著者: Pete Millett、Monolithic Power Systems テクニカル マーケティング エンジニア、翻訳: Toffee Jia、出典: MPS
モーター ドライバー IC は大量の電流を供給し、また大量の電気エネルギーを消費します。通常、エネルギーはプリント回路基板 (PCB) の銅領域に散逸されます。PCB を適切に冷却するには、特別な PCB 設計技術が必要です。この記事の最初の部分では、モーター ドライバー IC の PCB 設計に関する一般的なアドバイスをいくつか説明します。
広い面積の銅を使用！
銅は優れた熱伝導体です。PCB 基板材料 (FR-4 ガラス エポキシ樹脂) は熱伝導率が悪いためです。したがって、熱管理の観点から見ると、PCB 上の銅領域が多いほど、熱伝導はより理想的になります。
たとえば、2 オンス (厚さ 68 ミクロン) の銅板は、より薄い銅板よりも熱を伝導します。ただし、厚い銅は高価であるだけでなく、微細な形状を実現するのが困難です。したがって、通常は 1 オンス (厚さ 34 ミクロン) の銅板が使用されます。外層基板には 1/2 オンスの銅メッキが使用されることが多く、厚さは最大 1 オンスです。
多層基板の内層には、放熱性を高めるために固体の銅板が使用されることがよくあります。ただし、その平面層は通常、基板スタックの中心に位置するため、熱が基板内に閉じ込められる可能性があります。次に、PCB の外層に銅領域を追加し、ビアを使用して内層に接続して熱を逃がします。
2 層 PCB には配線やコンポーネントが存在するため、熱放散もさらに困難になります。したがって、モータードライバーICは、熱放散を促進するために、できるだけ多くの固体の銅プレートとビアを使用する必要があります。外側基板の両面に銅を流し込み、ビアを使用してそれらを接続すると、トレースとコンポーネントによって分離されたさまざまな領域に熱が広がります。
トレースは広くなければなりません。広いほど良いです。
モーター ドライバー IC を流れる電流は大きいため (10A を超える場合もあります)、チップにつながる PCB 配線の幅を慎重に考慮する必要があります。トレースが広いほど、抵抗は低くなります。トレースの幅は、トレース内の抵抗によって過度のエネルギー散逸が引き起こされ、トレースの温度が上昇しないように調整する必要があります。ただし、細すぎるトレースは、電気ヒューズのように簡単に切れる可能性があります。
設計者は多くの場合、適切な配線の厚さを計算するために IPC-2221 規格を使用します。仕様には、銅の断面積とさまざまな電流レベルでの許容温度上昇を示すグラフがあり、これは特定の銅層の厚さのトレース幅に変換できます。たとえば、1オンスの銅層に10Aの電流を流すには、10℃の温度上昇を達成するために正確に7mm幅のトレースが必要であるため、1Aの電流の場合、必要なトレースはわずか0.3mmです。
このように推定すると、マイクロ IC パッドに 10A を流すのは不可能と思われます。
したがって、一定幅の長い PCB トレースに対する IPC-2221 規格の幅推奨事項を理解することが重要です。トレースがより大きなトレースまたは銅領域に接続されている場合、PCB トレースの小さなセクションを使用して大きな電流を流すことに悪影響はありません。これは、短く狭い PCB トレースの抵抗が低く、発生する熱が広い銅領域に引き込まれるためです。図 1 の例からわかるように、このデバイスのサーマル パッドの幅はわずか 0.4 mm ですが、トレースの幅がデバイスの実際の幅にできるだけ近くなっているため、最大 3A の連続電流を流すことができます。 。
図 1: PCB トレースの幅を広げる
狭い配線によって発生した熱はより広い銅領域に伝導されるため、狭い配線の温度上昇は無視できます。
PCB の内層に埋め込まれたトレースは、絶縁体が熱を伝導しにくいため、外部トレースほど熱を放散しません。このため、内側のトレースの幅は外側のトレースの 2 倍にする必要があります。
表 1 は、モーター ドライブ アプリケーションにおける長い配線 (2cm を超える) の推奨幅を大まかに示しています。
現在 (RMSまたはDC) |
トレース幅は 1 オンスの銅です |
トレース幅は2オンスの銅です |
||
外層板 |
インナーパネル |
外層板 |
インナーパネル |
|
≤1A |
0.6mm |
1.2mm |
0.3mm |
0.6mm |
2.5A |
1mm |
2mm |
0.5mm |
1mm |
5A |
2.5mm |
5mm |
1.2mm |
2.5mm |
10A |
7mm |
14mm |
3.5mm |
7mm |
表 1: PCB トレース幅
スペースが許せば、配線幅を広くしたり銅を流し込んだりすると、温度上昇を最小限に抑え、電圧降下を減らすことができます。
サーマルビア - 多ければ多いほど嬉しいです!
