BMS大电流电路板结构设计及制作

李 旋 胡梓浩 常玉兵 刘桂武

（深圳市深联电路有限公司，广东 深圳 518117）

0 引言

电池管理系统（battery management system，BMS）是电池与用户之间的纽带，其主要功能是提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，随时监控电池状态。随着电池管理系统的发展，也会增加其他功能。

电动汽车的快速发展直接带动了BMS 的发展。为了满足电动汽车等各种移动电子设备的发展需求，通常将电池串并联处理，如图1 所示。同时，电池的发展对应用于电池管理系统的印制电路板（printed circuit board，PCB）也提出了更高的要求，尤其以大电流启动电池的需求更为突出：在PCB 有限的布线区域内，需要满足电池成组后的大电流要求；PCB 材料和结构的设计，需要满足电池瞬时大功率及散热需求。

图1 BMS组装

随着BMS 启动电源向大电流发展，载流和散热成为PCB 设计时主要的考虑方向，BMS 大电流启动电源保护电路板常态需承载数百安倍的持续电流，瞬时需承载数千安倍的峰值电流（持续数秒）。现阶段，大多数BMS 的电气架构均采用并联多个场效应管（metal-oxide-semiconductor，MOS）进行分流的形式，且每个MOS管单独搭载在厚铜或铜块上，并通过外接散热结构实现散热。此设计充分利用了MOS 管的分流作用，但每个MOS 管在PCB 贴装后均是独立的散热单体，只有外接散热结构将每个MOS 管联系在一起后才是一个散热整体，故而此设计会在MOS 管控制的某一串电池组出现大电流冲击时局部过载而烧毁。

本文就目前BMS 面临的问题，重点介绍大电流启动电源时可保护PCB 的一种全新的载流、散热一体化结构设计及制作，使载流和散热一体化，在均衡载流的同时均衡散热，可承载更大的瞬时电流。

1 传统载流和散热结构

为解决MOS 管出现局部过载而烧毁的问题，在传统PCB 采用埋嵌铜块的基础上，出现了一种较为新颖的载流及散热结构设计。

PCB正面贴装MOS管，通过PCB埋嵌铜块和过孔将热传导到背面大铜皮，背面大铜皮在不影响电性能的前提下，将MOS 管同一输入端或输出端的网络连接在一起，起到均衡散热的作用，如图2 所示，并通过外接散热结构的方式实现最终散热，如图3 所示。MOS 管贴装后，从正面铜块或过孔到背面大铜皮连接，再到外接散热结构，共三级散热。

图2 PCB正面和背面

图3 外接散热结构

此载流和散热结构设计可切实起到均衡载流同时均衡散热的作用，但也存在明显的弊端：通过背面大铜皮连接实现均衡散热，受铜的热传导速率限制，在极端大电流情况下会出现热还未传导出去，MOS 贴装位置的局部温度便已达到烧毁临界点的情况；在PCB 有限的布线空间要单独设计一面大铜皮作为均衡散热媒介，极大地降低了布线密度，限制了电池管理系统向更小、更简的方向发展。

2 载流和散热一体化结构设计

2.1 结构设计

在上述基础上，将三级散热缩减为二级散热，即将从铜块到大铜皮连接的二级散热结构直接通过埋置大铜条的方式缩减为一级散热结构，使载流和散热一体化，在均衡载流的同时均衡散热，避免了铜块到大铜皮热传导速率的影响，可承载更大的瞬时电流。

以3 PIN 脚的MOS 管为例，如图4 所示。图中，1 为栅极（G），2 为源极（S），3 为漏极（D）。G 和S 均为输入端（同一个电路网络），D为输出端。

图4 3 PIN脚MOS管

布线设计如图5 所示。MOS 管的输入端和输出端分别用2 个铜条作为焊接、过流与散热的载体；根据MOS 管PIN 脚的输入端和输出端的间距设计铜条间隙；根据MOS 管PIN 脚的焊接位置及大小在对应铜条位置设计铜凸台，铜条只露出铜凸台，其他位置用覆铜板覆盖。

图5 布线设计

叠构设计：载流和散热一体化叠构设计，充分参考了热电分离铜基板压合结构，如图6（a）所示，埋嵌铜条压合结构设计为双面铜凸台结构，如图6（b）所示，铜条顶底层均只露出需要贴装的位置以最大化利用有限的布线空间。

