大厂经验分享之电机驱动板PCB布局散热优化指南

大厂经验分享之电机驱动板PCB布局散热优化指南

在电机驱动应用中，PCB设计的散热优化至关重要。本文将从大面积铺铜、走线宽度、热过孔、焊接散热焊盘、元件贴装、引线封装布局等多个维度，为工程师提供全面的电机驱动IC PCB设计指导。

使用大面积铺铜

大面积的铜铺层对于高效散热至关重要！铜凭借其出色的导热性能，在印刷电路板（PCB）设计中扮演着关键的角色，尤其是在处理像电机驱动IC这类高功率组件时。然而，常规的PCB基材如FR-4玻璃环氧树脂，其导热性能并不理想，因此增大铜皮的覆盖面积能够有效提升整体的散热能力。

考虑到成本和工艺复杂性，尽管较厚的2盎司（68微米）铜层拥有更好的热传导效率，但因其高昂的价格和不利于精细加工的特点，设计中常常采用较为经济且易于制造的1盎司（34微米）铜层。而在PCB的外层，设计师可能倾向于选择半盎司（约17微米）的镀铜层，但在必要时也可增厚至1盎司以增强散热效果。

在多层PCB设计中，内层常利用实心铜填充以促进内部热量向外部传输。尽管内层板通常被夹在多层结构中间，增加了散热难度，设计者可通过在内外层间构建电气连接——比如使用散热过孔，将热量从内层引导至外层表面，从而提高散热效能。

对于双层PCB，由于有限的空间会被走线和元器件占用，散热挑战更大。因此，在设计电机驱动IC的PCB时，应充分利用实心铜层并结合有效的过孔热通路布局，即在外层板两侧布置大面积铜铺，并通过过孔网络将其连为一体，以此方式将产生的热量分散到受走线和元器件分隔的各个部位，达到改善散热的目的。

走线一定要宽—越宽越好！

鉴于电机驱动集成电路（IC）需承受的电流强度较大（甚至可能超过10A级别），对与其相连的PCB走线宽度的设计必须格外审慎。依据物理原理，走线越宽，则其电阻越小，因此合理调整走线宽度对于防止因电阻过大导致的过量能耗及升温现象至关重要。值得注意的是，若走线过于纤细，就如同脆弱的电熔丝，易因过热而损坏。

在进行此类设计时，工程师通常参照IPC-2221这一行业标准来进行走线宽度的精确计算。该标准提供了一个详细图表，展示了对应不同电流等级下的铜线截面积与可接受温升之间的关系，设计师可根据所使用的铜层厚度来确定适宜的走线宽度。例如，当使用1盎司铜层厚度时，若要保持10°C的温升，承载10A电流所需的走线宽度应为7mm；而对于1A电流的情况，则只需0.3mm宽度的走线就足够了。

按照这个计算方法，似乎难以在微型IC焊盘上直接承载10A这样的大电流。然而，理解IPC-2221标准中关于恒定宽度长走线的具体建议显得尤为重要。当走线连接至更宽的走线或大面积铺铜区域时，即使短距离内采用较窄走线传递较大电流，也不会带来负面影响。这是因为在短而窄的PCB走线中产生的热量能迅速被周边更宽大的铺铜区域吸收并扩散开来。例如，在图1所示实例中，尽管某个器件的散热焊盘仅有0.4mm宽，但由于其走线被拓宽至贴近器件实际尺寸的程度，仍能安全承载高达3A的连续电流。

图 1：加宽PCB走线

由于较窄走线所产生的热量会传导至较宽的铺铜区域，所以窄走线的温升可以忽略不计。嵌在PCB内层板中的走线散热效果不如外层走线，因为绝缘体的导热效果不佳。正因为如此，内层走线的宽度应为外层走线的两倍。

