使用表面貼裝功率器件處理熱量

隨著對(duì)更小、更快、更便宜的微電子的需求推動(dòng)設(shè)備以更高的性能水平運(yùn)行，熱管理已成為電力電子設(shè)備的關(guān)鍵要求，包括電源、逆變器、快速充電器和電機(jī)控制。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，作者研究了兩種熱管理解決方案 - 熱通孔和嵌入式氮化鋁（AlN） - 并就何時(shí)使用哪種解決方案提出了建議。

一個(gè) 6.6kW 雙向車載電動(dòng)汽車充電器參考設(shè)計(jì)證明了所提出的熱管理解決方案的適用性。

1. 熱管理挑戰(zhàn)和解決方案

隨著電子應(yīng)用繼續(xù)以更小的設(shè)備尺寸實(shí)現(xiàn)更高的性能，組件也朝著更高的功率密度邁進(jìn)。反過(guò)來(lái)，這意味著我們的應(yīng)用產(chǎn)生的熱量比以往任何時(shí)候都多。不受控制或管理不善的熱量是電子系統(tǒng)故障的主要原因之一，這使得實(shí)現(xiàn)良好熱管理的設(shè)計(jì)時(shí)間和精力花得值。

熱管理的主要目標(biāo)是盡可能快速有效地散熱。將熱量從電子元件傳遞出去有三種主要方法：傳導(dǎo)到PCB，對(duì)流到直接環(huán)境，以及輻射到另一個(gè)表面。對(duì)于許多應(yīng)用，傳導(dǎo)是設(shè)計(jì)人員可用的最有效和最現(xiàn)實(shí)的方法。

SMD 對(duì)熱管理的影響

使用電源應(yīng)用中常見(jiàn)的表面貼裝器件（SMD）可能有助于減小尺寸并使制造自動(dòng)化更容易實(shí)現(xiàn)，但它對(duì)熱管理提出了挑戰(zhàn)。

常用的印刷電路（PC）層壓板（如玻璃增強(qiáng)環(huán)氧材料FR4）具有良好的電絕緣性，也是良好的熱絕緣體。除此之外，對(duì)基于碳化硅（SiC）的功率器件的需求也增加了功率密度，仔細(xì)考慮傳熱選項(xiàng)的需求變得更加重要。碳化硅基板的高導(dǎo)熱性可有效地將熱量傳遞到導(dǎo)熱墊和PCB，在那里它面臨高熱阻。

克服PCB層壓板導(dǎo)熱系數(shù)低的最具成本效益的方法是在低功耗應(yīng)用中使用熱通孔陣列。但是，確定陣列模式以最大限度地提高熱性能并非易事。

許多可用的文獻(xiàn)[1][2][3]討論了熱通孔直接位于熱源下方的位置。然而，在印刷電路板上放置鍍銅熱通孔會(huì)帶來(lái)另一個(gè)挑戰(zhàn)[1]，如圖1所示。由于熱通孔位于器件的焊盤下方，在回流過(guò)程中，焊料會(huì)流入或“吸芯”到過(guò)孔中。這會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)處出現(xiàn)空隙，對(duì)其可靠性和使用壽命產(chǎn)生不利影響。

圖1：由于焊料芯吸到設(shè)備下方的鍍銅熱電介質(zhì)中而導(dǎo)致的焊料空洞

這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)用導(dǎo)熱材料（如樹脂或銅）填充過(guò)孔來(lái)避免。無(wú)論使用何種技術(shù)來(lái)填充過(guò)孔，都需要額外的材料和加工。這增加了制造成本。

克服層壓板導(dǎo)熱系數(shù)低的另一種方法是使用絕緣金屬基板（IMS）底座。[4] IMS 廣泛用于高亮度 （HB） LED 照明的 PCB，但對(duì)于多層 PCB 設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要樹脂涂層箔或薄膜和導(dǎo)熱預(yù)銷。這再次增加了制造成本。

