使用大面積鋪銅！

 

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

 

如2盎司（68微米厚）的厚銅板相比較薄的銅板導(dǎo)熱效果更好。  然而，厚銅不但價(jià)格昂貴，而且也很難實(shí)現(xiàn)精細(xì)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(dá)1盎司。

 

多層板中的內(nèi)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(nèi)部。那么，可以在 PCB 的外層板上添加鋪銅區(qū)域，使用過(guò)孔連接到內(nèi)層板，將熱量傳遞出來(lái)。

 

由于雙層 PCB 中存在走線和元器件，散熱也會(huì)更加困難。  所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC應(yīng)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和元器件隔開的不同區(qū)域。

 

走線一定要寬—越寬越好！

 

因?yàn)榱鹘?jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng) IC 的電流很大（有時(shí)超過(guò) 10A），所以應(yīng)仔細(xì)考慮接入芯片的 PCB 走線寬度。走線越寬電阻越小。必須調(diào)整好走線的寬度，才能保證走線中的電阻不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的能量耗散而導(dǎo)致走線溫度升高。可是太細(xì)的走線就像電熔絲一樣很容易被燒斷。

 

設(shè)計(jì)師通常會(huì)采用 IPC-2221 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算合適的走線粗細(xì)。該規(guī)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(jù)給定的銅層厚度下?lián)Q算出走線寬度。比如，1盎司厚度的銅層中負(fù)載10A電流需要?jiǎng)偤?mm寬的走線來(lái)實(shí)現(xiàn)10°C的溫升，那么對(duì)于1A的電流來(lái)說(shuō)，僅需0.3mm的走線即可。

 

如果根據(jù)這種方法推算的話，似乎無(wú)法通過(guò)微型IC焊盤運(yùn)行10A電流。

 

所以，需要重點(diǎn)了解的是 IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)中，用于恒定寬度的長(zhǎng)PCB走線寬度建議。如果走線是連接到較大的走線或鋪銅區(qū)，那么采用PCB走線的一小段傳遞更大的電流則沒(méi)有不良影響。這是因?yàn)槎潭腜CB走線電阻很小，而且其產(chǎn)生的熱量都被吸入到更寬的鋪銅區(qū)域內(nèi)。從圖1的示例中可以看出：即使此器件中的散熱焊盤只有0.4mm寬，也能承載高達(dá)3A的持續(xù)電流，因?yàn)樽呔€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

 

由于較窄走線所產(chǎn)生的熱量會(huì)傳導(dǎo)至較寬的鋪銅區(qū)域，所以窄走線的溫升可以忽略不計(jì)。

 

嵌在PCB內(nèi)層板中的走線散熱效果不如外層走線，因?yàn)榻^緣體的導(dǎo)熱效果不佳。正因?yàn)槿绱耍瑑?nèi)層走線的寬度應(yīng)為外層走線的兩倍。

 

表1 大致給出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中長(zhǎng)走線（大于2cm)的推薦寬度。

 

表 1: PCB走線寬度

 

如果空間允許，越寬的走線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(hào)走線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(dāng)?shù)厥褂脽徇^(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，這就意味著每當(dāng)熱量流經(jīng)時(shí)，過(guò)孔兩端會(huì)有一定溫差，其測(cè)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(yīng)設(shè)計(jì)大一點(diǎn)，且孔內(nèi)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的開放區(qū)域使用大的過(guò)孔，但是，過(guò)孔常常被放在散熱焊盤的內(nèi)部，因?yàn)檫@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?yàn)殡婂兛走^(guò)大會(huì)導(dǎo)致“滲錫”，其中用于連接IC至PCB的焊料會(huì)往下流入通孔，導(dǎo)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(nèi)的焊料。然而，過(guò)孔越小熱阻越高，因此想要達(dá)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(nèi)部。有些助焊劑配方具有腐蝕性，長(zhǎng)時(shí)間不去除的話會(huì)影響芯片的可靠性。所幸大多數(shù)現(xiàn)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(qū)域（見(jiàn)圖3）。

 

圖 3：熱過(guò)孔

 

建議PCB設(shè)計(jì)師與PCB組裝廠的SMT制程工程師協(xié)商出最佳的過(guò)孔尺寸和構(gòu)造，尤其當(dāng)過(guò)孔位于散熱焊盤內(nèi)部時(shí)。

 

焊接散熱焊盤

 

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

 

IC規(guī)格書不一定會(huì)指定焊盤焊膏的開口。通常，SMT制程工程師對(duì)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(guī)則。

 

如果使用和焊盤大小一樣的開口，則需要使用更多的焊料。當(dāng)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(nèi)部凹洞或間隙）。當(dāng)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(dǎo)致接合處的焊料析出。

 

為了解決這些問(wèn)題，對(duì)于面積大于約2mm2的焊盤，焊膏通常沉積在幾個(gè)小的正方形或圓形區(qū)域中（見(jiàn)圖4）。將焊料分布在多個(gè)較小的區(qū)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(shè)計(jì)師與SMT制程工程師共同協(xié)商出正確的散熱焊盤模具開口。也可以參考網(wǎng)上的一些論文。

 

元件貼裝

 

電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的元件貼裝指南與其他電源IC相同。旁路電容應(yīng)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(jī)驅(qū)動(dòng)IC會(huì)使用自舉電容或充電泵電容，這些也應(yīng)放在IC附近。

 

請(qǐng)參考圖5中的元件貼裝示例。圖5顯示了MP6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙層板PCB布局。大部分信號(hào)走線直接布置在頂層。電源走線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(xì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC封裝方法和PCB布局。

 

 

推薦閱讀：