功率器件热设计基础（十二）——功率半导体器件的PCB设计

随着功率半导体芯片损耗降低，最高工作结温提升，器件的功率密度越来越高，也就是说，相同的器件封装可以采用更大电流规格的芯片，使输出电流更大，但同时实际的损耗和发热量也会明显增大。

功率器件中的分立器件、Easy系列模块，Econo系列模块都是PCB安装式封装，当单个器件电流的增加，对PCB热设计是个挑战。

当器件功率密度提升，单一管脚的电流增加，如IKQ150N65EH7，一个TO-247封装的150A 650V单管，其集电极直流电流是160A，限制是引线。那么在芯片散热允许的情况下，设计中不希望PCB成为器件输出电流的瓶颈，这样的话才能最大限度利用器件，不因为PCB限制而降额使用，以降低系统成本。

摘自IKQ150N65EH7数据手册

模块的功率密度提升了，Easy 2B能做到100A，Econo3可以做到300A，虽然单一针脚电流有限，但模块可以用多针脚并联保证器件输出电流能力。譬如FS300R12N3E7 300A 1200V的EconoPACK™ 3的三相桥，正负直流母线分别用6针并联，AC输出分别用5针并联以保证300A的电流能力，这时PCB板如果设计不当，就会成为电流的瓶颈。

摘自FS300R12N3E7数据手册

PCB是成熟的技术，已经形成标准化的设计规范，现在也有PCB的创新设计，以提高PCB的载流能力。

在PCB行业中，覆铜板的厚度用重量单位盎司表示，1oz意思是重量1oz的铜均匀平铺在1平方英尺的面积上所达到的厚度。PCB规格从0.5-10oz不等，常用的规格如下图，但在制作印刷电路板时还可以加厚，适当提高载流能力。

印刷电路板载流能力决定于走线损耗，其可通过以下方式估算：

A：铜的横截面，l：导体的长度，ρ：铜的电阻率，Irms:流过线路板的电流有效值，这些损耗是导致印刷电路板温度上升的主要因素。但实际温升还与众多的因数有关，譬如导线电流、走线宽度、走线在内层或外层，走线厚度、PCB板材、相邻走线、层间距离、有无阻焊膜、环境条件等诸多因素，非常复杂，为此国际电子工业联接协会IPC制定了相应的标准，IPC-2152 Standard for Determining Current Carrying Capacity inPrinted Board Design，即《印刷板设计中电流承载能力的确定标准》。

标准有近百页，内含丰富的图表以支持PCB的设计。其中最基本的图表如下所示。

红色箭头是从线宽开始查找最大电流，图中PCB走线宽度140mil，使用1oz的铜厚，垂直找到对应的温升要求10°C，然后回到Y轴找到可通过的最大电流2.75A。

橙色箭头是从电流设计目标入手，查找线宽，图中电流为1A，目标温升30°C，垂直向下找到不同铜厚下，所需要的走线宽度，如使用0.5oz的铜厚时，走线宽度需要达到40mil。

保守图表适用于外层和内层走线、常见PCB材料和厚度等，从该图表中获得的值非常安全，在任何情况（除真空外的环境）下都有效，不考虑其他变量。

工程师按照保守图表做设计时，PCB面积、成本、不是最优的，能满足一般电流和温升设计要求。

在设计PCB时，可以利用IPC标准中图表进行计算，英飞凌的应用指南也给出了针对特定模块的设计参考。

在功率线路板热设计时，第一步应该了解针脚的在实际线路板上载流能力。下图是Econo 2单一针脚和Econo 3三脚并联的图表，由于针脚损耗造成的热大部分通过线路板散掉，通过模块铜基板到散热器路径可以忽略不计。图表给出在不同的印刷电路板温度下的值。

图表也仅仅是个在一定条件下的案例，整个热力系统的相互依存关系过于复杂，并取决于各种应用限制，因此无法做出任何一般性说明。

对于一条PCB走线，功率针脚一头一般比较热，热量会沿着走线流向温度低的另外一头，分析其温度分布梯度，发现最热并不在针脚位置。

仿真案例中，200mm的直线走线，蓝线的最热距离针脚60mm。横截面大，最高温度就越低，而且远离针脚。

仿真仅仅提示一种现象，原型样机PCB用热成像仪测试最坏情况是非常必要的。

带状导体的温度曲线示例

PCB热设计设计是一个工程化设计，与各种条件有关，可以参考国际电子工业联接协会标准IPC-2221《印制板设计通用标准》和IPC-2152《印刷板设计中电流承载能力的确定标准》，对于原型样机建议进行必要的热测试。

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