電機(jī)驅(qū)動器PCB布局設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動 IC 傳遞大量電流的同時(shí)也耗散了大量電能。通常，能量會耗散到印刷電路板（PCB）的鋪銅區(qū)域。為保證PCB充分冷卻，需要依靠特殊的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)。

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，使用過孔連接到內(nèi)層板，將熱量傳遞出來。

由于雙層 PCB 中存在走線和元器件，散熱也會更加困難。 所以電機(jī)驅(qū)動IC應(yīng)該使用盡可能多的實(shí)心銅板和利于散熱的過孔。將銅澆鑄在外層板的兩邊，使用過孔將它們連接起來，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 IC 的電流很大（有時(shí)超過 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產(chǎn)生過多的能量耗散而導(dǎo)致走線溫度升高?？墒翘?xì)的走線就像電熔絲一樣很容易被燒斷。

設(shè)計(jì)師通常會采用 IPC-2221 標(biāo)準(zhǔn)來計(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電流需要剛好7mm寬的走線來實(shí)現(xiàn)10°C的溫升，那么對于1A的電流來說，僅需0.3mm的走線即可。

如果根據(jù)這種方法推算的話，似乎無法通過微型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?，?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)動應(yīng)用中長走線（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。

熱過孔——越多越好！

過孔是一種小的鍍孔，通常用于將信號走線從一層傳遞到另一層。 顧名思義，熱過孔是將熱量從一層傳遞到另一層。適當(dāng)?shù)厥褂脽徇^孔可以有效幫助PCB散熱，但也需要考慮實(shí)際生產(chǎn)中的諸多問題。

過孔具有熱阻，這就意味著每當(dāng)熱量流經(jīng)時(shí)，過孔兩端會有一定溫差，其測量單位為攝氏度/每瓦特。所以，為最大限度地降低熱阻，提高過孔的散熱效率，過孔應(yīng)設(shè)計(jì)大一點(diǎn)，且孔內(nèi)的覆銅面積越大越好（見圖2）。

圖 2：過孔橫截面

雖然可以在PCB的開放區(qū)域使用大的過孔，但是，過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，不可能使用大過孔，因?yàn)殡婂兛走^大會導(dǎo)致“滲錫”，其中用于連接IC至PCB的焊料會往下流入通孔，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孔，以減少滲入孔內(nèi)的焊料。然而，過孔越小熱阻越高，因此想要達(dá)到相同的散熱性能，需要更多的小過孔才行。

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

但這又會帶來另一問題：助焊劑滯留。如果使用阻焊層蓋住過孔，那么助焊劑會滯留在過孔內(nèi)部。有些助焊劑配方具有腐蝕性，長時(shí)間不去除的話會影響芯片的可靠性。所幸大多數(shù)現(xiàn)代免清洗助焊劑工藝都是無腐蝕性的，不會引起問題。

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（見圖3）。

圖 3：熱過孔

建議PCB設(shè)計(jì)師與PCB組裝廠的SMT制程工程師協(xié)商出最佳的過孔尺寸和構(gòu)造，尤其當(dāng)過孔位于散熱焊盤內(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)格書不一定會指定焊盤焊膏的開口。通常，SMT制程工程師對放多少焊料，過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)，其張力會使器件表面鼓起。另外，還會引起焊料空洞（焊錫內(nèi)部凹洞或間隙）。當(dāng)焊料回流過程中助焊劑的揮發(fā)性物質(zhì)蒸發(fā)或沸騰時(shí)，會發(fā)生焊料空洞。這會導(dǎo)致接合處的焊料析出。

為了解決這些問題，對于面積大于約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。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，以免造成焊料析出。

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IC會使用自舉電容或充電泵電容，這些也應(yīng)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(jī)驅(qū)動的雙層板PCB布局。大部分信號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)過孔，在更換層的位置使用多個(gè)過孔。

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IC封裝方法和PCB布局。

下篇

在本文上篇 文章中就使用電機(jī)驅(qū)動器 IC 設(shè)計(jì)PCB板提供了一些一般性建議，要求對 PCB 進(jìn)行精心的布局以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)性能。在本文下篇中，將針對使用典型封裝的電機(jī)驅(qū)動器，提供一些具體的 PCB 布局建議。

引線封裝布局

標(biāo)準(zhǔn)的引線封裝（如 SOIC 和 SOT-23 封裝）通常用于低功率電機(jī)驅(qū)動器中（圖 6）。

圖 6: SOT 23 和 SOIC 封裝

為了充分提高引線封裝的功耗能力，MPS公司采用 “倒裝芯片引線框架” 結(jié)構(gòu)（圖 7）。在不使用接合線的情況下，使用銅凸點(diǎn)和焊料將芯片粘接至金屬引線，從而可通過引線將熱量從芯片傳導(dǎo)至 PCB。

圖 7: 倒裝芯片引線框架

通過將較大的銅區(qū)域連接至承載較大電流的引線，可優(yōu)化熱性能。在電機(jī)驅(qū)動器 IC 上，通常電源、接地和輸出引腳均連接至銅區(qū)域。

