創(chuàng)新型設計的福音

“電路板中的金屬”(簡寫為MiB)包含多種將MiB構件結合在一起從而提供有效高電流解決方案的方法。離散線印刷電路板(簡寫為DWPCB)就是最常用的一種。

市場上可以買到的一種DWPCB是由澳大利亞PCB制造商Häusermann GmbH開發(fā)的“HSMTec”。HSMTec使用直徑為0.5mm的銅線和0.5mm厚的矩形橫截面銅帶(“型材”)，在電路板內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”工藝—將高電流元件焊接至電路板內層。

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：

● 傳統(tǒng)PCB工藝確保始終如一的高可靠性;

● 只在需要時提供加強型熱量和電流路徑;

● MiB成本取決于需要MiB的那些網;

● 布線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LED燈具提供光度解決方案且無需使用子板/接頭。

構成DWPCB電路板MiB組件的型材和導線被焊接在蝕刻于內芯的路徑上，形成一個由蝕刻路徑和結合元件組成的三明治形狀。這一專利工藝可以確保路徑與對均勻散熱至關重要的導線/型材之間熔合線的一致性和導體橫截面的一致性。同時，這一工藝簡化了布局任務和/或從傳統(tǒng)設計的轉化流程，因為高電流MiB組件(導線和型材)的布置是在內層或外層顯著擴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/導線焊接在路由路徑上，散熱面可與MiB路徑同層或設置在與MiB路徑同軸的飾面層。經證實，設置于飾面層的散熱面可改善散熱效果，如圖3所示。

圖3：散熱面對散熱效果的影響。

設計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約140A(40℃溫升)的“中等”功率應用。

圖4：各種型材橫截面和電流(安培)的溫升。

結合熱通孔或內嵌物，取決于占空比的大小，這一數(shù)值能夠超過300A。BPA報告中提及的其他MiB類型適用于高電流應用(250A～1000A)，尤其是混合動力/電動汽車或高功率整流。

DWPCB電路板的中等電流能力、高散熱特性和設計靈活性使其成為邏輯電路板、總線和線纜的更具性價比的替代品，而且其應用范圍正在不斷擴大。

設計實例：電動動力系統(tǒng)

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

在本應用中，重量和尺寸都至關重要，兩者一旦增加就會直接影響到車輛的可行駛里程數(shù)。為了減輕重量并縮小尺寸，本實例中的電池組正前部安裝了一個由控制邏輯單元和8塊DirectFET功率器件組成的電機控制器。經驗證，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，并省去了相關的接頭和布線。

圖5：輕型電動車的鋰離子電池組/電機控制器裝置。

設計過程中面臨的挑戰(zhàn)在于要將100A/300A的電流發(fā)送至一個FR-4電路板，再到DirectFET，最終傳遞到總線上。對此，Häusermann公司開發(fā)的多功能DWPCB技術為設計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計。

圖6為我們展示了一種性價比最高的設計方案。

圖6：使用HSMTec的DirectFET封裝的MiB布局。

在該方案中，型材焊接在一個由高耐熱性(Tg)且敷銅2盎司(70μ)的FR-4覆層組成的內芯中。由于所有的型材都位于相同的基準面上，焊接器件的安裝和運行時間得以優(yōu)化，而且與型材安裝于多個不同層的設計方案相比，后續(xù)大規(guī)模分層過程中的嵌入任務會更加簡單。

嵌入型材同時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孔陣列，用以使電流通過嵌入型材。同時，支撐型材的寬路徑僅限于內層之中。

大功率微孔

電流通過激光微孔到達高電流型材，該技術普遍運用于多種MiB中。盡管激光孔的直徑一般為100μ或更小，但MiB應用中最重要的是導電元件的長度(在該實例中為微孔深度)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算方法。公式(2)中使用鉆孔圓周直徑和內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—銅的導電率(約380W/m-K);

D1—鉆孔圓周直徑;

D2—成品(內鍍)孔圓周直徑;

Nvias—陣列中微孔個數(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上，且成本較低。一塊含有1296個微孔的100mm2的隔熱盤的熱阻率可高達約0.01W/℃：相當于使用釬焊接頭將器件的散熱片焊接在隔熱盤上。

除了用于使電流通過埋放型材的微孔，本設計方案中還通過底層散熱面上的熱通孔擴大了器件的散熱區(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現(xiàn)打孔進刀量少于FR-4打孔進刀量的三分之一。

然而，熱通孔一般來說就是熱導管，所以本設計方案中層3焊點中出現(xiàn)的釘頭并不會影響到電性能。本設計方案旨在得到一個干凈清潔的孔并使銅均勻地沉積，進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電路板傳輸至背端散熱面：一個普通的微孔陣列的傳導率在20W/m-K~30W/m-K之間，是FR-4傳導率的100多倍。

對電路板內部功率路徑的有效管理可以為外層提供信號和控制布線的空間，同時，并行FET的門信號也位于電路板表面。圖6展示了這類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，型材之間的空隙被拉大：空隙體積會使總導體體積發(fā)生小于0.1%的變化。圖7展示了本設計最終呈現(xiàn)的清晰布局。

圖7：成品電路板：DirectFET焊盤。

MiB = 電路板的價值

面對這樣一個簡單的創(chuàng)新型解決方案，人們通常問的第一個問題便是：得花多少錢?

用到該解決方案首先考慮的是可靠性和性能(電動汽車壽命為15年~25年，功能密度的改善意味著質量和體積的減少和運行自主性的增加)，成本公式為零和，即替代技術要么與原有技術等同且取代原有技術后會遵循相同的成本下降曲線，要么該替代技術可以在成本、性能、可靠性或以上三個方面同時帶來數(shù)量級的改善效果。成本下降曲線取決于一套潛在的數(shù)學關系，這在BPA即將出版的關于學習曲線理論和對MiB技術相關影響的文章中會有進一步的探討。

以上設計實例基本上實現(xiàn)了兩個目標：

● 應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%。

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

與最初的設計方案相比，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的利潤，這也是下一步研究的課題。

本設計結果已成為一項印刷電路解決方案，用以應對尤其是使用最新SMT封裝的中等功率應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。該設計是將傳統(tǒng)印刷電路技術(包括激光和機械鉆孔)與新型技術相結合用以面對數(shù)字電源挑戰(zhàn)的最佳示例。