提问? 电机控制器能否使用散热孔对MOS管进行散热?

timom333

最近在搜集PCB散热的资料. 发现有利用过孔对功率器件进行散热的做法.
目前了解到的是, 在贴片MOS管的背面直接打过孔(内径0.3mm, 外径0.8-1mm, 孔-孔间距1.0-1.2mm)将MOS管的热量传递到底层.
然后再将pcb固定在外壳上, 实现散热.

请问:
1. 我想做到1个MOS管的最大电流在120A. 请问需要放置多少个过孔? 要多大的铜皮面积?
2. 内径0.3mm的过孔在回流焊的时候会发生漏锡吗?
3. 2oz, 1.6mm厚的PCB可以满足需求吗?
如果大家有资料可以共享一下就更好了.

cne53102

thermal via, drill dia 0.3mm, pitch 1.2mm, 无外径（顶层在PAD开窗处无阻焊，底层盖油），太多是没有意义的，孔离开器件5mm就意义不大了，120A贴片可以考虑40~81个孔（5x6封装）铜皮多多益善，一般不会严重漏锡但需要控制好锡量，双层板效果有限建议多层使用。

这个“标准尺寸”的孔的目标是避免漏锡，如果你可以用锡填充孔甚至是用铜填充孔，那么使用更大的钻孔直径会更有利。

具体多少你可以计算一下，铜、锡、PCB的导热系数分别可以认为是：400，50，0.02W/(K*m)
热组R(K/W)=x(板厚m)/A(导热系数W/(K*m))*k(截面积m2)

timom333

cne53102 发表于 2020-6-22 14:27
thermal via, drill dia 0.3mm, pitch 1.2mm, 无外径（顶层在PAD开窗处无阻焊，底层盖油），太多是没有意义 ...

感谢回复
我打算用D2PAK封装, 按照1.2mm的间距, 算出来一个MOS管下可以放99个孔. (长13mm, 宽10mm, (13/1.2)*(10/1.2)接近99个孔)  请问这样算对吗?
如果这样算的话, 是不是代表可以满足120A的散热需求?

如果双层的作用不大, 我换成四层(每层都是1oz/2oz) 这个效果会改善吗?
另外(锡填充孔)是指电镀塞孔吗? 有没有参考的价格

cne53102

timom333 发表于 2020-6-22 17:19
感谢回复
我打算用D2PAK封装, 按照1.2mm的间距, 算出来一个MOS管下可以放99个孔. (长13mm, 宽10mm, (13/1 ...

D2PAK我手边能够参考的设计是8*9=72个thermal via，这些孔全部都在焊盘开窗区域内，底层盖油，隔着阻焊再加导热材料贴到铸铝结构上散热，正反面铜皮各476mm^2，但它的应用没有120A，它是驱动12V五六百瓦无刷电机的其中一个MOS，大约2.x毫欧。

按1.6板厚，可能大概3℃/W，如果按99个孔算应该就是1.65~2.3℃/W那样（但愿没算错）（没考虑PCB的传热只算了孔），至于能不能120A还得看MOS和外壳散热，我觉得连续120A是不太妙的，脉冲还好说。。因为单个MOS的Rds(on)不太可能小于1毫欧吧。

连续120A我认为适合采用更极端的设计，比如铝基板，MOS直接焊接在铜条上，或者不要单个D2PAK。

我说四层是那样PCB本身传热会比较好（就是一部分热量靠PCB来散热的那种设计），但如果只关注传到外壳，那可能也没差什么，减薄PCB可能很有优势

是的，焊锡填入孔中，不是塞孔，是自己流进去，其实不能填的很好，这种0.3的孔就是为了避免焊锡流的很惨才搞的，有些孔都填不进去的，填进去用锡传热能比空孔好很多，但设计时不能指望孔里肯定有锡，应当按空孔考虑

cne53102

timom333 发表于 2020-6-22 17:19
感谢回复
我打算用D2PAK封装, 按照1.2mm的间距, 算出来一个MOS管下可以放99个孔. (长13mm, 宽10mm, (13/1 ...

贴两个文档吧
一个是cree的，关于thermal via很详细的一个文章，cree提到了塞铜的孔，但这个不是所有地方都能做

还有一个是个专利，它挖板子放铜块再焊铝基板了

timom333

cne53102 发表于 2020-6-22 18:00
贴两个文档吧
一个是cree的，关于thermal via很详细的一个文章，cree提到了塞铜的孔，但这个不是所有地方 ...

cree的这个文章我也找到了.  
我另外还找到一个TI的资料(ZHCA592),

他说一个0.5oz, 1.6mm的过孔是261℃/W, 对应2oz的是261/4=65℃/W;
如果算99个孔, 那是不是65/99=0.65℃/W ????