PCB設(shè)計(jì)人員可以使用的較新選擇是使用嵌入式陶瓷。嵌入式層導(dǎo)電性差，但導(dǎo)熱性好，可用于高功率密度應(yīng)用。

為了幫助設(shè)計(jì)人員選擇正確的熱策略，我們進(jìn)行了一項(xiàng)研究（隨后進(jìn)行了討論），以找到有關(guān)使用熱通孔和嵌入式AlN陶瓷的建議。

2. 熱通孔適合低功耗應(yīng)用

在這項(xiàng)研究中，來(lái)自研究和制造商文獻(xiàn)[2][3]的信息用于選擇0.3 mm直徑的熱通孔尺寸和1 mm的陣列中心到中心間距。

由于器件下方的熱通孔會(huì)導(dǎo)致焊料芯吸，因此我們?cè)赟MD周圍布置了通孔，如圖2所示。在已經(jīng)選擇了孔尺寸和中心到中心距離后，我們只需要決定在器件的每一側(cè)放置多少行熱通孔。

圖2：設(shè)備焊盤周圍的熱通孔模式

選擇并仿真不同的陣列模式，以找到熱阻抗方面的最佳導(dǎo)熱系數(shù)模式 - X 和 Y 方向上的通孔數(shù)量將提供最佳熱結(jié)果。為了驗(yàn)證仿真，制造了具有不同熱通孔排列的PCB，并測(cè)量了熱阻。

仿真針對(duì)七引腳D2PAK SiC MOSFET。我們對(duì)設(shè)備進(jìn)行了建模，并使用了帶有兩個(gè)銅層的PCB。銅層厚度為~60毫米，PCB的整體厚度為1.6毫米。

所考慮的三種選擇過(guò)孔模式如圖3所示。

圖3：由于模式是對(duì)稱的，因此上面顯示了每個(gè)數(shù)組的一半。在型號(hào) A 和 B 中，過(guò)孔分別排列在設(shè)備的三個(gè)側(cè)面的 10 行和 1 行。在 C 型中，過(guò)孔填充整個(gè) 1 × <> 英寸銅區(qū)域。

考慮可用的熱管理選項(xiàng)使用的各種材料及其廣泛的導(dǎo)熱系數(shù)和物理特性（表 1）。表中的值用于模擬。

表 1：使用數(shù)據(jù)表計(jì)算最高耗散功率。

熱擴(kuò)散模擬

模擬邊界條件固定，底部對(duì)流系數(shù)為1，200 W/m2K。功率器件的損耗為 6 W。模型 B 的熱擴(kuò)散模擬如圖 4 所示。模擬結(jié)果顯示在右側(cè)的表格中。

圖4：模型B（頂部）和仿真結(jié)果（底部）仿真中的溫度分布

仿真結(jié)果表明Θ板，PCB板通過(guò)熱通孔的熱阻。他們揭示了熱量傳播到第10個(gè)通過(guò)，在第六個(gè)通過(guò)之后顯著下降。研究發(fā)現(xiàn)，熱量不會(huì)擴(kuò)散到所有過(guò)孔，這意味著簡(jiǎn)單地添加過(guò)孔無(wú)助于管理熱量。

驗(yàn)證

然后制作所有模型， 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量PCB的熱阻以驗(yàn)證仿真.Θboard的實(shí)測(cè)結(jié)果均接近4°C/W，在合理的模擬范圍內(nèi)，考慮了實(shí)驗(yàn)變化和不可控因素。

使用熱通孔的建議

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱通孔具有預(yù)期的高熱阻，使其僅適用于低功耗應(yīng)用。對(duì)于熱通孔陣列設(shè)計(jì)，我們建議采用以下方法：