圖 8: 倒裝芯片 SOIC PCB 布局

圖 8 所示為“倒裝芯片引線框架”SOIC 封裝的典型 PCB 布局。引腳 2 為器件電源引腳。請注意，銅區(qū)域置于頂層器件的附近，同時(shí)幾個(gè)熱通孔將該區(qū)域連接至 PCB 背面的銅層。引腳 4 為接地引腳，并連接至表層的接地覆銅區(qū)。引腳 3（器件輸出）也被路由至較大的銅區(qū)域。

QFN 和 TSSOP 封裝

TSSOP 封裝為長方形，并使用兩排引腳。電機(jī)驅(qū)動器 IC 的 TSSOP 封裝通常在封裝底部帶有一個(gè)較大的外露板，用于排除器件中的熱量（圖9）。

圖 9: TSSOP 封裝

QFN 封裝為無引線封裝，在器件外緣周圍帶有板，器件底部中央還帶有一個(gè)更大的板（圖 10）。這個(gè)更大的板用于吸收芯片中的熱量。.

圖 10: QFN 封裝

為排除這些封裝中的熱量，外露板必須進(jìn)行良好的焊接。外露板通常為接地電位，因此可以接入 PCB 接地層。在圖 11 的 TSSOP 封裝的示例中，采用了一個(gè) 18 通孔陣列，鉆孔直徑為 0.38 mm。該通孔陣列的計(jì)算熱阻約為 7.7°C/W。

圖 11: TSSOP PCB 布局

通常，這些熱通孔使用 0.4 mm 及更小的鉆孔直徑，以防止出現(xiàn)滲錫。如果 SMT 工藝要求使用更小的孔徑，則應(yīng)增加孔數(shù)，以盡可能保持較低的整體熱阻。

除了位于板區(qū)域的通孔，IC 主體外部區(qū)域也設(shè)有熱通孔。在 TSSOP 封裝中，銅區(qū)域可延伸至封裝末端之外，這為器件中的熱量穿過頂部的銅層提供了另一種途徑。

QFN 器件封裝邊緣四周的板避免在頂部使用銅層吸收熱量。必須使用熱通孔將熱量驅(qū)散至內(nèi)層或 PCB 的底層。

圖 12 中的 PCB 布局所示為一個(gè)小型的 QFN (4 × 4 mm) 器件。在外露板區(qū)域中，只容納了九個(gè)熱通孔。(見圖 12) 因此，該 PCB 的熱性能不及圖 11 中所示的 TSSOP 封裝。

圖 12: QFN (4mmx4mm) 布局

倒裝芯片 QFN 封裝

倒裝芯片 QFN (FCQFN) 封裝與常規(guī)的 QFN 封裝類似，但其芯片采取倒裝的方式直接連接至器件底部的板上，而不是使用接合線連接至封裝板上。這些板可以置于芯片上的發(fā)熱功率器件的反面，因此它們通常以長條狀而不是小板狀布置（見圖13）。

圖 13: FCQFN 封裝

這些封裝在芯片的表面采用了多排銅凸點(diǎn)粘接至引線框架（圖 14）。

圖 14: FCQFN 結(jié)構(gòu)

小通孔可置于板區(qū)域內(nèi)，類似于常規(guī) QFN 封裝。在帶有電源和接地層的多層板上，通孔可直接將這些板連接至各層。在其他情況下，銅區(qū)域必須直接連接至板，以便將 IC 中的熱量吸入較大的銅區(qū)域中。

圖15: FCQFN PCB 布局

圖15 顯示了所示為 MPS 公司的功率級 IC MP6540。該器件具有較長的電源和接地板，以及三個(gè)輸出口。請注意，該封裝只有 5mmx5mm。

器件左側(cè)的銅區(qū)域?yàn)楣β瘦斎肟?。這個(gè)較大的銅區(qū)域直接連接至器件的兩個(gè)電源板。

三個(gè)輸出板連接至器件右側(cè)的銅區(qū)域。注意銅區(qū)域在退出板之后盡可能地?cái)U(kuò)展。這樣可以充分將熱量從板傳遞到環(huán)境空氣中。

同時(shí)，注意器件右側(cè)兩個(gè)板中的數(shù)排小通孔。這些板均進(jìn)行了接地，且 PCB 背面放置了一個(gè)實(shí)心接地層。這些通孔的直徑為 0.46 mm，鉆孔直徑為 0.25 mm。通孔足夠小，適合置于板區(qū)域內(nèi)。

綜上所述，為了使用電機(jī)驅(qū)動器 IC實(shí)施成功的 PCB 設(shè)計(jì)，必須對 PCB 進(jìn)行精心的布局。因此，本文提供了一些實(shí)用性的建議，以期望可以幫助 PCB 設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)PCB板良好的電氣和熱性能。

作者：Pete Millett, Technical Marketing Engineer, Monolithic Power Systems，來源：MPS

審核編輯：湯梓紅