再对比cree里面的MCPCB, 4℃/W. 显然是散热孔的热阻要低很多???
跟直觉不太对?


电镀塞孔我刚刚问到了, 同样尺寸4层, 2oz 报10块.
对比专利里面的挖穿FR-4然后再贴到铝基板上, 可能电镀塞孔成本还低一些? 就看热阻能不能去到一个等级?

cne53102

timom333 发表于 2020-6-22 18:50
cree的这个文章我也找到了.  
我另外还找到一个TI的资料(ZHCA592),

那算一下呗(如果算错了请网友指正)

假设孔壁铜厚度0.5oz即18um，钻孔0.3mm，则
孔壁金属截面积0.015946724mm^2，孔内空间截面积0.05473911mm^2

取
铜导热系数377W/m·K
设孔内是空气
空气导热系数0.03W/m·K（约75摄氏度时）

那么一个孔是
孔壁金属热阻266.1381578℃/W
孔内空气热阻974318.5987℃/W

并联一下266.0654812℃/W，单个孔很接近ZHCA592的261℃/W

如果孔壁2oz铜即36um，则
孔壁金属截面积0.029857697mm^2，孔内空间截面积0.040828138mm^2
孔壁金属热阻142.1419706℃/W
孔内空气热阻1306288.648℃/W

并联一下142.1265053℃/W

对99个孔，我喜欢用传热金属总截面积来计算

钻孔0.3mm，孔壁厚度36um，一共99个则
孔壁金属总截面积2.955911961mm^2，孔内空间总截面积4.041985674mm^2
孔壁金属热阻1.435777481℃/W
孔内空气热阻13194.83482℃/W

并联一下1.435621266℃/W

cne53102

timom333 发表于 2020-6-22 18:50
cree的这个文章我也找到了.  
我另外还找到一个TI的资料(ZHCA592),

那个专利里面挖穿FR4放铜块再焊铝基板在我看来有点脱裤子放屁，它可能是为了避免依赖板厂塞铜孔的工艺，但这样也太麻烦了，可能给生产带来麻烦，要是我，我会单独把功率器件放在一个铝基板上后面直接水冷

timom333

cne53102 发表于 2020-6-22 19:17
那算一下呗(如果算错了请网友指正)

假设孔壁铜厚度0.5oz即18um，钻孔0.3mm，则

感谢大哥的回复!!!

我对这个孔壁的截面积计算搞不懂..

        假设孔壁铜厚度0.5oz即18um，钻孔0.3mm，则
        孔壁金属截面积0.015946724mm^2，孔内空间截面积0.05473911mm^2

这个18um的金属截面积我算出来是0.032911
S_18um=pi*(0.3^2) - pi*(0.282^2)=0.032911mm^2

请问是这样算吗?

另外1oz是36um, 2oz是70um.

再次感谢大哥的指导

timom333

timom333 发表于 2020-6-22 22:38
感谢大哥的回复!!!

我对这个孔壁的截面积计算搞不懂..

对比一下铝基板的热阻, 假设D2PAK的尺寸是15mm*15mm 即截面积为225mm^2
铝基板算2W的 热传导系数2W/mK

对应的热阻:
θ＝L/(λS)
=0.0016/(2*0.000225)
=3.556K/W

然后如果放置99个散热孔的话 无论哪个结果都小于3.556K/W
跟直觉有比较大的区别啊??

是不是还要考虑FR-4 -> 外壳的热阻??

cne53102

timom333 发表于 2020-6-22 22:38
感谢大哥的回复!!!

我对这个孔壁的截面积计算搞不懂..

别大哥。。不是大哥。。

钻孔0.3mm是直径，不是半径，半径是0.15mm。
孔壁18um是单侧壁厚，不是两侧总和，总和是36um即0.036mm。

钻孔面积S1=PI*0.15^2=3.14*0.15^2=0.07065mm^2
孔内面积S2=PI*(0.15-0.018)^2=3.14*0.132^2=0.05471136^2

孔壁金属截面积S=S1-S2=0.07065mm^2-0.05471136^2=0.01593864mm^2

PCB孔铜厚度和板面铜厚应该是不一样的，这个具体可以搜一下，不要期待会有70um这样的数字，最好按18-25um考虑，为了好计算可以按20um

LM5017

这TM也能算。
我都是实测。

cne53102

timom333 发表于 2020-6-22 22:55
对比一下铝基板的热阻, 假设D2PAK的尺寸是15mm*15mm 即截面积为225mm^2
铝基板算2W的 热传导系数2W/mK

