上期回顧：電源界的“動(dòng)車組列車”——多相電源

本期內(nèi)容

電源芯片溫升過高是讓很多工程師朋友們頭痛的問題，其中 PCB 散熱優(yōu)化是降低芯片溫升的一個(gè)重要方式，今天我們來給大家分享：PCB 散熱處理！

“能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失”這就是大名鼎鼎的能量守恒定律，熱量也是如此。

芯片的溫度是熱量的一種表現(xiàn)形式。如果在特定狹窄空間內(nèi)集中，溫度就會(huì)升高；如果在大范圍內(nèi)分散，溫度就會(huì)降低。

所以優(yōu)化 PCB 散熱，要先清楚兩點(diǎn)：

1.熱量在哪里產(chǎn)生？

2.熱量通過什么途徑發(fā)散出去？

芯片熱量的產(chǎn)生主要是在內(nèi)部晶圓上，其熱量的傳導(dǎo)主要有兩種途徑：

第一種是晶圓->樹脂封裝->通過空氣對(duì)流的形式發(fā)散到空氣中：

圖 1：第一種熱傳導(dǎo)途徑

第二種是晶圓->金屬引腳或?qū)釅K->PCB 板->發(fā)散到空氣中：

圖 2：第二種熱傳導(dǎo)途徑

在 IC 內(nèi)部，由于金屬的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)大于樹脂封裝導(dǎo)熱率，所以大部分熱量是通過金屬引腳或?qū)釅K轉(zhuǎn)移到封裝外。

優(yōu)化 PCB layout 散熱，我們可以采取以下方式：

1. PCB 布局之初避免多個(gè)發(fā)熱源（例如多個(gè)電源芯片、功率 MOS、功耗大的 MCU 等）集中在整個(gè) PCB 板的局部，這樣難免導(dǎo)致熱量的局部疊加。應(yīng)當(dāng)發(fā)熱源之間留有一定空間，使得 PCB 整板散熱更均勻。

2. 畫器件封裝引腳焊盤時(shí)，應(yīng)遵循推薦焊盤設(shè)計(jì)規(guī)則，比芯片引腳面積多留出一些。

這是因?yàn)槿绻庋b引腳焊盤面積小，上錫焊接過后，焊錫與引腳、PCB 板的接觸面積都小，導(dǎo)熱效果不佳，且容易虛焊。如果封裝引腳焊盤適當(dāng)面積留大，上錫焊接過后，焊錫與引腳、與 PCB 板有更大的接觸面積，導(dǎo)熱效果更好。

圖 3：增大封裝引腳焊盤面積，優(yōu)化導(dǎo)熱效果

3. 為了增加 PCB 散熱，可以增大電源線以及地線的鋪銅面積，通過更大的鋪銅面積來快速傳遞熱量，如圖所示：

圖 4：增大電源線和地線鋪銅面積

4. 如果 PCB 工藝可選，增加銅厚可以擁有更大橫截面積，增強(qiáng) PCB 走線導(dǎo)熱能力。

5. PCB 板不同層使用的銅厚不同，導(dǎo)熱能力也不同。

對(duì)于多層板，一般工藝中頂層、底層一般為 1oz（盎司）銅厚，中間層為 0.5oz 銅厚, 所以頂層與底層鋪銅的導(dǎo)熱能力要高于中間層。并且由于頂層、底層銅箔更接近空氣，更容易把熱量發(fā)散出去。

如果中間層作為大面積鋪銅，熱量的傳遞需要先經(jīng)過中間銅箔，再經(jīng)由絕緣隔離層以及頂層、底層銅箔才能散發(fā)到空氣中，熱量自然不容易分散，導(dǎo)致芯片溫度過高。所以地線鋪銅策略很重要。

圖 5：頂層、底層的大面積鋪銅更有助于散熱

6. 增加熱過孔，一般而言熱過孔數(shù)量越多導(dǎo)熱效果越好，熱過孔直徑越大導(dǎo)熱效果越好。所以合理范圍內(nèi)適當(dāng)增加熱過孔的數(shù)目與直徑，有助于熱量的傳導(dǎo)。

熱過孔一般均勻放置在導(dǎo)熱塊焊盤或者芯片正下方或者功率引腳的附近，可以更快的把熱量傳導(dǎo)到底層大面積銅箔，使得 PCB 散熱更加均勻。

圖 6：增加熱過孔

7. 在保證產(chǎn)品絕緣性可靠的前提下，可以在 IC 正下方底層或熱過孔位置的底層禁鋪?zhàn)韬赣停ㄟ^裸銅的形式減小銅皮與空氣之間的熱阻，達(dá)到更好的散熱效果。

下面來看一個(gè)對(duì)比實(shí)例。

DCDC 電源芯片 MPQ8633B，使用 4 層 PCB 板，器件位置保持一致的情況下，改善 PCB layout 設(shè)計(jì)：

增大引腳接觸面，功率走線鋪銅增大，由中間層鋪設(shè)大地改為頂層與底層鋪設(shè)大地，增加導(dǎo)熱孔數(shù)量與直徑，并在底部裸銅。

兩款 PCB layout 在相同環(huán)溫 25℃ 條件下，帶同樣滿負(fù)載 10 分鐘后測試 IC 表面溫度分別為 101℃ 和 74℃。

圖 7：MPQ8633B 對(duì)比實(shí)例圖

讓我們總結(jié)一下PCB散熱處理技巧：

1. 發(fā)熱源之間留出散熱間隔，避免集中擺放；

2. 引腳焊盤應(yīng)比引腳面積略大，保證著錫導(dǎo)熱面積；

3. 優(yōu)先選用頂層與底層作為功率走線或地線層，并增大鋪銅面積來輔助散熱；

4. 如果工藝可選，可以增大銅厚；

5. 添加熱過孔，利用PCB底層大地散熱，必要的情況可以增加裸銅。

今天的 PCB 散熱處理分享就到這里，請(qǐng)大家關(guān)注 MPS 公眾號(hào)，更多技術(shù)內(nèi)容持續(xù)為您更新~