ビアは、信号トレースをある層から別の層に運ぶために一般的に使用される小さなメッキ穴です。名前が示すように、サーマルビアはある層から別の層に熱を伝達します。サーマルビアを適切に使用すると、PCB の熱放散に効果的に役立ちますが、実際の生産では多くの問題も考慮する必要があります。
ビアには熱抵抗があります。これは、熱がビアを流れるたびに、ワットあたりの摂氏で測定される温度差がビア全体に生じることを意味します。したがって、熱抵抗を最小限に抑え、ビアの放熱効率を向上させるには、ビアを大きく設計する必要があり、穴内の銅の面積が大きいほど良いです (図 2 を参照)。
図 2: ビアの断面図
大きなビアは PCB の空き領域で使用できますが、IC パッケージから熱が直接放散されるため、ビアはサーマル パッドの内側に配置されることがよくあります。この場合、めっき穴が大きすぎると「錫ブリード」が発生する可能性があり、IC を PCB に接続するために使用されるはんだがスルーホールを流れ落ち、はんだ接合不良が発生する可能性があるため、大きなビアを使用することはできません。
「錫ブリード」を軽減するにはいくつかの方法があります。1 つは、非常に小さなビアを使用して、穴に浸透するはんだの量を減らすことです。ただし、ビアが小さくなると熱抵抗が高くなるため、同じ放熱性能を実現するにはより多くの小さなビアが必要になります。
もう 1 つの手法は、基板の裏側のビアを「覆う」ことです。これには、バックプレーン上のはんだマスクの開口部を除去して、はんだマスク材料がビアを覆うようにする必要があります。はんだマスクは小さなビアを覆い、はんだが PCB に浸透することができません。
しかし、これにより磁束保持という別の問題が生じます。ソルダーマスクを使用してビアを覆うと、フラックスがビア内に閉じ込められます。一部のフラックス配合物は腐食性があり、長期間除去しないとチップの信頼性に影響を与えます。幸いなことに、最新の無洗浄フラックスプロセスのほとんどは非腐食性であり、問題を引き起こすことはありません。
ここで注意すべき点は、放熱穴自体に放熱機能はなく、銅エリアに直接接続する必要があることです（図3参照）。
図 3: サーマルビア
PCB 設計者は、特にビアがサーマル パッド内に配置されている場合、PCB 組立工場の SMT プロセス エンジニアと交渉して最適なビア サイズと構造を見つけることをお勧めします。
サーマルパッドのはんだ付け
TSSOP および QFN パッケージでは、大きなサーマル パッドがチップの底部にはんだ付けされています。ここのパッドは、デバイスからの熱を放散するためにダイの背面に直接接続されています。電力を放散するには、パッドを PCB にしっかりはんだ付けする必要があります。
IC の仕様では、はんだペースト用のパッド開口部が必ずしも指定されているわけではありません。通常、SMT プロセス エンジニアは、はんだの量やビア モールドの形状について独自のルールを持っています。
パッドと同じサイズの開口部を使用する場合は、より多くのはんだを使用する必要があります。はんだが溶けると、その張力によりデバイスの表面が膨らみます。また、はんだボイド（はんだ内部のくぼみや隙間）の原因となる場合があります。はんだボイドは、はんだリフロープロセス中にフラックスの揮発性物質が蒸発または沸騰するときに発生します。これにより、はんだが接合部からにじみ出る可能性があります。
これらの問題を解決するために、通常、約 2mm2 より大きい面積のパッドの場合、はんだペーストをいくつかの小さな正方形または円形の領域に堆積します (図 4 を参照)。はんだを複数の小さな領域に分散させることで、フラックス中の揮発性物質が蒸発しやすくなり、はんだの浸出を防ぎます。
図 4: QFN 溶接ツール
