전기 자동차에서 PCB의 역할 | JH PCBA

무거운 구리 PCB

자동차 산업에서는 주로 릴레이 및 퓨즈 박스에 무거운 구리 PCB를 사용해 왔습니다. 많은 응용 분야에서 전력이 증가함에 따라 이 기술이 부활하고 있습니다. 무거운 구리 층을 전력선으로 사용하면 다층 보드에서 도체를 서로 쌓을 수 있으므로 기생 인덕턴스를 줄이는 추가적인 이점이 있습니다. PCB 제조업체는 종종 내부 레이어에 12oz 구리가 포함된 최대 4개의 레이어를 구현하여 1000A 이상의 잠재적 전달 용량을 제공합니다. 내부 레이어의 두께는 400μm이지만 제조업체는 외부 레이어의 무거운 구리를 150A 미만으로 유지해야 합니다. μm. 그렇게 하지 않으면 솔더 마스크 공정에서 적절한 전기 절연을 제공하기 위한 추가적인 노력이 필요합니다.

파워 콤비보드

무거운 구리 기술에는 단점이 있습니다. 무거운 구리와 함께 미세 피치 구조를 에칭하는 것은 불가능합니다. 따라서 대부분의 전력 전자 시스템에서는 표면 실장 기술을 사용한 조립을 위해 일정한 구리 두께를 사용하는 별도의 제어 보드와 무거운 구리 설계의 전력 스테이지를 갖는 것이 일반적입니다. 이를 위해서는 두 보드를 상호 연결하는 커넥터를 포함하여 두 보드를 모두 호스팅할 수 있는 적절한 공간이 있는 설치 공간이 필요합니다.

PCB 제조업체는 하나의 구조에서 두 가지 요구 사항을 모두 충족하기 위해 전력 콤비 보드를 개발했습니다. 그들은 표준 구리 구조와 함께 내부 레이어에 무거운 구리를 설치합니다. SMT 호환 구리 두께를 사용하는 공통 외부 레이어는 전체 보드에 대한 전기적 연결을 제공하는 역할을 합니다.

그러나 무거운 구리층 사이의 절연층은 z축에서 최적의 열 전달을 위한 장벽 역할을 합니다. 무거운 구리 PCB 기술은 고전류 관리에 유용하므로 적절한 방열을 위해서는 절연 금속 기판 및 인레이 기술과 같은 다른 기술이 필요합니다.

절연 금속 기판 

주로 금속 방열판으로 구성된 절연 금속 기판은 금속 방열판과 상단의 단일 구리 층을 분리하는 얇은 절연층을 가지고 있습니다. 이 구조는 많은 열 발생 구성 요소를 호스팅하는 단순한 설계에 매우 유용합니다. 그러나 보다 복잡한 설계의 경우 단일 레이어 라우팅이 적합하지 않을 수 있으며 둘 이상의 레이어가 필요할 수 있습니다.

대부분의 절연 금속 기판 설계에서는 알루미늄을 방열판으로 사용합니다. 이로 인해 무게는 줄어들지만 CTE가 높아져 설계 신뢰성이 떨어집니다. 신뢰성을 향상시키기 위해 설계자는 구리를 방열판 재료로 사용합니다. 이는 또한 보드의 열 용량을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

인레이 기술

열은 가능한 가장 짧은 방법으로 뜨거운 구성 요소에서 방열판으로 이동해야 합니다. 이렇게 하면 열 저항이 최소화됩니다. 대부분의 경우 열은 PCB 상단 조립 면의 뜨거운 부품에서 시작하여 보드 하단의 방열판에 도달하기 전에 보드를 통과하여 z축으로 이동합니다.

방열판을 고정하는 대신 PCB 제조업체는 이제 PCB 내에 거대한 구리 인레이를 적층합니다. 이로 인해 열 저항이 크게 감소합니다. 인레이를 열 방출을 위한 싱크로 사용하는 것 외에도 옴 저항이 낮기 때문에 높은 전류를 운반하는 데에도 인레이를 사용할 수 있습니다.

칩 임베딩 기술

그러나 기존 기술은 제한된 공간, 특히 전력 밀도가 높은 곳에 설치할 때 한계에 직면합니다. 공간 절약을 위해 PCB 제조업체는 소형화를 요구하며 일부 구성 요소를 외부 표면에 장착하는 대신 보드 내부에 설치하여 이를 달성합니다.

