新型电路板技术满足数字电源的需求(1)

在本应用中，重量和尺寸都至关重要，两者一旦增加就会直接影响到车辆的可行驶里程数。为了减轻重量并缩小尺寸，本实例中的电池组正前部安装了一个由控制逻辑单元和8块DirectFET功率器件组成的电机控制器。经验证，该DWPCB解决方案在整合控制逻辑单元和功率单元方面的效果非常理想，且将PCB数量由两块缩减至一块，并省去了相关的接头和布线。

图5：轻型电动车的锂离子电池组/电机控制器装置。

设计过程中面临的挑战在于要将100A/300A的电流发送至一个FR-4电路板，再到DirectFET，最终传递到总线上。对此，Häusermann公司开发的多功能DWPCB技术为设计人员提供了多种选择：从单层功率分配到带有一体化热通孔和散热面的多层设计。

图6为我们展示了一种性价比最高的设计方案。

图6：使用HSMTec的DirectFET封装的MiB布局。

在该方案中，型材焊接在一个由高耐热性(Tg)且敷铜2盎司(70μ)的FR-4覆层组成的内芯中。由于所有的型材都位于相同的基准面上，焊接器件的安装和运行时间得以优化，而且与型材安装于多个不同层的设计方案相比，后续大规模分层过程中的嵌入任务会更加简单。

嵌入型材同时可为电路板表面提供更多空间：用于高电流路径的空间仅限于导孔阵列，用以使电流通过嵌入型材。同时，支撑型材的宽路径仅限于内层之中。

大功率微孔

电流通过激光微孔到达高电流型材，该技术普遍运用于多种MiB中。尽管激光孔的直径一般为100μ或更小，但MiB应用中最重要的是导电元件的长度(在该实例中为微孔深度)和用于电流传输的铜的横截面面积。

铜横截面面积有若干种计算方法。公式(2)中使用钻孔圆周直径和内镀圆周直径算出的表面积的不同得出铜横截面面积。由此可得出微孔阵列的热阻率：

Rθ array = l/k × (Nvias × {π×[(D1/2)2 - (D2/2)2]}) (2)

式中：

I—微孔深度;

k—铜的导电率(约380W/m-K);

D1—钻孔圆周直径;

D2—成品(内镀)孔圆周直径;

Nvias—阵列中微孔个数。

另外，由于激光微孔很小且钻孔的有效命中率为每分钟10,000次以上(CO2铜箔直接加工工艺)，很多激光微孔均可有效打通于隔热盘上，且成本较低。一块含有1296个微孔的100mm2的隔热盘的热阻率可高达约0.01W/℃：相当于使用钎焊接头将器件的散热片焊接在隔热盘上。

除了用于使电流通过埋放型材的微孔，本设计方案中还通过底层散热面上的热通孔扩大了器件的散热区域。其中所面临的制备挑战包括如何在铜金属主体上实现打孔进刀量少于FR-4打孔进刀量的三分之一。

然而，热通孔一般来说就是热导管，所以本设计方案中层3焊点中出现的钉头并不会影响到电性能。本设计方案旨在得到一个干净清洁的孔并使铜均匀地沉积，进而提升热能传输能力。热通孔阵列可以有效地使热能向下通过电路板传输至背端散热面：一个普通的微孔阵列的传导率在20W/m-K~30W/m-K之间，是FR-4传导率的100多倍。

对电路板内部功率路径的有效管理可以为外层提供信号和控制布线的空间，同时，并行FET的门信号也位于电路板表面。图6展示了这类电路板的典型布局以及型材在蚀刻核心载流路径上的分布情况。

为清晰起见，型材之间的空隙被拉大：空隙体积会使总导体体积发生小于0.1%的变化。图7展示了本设计最终呈现的清晰布局。

图7：成品电路板：DirectFET焊盘。

MiB = 电路板的价值

面对这样一个简单的创新型解决方案，人们通常问的第一个问题便是：得花多少钱?

用到该解决方案首先考虑的是可靠性和性能(电动汽车寿命为15年~25年，功能密度的改善意味着质量和体积的减少和运行自主性的增加)，成本公式为零和，即替代技术要么与原有技术等同且取代原有技术后会遵循相同的成本下降曲线，要么该替代技术可以在成本、性能、可靠性或以上三个方面同时带来数量级的改善效果。成本下降曲线取决于一套潜在的数学关系，这在BPA即将出版的关于学习曲线理论和对MiB技术相关影响的文章中会有进一步的探讨。

以上设计实例基本上实现了两个目标：

● 应用了最新的等量功率器件，使热能和电流管理所需的电路板空间减少了30%。

● 通过降低功率板面积、除去控制子板、用更小的鳍片组和底盘螺柱代替PIH(销钉孔)TO器件所需的垂直散热片以及使用直连电源总线的方式代替高电流布线来减小电路板的体积和重量。

与最初的设计方案相比，MiB解决方案仅在组件数目和组装成本方面就节省了约13%。完整的成本/功能分析需考虑到重量和体积的减少所带来的利润，这也是下一步研究的课题。

本设计结果已成为一项印刷电路解决方案，用以应对尤其是使用最新SMT封装的中等功率应用的散热和功率分配方面的挑战。这些器件的表面贴装特性意味着电路板必须能够提供低电阻热能和电气路径。该设计是将传统印刷电路技术(包括激光和机械钻孔)与新型技术相结合用以面对数字电源挑战的最佳示例。