螺釘布置對(duì)底部散熱型表貼式功率器件熱表現(xiàn)的影響

觀眾朋友們大家好~今天起，我們?nèi)碌臋谀俊?a target="_blank">仿真101大講堂正式上線！仿真作為我們半導(dǎo)體器件研發(fā)的重要工具之一，通過(guò)建模、驗(yàn)證、優(yōu)化等流程，讓我們?cè)谘邪l(fā)時(shí)能夠少走許多“彎路”。作為一家擁有優(yōu)秀仿真能力的半導(dǎo)體公司，我們希望能夠用自身的經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)勢(shì)給大家?guī)?lái)一些新的啟發(fā)和思考。

第一節(jié)課，我們從力學(xué)出發(fā)，討論下在PCB板非常討厭的“彎曲撓度”和螺釘布置之間的關(guān)系，以快插板為例，探討下3螺釘和4螺釘兩種不同的方案，對(duì)底部散熱型表貼式功率器件熱表現(xiàn)的影響。

話不多說(shuō)，開(kāi)講開(kāi)講！

省流

結(jié)論先看

對(duì)于表貼式功率器件，當(dāng)采用螺釘鎖付結(jié)構(gòu)將器件載板與冷板進(jìn)行鎖付散熱時(shí)，更多的螺釘數(shù)量并不一定帶來(lái)更貼合的鎖付效果

在一定的空間布局下，螺釘?shù)木唧w選用數(shù)量及分布應(yīng)在充分的DOE分析后進(jìn)行確定

01什么是表貼式器件？

元器件封裝按照安裝的方式不同可以分為兩大類：直插式器件(Through-hole mounting device, THD)和表貼式器件(Surface mounting device, SMD)

直插式器件的特點(diǎn)

封裝的焊盤(pán)一般穿過(guò)整個(gè)PCB，引腳從一側(cè)穿入，并在另一側(cè)進(jìn)行引腳的焊接。對(duì)于功率級(jí)（650V及以上）的直插式器件（如TO-247），封裝內(nèi)的散熱銅塊位于封裝底部，器件的主要散熱路徑為結(jié)-底部外殼-絕緣層及熱界面材料-冷板，僅有少部分熱量通過(guò)引腳流向PCB。

TO-247（直插式）的貼合冷板方式

表貼式器件的特點(diǎn)

封裝的焊盤(pán)只附著在PCB的一側(cè)，在同一側(cè)進(jìn)行引腳的焊接。對(duì)于底部散熱型（Bottom side cooling）的表貼式器件（如TO-263），封裝內(nèi)的散熱銅塊位于封裝底部，器件的主要散熱路徑為結(jié)-底部外殼-PCB-絕緣層及熱界面材料-冷板。對(duì)于頂部散熱型（Top side cooling）的表貼式器件（如PSOP），封裝內(nèi)的散熱銅塊位于封裝頂部，器件的主要散熱路徑為結(jié)-頂部外殼-絕緣層及熱界面材料-冷板，僅有少部分熱量通過(guò)引腳流向PCB。

TO-263（底部散熱型表貼式）的貼合冷板方式

PSOP（頂部散熱型表貼式）的貼合冷板方式

02螺釘鎖付的目的是什么？

對(duì)于底部散熱型表貼式功率器件，由于器件的功率高、發(fā)熱大，為了確保器件能夠長(zhǎng)時(shí)間的安全平穩(wěn)運(yùn)行，往往需要借助熱界面材料將器件的熱量由PCB傳導(dǎo)致冷板。同時(shí)，為了確保熱界面材料的厚度與接觸熱阻足夠小，則需要對(duì)它額外再施加一個(gè)穩(wěn)定的壓力。

在電源類產(chǎn)品中，常見(jiàn)的施加穩(wěn)定壓力的手段有彈片預(yù)壓與螺釘鎖付兩種。

彈片預(yù)壓：即在器件的正上方放置一個(gè)彈片，彈片的一端接觸器件，而另一端則固定在機(jī)殼上。在設(shè)計(jì)時(shí)，彈片與器件采用過(guò)盈接觸。在實(shí)際安裝時(shí)，則會(huì)促成彈片在安裝過(guò)程中產(chǎn)生壓縮變形，從而對(duì)器件造成一個(gè)法向壓力。這個(gè)法向壓力，最終會(huì)由PCB傳遞給熱界面材料。

