使用大面積鋪銅！

 

銅是一種極好的導熱體。由于 PCB 的基板材料（FR-4 玻璃環(huán)氧樹(shù)脂）是一種不良導熱體。因此，從熱管理的角度來(lái)看，PCB的鋪銅區域越多則導熱越理想

 

如2盎司（68微米厚）的厚銅板相比較薄的銅板導熱效果更好。  然而，厚銅不但價(jià)格昂貴，而且也很難實(shí)現精細的幾何形狀。所以通常會(huì )選用1盎司（34微米厚）的銅板。外層板則經(jīng)常使用1/2盎司的鍍銅，厚度可達1盎司。

 

多層板中的內層板常采用實(shí)心銅板以便更好地散熱。但是，由于其平面層通常位于電路板堆疊的中心位置，因此熱量可能會(huì )被鎖在電路板內部。那么，可以在 PCB 的外層板上添加鋪銅區域，使用過(guò)孔連接到內層板，將熱量傳遞出來(lái)。

 

由于雙層 PCB 中存在走線(xiàn)和元器件，散熱也會(huì )更加困難。  所以電機驅動(dòng)IC應該使用盡可能多的實(shí)心銅板和利于散熱的過(guò)孔。將銅澆鑄在外層板的兩邊，使用過(guò)孔將它們連接起來(lái)，這樣做可以將熱量分散到被走線(xiàn)和元器件隔開(kāi)的不同區域。

 

走線(xiàn)一定要寬—越寬越好！

 

因為流經(jīng)電機驅動(dòng) IC 的電流很大（有時(shí)超過(guò) 10A），所以應仔細考慮接入芯片的 PCB 走線(xiàn)寬度。走線(xiàn)越寬電阻越小。必須調整好走線(xiàn)的寬度，才能保證走線(xiàn)中的電阻不會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的能量耗散而導致走線(xiàn)溫度升高?？墒翘毜淖呔€(xiàn)就像電熔絲一樣很容易被燒斷。

 

設計師通常會(huì )采用 IPC-2221 標準來(lái)計算合適的走線(xiàn)粗細。該規范有個(gè)圖表，顯示了不同電流水平的銅橫截面積和其允許的溫升，可以根據給定的銅層厚度下?lián)Q算出走線(xiàn)寬度。比如，1盎司厚度的銅層中負載10A電流需要剛好7mm寬的走線(xiàn)來(lái)實(shí)現10°C的溫升，那么對于1A的電流來(lái)說(shuō)，僅需0.3mm的走線(xiàn)即可。

 

如果根據這種方法推算的話(huà)，似乎無(wú)法通過(guò)微型IC焊盤(pán)運行10A電流。

 

所以，需要重點(diǎn)了解的是 IPC-2221標準中，用于恒定寬度的長(cháng)PCB走線(xiàn)寬度建議。如果走線(xiàn)是連接到較大的走線(xiàn)或鋪銅區，那么采用PCB走線(xiàn)的一小段傳遞更大的電流則沒(méi)有不良影響。這是因為短而窄的PCB走線(xiàn)電阻很小，而且其產(chǎn)生的熱量都被吸入到更寬的鋪銅區域內。從圖1的示例中可以看出：即使此器件中的散熱焊盤(pán)只有0.4mm寬，也能承載高達3A的持續電流，因為走線(xiàn)被加寬到了盡可能接近器件的實(shí)際寬度。

 

圖 1：加寬PCB走線(xiàn)

 

由于較窄走線(xiàn)所產(chǎn)生的熱量會(huì )傳導至較寬的鋪銅區域，所以窄走線(xiàn)的溫升可以忽略不計。

 

嵌在PCB內層板中的走線(xiàn)散熱效果不如外層走線(xiàn)，因為絕緣體的導熱效果不佳。正因為如此，內層走線(xiàn)的寬度應為外層走線(xiàn)的兩倍。

 

表1 大致給出了電機驅動(dòng)應用中長(cháng)走線(xiàn)（大于2cm)的推薦寬度。

 

表 1: PCB走線(xiàn)寬度

 

如果空間允許，越寬的走線(xiàn)或灌銅可以最大限度地降低溫升并能減小電壓落差。

 

熱過(guò)孔-越多越好！

 

過(guò)孔是一種小的鍍孔，通常用于將信號走線(xiàn)從一層傳遞到另一層。  顧名思義，熱過(guò)孔是將熱量從一層傳遞到另一層。適當地使用熱過(guò)孔可以有效幫助PCB散熱，但也需要考慮實(shí)際生產(chǎn)中的諸多問(wèn)題。

 