避免將過(guò)孔放置在 MOSFET 漏極片下方，以防止焊料芯吸通過(guò)它們。

雖然建議陣列中的通孔直徑為 0.3 mm，中心到中心距離為 1 mm，但制造能力可能會(huì)有所不同。

采用 35 μm 鍍銅的熱通孔可實(shí)現(xiàn)良好的熱性能，制造成本上升有限。

與較大的 1 英寸方形陣列相比，在所有三個(gè)方向上均勻分布的通孔更有助于降低熱阻和提高熱性能。

通過(guò)熱通孔陣列傳播的熱量限制在距離器件邊緣 10 mm 以內(nèi)。建議從器件的每個(gè)邊緣延伸至少 10 個(gè)過(guò)孔陣列，但每個(gè)方向超過(guò) <> 個(gè)過(guò)孔是沒(méi)有用的。

3. 嵌入式AlN可滿足高功率要求

對(duì)于電動(dòng)汽車 （EV） 車載和非車載電池充電器等大功率應(yīng)用，由于對(duì)熱阻抗的影響有限，使用熱通孔散熱是不切實(shí)際的。由于IMS方法也被排除在此類應(yīng)用中 - 雖然單面PCB設(shè)計(jì)可能存在可靠性問(wèn)題，因?yàn)樗鼈冃枰刂?a target="_blank">信號(hào)通過(guò)連接器來(lái)自另一個(gè)PCB，多層設(shè)計(jì)的更奇特的解決方法增加了復(fù)雜性和制造成本 - 我們研究了AlN方法。

AlN是一種獨(dú)特的陶瓷材料，因?yàn)樗哂懈邔?dǎo)熱性和高電阻率。然而，它不像氧化鈹（BeO）那樣有毒，也不像立方氮化硼（c-BN）那樣難以生產(chǎn)[5]，其他具有高導(dǎo)熱性的陶瓷。

像其他陶瓷一樣，它提供了額外的好處，如剛性、耐化學(xué)性和不吸水。常規(guī)的多層PCB設(shè)計(jì)可用于具有AlN的復(fù)雜電路，目前已用于HB LED[6]，激光和高電流開關(guān)應(yīng)用。然而，沒(méi)有研究報(bào)告它在大功率應(yīng)用中的使用。

用AlN模擬PCB類似于前面對(duì)熱通孔PCB的建模。唯一的區(qū)別是嵌入式導(dǎo)熱AlN塊放置在PCB的頂部和底部銅焊盤之間。選擇的AlN塊為6.5×10.5毫米，厚度為1.6毫米。

圖5：嵌入AlN的PCB的熱仿真（左）顯示了向PCB底部的傳熱，沒(méi)有明顯的擴(kuò)散。AlN模塊位于原型中功率器件的著陸墊下方（右）。

嵌入式AlN嵌入式PCB的熱性能

仿真顯示沒(méi)有熱量擴(kuò)散（圖5），熱量直接傳遞到PCB底部。仿真結(jié)果表明，AlN模塊的熱阻僅為0.21°C/W，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證，原型在0.23°C/W時(shí)具有低熱阻。

將其與使用熱通孔的PCB獲得的4°C/W進(jìn)行比較，很明顯，嵌入式AlN模塊為高功率應(yīng)用提供了更優(yōu)越的熱管理。

6.6 kW 充電器的熱管理

由于嵌入式AlN解決方案可以與常規(guī)多層PCB集成，因此其高導(dǎo)熱性和電氣隔離性相結(jié)合，可以比IMS解決方案更好地提高功率密度。

為了在實(shí)際應(yīng)用中超越仿真來(lái)證明這種能力，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè) 6.6 kW 雙向電動(dòng)汽車車載充電器，采用 AlN 嵌入式 PCB 技術(shù)[7]。它成功地提供了良好的熱管理，峰值系統(tǒng)效率>96.5%。

圖6：在嵌入式 AlN PCB 上使用表面貼裝碳化硅 MOSFET 封裝的 6.6kW 電動(dòng)汽車車載充電器參考設(shè)計(jì)

審核編輯：郭婷