“本系列將從電壓需求與隔離、電流需求與分配、功率需求與熱管理三個章節來介紹大功率 PCB 設計。”

大功率 PCB 設計不僅僅是管理電壓和電流，更是管理它們的乘積：功率，而功率最終絕大多數會轉化為熱量。同時，高功率開關電路還會產生強烈的電磁場。本文將探討功率設計中的場效應、熱生成和材料選擇。

1. 高功率場效應

高功率路徑（特別是高di/dt，即電流變化率高的路徑）會產生強大的電磁場。這些場會耦合到附近的敏感電路上，如控制電路、門極驅動（Gate Drive）信號和溫度檢測電路。在理想情況下，高功率路徑應與其返回路徑緊密耦合（例如在相鄰層上反向布線），以使其產生的場相互抵消。

大功率 PCB 設計需要考慮的一些通用問題，包括：

• 大功率路徑附近是否有敏感電路？

• 在您的設計中，大功率路徑是否與其回流路徑緊密耦合？

• 某些系統可能存在機械結構限制，導致無法（使路徑）緊密耦合。

• 電池的端子（或：接線柱）通常相距很遠，且兩者之間幾乎沒有空間允許緊密耦合。在這種情況下，請確保您有策略來保護信號免受大功率能量的干擾。

• 在大功率路徑下方走信號線或電源線，會使它們面臨極大的風險，容易受到來自大功率路徑瞬態能量的干擾。對于柵極驅動信號或溫度測量電路而言，這種情況是不可避免的。在這種情況下，應保持信號（與其回流路徑）緊密耦合，并在層疊設計中使其盡可能遠離大功率（路徑）。

• 信號完整性 (SI) 和電源完整性 (PI) 的設計準則同樣適用于大功率設計

• 隨著功率/能量等級的增加，（不良）設計所導致后果的嚴重程度也會隨之增加。

2. 熱量生成與管理

設計中最大的敵人是熱量。您必須準確識別熱源：

• 高電流密度區域：電流“拐角”和導體瓶頸處。

• 大功率元件：如 FET、二極管和電阻器。

您必須了解設計的熱限制：

• 材料玻璃化轉變溫度 (Tg)

• 元件最高溫度：所有元件（包括無源元件）的最高工作溫度。

• 冷卻方式：設計是依賴自然對流（被動冷卻）還是風扇（主動冷卻）？

還需要注意的一些事項：

• 您或許能夠手算出一些發熱量的值，但許多情況仍需要通過IR（紅外）/CFD（計算流體力學）類型的仿真來確定溫升。

• 局部的發熱區域會給 PCB層疊結構帶來應力。

• X/Y 軸（平面）的膨脹會受到玻璃纖維布（Glass Weave）的約束。

• Z 軸（垂直方向）將承受更大的熱膨脹。

• 在熱循環過程中，電鍍通孔(Plated Through Holes, PTH) 會產生疲勞，如果 Z 軸膨脹不受控制，（這些通孔）可能會失效。

3. 熱機械應力與材料 (Tg)

當 PCB 受熱時，它會膨脹。這對可靠性有著致命的影響。

• Z 軸膨脹 (Z-Axis Expansion)：PCB在X-Y平面（水平方向）由于有玻璃纖維布的束縛，膨脹系數(CTE)較低。但在Z軸（垂直方向），CTE要高得多。

• 過孔疲勞：當 Z 軸在熱循環中反復膨脹和收縮時，會對鍍通孔（PTH）的桶壁施加巨大的應力。這會導致桶壁裂紋 (Barrel Cracks)或拐角裂紋 (Corner Cracks)，最終導致過孔開路。

解決方案：選擇正確的材料

玻璃化轉變溫度 (Tg)是 PCB 基材從堅硬的玻璃態轉變為柔軟的橡膠態的溫度。

• 設計規則：必須選擇Tg 高于設計最高工作溫度的材料。當 PCB 接近其 Tg 時，它會軟化，Z 軸膨脹會急劇增加，極易導致分層和過孔失效。

材料對比 ：

• 不良選擇 (如標準FR-4)：

  • Tg: 135°C

  • Z軸CTE (Tg前): 70 ppm/°C

  • 總膨脹 (50-260°C):4.2%

• 更優選擇 (如高Tg材料)：

  • Tg:200°C

  • Z軸CTE (Tg前):38 ppm/°C

  • 總膨脹 (50-260°C):2.2%

選擇低Z軸膨脹和高Tg的材料，是確保高功率PCB在熱循環下保持長期可靠性的關鍵。

4. 層疊(Stack-up) 的挑戰

在高功率設計中，我們希望使用厚銅（如多層2oz）來承載電流。然而，這給需要控制阻抗的信號（如差分對）帶來了巨大挑戰。

阻抗由走線寬度、介電常數(Dk)和介質厚度（走線到參考平面的距離）決定。

• 問題1：如果使用厚銅（2oz）和薄介質（例如5mil）

  • 假設在內層為了實現差分對 75Ω 或 100Ω 阻抗，計算出的走線寬度會非常細。分別為 3.237 mil 及 0.656mil。單端的更是無法實現。

  • 這種寬度在 2oz 銅上是無法制造的。

• • 如果需要在外層（頂層或底層）實現 50Ω 阻抗，線寬需要 7.832 mil。這對于那些 pitch 比較下的器件而言又太寬了！

• 問題2：如果為了解決可制造性問題（線寬太小），可以加厚介質（例如 8 mil）或者增加差分對的間隙。

  • 比如，對于 100Ω 阻抗的差分對而言，將間隙調整為 15mil，走線寬度則可調整為 4.413 mil。但 15mil 的差分對間隙對信號完整性而言并不是一個合理的值

  • 增加介質厚度是一個方案。但是，這會顯著增加PCB的總厚度（例如從0.089"增加到0.110"）。

• 連鎖反應：板厚的增加會惡化鉆孔的縱橫比（Aspect Ratio）。

  • 8mil 成孔（最終孔徑），縱橫比 0.110” / 0.008” =13.75

  • 10mil 成孔（最終孔徑），縱橫比 0.110” / 0.010” =11

  • 12mil 成孔（最終孔徑），縱橫比 0.110” / 0.012” =9.17

  • 高縱橫比的孔非常難以電鍍均勻，增加了過孔失效的風險。

結論：大功率PCB的疊層設計充滿了權衡。您必須在載流能力（厚銅）、信號完整性（阻抗控制）、可制造性（走線寬度）和可靠性（鉆孔縱橫比）之間找到一個可接受的平衡點。