【導讀】電機驅動 IC 傳遞大量電流的同時也耗散了大量電能。 通常，能量會耗散到印刷電路板（PCB）的鋪銅區(qū)域。為保證PCB充分冷卻，需要依靠特殊的PCB設計技術。在本文的上篇中，將為您提供一些電機驅動IC 的PCB 設計一般性建議。
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。
多層板中的內(nèi)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(nèi)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(nèi)層板，將熱量傳遞出來。
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。
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(diào)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。可是太細的走線就像電熔絲一樣很容易被燒斷。
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(nèi)。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。
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(nèi)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(nèi)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。
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(nèi)的覆銅面積越大越好（見圖2）。
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(nèi)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(nèi)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(nèi)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
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(nèi)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(nèi)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。
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。
圖5: MP6600 元件貼裝
在本文的下篇中，我們將探討詳細的電機驅動IC封裝方法和PCB布局。
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