大廠PCB設計指南

硬件筆記本

點擊上方名片關注了解更多
' n* \( E% F# n3 R. m( H5 S# X3 e
' {) }: M. W" P, F
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)氧樹脂）是一種不良導熱體。因此，從熱管理的角度來看，PCB的鋪銅區(qū)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，厚銅不但價格昂貴，而且也很難實現(xiàn)精細的幾何形狀。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1盎司。
( r% p- e5 j  R; o$ {) n多層板中的內層板常采用實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，使用過孔連接到內層板，將熱量傳遞出來。
9 `: T- x" O$ j# R* }* `, M) W由于雙層 PCB 中存在走線和元器件，散熱也會更加困難。  所以電機驅動IC應該使用盡可能多的實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。
$ ~4 x% u1 Y) P7 S4 L+ N! k走線一定要寬—越寬越好
因為流經(jīng)電機驅動 IC 的電流很大（有時超過 10A），所以應仔細考慮接入芯片的 PCB 走線寬度。走線越寬電阻越小。必須調整好走線的寬度，才能保證走線中的電阻不會產(chǎn)生過多的能量耗散而導致走線溫度升高�？墒翘�細的走線就像電熔絲一樣很容易被燒斷。
- L8 {( |! x3 ]9 D8 g  C: x( |設計師通常會采用 IPC-2221 標準來計算合適的走線粗細。該規(guī)范有個圖表，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載10A電流需要剛好7mm寬的走線來實現(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焊盤運行10A電流。
所以，需要重點了解的是 IPC-2221標準中，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。這是因為短而窄的PCB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。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3A的持續(xù)電流，因為走線被加寬到了盡可能接近器件的實際寬度。
# U3 F4 V5 f2 G  j: c7 U$ g
) ~: `' a" i+ S, \$ R8 m圖1：加寬PCB走線由于較窄走線所產(chǎn)生的熱量會傳導至較寬的鋪銅區(qū)域，所以窄走線的溫升可以忽略不計。嵌在PCB內層板中的走線散熱效果不如外層走線，因為絕緣體的導熱效果不佳。正因為如此，內層走線的寬度應為外層走線的兩倍。表1 大致給出了電機驅動應用中長走線（大于2cm)的推薦寬度。

電流(RMS 或 DC)	走線寬度為1盎司鋪銅	走線寬度為2盎司鋪銅
外層板	內層板	外層板	內層板
≤1A	0.6mm	1.2mm	0.3mm	0.6mm
2.5A	1mm	2mm	0.5mm	1mm
5A	2.5mm	5mm	1.2mm	2.5mm
10A	7mm	14mm	3.5mm	7mm

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?shù)厥褂脽徇^孔可以有效幫助PCB散熱，但也需要考慮實際生產(chǎn)中的諸多問題。過孔具有熱阻，這就意味著每當熱量流經(jīng)時，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，過孔應設計大一點，且孔內的覆銅面積越大越好（見圖2）。
6 w8 X( R& z) i8 L% R
. |9 @4 F4 ?# ?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，不可能使用大過孔，因為電鍍孔過大會導致“滲錫”，其中用于連接IC至PCB的焊料會往下流入通孔，導致焊點不良。有幾種方法可以減少“滲錫”。一種是使用非常小的過孔，以減少滲入孔內的焊料。然而，過孔越小熱阻越高，因此想要達到相同的散熱性能，需要更多的小過孔才行。另一種技術是“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部。有些助焊劑配方具有腐蝕性，長時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
4 z0 j! [' ]  f建議pcb設計師與PCB組裝廠的smt制程工程師協(xié)商出最佳的過孔尺寸和構造，尤其當過孔位于散熱焊盤內部時。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。當焊料熔化時，其張力會使器件表面鼓起。另外，還會引起焊料空洞（焊錫內部凹洞或間隙）。當焊料回流過程中助焊劑的揮發(fā)性物質蒸發(fā)或沸騰時，會發(fā)生焊料空洞。這會導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小的正方形或圓形區(qū)域中（見圖4）。將焊料分布在多個較小的區(qū)域里可以使助焊劑的揮發(fā)性物質更容易揮發(fā)出來，以免造成焊料析出。
5 M2 |: e) W" U( D: W- Q: X# N
- Y. H) r2 d. ~1 r+ z4 l# n2 h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模具開口。也可以參考網(wǎng)上的一些論文。元件貼裝電機驅動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IC會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步進電機驅動的雙層板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，并在底層使用多個過孔，在更換層的位置使用多個過孔。
7 Y3 _! R/ f! _& U' u. y
" f8 w: B' y7 s5 m' a7 K9 t: c- A圖5: MP6600元件貼裝以上就使用電機驅動器 IC 設計PCB板提供了一些一般性建議，要求對PCB進行精心的布局以實現(xiàn)適當性能。接下來，將針對使用典型封裝的電機驅動器，提供一些具體的 PCB 布局建議。引線封裝布局
' K! X- S% r6 Q( H5 C5 {/ J標準的引線封裝（如SOIC和SOT-23封裝）通常用于低功率電機驅動器中（圖 6）。
2 b, T( q* |( R
  ^6 |5 @4 `, ~' M4 g: P' U9 K# V圖6: SOT23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” 結構（圖 7）。在不使用接合線的情況下，使用銅凸點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至 PCB。