繰り返しになりますが、PCB 設計者と SMT プロセス エンジニアが共同で正しいサーマル パッドのモールド開口部について交渉することをお勧めします。インターネット上でいくつかの論文を参照することもできます。
コンポーネントの配置
モータードライバー IC の部品配置ガイドラインは、他のパワー IC の場合と同じです。バイパス コンデンサはデバイスの電源ピンのできるだけ近くに配置し、その隣に大容量のコンデンサを配置する必要があります。多くのモーター ドライバー IC ではブートストラップ コンデンサまたはチャージ ポンプ コンデンサが使用されており、これらも IC の近くに配置する必要があります。
図 5 のコンポーネントの配置例を参照してください。図 5 は、MP6600 ステッピング モーター駆動の 2 層基板 PCB レイアウトを示しています。ほとんどの信号トレースは最上層で直接配線されます。バルク コンデンサからの電源配線をバイパスするように配線し、最下層の複数のビアと置換層の複数のビアを使用します。
図 5: MP6600 コンポーネントの配置
この記事の次の部分では、モータードライバーICのパッケージング方法とPCBレイアウトについて詳しく説明します。
次の記事
この記事の前の記事では、適切な性能を達成するには慎重な PCB レイアウトが必要となる、モーター ドライバー IC を使用した PCB ボードの設計に関する一般的なアドバイスをいくつか提供しました。この記事の次の部分では、一般的なパッケージを使用するモーター ドライバーに対する特定の PCB レイアウトの推奨事項をいくつか示します。
リードパッケージのレイアウト
SOIC や SOT-23 パッケージなどの標準リード付きパッケージは、低電力モーター ドライブで一般的に使用されます (図 6)。
図 6: SOT 23 および SOIC パッケージ
リードパッケージの電力消費能力を完全に向上させるために、MPS は「フリップチップリードフレーム」構造を採用しています (図 7)。ボンディングワイヤを使用せず、銅バンプとはんだを使用してチップを金属リードに接合し、チップからリードを介して熱をPCBに伝導します。
図 7: フリップ チップ リード フレーム
より大きな銅領域をより大きな電流を流すリード線に接続することで、熱性能が最適化されます。モーター ドライバー IC では、通常、電源、グランド、出力ピンは銅線領域に接続されます。
図 8: フリップチップ SOIC PCB レイアウト
図 8 は、「フリップ チップ リードフレーム」SOIC パッケージの一般的な PCB レイアウトを示しています。ピン 2 はデバイスの電源ピンです。銅領域は上部デバイスの近くに配置されていますが、いくつかのサーマル ビアがこの領域を PCB 裏面の銅層に接続していることに注意してください。ピン 4 はグランド ピンで、表面グランドの銅領域に接続されています。ピン 3 (デバイス出力) も、より大きな銅領域に配線されます。
QFN および TSSOP パッケージ
TSSOP パッケージは長方形で、2 列のピンを使用します。モータードライバーIC用のTSSOPパッケージは通常、デバイスから熱を除去するためにパッケージの底部に大きな露出プレートを備えています(図9)。
図 9: TSSOP パッケージ化
QFN パッケージは、デバイスの外縁の周囲にプレートがあり、デバイスの底部中央に大きなプレートがあるリードレス パッケージです (図 10)。この大きなプレートは、チップからの熱を吸収するために使用されます。。
図 10: QFN パッケージ
これらのパッケージから熱を除去するには、露出した基板を適切にはんだ付けする必要があります。露出したプレートは通常グランド電位にあるため、PCB のグランド プレーンに接続できます。図 11 の TSSOP パッケージの例では、ドリル直径 0.38 mm の 18 ビア アレイが使用されています。このビア アレイの熱抵抗の計算値は約 7.7°C/W です。
