Leiterplattenlayout für High-Side-Schalter (Hochstrom)

Ich arbeite an einem PCB-Layout für zwei High-Side-Schalter. Sie können unten ein Bild meines aktuellen Layouts sehen.

Leiterplattenlayout

Das Kupfergewicht der zukünftigen Leiterplatte wird wahrscheinlich 2 oz / ft² (doppelseitig) betragen. Ich benutze zwei p-Kanal-MOSFET (IPB180P04P4). Ich erwarte 10 Ampere für den MOSFET auf der rechten Seite (ich wähle sehr nahe am minimalen Platzbedarf, Pd ungefähr 0,2 W) und 15 Ampere (U2, Spitze bei 30 Ampere, Pd ungefähr 0,45 W, max. 1,8 W) für den MOSFET links (U1, 8 cm² Kupfer).

IC1 ist ein Stromsensor.

Die Klemmenblöcke (U15, U16) sind vom Typ: WM4670-ND auf Digikey .

Um so viel Strom auf diese Art von Leiterplatte zu ziehen, sagte mir einer der Online-Rechner, ich brauche 20-mm-Leiterbahnen. Um Platz zu sparen, habe ich beschlossen, diese große Spur in zwei Spuren aufzuteilen (eine oben und eine unten). Ich verbinde beide Spuren mit einem Muster von Durchkontaktierungen (Bohrergröße 0,5 mm auf einem Raster von 2x2 mm²). Ich habe keine Erfahrung mit dieser Art von Layout, also habe ich mir andere Boards angesehen und eine Dimension aufgegriffen, die mir fair erschien. Ist dieses Via-Muster der richtige Weg?

Unter den MOSFETs verwende ich die gleiche Art von Muster, jedoch mit einer kleineren Bohrergröße von 0,3 mm, um den thermischen Übergang herzustellen. Fließt das Lot bei dieser Größe besser? Keine der Durchkontaktierungen ist bisher gefüllt ...

Ich denke auch darüber nach, keine Lötmaske auf diesen Spuren zu haben, das heißt, etwas Lötmittel auf das Kupfer aufzutragen.

Ich mache mir auch Sorgen um die Pads der MOSFETs. Ich habe mich entschieden, sie nicht mit Kupfer zu bedecken. Ich dachte, das Gerät könnte sich auf diese Weise selbst zentrieren, aber das könnte wahrscheinlich den Widerstand erhöhen ...

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BEARBEITEN 1

Ich habe das Design leicht verbessert. Ich habe weitere Durchkontaktierungen unter den Wärmeleitpads der MOSFETs hinzugefügt. Unter den MOSFETs befindet sich blankes Kupfer (wenn ich in Zukunft einen Kühlkörper hinzufügen möchte).

Top v2

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BEARBEITEN 2

Ein neues Update zu diesem Design. Ich habe die Kupferfläche um die Leitungen der MOSFETs vergrößert. Das sollte den Widerstand dieser Spuren verringern.

Ich habe weitere Durchkontaktierungen zwischen der oberen und der unteren Ebene hinzugefügt, um die aktuelle Verteilung in diesen Ebenen zu verbessern.

Ich fragte den Hersteller, ob ich Durchkontaktierungen unter den Geräten hätte anschließen können, um die Wärmeableitung zu verbessern. Er sagte mir, das sei duable.

Ich glaube nicht, dass ich noch etwas ändern werde. Das war meine beste Vermutung, also kann ich es versuchen, wenn niemand einen Kommentar hat.

Oben Unten v3

— Marmoz
quelle

Ein paar Dinge: Erstens möchten Sie wirklich nicht viele (oder keine) Durchkontaktierungen direkt unter Ihren MOSFETs. Entweder müssen Sie extra für das Board House bezahlen, um sie zu verstopfen, oder sie leiten das Lot vom Teil weg (oder schlimmer noch, wenn die Durchkontaktierungen auf dem Boden liegen, können die austretenden Flussmitteldämpfe direkt darunter große Hohlräume bilden der FET). Ich würde empfehlen, den Kupferbereich um das FET-Pad zu erweitern (wie Sie es links von U $ 2 getan haben) und dort weitere Durchkontaktierungen hinzuzufügen. Auch wenn das Auflöten von nicht maskierten Spuren hilfreich sein kann, wird ein zusätzlicher Herstellungsschritt hinzugefügt. Es ist wichtig, ob Sie kostensensitiv sind. Sieht aus wie ein lustiges Projekt!

— Bitsmack

Ja, es ist ein lustiges Projekt !! Vielen Dank für die Kommentare, der Hersteller macht bereits die Boards. Ich werde auf jeden Fall auf diese Themen achten. Ich mache mir Sorgen um die Durchkontaktierungen unter den MOSFETs. Sie sind nicht verstopft, aber ich gehe davon aus, dass sie das Lot nicht zu stark vom Teil wegleiten. Ich habe in einer anderen Frage über dieses Problem gesprochen. Über das Aufbringen von Lötmittel auf nicht maskierte Spuren dachte ich darüber nach und entschied, dass dies ohne funktionieren könnte. Das verringert auch die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses, was keine schlechte Sache ist ...

— Marmoz

In Bezug auf das Kupfergebiet ging mir leider der Raum aus. Wenn ich also die Wärmeableitung verbessern möchte, würde ich lieber einen Kühlkörper verwenden. Die Hohlräume unter den MOSFETs sind eines der Hauptprobleme, die ich bald lösen muss! Haben Sie einen Rat dafür (jetzt, wo die Bretter so gemacht sind)?