" z9 M; C4 w& y9 u2 Z0 q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。在電機驅動器IC上，通常電源、接地和輸出引腳均連接至銅區(qū)域。
0 C; O; k9 L& ~* Q+ o$ R# `
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，同時幾個熱通孔將該區(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。電機驅動器 IC 的 TSSOP 封裝通常在封裝底部帶有一個較大的外露板，用于排除器件中的熱量（圖9）。

: _$ |( @4 X' k- _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更大的板（圖 10）。這個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 18 通孔陣列，鉆孔直徑為 0.38 mm。該通孔陣列的計算熱阻約為 7.7°C/W。
" _5 W& W  J# c% I: R& {$ 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散至內層或 PCB 的底層。圖 12 中的 PCB 布局所示為一個小型的 QFN (4 × 4 mm) 器件。在外露板區(qū)域中，只容納了九個熱通孔。(見圖 12) 因此，該 PCB 的熱性能不及圖 11 中所示的 TSSOP 封裝。
0 s! S( W6 u+ l. \3 ^" n# ]* Y
$ M( }4 I6 A7 f: G; j+ ^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）。
$ J, l  ]) _. Y" [) t0 d
圖13: FCQFN封裝這些封裝在芯片的表面采用了多排銅凸點粘接至引線框架（圖14）。

圖14: FCQFN結構小通孔可置于板區(qū)域內，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。
, F; X4 ]: Z7 T0 C7 e
4 i% Q" M/ {( G' x& L+ h$ C圖15: FCQFN PCB布局圖15顯示了MPS 公司的功率級 IC MP6540 。該器件具有較長的電源和接地板，以及三個輸出口。請注意，該封裝只有 5mmx5mm。器件左側的銅區(qū)域為功率輸入口。這個較大的銅區(qū)域直接連接至器件的兩個電源板。三個輸出板連接至器件右側的銅區(qū)域。注意銅區(qū)域在退出板之后盡可能地擴展。這樣可以充分將熱量從板傳遞到環(huán)境空氣中。同時，注意器件右側兩個板中的數(shù)排小通孔。這些板均進行了接地，且 PCB 背面放置了一個實心接地層。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。綜上所述，為了使用電機驅動器IC實施成功的 PCB 設計，必須對 PCB 進行精心的布局。因此，本文提供了一些實用性的建議，以期望可以幫助 PCB 設計人員實現(xiàn)PCB板良好的電氣和熱性能。


聲明：
聲明：文章來源網(wǎng)絡。本號對所有原創(chuàng)、轉載文章的陳述與觀點均保持中立，推送文章僅供讀者學習和交流。文章、圖片等版權歸原作者享有，如有侵權，聯(lián)系刪除。投稿/招聘/推廣/宣傳 請加微信：woniu26a推薦閱讀▼
電路設計-電路分析
emc相關文章
電子元器件
/ I' X$ ?: B) q后臺回復“加群”，管理員拉你加入同行技術交流群。