図 11: TSSOP PCB レイアウト
通常、これらのサーマルビアでは、錫の浸透を防ぐために、0.4 mm 以下のドリル直径が使用されます。SMT プロセスでより小さな開口が必要な場合は、全体の熱抵抗を可能な限り低く保つために穴の数を増やす必要があります。
基板領域にあるビアに加えて、IC 本体の外部領域にもサーマルビアが設けられています。TSSOP パッケージでは、銅領域がパッケージの端を超えて広がることがあり、デバイス内の熱が上部の銅層を通過するための別の経路が提供されます。
QFN デバイス パッケージの端の周りの基板は、熱を吸収するために上部に銅層を使用することを避けています。PCB の内層または最下層に熱を放散するには、サーマル ビアを使用する必要があります。
図 12 の PCB レイアウトは、小型 QFN (4 × 4 mm) デバイスを示しています。露出した基板領域に収容されるサーマル ビアは 9 つだけです。(図 12 を参照) したがって、この PCB の熱性能は、図 11 に示す TSSOP パッケージほど良くありません。
図 12: QFN (4mmx4mm) レイアウト
フリップチップQFNパッケージ
フリップチップ QFN (FCQFN) パッケージは通常の QFN パッケージに似ていますが、チップはパッケージ基板への接続にボンド ワイヤを使用するのではなく、デバイスの底部にある基板に直接フリップチップ接続されています。これらのプレートは、チップ上の発熱するパワーデバイスの反対側に配置できるため、通常は小さなプレートではなく長いストリップとして配置されます (図 13 を参照)。
図 13: FCQFN パッケージ
これらのパッケージでは、リードフレームに接着されたチップの表面に銅バンプの列が使用されています (図 14)。
図 14: FCQFN の構造
従来の QFN パッケージと同様に、小さなビアを基板領域内に配置できます。電源プレーンとグランド プレーンを備えた多層基板では、ビアによってこれらの基板が層に直接接続されます。他の場合には、IC からの熱をより大きな銅領域に引き出すために、銅領域を基板に直接接続する必要があります。
図 15: FCQFN PCB レイアウト
図 15 に、MPS Corporation のパワーステージ IC MP6540 を示します。このデバイスには長い電源プレーンとグランド プレーン、および 3 つの出力があります。パッケージの大きさは5mmx5mmのみですのでご注意ください。
デバイスの左側にある銅の領域は電源入力ポートです。このより大きな銅領域は、デバイスの 2 つの電源プレーンに直接接続されます。
3 つの出力ボードは、デバイスの右側の銅線エリアに接続されています。銅線領域はボードから出た後、可能な限り拡大することに注意してください。これにより、プレートから周囲空気への適切な熱伝達が可能になります。
また、デバイスの右側の 2 つのボードにある小さなビアの列にも注目してください。基板は接地されており、固体のグランド プレーンが PCB の背面に配置されています。これらの貫通穴の直径は 0.46 mm、ドリル穴の直径は 0.25 mm です。ビアは基板領域内に収まるほど小さいです。
要約すると、モーター ドライバー IC を使用して PCB 設計を成功させるには、PCB を慎重にレイアウトする必要があります。したがって、この記事では、PCB 設計者が PCB ボードの良好な電気的および熱的性能を達成するのに役立ついくつかの実践的な提案を提供します。
著者: Pete Millett、モノリシック パワー システム社テクニカル マーケティング エンジニア、出典: MPS
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