螺釘鎖付：即在PCB與冷板上設(shè)計(jì)有螺釘鎖付孔。在螺釘擰緊的過(guò)程中，螺釘法蘭面推動(dòng)PCB擠壓熱界面材料并對(duì)其施加一個(gè)穩(wěn)定的壓力。

比較兩種方法，彈片預(yù)壓對(duì)設(shè)計(jì)空間要求較高，并且需要在機(jī)殼上有對(duì)應(yīng)的安裝點(diǎn)，不過(guò)當(dāng)以上兩點(diǎn)都滿足要求的情形下，彈片預(yù)壓能夠提供比較明確的壓力與熱界面材料厚度的關(guān)系。螺釘鎖付對(duì)設(shè)計(jì)空間幾乎沒(méi)有要求，不過(guò)由于螺釘鎖付時(shí)PCB的最大壓力不在器件下方，而是在螺釘鎖付區(qū)域附近，因此器件下方的熱界面材料厚度難以簡(jiǎn)單的通過(guò)螺釘預(yù)緊力進(jìn)行估計(jì)。

基于以上的特點(diǎn)，彈片預(yù)壓與螺釘鎖緊往往會(huì)在不同的情形下進(jìn)行選用。本文會(huì)以EVB快插板為例，介紹螺釘布置對(duì)底部散熱型表貼式功率器件熱表現(xiàn)的影響以及如何布置螺釘孔位。

03什么是EVB快插板？

EVB，即評(píng)估板（Evaluation Board）的英文簡(jiǎn)稱。EVB通常是用于向客戶展示器件的性能、供客戶熟悉器件的功能和作用、且由芯片公司自己開(kāi)發(fā)的非生成類型板。

帶獨(dú)立水道的EVB（主板與功率板）

EVB快插板，即通過(guò)快插端子與主板實(shí)現(xiàn)功率互聯(lián)的全橋（或者半橋）功率板。與之相對(duì)，在實(shí)際電源類產(chǎn)品中，功率板與主板的功率互聯(lián)主要是通過(guò)焊接來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于EVB而言，易拆卸、更換靈活是它的特點(diǎn)也是它的應(yīng)用需求。但另一方面，由于沒(méi)有機(jī)殼，如果要實(shí)現(xiàn)彈片預(yù)壓則需要額外定制工裝來(lái)實(shí)現(xiàn)與冷板的連接，顯然這樣做是本末倒置的。而與預(yù)壓彈片相比，采用螺釘鎖付方式同樣能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的壓力，同時(shí)在工藝制造上僅需在快插板上增加相應(yīng)螺釘孔便可，因此它是一種非常契合EVB特點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定壓力的手段。

04螺釘鎖付對(duì)EVB快插板的影響是什么？

螺釘在鎖緊過(guò)程中，快插板與螺釘頭部接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)變。隨著鎖緊壓力的增大，快插板接觸區(qū)域的壓應(yīng)變?cè)谠龃蟮耐瑫r(shí)，平面內(nèi)應(yīng)變也隨之增大。當(dāng)快插板上下表面的平面內(nèi)應(yīng)變差大到一定程度時(shí)，則快插板會(huì)發(fā)生肉眼可見(jiàn)的彎曲。彎曲后的快插板與冷板間的接觸面將不再是完全貼合，會(huì)產(chǎn)生以最大撓度點(diǎn)為最大值、螺釘鎖緊區(qū)域?yàn)樽钚≈档牟痪鶆虻拈g隙。顯然，這種間隙將促使填充在快插板與冷板之間的熱界面材料具有不均勻的厚度。而這種不均性，對(duì)于高功耗器件熱表現(xiàn)的預(yù)測(cè)與評(píng)估是非常不利的。