— Marmoz

Der Rat, den ich immer bekommen habe, ist, "niemals" offene Durchkontaktierungen in einem Pad zu verwenden. Manchmal muss ich, also habe ich ein paar eingegeben, und es hat bisher geklappt. Sie machen Dochtlot! Ich habe einmal ein Board mit vielen davon gemacht (allerdings weniger als Sie ( grins )), und das Lot lief zur Unterseite des Boards und sammelte sich in einem großen Tropfen. Obwohl sich zwischen den Durchkontaktierungen der unteren Schicht eine Lötmaske befand! Ein Versuch, dieses Problem zu lösen, besteht darin, die Durchkontaktierungen auf der unteren Schicht zu "zelten". Dies bedeutet, dass sie mit einer Lötmaske bedeckt sind. Es ist nur möglich, wenn die Durchkontaktierungen klein genug sind, um die Maske intakt zu halten ...

— bitsmack

Das Problem dabei ist jedoch, dass expandierende Gase (entweder die Luft selbst oder aus dem Flussmittel) nicht durch den Boden der Platte entweichen können. Sie drücken gegen den FET und hinterlassen Blasen und Hohlräume. Keine gute Lösung. Wenn ich an Ihrer Stelle wäre und die Platinen bereits hergestellt würden, würde ich wahrscheinlich manuell Lötmittel in die Durchkontaktierungen einführen, bevor ich die FETs löte. Hoffentlich geht ihm nicht der Boden aus :)

— bitsmack

Antworten:

Ich bin gespannt, wie Sie Ihre Verlustleistungszahlen abgeleitet haben. Auf dem Datenblatt sieht es aus wie 10 Uhr 200 mW (12 Grad Temperaturanstieg), 30 Ampere, 2,5 W mit einem 90 Grad Temperaturanstieg (angesichts des Rthja von 40 Grad / W, der auch bei 6 cm ^ wahr zu sein scheint 2 des PCB-Bereichs).

Das heißt, wenn Sie viel Wärme aus Ihren FETs ziehen möchten, können Sie ein 0,250-Zoll-Durchgangsloch darunter bohren lassen und dann einen Kupferbutzen verwenden, der sich durch das Loch erstreckt und die Rückseite des Gehäuses berührt könnte auch einen Kühlkörper auf die Oberseite kleben, aber es ist nicht so effektiv zu versuchen, durch das Gehäuse zu leiten.

Bei Ihren Layoutfragen sieht es aus wie eine 6-mil-Spur für alle Quell-Leads. Bei 30A wäre das eine schlechte Wahl, im Vergleich dazu schauen Sie in eine 30A-Sicherung :-) Das bedeutet, dass Sie auf dieser Spur eine gewisse Erwärmung bekommen. Unabhängig davon, welche Spurbreite Sie auswählen, führen Sie die Berechnung auf dem von Ihnen gewählten Kupferpegel durch und berechnen Sie anhand des aktuellen quadratischen x-Widerstands, wie viele Watt diese Spur verbraucht.

Sie benötigen nicht alle Durchkontaktierungen, die Sie auf dem Pad haben. 5 würde ausreichen, um eine thermische Verbindung von oben nach unten herzustellen. Ich habe gesehen, dass Leute nur einen benutzen, aber Sie verlassen sich stark auf die Platte, obwohl das Loch in diesem Fall.

— Futter
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Tatsächlich fließt der größte Teil des Stroms vom IN-Block zum OUT-Block, es handelt sich um Klemmenblöcke. Ich sollte die Nummer noch einmal durchgehen, ich habe sie momentan nicht im Sinn, aber das hat am Ende gut funktioniert. Ich bin mir nicht sicher, ob ich den Trick mit der Kupferschnecke verstehen soll ... OK für alle Durchkontaktierungen, ich wusste es nicht wirklich, also habe ich es auf diese Weise versucht. Gut zu wissen für das nächste Mal, danke!

— Marmoz

Sie könnten in Betracht ziehen, die Lötmaske über den Hochstromspuren zu entfernen und die Hash-Beschichtung ein wenig verdicken zu lassen (und möglicherweise die Durchkontaktierungen zu füllen?).

— TomKeddie
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Verwendet noch jemand HASL? Viele Leiterplattenhersteller unterstützen HASL nicht mehr, da der Kostenunterschied praktisch nicht mehr besteht und ENIG ein besseres, flacheres Finish erzielt.

— Oliver

Ich kann nur sagen, dass sie tatsächlich ein ENIG-Finish gemacht haben. Ich habe die Lötmaske jedoch nicht entfernt, aber das war ein guter Punkt. Vielen Dank

— Marmoz

Verwenden Sie eine Aluminium-Substrat-Leiterplatte, wenn Sie so viel Kühlleistung benötigen. Das ist eine Menge thermischer Durchkontaktierungen. Ich glaube nicht, dass viele Proto-Shops dies ohne zusätzliche Bohrkosten schaffen werden.

— Wieselpresse
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Allgemeiner Kommentar für den Fall, dass es jemandem hilft: Viele Orte zeichnen eine Linie mit 35 Bohrern pro Quadratzoll.

— Anthony

Ich kannte die Aluminium-Substrat-Leiterplatte damals nicht. Aber das hat endlich geklappt. Ich habe kommerzielle Leiterplatten für hohe Ströme mit so vielen Durchkontaktierungen gesehen, also dachte ich, das könnte nicht schaden. Ich weiß eigentlich nicht, ob sie mir zusätzliche Gebühren berechnet haben, sie sagen nichts über das Angebot ... aber das bedeutet nicht, dass sie mich nicht belastet haben, denke ich.

— Marmoz