BMS大電流電路板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作

李 旋 胡梓浩 常玉兵 劉桂武

（深圳市深聯(lián)電路有限公司，廣東 深圳 518117）

0 引言

電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）是電池與用戶之間的紐帶，其主要功能是提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長(zhǎng)電池的使用壽命，隨時(shí)監(jiān)控電池狀態(tài)。隨著電池管理系統(tǒng)的發(fā)展，也會(huì)增加其他功能。

電動(dòng)汽車的快速發(fā)展直接帶動(dòng)了BMS 的發(fā)展。為了滿足電動(dòng)汽車等各種移動(dòng)電子設(shè)備的發(fā)展需求，通常將電池串并聯(lián)處理，如圖1 所示。同時(shí)，電池的發(fā)展對(duì)應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)的印制電路板（printed circuit board，PCB）也提出了更高的要求，尤其以大電流啟動(dòng)電池的需求更為突出：在PCB 有限的布線區(qū)域內(nèi)，需要滿足電池成組后的大電流要求；PCB 材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要滿足電池瞬時(shí)大功率及散熱需求。

圖1 BMS組裝

隨著BMS 啟動(dòng)電源向大電流發(fā)展，載流和散熱成為PCB 設(shè)計(jì)時(shí)主要的考慮方向，BMS 大電流啟動(dòng)電源保護(hù)電路板常態(tài)需承載數(shù)百安倍的持續(xù)電流，瞬時(shí)需承載數(shù)千安倍的峰值電流（持續(xù)數(shù)秒）?，F(xiàn)階段，大多數(shù)BMS 的電氣架構(gòu)均采用并聯(lián)多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（metal-oxide-semiconductor，MOS）進(jìn)行分流的形式，且每個(gè)MOS管單獨(dú)搭載在厚銅或銅塊上，并通過外接散熱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)散熱。此設(shè)計(jì)充分利用了MOS 管的分流作用，但每個(gè)MOS 管在PCB 貼裝后均是獨(dú)立的散熱單體，只有外接散熱結(jié)構(gòu)將每個(gè)MOS 管聯(lián)系在一起后才是一個(gè)散熱整體，故而此設(shè)計(jì)會(huì)在MOS 管控制的某一串電池組出現(xiàn)大電流沖擊時(shí)局部過載而燒毀。

本文就目前BMS 面臨的問題，重點(diǎn)介紹大電流啟動(dòng)電源時(shí)可保護(hù)PCB 的一種全新的載流、散熱一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作，使載流和散熱一體化，在均衡載流的同時(shí)均衡散熱，可承載更大的瞬時(shí)電流。

1 傳統(tǒng)載流和散熱結(jié)構(gòu)

為解決MOS 管出現(xiàn)局部過載而燒毀的問題，在傳統(tǒng)PCB 采用埋嵌銅塊的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了一種較為新穎的載流及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

PCB正面貼裝MOS管，通過PCB埋嵌銅塊和過孔將熱傳導(dǎo)到背面大銅皮，背面大銅皮在不影響電性能的前提下，將MOS 管同一輸入端或輸出端的網(wǎng)絡(luò)連接在一起，起到均衡散熱的作用，如圖2 所示，并通過外接散熱結(jié)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)最終散熱，如圖3 所示。MOS 管貼裝后，從正面銅塊或過孔到背面大銅皮連接，再到外接散熱結(jié)構(gòu)，共三級(jí)散熱。

圖2 PCB正面和背面

圖3 外接散熱結(jié)構(gòu)

此載流和散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可切實(shí)起到均衡載流同時(shí)均衡散熱的作用，但也存在明顯的弊端：通過背面大銅皮連接實(shí)現(xiàn)均衡散熱，受銅的熱傳導(dǎo)速率限制，在極端大電流情況下會(huì)出現(xiàn)熱還未傳導(dǎo)出去，MOS 貼裝位置的局部溫度便已達(dá)到燒毀臨界點(diǎn)的情況；在PCB 有限的布線空間要單獨(dú)設(shè)計(jì)一面大銅皮作為均衡散熱媒介，極大地降低了布線密度，限制了電池管理系統(tǒng)向更小、更簡(jiǎn)的方向發(fā)展。