PCB 내부의 뜨거운 부품에서 방열판으로의 열 방출을 개선하기 위해 제조업체는 리드 프레임이 있는 전력 반도체를 사용해야 합니다. 이는 열 분산기 역할을 하여 열 저항을 크게 감소시킵니다. 상단의 두꺼운 구리 층은 기존 전원 모듈에서 사용하는 본드 와이어 대신 구리로 채워진 마이크로 비아를 사용하여 접점을 연결하는 데 도움이 됩니다. 이 기술은 열 방출에 도움이 될 뿐만 아니라 다음과 같은 많은 전기 매개변수도 개선합니다.

온상태 저항:

칩 임베딩은 본드 와이어와 관련 패키지 저항을 실질적으로 제거합니다. 그러나 정확한 온 상태 저항 값은 반도체 기술의 세대, 전압 등급, 패키지 유형에 따라 달라집니다.

열저항:

리드 프레임은 뛰어난 열 확산을 제공하여 시스템의 열 저항을 크게 향상시킵니다. 또한 리드 프레임의 열 용량은 장치의 견고성과 열 임피던스를 향상시킵니다.

스위칭 성능:

칩 상단은 비아와 거의 평평한 연결을 가지므로 매우 낮은 기생 인덕턴스 값을 달성합니다. 이로 인해 전력 반도체와 DC 링크 커패시터 사이의 거리도 매우 짧아집니다. 위의 결과로 손실은 크게 줄이면서 더 빠른 스위칭이 가능해졌습니다. 이는 SiC 및 GaN 반도체를 사용하는 최신 고속 스위칭 기술의 경우 특히 그렇습니다.

소형화:

현재와 ​​미래의 애플리케이션은 추가 기능을 제공해야 하는 동시에 폼 팩터를 줄여야 하는 경우가 많습니다. 칩 임베딩은 PCB 수준에서 귀중한 공간을 절약하는 데 도움이 됩니다.

더 높은 신뢰성:

세라믹이나 본드 와이어를 교체하면 시스템의 신뢰성이 크게 향상됩니다. 예를 들어, 임베디드 기술을 사용하여 보드에서 120K 온도 차이를 갖는 전력 사이클링 테스트에서는 700,000회 이상의 활성 사이클을 견딜 수 있는 것으로 나타났습니다.

비용 절감:

칩 임베디드 기술을 통해 상당한 비용 절감이 가능합니다. 이는 전반적인 공간 절약, 내장 절연, 낮은 EMC 문제, 더 작은 수동 부품, 더 낮은 칩 표면적이 필요한 전력 부품, 최적화된 냉각 및 케이블 및 커넥터 비용 절감.

넓은 밴드갭 및 고전압 반도체에 유용

PCB용 칩 임베딩 기술은 전력 전자 애플리케이션의 성능을 향상시킵니다. 이 신기술은 기생 인덕턴스가 매우 낮아 고주파수에서 저손실 스위칭을 지원합니다. 이는 넓은 밴드갭 반도체를 사용할 때와 SiC 및 GaN 장치를 사용하는 차세대 자동차 드라이브에 매우 바람직합니다.

내장된 단열재는 스마트 팩 구성 요소를 방열판에 직접 조립하는 데 도움이 됩니다. 요구 사항에 따라 TIM(열 인터페이스 재료)은 전기 전도성이 될 수도 있고 비전도성이 될 수도 있습니다.

션트를 사용한 전류 감지는 일반적인 방법입니다. 제조업체는 EV 전기 모터의 위상 전류를 측정하기 위해 션트를 사용합니다. 상대적으로 큰 구성 요소인 션트는 소형화 노력에 적합한 후보입니다. 션트를 스마트 팩 구성 요소로 내장하면 열 방출이 크게 향상됩니다. 이로 인해 최대 300A의 전류를 측정하는 데 션트를 사용할 가능성이 높아집니다. 신뢰성을 높이기 위해 제조업체에서는 션트에 대한 솔더 조인트와 보드 회로를 마이크로 비아로 교체합니다.

결론

PCB Trace Technologies Inc에 따르면 새로운 PCB 기술은 다양한 방식으로 전기 자동차를 지원하고 있습니다. 폼 팩터를 최소화할 뿐만 아니라 시스템 수준에서 비용을 절감하여 시스템 성능과 안정성을 높이고 있습니다. PCB 내에 전력 전자 장치를 내장하면 기존 전력 모듈을 대체하고 시스템 성능과 신뢰성을 크게 향상시키는 데 도움이 됩니다. 이는 저전압 애플리케이션뿐만 아니라 고전류 사용, 넓은 밴드갭 장치를 사용하는 고전압 애플리케이션에도 유용합니다.

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