不可能一点铺铜的空间都没有吧，都把功率器件单独拿出来放在铝基板上了
是的，实际上需要考虑，铝基板的好处是结构上更容易实现好的散热，它没有特别惊人的数字是因为它有个绝缘层的原因所以不如直接贴在金属上。
普通PCB是可以计算出那样的数字，但实际上那是通过过孔传热至另一侧的铜的情况，而不是到外壳，
这个铜经常不是GND，所以不能直接接触外壳散热，只隔着阻焊贴在铝壳上不会有好下场，贴个硅胶片又变差了，而且板子背面的铜的面积可能是受限的
而铝基板的线路与铝板是绝缘的，不需要考虑这些奇奇怪怪的结构之类的，MOS贴上去，铜铺上去，板子背面打硅脂，拧外壳，完事了

前面99个孔中假设的36um铜可能是不能实现的，如果按18~20um，则是2.43~2.68左右

cne53102

LM5017 发表于 2020-6-23 00:18
这TM也能算。
我都是实测。

实测是最好的，打个板子，MOS贴上去，用多大电流就搞多大电流上去烧，看能干到多少度，算与实际会差比较多

LM5017

cne53102 发表于 2020-6-23 00:35
实测是最好的，打个板子，MOS贴上去，用多大电流就搞多大电流上去烧，看能干到多少度，算与实际会差比较 ...

实际上 散热孔内壁铜厚和板叠层平滑度，对过孔导热情况影响非常大

比如嘉立创和金百泽，做出来的就千差万别。金百泽的能走20A，嘉立创的可能只能走10A，当然，价格差距摆在那的，一分钱一分货。

当然，如果你把孔打的很大，并且灌满锡，当我没说。

Embedtech

铝基板，先仿真。或者看汽车上大功率器件如何布局的

Embedtech

或者并联mosfet，减小单路电流，每个回路120A，在汽车48v bms上，我看到的，基本都是铝基板，单独一块板

powerlabor001

铝基板散热，必须mark一下。

timom333

cne53102 发表于 2020-6-23 00:33
不可能一点铺铜的空间都没有吧，都把功率器件单独拿出来放在铝基板上了
是的，实际上需要考虑，铝基板的 ...

谢谢指正. 居然一直把直径当半径了....

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铝基板确实比较方便.
其实我现在是做了一款铝基板(散热系数1W), 运行效果达标了.
但是, 用来过电流的铜柱价格太高了. 而且还要打很多颗螺丝. 螺丝也要加绝缘垫.
这几个部分都很难保证供货和交期. 更别说价格了.
所以才想着要去改变这个铝基板的方案.

我估算的铝基板热阻=3.556K/W  这个是不是偏大了? 应该估算多少才合理?

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过孔的铜厚我查了一下, 的确是按20um比较稳. 回头咨询一下PCB厂商.
实在不行, 我就去搞电镀塞孔. 板子面积做小一点点, 2层2OZ.

timom333

LM5017 发表于 2020-6-23 00:18
这TM也能算。
我都是实测。

现在只是一个想法, 还没画板子.
先大概估算一下. 省得板子画好了 发现实现不了

cne53102

timom333 发表于 2020-6-23 09:51
谢谢指正. 居然一直把直径当半径了....

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就pad下面这一个区域应该没错，因为面积太小了，不能很好的传给后面的铝板

cne53102

timom333 发表于 2020-6-23 09:53
现在只是一个想法, 还没画板子.
先大概估算一下. 省得板子画好了 发现实现不了  ...

你可以画一个只有MOS的板子，上120A看温度，别的东西都不需要

timom333

cne53102 发表于 2020-6-23 13:31
你可以画一个只有MOS的板子，上120A看温度，别的东西都不需要

好咧  谢谢分享

我准备画板子 如果可行的话 再跟你们交流

lwjsnj

  楼主板子画出来了没有 散热怎么样啊

timom333

lwjsnj 发表于 2020-6-29 09:55
楼主板子画出来了没有 散热怎么样啊

hello
这几天在步板子, 但是因为PCB的尺寸已经固定了. 线和固定螺丝一直干涉, 还在想办法.
现在想换个MOS管试试 (封装换TOLL/TO-263-7L)

最近订单比较忙... 很多研发工作都耽误了..
然后招聘那边也没什么进展
头疼...

timom333

感谢各位
这个板子最近开始试产了.
过程中尝试过几种工艺, 最终的实现方法是PCB使用电镀塞孔(铜塞满过孔). 过孔内径0.3MM.
有些PCB厂家做出来的过孔质量不是很稳定, 几次打样出来的效果都不同,
其次就是SMT的时候漏锡没有办法控制.  所以后面还是决定用电镀塞孔.
代价就是PCB板单价15块.....

散热效果是达标的. 也经过实际测试. 就是导热硅胶垫有点贵...
还有一个需要担心的地方就是, 导热硅胶垫需要一定的压紧力度, 固定用的螺丝会让PCB产生变形.
可以使用散热凝胶来解决这个变形的问题. 但是这个会导致成本再继续上升.

我放置的散热孔长这个样子