表1 大致给出了电机驱动应用中长走线（大于2cm)的推荐宽度。

表 1: PCB走线宽度

如果空间允许，越宽的走线或灌铜可以最大限度地降低温升并能减小电压落差。

热过孔-越多越好！

过孔是一种小的镀孔，通常用于将信号走线从一层传递到另一层。 顾名思义，热过孔是将热量从一层传递到另一层。适当地使用热过孔可以有效帮助PCB散热，但也需要考虑实际生产中的诸多问题。

过孔具有热阻，这就意味着每当热量流经时，过孔两端会有一定温差，其测量单位为摄氏度/每瓦特。所以，为最大限度地降低热阻，提高过孔的散热效率，过孔应设计大一点，且孔内的覆铜面积越大越好（见图2）。

图 2：过孔横截面

虽然可以在PCB的开放区域使用大的过孔，但是，过孔常常被放在散热焊盘的内部，因为这样可以直接从IC封装散热。在这种情况下，不可能使用大过孔，因为电镀孔过大会导致“渗锡”，其中用于连接IC至PCB的焊料会往下流入通孔，导致焊点不良。

有几种方法可以减少“渗锡”。一种是使用非常小的过孔，以减少渗入孔内的焊料。然而，过孔越小热阻越高，因此想要达到相同的散热性能，需要更多的小过孔才行。

另一种技术是“覆盖”电路板背面的过孔。这需要去除背板上阻焊层的开口，使得阻焊材料覆盖过孔。阻焊层会盖住小的过孔使焊锡无法渗入PCB。

但这又会带来另一问题：助焊剂滞留。如果使用阻焊层盖住过孔，那么助焊剂会滞留在过孔内部。有些助焊剂配方具有腐蚀性，长时间不去除的话会影响芯片的可靠性。所幸大多数现代免清洗助焊剂工艺都是无腐蚀性的，不会引起问题。

这里需注意，散热孔本身不具备散热功能，必须把它们直接连接至铺铜区域（见图3）。

图 3：热过孔

建议PCB设计师与PCB组装厂的SMT制程工程师协商出最佳的过孔尺寸和构造，尤其当过孔位于散热焊盘内部时。

焊接散热焊盘

TSSOP 和 QFN 封装中，芯片底部会焊有大片散热焊盘。这里的焊盘直接连到晶元的背面，为器件散热。必须将焊盘很好地焊接到PCB上才能耗散功率。

IC规格书不一定会指定焊盘焊膏的开口。通常，SMT制程工程师对放多少焊料，过孔模具使用什么样的形状都有自己的一套规则。

如果使用和焊盘大小一样的开口，则需要使用更多的焊料。当焊料熔化时，其张力会使器件表面鼓起。另外，还会引起焊料空洞（焊锡内部凹洞或间隙）。当焊料回流过程中助焊剂的挥发性物质蒸发或沸腾时，会发生焊料空洞。这会导致接合处的焊料析出。

为了解决这些问题，对于面积大于约2mm2的焊盘，焊膏通常沉积在几个小的正方形或圆形区域中（见图4）。将焊料分布在多个较小的区域里可以使助焊剂的挥发性物质更容易挥发出来，以免造成焊料析出。

图 4：QFN 焊具

再次建议PCB设计师与SMT制程工程师共同协商出正确的散热焊盘模具开口。也可以参考网上的一些论文。

元件贴装

电机驱动IC的元件贴装指南与其他电源IC相同。旁路电容应尽可能靠近器件电源引脚放置，且旁边需放置大容量电容。许多电机驱动IC会使用自举电容或充电泵电容，这些也应放在IC附近。

请参考图5中的元件贴装示例。图5显示了MP6600步进电机驱动的双层板PCB布局。大部分信号走线直接布置在顶层。电源走线从大容量电容绕到旁路，并在底层使用多个过孔，在更换层的位置使用多个过孔。

图5: MP6600 元件贴装

引线封装布局

标准的引线封装（如 SOIC 和 SOT-23 封装）通常用于低功率电机驱动器中（图 6）。

图 6: SOT 23 和 SOIC 封装

为了充分提高引线封装的功耗能力，MPS公司采用 “倒装芯片引线框架” 结构（图 7）。在不使用接合线的情况下，使用铜凸点和焊料将芯片粘接至金属引线，从而可通过引线将热量从芯片传导至 PCB。

