【導讀】功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化矽SiC高gao功gong率lv密mi度du的de基ji礎chu，隻zhi有you掌zhang握wo功gong率lv半ban導dao體ti的de熱re設she計ji基ji礎chu知zhi識shi
，才cai能neng完wan成cheng精jing確que熱re設she計ji，提ti高gao功gong率lv器qi件jian的de利li用yong率lv，降jiang低di係xi統tong成cheng本ben，並bing保bao證zheng係xi統tong的de可ke靠kao性xing。

前言

功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化矽SiC高gao功gong率lv密mi度du的de基ji礎chu，隻zhi有you掌zhang握wo功gong率lv半ban導dao體ti的de熱re設she計ji基ji礎chu知zhi識shi
，才cai能neng完wan成cheng精jing確que熱re設she計ji，提ti高gao功gong率lv器qi件jian的de利li用yong率lv，降jiang低di係xi統tong成cheng本ben，並bing保bao證zheng係xi統tong的de可ke靠kao性xing。

功率器件熱設計基礎係列文章會比較係統地講解熱設計基礎知識
，相關標準和工程測量方法。

功率半導體的電流密度

隨(sui)著(zhe)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)芯(xin)片(pian)損(sun)耗(hao)降(jiang)低(di)，最(zui)高(gao)工(gong)作(zuo)結(jie)溫(wen)提(ti)升(sheng)
，器(qi)件(jian)的(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)

，也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)，相(xiang)同(tong)的(de)器(qi)件(jian)封(feng)裝(zhuang)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)更(geng)大(da)電(dian)流(liu)規(gui)格(ge)的(de)芯(xin)片(pian)
，使(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)更(geng)大(da)，但(dan)同(tong)時(shi)實(shi)際(ji)的(de)損(sun)耗(hao)和(he)發(fa)熱(re)量(liang)也(ye)會(hui)明(ming)顯(xian)增(zeng)大(da)。

功率器件中的分立器件、Easy係列模塊，Econo係列模塊都是PCB安裝式封裝，當單個器件電流的增加，對PCB熱設計是個挑戰。

PCB載流能力

當器件功率密度提升，單一管腳的電流增加
，如IKQ150N65EH7，一個TO-247封裝的150A 650V單管，其集電極直流電流是160A，限製是引線。那麼在芯片散熱允許的情況下，設計中不希望PCB成為器件輸出電流的瓶頸，這樣的話才能最大限度利用器件，不因為PCB限製而降額使用，以降低係統成本。

PCB設計規範

PCB是成熟的技術
，已經形成標準化的設計規範，現在也有PCB的創新設計
，以提高PCB的載流能力。

在PCB行業中
，覆銅板的厚度用重量單位盎司表示，1oz意思是重量1oz的銅均勻平鋪在1平方英尺的麵積上所達到的厚度。PCB規格從0.5-10oz不等
，常用的規格如下圖
，但在製作印刷電路板時還可以加厚，適當提高載流能力。

PCB載流能力的設計原則

印刷電路板載流能力決定於走線損耗，其可通過以下方式估算：

保守圖表適用於外層和內層走線、常見PCB材料和厚度等，從該圖表中獲得的值非常安全，在任何情況（除真空外的環境）下都有效，不考慮其他變量。

工程師按照保守圖表做設計時，PCB麵積、成本
、不是最優的
，能滿足一般電流和溫升設計要求。

Econo封裝的PCB設計

在設計PCB時
，可以利用IPC標準中圖表進行計算，英飛淩的應用指南也給出了針對特定模塊的設計參考。

針腳溫度

在功率線路板熱設計時，第一步應該了解針腳的在實際線路板上載流能力。下圖是Econo 2單一針腳和Econo 3三(san)腳(jiao)並(bing)聯(lian)的(de)圖(tu)表(biao)
，由(you)於(yu)針(zhen)腳(jiao)損(sun)耗(hao)造(zao)成(cheng)的(de)熱(re)大(da)部(bu)分(fen)通(tong)過(guo)線(xian)路(lu)板(ban)散(san)掉(diao)，通(tong)過(guo)模(mo)塊(kuai)銅(tong)基(ji)板(ban)到(dao)散(san)熱(re)器(qi)路(lu)徑(jing)可(ke)以(yi)忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)。圖(tu)表(biao)給(gei)出(chu)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)溫(wen)度(du)下(xia)的(de)值(zhi)。

圖(tu)表(biao)也(ye)僅(jin)僅(jin)是(shi)個(ge)在(zai)一(yi)定(ding)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)案(an)例(li)
，整(zheng)個(ge)熱(re)力(li)係(xi)統(tong)的(de)相(xiang)互(hu)依(yi)存(cun)關(guan)係(xi)過(guo)於(yu)複(fu)雜(za)
，並(bing)取(qu)決(jue)於(yu)各(ge)種(zhong)應(ying)用(yong)限(xian)製(zhi)
，因(yin)此(ci)無(wu)法(fa)做(zuo)出(chu)任(ren)何(he)一(yi)般(ban)性(xing)說(shuo)明(ming)。

PCB走線上的熱分布

對於一條PCB走線，功率針腳一頭一般比較熱
，熱量會沿著走線流向溫度低的另外一頭，分析其溫度分布梯度，發現最熱並不在針腳位置。

仿真案例中，200mm的直線走線
，藍線的最熱距離針腳60mm。橫截麵大，最高溫度就越低，而且遠離針腳。

仿真僅僅提示一種現象，原型樣機PCB用熱成像儀測試最壞情況是非常必要的。

PCB熱設計設計是一個工程化設計，與各種條件有關，可以參考國際電子工業聯接協會標準IPC-2221《印製板設計通用標準》和IPC-2152《印刷板設計中電流承載能力的確定標準》

，對於原型樣機建議進行必要的熱測試。

(文章來源：英飛淩工業半導體，作者：陳子穎)

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