螺釘鎖付時(shí)快插板發(fā)生彎曲

05有沒(méi)有辦法消除或者減小這種間隙的不均勻性？

要做到完全消除螺釘鎖付過(guò)程中快插板的彎曲，就必須將螺釘法向鎖緊力減小到不足以發(fā)生彎曲，或者將快插板彎曲剛度增加到足以克服現(xiàn)有螺釘?shù)姆ㄏ蜴i緊力。然而，前者可能造成螺釘鎖緊扭矩不足以致熱界面材料過(guò)厚，而后者則不得不將快插板變得非常厚。顯然，這兩種手段都是不合適的。

相比起完全消除，減小間隙的不均勻性的手段則要更多。除了螺釘鎖緊力、快插板彎曲剛度之外，螺釘?shù)呐挪挤绞?、螺釘?shù)臄?shù)量都會(huì)對(duì)間隙的分布有著顯著的影響。同時(shí)，考慮到并非整塊快插板都會(huì)被熱界面材料覆蓋，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，只需要確保有熱界面材料的區(qū)域具有小且均勻的間隙即可滿足應(yīng)用的要求。

06什么樣的螺釘布置方案比較好？

快插板一般面積較小，常見(jiàn)的螺釘鎖付方案有4螺釘鎖付與3螺釘鎖付兩種。那么到底哪種螺釘鎖付方案更好，螺釘孔又應(yīng)該以什么樣的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行布置？本文將借助有限元仿真的手段對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行對(duì)比分析。

簡(jiǎn)化的快插板螺釘方案示意圖

首先將快插板簡(jiǎn)化為一塊88mm * 51.5mm *1.6mm 的長(zhǎng)方體，并分別建立4螺釘與3螺釘?shù)姆抡婺Ｐ停總€(gè)螺釘?shù)姆ㄏ蜴i緊力為3000N。對(duì)于4螺釘方案，認(rèn)為螺釘分別關(guān)于長(zhǎng)方體的長(zhǎng)軸與短軸對(duì)稱布置，因此螺釘位置信息僅有S1（螺釘孔圓心與長(zhǎng)軸間的距離）與S2（螺釘孔圓心與短軸間的距離）。對(duì)于3螺釘方案，認(rèn)為是僅關(guān)于短軸對(duì)稱的三角形布置，因此螺釘位置信息有T1（非短軸上螺釘孔圓心與長(zhǎng)軸間的距離）、T2（短軸上螺釘孔圓心與長(zhǎng)軸間的距離）以及T3（非短軸上螺釘孔圓心與短軸間的距離）。仿真對(duì)比的具體螺釘孔位置信息見(jiàn)表1。其中T1被固定為12.25mm，以縮減仿真數(shù)量。

觀察4螺釘方案的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

a. 當(dāng)S2越大時(shí)，短軸上的撓度越平均，不過(guò)幅值也會(huì)變得越大。這表示如果器件沿短軸布置，多個(gè)器件下的熱界面材料厚度將比較均勻，但是總體厚度偏大；

b. 當(dāng)S1越大時(shí)，短軸上的撓度均勻性將更好，不過(guò)這種效應(yīng)在S2較大時(shí)幾乎徹底消失。這表示如果器件沿短軸布置時(shí)，S1的影響較??；

c. 對(duì)于特定的S1，存在一個(gè)S2的拐點(diǎn)，當(dāng)遠(yuǎn)離拐點(diǎn)時(shí)，長(zhǎng)軸上的撓度均勻性非常差。并且即使通過(guò)減小S2的大?。ㄊ孤葆斞亻L(zhǎng)軸布置的更緊湊）來(lái)創(chuàng)造出局部的撓度均勻區(qū)域，螺釘鎖付區(qū)域外則會(huì)因?yàn)槁N起過(guò)度且無(wú)約束而大大增加系統(tǒng)共振風(fēng)險(xiǎn)。這表示器件如果沿長(zhǎng)軸布置，需要通過(guò)仿真或者DOE實(shí)驗(yàn)找到一個(gè)較佳的位置，否則將很難保證器件下的熱界面材料的厚度均勻性；

d. 本文里的4螺釘較佳方案為S1=17.25mm，S2=29mm。它長(zhǎng)軸上的平均撓度為0.0171mm，最大最小撓度差為8.68e-3mm，最大撓度區(qū)域?yàn)榭觳灏蹇拷?a target="_blank">中心處。

