PCB散熱設(shè)計學(xué)習(xí)總結(jié)供參考

1、PCB 散熱設(shè)計 PCB 中熱量的來源主要有三個方面： (1)電子元器件的發(fā)熱；(2) PCB 本身的發(fā)熱；(3) 其它部分傳來的熱。 在這三個熱源中，元器件的發(fā)熱量最大， 是主要熱源，其次是 PCB 板產(chǎn) 生的熱，外部傳入的熱量取決于系統(tǒng)的總體熱設(shè)計。大功率 LED 的基板材料必須有高的絕 緣電阻、高穩(wěn)定性、 高熱導(dǎo)率、 與芯片相近的熱膨脹系數(shù)以及平整性和一定的機(jī)械強(qiáng)度。基 于上述條件，少數(shù)金屬或合金能滿足高熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)的要求，但為了保障電絕緣性， 需要在金屬上涂覆一層高分子聚合物膜或者沉積一層陶瓷膜， 如傳統(tǒng)的 PCB 金屬基板由金 屬基片、絕緣介質(zhì)層和銅泊構(gòu)成。絕緣介質(zhì)層一般采用環(huán)

2、氧玻纖布粘結(jié)片或環(huán)氧樹脂， 由 于絕緣介質(zhì)層的熱導(dǎo)率普遍偏低 (樹脂類通常低于 0.5W/m.K ) ，這導(dǎo)致整個器件的散熱性 能大大降低。 (1) PCB 種類 LED 常見基板通常有四類：傳統(tǒng)且非常成熟的 PCB 發(fā)展中的金屬基板(MCPCB)以陶 瓷材料為主的陶瓷基板(Ceramic)、覆銅陶瓷基板(DBC)。其中覆銅陶瓷基板是將銅箔直接燒 結(jié)到陶瓷表面而形成的一種復(fù)合基板。 PCB 及 MCPC 可使用于一般 LED 應(yīng)用之產(chǎn)品。不過當(dāng) 單位熱流密度較高時，LED 散熱基板主要采用金屬基板及陶瓷基板兩類強(qiáng)化散熱。金屬基板 以鋁(Al)及銅(Cu)為材料，可分為金屬基材 (metal b

3、ase)、金屬蕊(metal core)。金屬基板 制程尚需多一道絕緣層處理，目前全球主要散熱絕緣膠廠商以美商及日商為主。 另一類是采用 AlN、SiC、BeO 等絕緣材料為主的陶瓷基板，由于本身材料就已經(jīng)絕緣， 因此不需要有絕緣層的處理。此外，陶瓷基板所能承受的崩潰電壓，擊穿電壓 (Break-down voltage) 也較高，此外， 其熱膨脹系數(shù)匹配性佳， 可減少熱應(yīng)力及熱變形產(chǎn)生也是優(yōu)點(diǎn)，可 以說相當(dāng)適合 LED 應(yīng)用，目前確實(shí)已經(jīng)有相當(dāng)多 LED 產(chǎn)品采用，但目前價格仍貴，約為金屬 基板的 23 倍。 過去由于 LED 輸出功率較小，因此使用傳統(tǒng) FR4 等玻璃環(huán)氧樹脂封裝基板，并不

4、會造 成太大的散熱問題，但應(yīng)用于照明用的高功率 LED,雖芯片面積相當(dāng)小，整體消費(fèi)電力也不 高，不過單位面積的發(fā)熱量卻很大。一般來說，樹脂基板的散熱，只能夠支持 0.5W 以下的 LED,超過 0.5W 以上的 LED,多改用陶瓷基板或者高散熱金屬基板進(jìn)行封裝。 Unin well 的低 溫共燒陶瓷金屬基板技術(shù)首先制備出適于共晶焊的大功率 LED 芯片和相應(yīng)的陶瓷基板 FSC 系列，然后將 LED 芯片與基板直接焊接在一起。 由于該基板上集成了共晶焊層、 靜電保護(hù)電 路、驅(qū)動電路及控制補(bǔ)償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且由于材料熱導(dǎo)率高，熱界面少，大大提 高了散熱性能，為大功率 LED 陣列封裝提出了