图 7: 倒装芯片引线框架

通过将较大的铜区域连接至承载较大电流的引线，可优化热性能。在电机驱动器 IC 上，通常电源、接地和输出引脚均连接至铜区域。

图 8: 倒装芯片 SOIC PCB 布局

图 8 所示为“倒装芯片引线框架”SOIC 封装的典型 PCB 布局。引脚 2 为器件电源引脚。请注意，铜区域置于顶层器件的附近，同时几个热通孔将该区域连接至 PCB 背面的铜层。引脚 4 为接地引脚，并连接至表层的接地覆铜区。引脚 3（器件输出）也被路由至较大的铜区域。

QFN 和 TSSOP 封装

TSSOP 封装为长方形，并使用两排引脚。电机驱动器 IC 的 TSSOP 封装通常在封装底部带有一个较大的外露板，用于排除器件中的热量（图9）。

图 9: TSSOP 封装

QFN 封装为无引线封装，在器件外缘周围带有板，器件底部中央还带有一个更大的板（图 10）。这个更大的板用于吸收芯片中的热量。

图 10: QFN 封装

为排除这些封装中的热量，外露板必须进行良好的焊接。外露板通常为接地电位，因此可以接入 PCB 接地层。在图 11 的 TSSOP 封装的示例中，采用了一个 18 通孔阵列，钻孔直径为 0.38 mm。该通孔阵列的计算热阻约为 7.7°C/W。

图 11: TSSOP PCB 布局

通常，这些热通孔使用 0.4 mm 及更小的钻孔直径，以防止出现渗锡。如果 SMT 工艺要求使用更小的孔径，则应增加孔数，以尽可能保持较低的整体热阻。

除了位于板区域的通孔，IC 主体外部区域也设有热通孔。在 TSSOP 封装中，铜区域可延伸至封装末端之外，这为器件中的热量穿过顶部的铜层提供了另一种途径。

QFN 器件封装边缘四周的板避免在顶部使用铜层吸收热量。必须使用热通孔将热量驱散至内层或 PCB 的底层。

图 12: QFN (4mmx4mm) 布局

倒装芯片 QFN 封装

倒装芯片 QFN (FCQFN) 封装与常规的 QFN 封装类似，但其芯片采取倒装的方式直接连接至器件底部的板上，而不是使用接合线连接至封装板上。这些板可以置于芯片上的发热功率器件的反面，因此它们通常以长条状而不是小板状布置（见图13）。

图 13: FCQFN 封装

这些封装在芯片的表面采用了多排铜凸点粘接至引线框架（图 14）。

图 14: FCQFN 结构

小通孔可置于板区域内，类似于常规 QFN 封装。在带有电源和接地层的多层板上，通孔可直接将这些板连接至各层。在其他情况下，铜区域必须直接连接至板，以便将 IC 中的热量吸入较大的铜区域中。

图15: FCQFN PCB 布局

图15 显示了所示为 MPS 公司的功率级 IC MP6540 。该器件具有较长的电源和接地板，以及三个输出口。请注意，该封装只有 5mmx5mm。

器件左侧的铜区域为功率输入口。这个较大的铜区域直接连接至器件的两个电源板。

三个输出板连接至器件右侧的铜区域。注意铜区域在退出板之后尽可能地扩展。这样可以充分将热量从板传递到环境空气中。

同时，注意器件右侧两个板中的数排小通孔。这些板均进行了接地，且 PCB 背面放置了一个实心接地层。这些通孔的直径为 0.46 mm，钻孔直径为 0.25 mm。通孔足够小，适合置于板区域内。

综上所述，为了使用 电机驱动器 IC实施成功的 PCB 设计，必须对 PCB 进行精心的布局。因此，本文提供了一些实用性的建议，以期望可以帮助 PCB 设计人员实现PCB板良好的电气和热性能。