4螺釘方案撓度云圖

4螺釘方案短軸與長(zhǎng)軸撓度結(jié)果匯總

4螺釘較優(yōu)方案，S1=17.25mm，S2=29mm

觀察3螺釘方案的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

a. 由于短軸上有螺釘，因此3螺釘方案中只考慮器件沿長(zhǎng)軸布置的；

b. 當(dāng)T3越大時(shí)，長(zhǎng)軸上的撓度越均勻，并且長(zhǎng)軸遠(yuǎn)端的撓度值越??；

c. 當(dāng)T2越小時(shí)，靠近快插板中心區(qū)域的撓度越小，此時(shí)遠(yuǎn)端的撓度幾乎無(wú)任何改變；

d. 本文里的3螺釘較佳方案為T(mén)1=12.25mm，T2=12.25mm，T3=39mm。它長(zhǎng)軸上的平均撓度為0.0175mm，最大最小撓度差為5.97e-3mm，最大撓度區(qū)域?yàn)檫h(yuǎn)離中心處。

3螺釘方案撓度云圖

3螺釘方案長(zhǎng)軸撓度結(jié)果匯總

Conclusion

結(jié)論

根據(jù)上文的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論是4螺釘方案還是3螺釘方案，都可以通過(guò)DOE手段找到比較理想的排布方式。但是兩者相比，依然有以下差異：

a.4螺釘方案撓度最大區(qū)域在靠近中心位置，而3螺釘方案則在遠(yuǎn)離中心位置撓度最大?？紤]到高功耗器件需要有足夠面積的板內(nèi)覆銅進(jìn)行散熱，一般不太會(huì)放置在快插板邊緣區(qū)域，因此這一點(diǎn)上3螺釘方案比4螺釘方案更優(yōu)；

b.4螺釘方案偏離螺釘最佳位置后，整體撓度變化劇烈，而3螺釘方案即使偏離最佳位置，整體撓度變化仍較為緩慢。從這一點(diǎn)上考慮，3螺釘方案同樣比4螺釘方案更優(yōu)；

綜上，在布局空間允許的條件下，建議類似文中EVB快插板的表貼式功率器件全橋板優(yōu)先選用3螺釘方案。

但，如果布局空間受限，4螺釘方案也完全可以接受，但設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行充分的DOE分析以找到較優(yōu)的螺釘孔位置。

07其他場(chǎng)景下螺釘布置應(yīng)該如何選擇？

EVB快插板由于尺寸較小，因此大多以3螺釘或者4螺釘方案為主。當(dāng)需要鎖付的PCB尺寸較大、PCB形狀不規(guī)整或者功率器件數(shù)量較多時(shí)，可能會(huì)需要使用6螺釘、8螺釘乃至更多數(shù)量的螺釘對(duì)PCB進(jìn)行鎖付。此時(shí)本文關(guān)于EVB快插板的分析結(jié)論雖不能簡(jiǎn)單地直接引用，但是分析流程是相同的。大致的分析流程可以總結(jié)為：

1. 確定要對(duì)比的螺釘方案（不同螺釘數(shù)量）；

2. 確定大致的器件布置區(qū)域以及器件排列方式（如1*4或者2*2）；

3. 以器件布置區(qū)域的中心為原點(diǎn)，對(duì)PCB進(jìn)行十字分割；

4. 建立每種方案的DOE螺釘位置矩陣；

5. 按照位置矩陣進(jìn)行有限元分析；

6. 以PCB十字分割中心點(diǎn)為原點(diǎn)，提取分割邊界的撓度數(shù)值，并繪制曲線；

7. 尋找在器件布置區(qū)域撓度均值與撓度方差均較小的方案；

8. 確認(rèn)當(dāng)螺釘位置偏離最佳位置后的撓度均值與撓度方差的變化情況；

9. 根據(jù)7與8的結(jié)果，并結(jié)合PCB的設(shè)計(jì)空間對(duì)螺釘?shù)牟贾梅桨高M(jìn)行選擇。

審核編輯：湯梓紅