图6 载流和散热一体化叠构设计

在此基础上，采用4 芯板夹3 层的半固化片（prepreg，PP）结构，每层PP 均采用2 张规格为1080 RC65%的PP；外层FR-4 芯板和铜条互为嵌入结构，以保证2 个铜条间隙填胶饱满、无缝隙。考虑到FR-4 芯板和铜凸台制作的可加工性，外层FR-4芯板采用0.1 mm（不含铜）的FR-4芯板，以最大化铜条尺寸，保证最大化载流和散热。

2.2 设计优点

（1）将传统三级散热缩减为二级散热，使载流和散热一体化，在均衡载流的同时均衡散热，可承载更大的瞬时电流。

在电气架构采用并联多个MOS 管进行分流的基础上，PCB 采用嵌入铜条工艺（铜条尺寸远远大于铜块），并根据电池成组后MOS 管输入端和输出端对应的同一网络采用同一铜条连接，以实现在有限的空间内最大化载流及散热，从铜条直接外接散热结构，共二级散热，避免了铜块到大铜皮热传导速率的影响，进一步避免了MOS 管控制的某一串电池组出现大电流冲击时散热不及时导致的烧毁问题，可承载更大的瞬时电流。

（2）相比于传统MOS 管的布线设计，背面无需单独设计大铜皮作为均衡散热的媒介，极大地提高了布线密度，推动了BMS 向更小、更简的方向发展。

（3）采用的埋嵌铜条结构替代了传统的埋嵌铜块结构，并将铜条/铜块数量缩减至最少2 个，极大地提高了压合时手工埋嵌铜条/铜块的可操作性，提高了生产效率，见表1。

表1 不同叠构类型对应的PCB特征

3 载流和散热一体化结构制作

3.1 传统工艺

3.1.1 传统工艺流程

传统工艺流程示意图如图7所示。

图7 传统工艺流程

3.1.2 流程说明

（1）双面蚀刻：铜板对应的顶、底层需要贴装的位置采用双面蚀刻的方式制作，蚀刻露出顶、底层的铜凸台。

（2）成型：铜条的外形采用锣切割或激光切割的方式制作。

（3）压合：参考嵌入铜块工艺将铜条和FR-4压合成型，只露出顶、底层的铜凸台。

3.1.3 工艺限制

受“水池效应”影响，铜板双面蚀刻后顶、底层蚀刻深度均匀性差异较大。整体体现在顶、底层铜凸台的相对高度差异大，压合后板面不平整，溢胶难以除尽，难以采用机械磨板的方式除胶，极大地限制了批量制作的可行性。

在蚀刻线能力受限的基础上，业内研究过采用顶、底层铜凸台分开蚀刻的方式避免“水池效应”的影响，但受铜凸台高度限制（铜凸台高度受FR-4 和PP 材料本身厚度规格和制作工艺限制，外层FR-4 和PP 的整体厚度≥0.2 mm），干膜、湿膜及阻焊均无法在有效保护一面铜凸台的同时允许蚀刻另一面；如果采用双面凸台，虽然可保证双面凸台高度的均匀性，但制作成本和效率都是新的问题，限制了此工艺方法的使用。

3.2 创新工艺

3.2.1 创新工艺流程

创新工艺流程示意图如图8所示。

图8 创新工艺流程

3.2.2 特别说明

控深铣的深度公差业内普遍控制在±0.1 mm范围内，所以底层凸起的FR-4 控深铣后与铜凸台底部并不存在真正意义上的齐平；结合目前启动锂电池的结构设计，在进行控深铣工步时，铜条上下表面积基本占了整个PCB 面积的80%以上，且二次压合时，PP 本身的流胶可以平衡控深铣FR-4 后的深度公差带来的影响，所以可以保证二次压合底层的平整度。

3.2.3 工艺优点

两次压合结合铜板两面分开蚀刻，一次压合FR-4 填平了铜板一次蚀刻后铜凸台与铜凸台底部的高度差，使干膜（湿膜或阻焊）可充分贴紧铜凸台面，蚀刻另一面铜凸台时可有效保护铜凸台面，避免了双面蚀刻“水池效应”的影响。

创新工艺的优点为：解决了铜板双面蚀刻均匀性的问题；解决了压合后板面平整性差，溢胶难以除尽，无法采用机械磨板方式除胶的问题；解决了批量制作的技术瓶颈，降低了生产成本，提高了生产效率和品质良率。

4 结语

本文从结构设计和工作原理上，介绍了BMS大电流启动电源保护电路板一种全新的载流和散热一体化结构设计，相比于传统载流和散热结构，其具有散热好、布线空间利用率高及过载保护性能强的特点。针对此类PCB 结构在传统制作工艺流程中遇到的问题进行了剖析，并给出了一种全新的PCB 结构实现方式，解决了量产难点。该技术现已实现产业化，成为某公司主营业务之一。