2 載流和散熱一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在上述基礎(chǔ)上，將三級(jí)散熱縮減為二級(jí)散熱，即將從銅塊到大銅皮連接的二級(jí)散熱結(jié)構(gòu)直接通過埋置大銅條的方式縮減為一級(jí)散熱結(jié)構(gòu)，使載流和散熱一體化，在均衡載流的同時(shí)均衡散熱，避免了銅塊到大銅皮熱傳導(dǎo)速率的影響，可承載更大的瞬時(shí)電流。

以3 PIN 腳的MOS 管為例，如圖4 所示。圖中，1 為柵極（G），2 為源極（S），3 為漏極（D）。G 和S 均為輸入端（同一個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)），D為輸出端。

圖4 3 PIN腳MOS管

布線設(shè)計(jì)如圖5 所示。MOS 管的輸入端和輸出端分別用2 個(gè)銅條作為焊接、過流與散熱的載體；根據(jù)MOS 管PIN 腳的輸入端和輸出端的間距設(shè)計(jì)銅條間隙；根據(jù)MOS 管PIN 腳的焊接位置及大小在對(duì)應(yīng)銅條位置設(shè)計(jì)銅凸臺(tái)，銅條只露出銅凸臺(tái)，其他位置用覆銅板覆蓋。

圖5 布線設(shè)計(jì)

疊構(gòu)設(shè)計(jì)：載流和散熱一體化疊構(gòu)設(shè)計(jì)，充分參考了熱電分離銅基板壓合結(jié)構(gòu)，如圖6（a）所示，埋嵌銅條壓合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙面銅凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，如圖6（b）所示，銅條頂?shù)讓泳宦冻鲂枰N裝的位置以最大化利用有限的布線空間。

圖6 載流和散熱一體化疊構(gòu)設(shè)計(jì)

在此基礎(chǔ)上，采用4 芯板夾3 層的半固化片（prepreg，PP）結(jié)構(gòu)，每層PP 均采用2 張規(guī)格為1080 RC65%的PP；外層FR-4 芯板和銅條互為嵌入結(jié)構(gòu)，以保證2 個(gè)銅條間隙填膠飽滿、無縫隙?？紤]到FR-4 芯板和銅凸臺(tái)制作的可加工性，外層FR-4芯板采用0.1 mm（不含銅）的FR-4芯板，以最大化銅條尺寸，保證最大化載流和散熱。

2.2 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

（1）將傳統(tǒng)三級(jí)散熱縮減為二級(jí)散熱，使載流和散熱一體化，在均衡載流的同時(shí)均衡散熱，可承載更大的瞬時(shí)電流。

在電氣架構(gòu)采用并聯(lián)多個(gè)MOS 管進(jìn)行分流的基礎(chǔ)上，PCB 采用嵌入銅條工藝（銅條尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銅塊），并根據(jù)電池成組后MOS 管輸入端和輸出端對(duì)應(yīng)的同一網(wǎng)絡(luò)采用同一銅條連接，以實(shí)現(xiàn)在有限的空間內(nèi)最大化載流及散熱，從銅條直接外接散熱結(jié)構(gòu)，共二級(jí)散熱，避免了銅塊到大銅皮熱傳導(dǎo)速率的影響，進(jìn)一步避免了MOS 管控制的某一串電池組出現(xiàn)大電流沖擊時(shí)散熱不及時(shí)導(dǎo)致的燒毀問題，可承載更大的瞬時(shí)電流。

（2）相比于傳統(tǒng)MOS 管的布線設(shè)計(jì)，背面無需單獨(dú)設(shè)計(jì)大銅皮作為均衡散熱的媒介，極大地提高了布線密度，推動(dòng)了BMS 向更小、更簡(jiǎn)的方向發(fā)展。

（3）采用的埋嵌銅條結(jié)構(gòu)替代了傳統(tǒng)的埋嵌銅塊結(jié)構(gòu)，并將銅條/銅塊數(shù)量縮減至最少2 個(gè)，極大地提高了壓合時(shí)手工埋嵌銅條/銅塊的可操作性，提高了生產(chǎn)效率，見表1。