過(guò)孔具有熱阻，這就意味著(zhù)每當熱量流經(jīng)時(shí)，過(guò)孔兩端會(huì )有一定溫差，其測量單位為攝氏度/每瓦特。所以，為最大限度地降低熱阻，提高過(guò)孔的散熱效率，過(guò)孔應設計大一點(diǎn)，且孔內的覆銅面積越大越好（見(jiàn)圖2）。

 

圖 2：過(guò)孔橫截面

 

雖然可以在PCB的開(kāi)放區域使用大的過(guò)孔，但是，過(guò)孔常常被放在散熱焊盤(pán)的內部，因為這樣可以直接從IC封裝散熱。在這種情況下，不可能使用大過(guò)孔，因為電鍍孔過(guò)大會(huì )導致“滲錫”，其中用于連接IC至PCB的焊料會(huì )往下流入通孔，導致焊點(diǎn)不良。

 

有幾種方法可以減少“滲錫”。一種是使用非常小的過(guò)孔，以減少滲入孔內的焊料。然而，過(guò)孔越小熱阻越高，因此想要達到相同的散熱性能，需要更多的小過(guò)孔才行。

 

另一種技術(shù)是“覆蓋”電路板背面的過(guò)孔。這需要去除背板上阻焊層的開(kāi)口，使得阻焊材料覆蓋過(guò)孔。阻焊層會(huì )蓋住小的過(guò)孔使焊錫無(wú)法滲入PCB。 

 

但這又會(huì )帶來(lái)另一問(wèn)題：助焊劑滯留。如果使用阻焊層蓋住過(guò)孔，那么助焊劑會(huì )滯留在過(guò)孔內部。有些助焊劑配方具有腐蝕性，長(cháng)時(shí)間不去除的話(huà)會(huì )影響芯片的可靠性。所幸大多數現代免清洗助焊劑工藝都是無(wú)腐蝕性的，不會(huì )引起問(wèn)題。

 

這里需注意，散熱孔本身不具備散熱功能，必須把它們直接連接至鋪銅區域（見(jiàn)圖3）。

 

圖 3：熱過(guò)孔

 

建議PCB設計師與PCB組裝廠(chǎng)的SMT制程工程師協(xié)商出最佳的過(guò)孔尺寸和構造，尤其當過(guò)孔位于散熱焊盤(pán)內部時(shí)。

 

焊接散熱焊盤(pán)

 

TSSOP 和 QFN 封裝中，芯片底部會(huì )焊有大片散熱焊盤(pán)。這里的焊盤(pán)直接連到晶元的背面，為器件散熱。必須將焊盤(pán)很好地焊接到PCB上才能耗散功率。

 

IC規格書(shū)不一定會(huì )指定焊盤(pán)焊膏的開(kāi)口。通常，SMT制程工程師對放多少焊料，過(guò)孔模具使用什么樣的形狀都有自己的一套規則。

 

如果使用和焊盤(pán)大小一樣的開(kāi)口，則需要使用更多的焊料。當焊料熔化時(shí)，其張力會(huì )使器件表面鼓起。另外，還會(huì )引起焊料空洞（焊錫內部凹洞或間隙）。當焊料回流過(guò)程中助焊劑的揮發(fā)性物質(zhì)蒸發(fā)或沸騰時(shí)，會(huì )發(fā)生焊料空洞。這會(huì )導致接合處的焊料析出。

 

為了解決這些問(wèn)題，對于面積大于約2mm2的焊盤(pán)，焊膏通常沉積在幾個(gè)小的正方形或圓形區域中（見(jiàn)圖4）。將焊料分布在多個(gè)較小的區域里可以使助焊劑的揮發(fā)性物質(zhì)更容易揮發(fā)出來(lái)，以免造成焊料析出。

 

圖 4：QFN 焊具

 

再次建議PCB設計師與SMT制程工程師共同協(xié)商出正確的散熱焊盤(pán)模具開(kāi)口。也可以參考網(wǎng)上的一些論文。

 

元件貼裝

 

電機驅動(dòng)IC的元件貼裝指南與其他電源IC相同。旁路電容應盡可能靠近器件電源引腳放置，且旁邊需放置大容量電容。許多電機驅動(dòng)IC會(huì )使用自舉電容或充電泵電容，這些也應放在IC附近。

 

請參考圖5中的元件貼裝示例。圖5顯示了MP6600步進(jìn)電機驅動(dòng)的雙層板PCB布局。大部分信號走線(xiàn)直接布置在頂層。電源走線(xiàn)從大容量電容繞到旁路，并在底層使用多個(gè)過(guò)孔，在更換層的位置使用多個(gè)過(guò)孔。

 

圖5: MP6600 元件貼裝

 

在本文的下篇中，我們將探討詳細的電機驅動(dòng)IC封裝方法和PCB布局。

 

 

推薦閱讀：