表1 不同疊構(gòu)類型對(duì)應(yīng)的PCB特征

3 載流和散熱一體化結(jié)構(gòu)制作

3.1 傳統(tǒng)工藝

3.1.1 傳統(tǒng)工藝流程

傳統(tǒng)工藝流程示意圖如圖7所示。

圖7 傳統(tǒng)工藝流程

3.1.2 流程說明

（1）雙面蝕刻：銅板對(duì)應(yīng)的頂、底層需要貼裝的位置采用雙面蝕刻的方式制作，蝕刻露出頂、底層的銅凸臺(tái)。

（2）成型：銅條的外形采用鑼切割或激光切割的方式制作。

（3）壓合：參考嵌入銅塊工藝將銅條和FR-4壓合成型，只露出頂、底層的銅凸臺(tái)。

3.1.3 工藝限制

受“水池效應(yīng)”影響，銅板雙面蝕刻后頂、底層蝕刻深度均勻性差異較大。整體體現(xiàn)在頂、底層銅凸臺(tái)的相對(duì)高度差異大，壓合后板面不平整，溢膠難以除盡，難以采用機(jī)械磨板的方式除膠，極大地限制了批量制作的可行性。

在蝕刻線能力受限的基礎(chǔ)上，業(yè)內(nèi)研究過采用頂、底層銅凸臺(tái)分開蝕刻的方式避免“水池效應(yīng)”的影響，但受銅凸臺(tái)高度限制（銅凸臺(tái)高度受FR-4 和PP 材料本身厚度規(guī)格和制作工藝限制，外層FR-4 和PP 的整體厚度≥0.2 mm），干膜、濕膜及阻焊均無法在有效保護(hù)一面銅凸臺(tái)的同時(shí)允許蝕刻另一面；如果采用雙面凸臺(tái)，雖然可保證雙面凸臺(tái)高度的均勻性，但制作成本和效率都是新的問題，限制了此工藝方法的使用。

3.2 創(chuàng)新工藝

3.2.1 創(chuàng)新工藝流程

創(chuàng)新工藝流程示意圖如圖8所示。

圖8 創(chuàng)新工藝流程

3.2.2 特別說明

控深銑的深度公差業(yè)內(nèi)普遍控制在±0.1 mm范圍內(nèi)，所以底層凸起的FR-4 控深銑后與銅凸臺(tái)底部并不存在真正意義上的齊平；結(jié)合目前啟動(dòng)鋰電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在進(jìn)行控深銑工步時(shí)，銅條上下表面積基本占了整個(gè)PCB 面積的80%以上，且二次壓合時(shí)，PP 本身的流膠可以平衡控深銑FR-4 后的深度公差帶來的影響，所以可以保證二次壓合底層的平整度。

3.2.3 工藝優(yōu)點(diǎn)

兩次壓合結(jié)合銅板兩面分開蝕刻，一次壓合FR-4 填平了銅板一次蝕刻后銅凸臺(tái)與銅凸臺(tái)底部的高度差，使干膜（濕膜或阻焊）可充分貼緊銅凸臺(tái)面，蝕刻另一面銅凸臺(tái)時(shí)可有效保護(hù)銅凸臺(tái)面，避免了雙面蝕刻“水池效應(yīng)”的影響。

創(chuàng)新工藝的優(yōu)點(diǎn)為：解決了銅板雙面蝕刻均勻性的問題；解決了壓合后板面平整性差，溢膠難以除盡，無法采用機(jī)械磨板方式除膠的問題；解決了批量制作的技術(shù)瓶頸，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率和品質(zhì)良率。

4 結(jié)語

本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理上，介紹了BMS大電流啟動(dòng)電源保護(hù)電路板一種全新的載流和散熱一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相比于傳統(tǒng)載流和散熱結(jié)構(gòu)，其具有散熱好、布線空間利用率高及過載保護(hù)性能強(qiáng)的特點(diǎn)。針對(duì)此類PCB 結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)制作工藝流程中遇到的問題進(jìn)行了剖析，并給出了一種全新的PCB 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式，解決了量產(chǎn)難點(diǎn)。該技術(shù)現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，成為某公司主營業(yè)務(wù)之一。