5、解決方案。另外一種工藝為高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷 板 FSCC系列，由陶瓷基板（AIN 或 AI2O3）和導(dǎo)電層（Cu）在高溫高壓下燒結(jié)而成，沒有使 用黏結(jié)劑，因此導(dǎo)熱性能好、強(qiáng)度高、絕緣性強(qiáng)。氮化鋁（ AIN）的熱導(dǎo)率為 160W/mK 熱 膨脹系數(shù)為 4.0 X 10 6/C（與硅的熱膨脹系數(shù) 3.2 X 10 6/C相當(dāng)），從而降低了封裝熱 應(yīng)力。 目前國內(nèi)外封裝基板技術(shù)主要有以下幾種 : 美國 UOE 公司制作的 Norlux 系列功率 LED 封裝基板。其結(jié)構(gòu)是在不銹鋼板表面燒結(jié)一層搪 瓷（ PorceIain） 。此封裝基板的優(yōu)點(diǎn)是易加工、機(jī)械強(qiáng)度高、易安裝。其缺點(diǎn)是基材價格較 高、介質(zhì)膜

6、層厚度較厚 （大于 100um） 、熱導(dǎo)率仍然較低。 美國 TT 公司的 Anotherm 導(dǎo)熱基板是在鋁合金基片上硬質(zhì)陽極氧化介質(zhì)膜絕緣層，電 極層用厚膜工藝絲印在絕緣層上。 在一塊 Anotherm 板上可以開發(fā)多達(dá) 3 層電路層。 其優(yōu)點(diǎn) 是常溫工藝、原位生長介質(zhì)膜層、易于后期加工、機(jī)械強(qiáng)度高，熱導(dǎo)率比 NorIux 系列有明 顯提高。 Lamina 公司采用金屬上低溫共燒陶瓷 （LTCC-M） 技術(shù)，將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確 而且致密的單層生瓷帶， 在生瓷帶上利用打孔、 微孔注漿、 精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所 需要的電路圖形，然后將多層生瓷帶疊軋在金屬上，在大約 900C燒結(jié)，制

7、成多層互連的三 維電路基板。其優(yōu)點(diǎn)是多層布線、金屬散熱、集成度較高、熱導(dǎo)率好、機(jī)械強(qiáng)度高。其缺點(diǎn) 是成本高、耗能大、工藝復(fù)雜且難于控制。 中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所制作體塊燒結(jié)氮化鋁單層基板。氮化鋁基板具有 高導(dǎo)熱、高電絕緣、低介電、低熱膨脹的特點(diǎn)，其熱導(dǎo)率大約是氧化鋁陶瓷基板的十倍，熱 膨脹系數(shù)與硅芯片接近。其缺點(diǎn)是體積大、成本高、機(jī)械強(qiáng)度差、耗能高。 國內(nèi)公司制作的鋁基覆銅 PCB 基板，此基板由鋁板、環(huán)氧樹脂或環(huán)氧玻璃布粘結(jié)片、銅餡 三者經(jīng)熱壓而成。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、易于后期加工、機(jī)械強(qiáng)度高、耗能較低。但是設(shè)備工藝 復(fù)雜、散熱性能一般，特別是高低溫下介質(zhì)層熱導(dǎo)率不穩(wěn)定、抗剝離強(qiáng)度有所

8、下降。 (2) LED 散熱基板之厚膜與薄膜工藝差異分析 H n l*J0Bdq9v1S 目前市面上較常見的陶瓷基板多為 LTCC 或厚膜技術(shù)制成的陶瓷散熱 基板，此類型產(chǎn)品受網(wǎng)版印刷技術(shù)的準(zhǔn)備瓶頸， 使得其對位精準(zhǔn)度上無法配合更高階的焊接， 共晶(Eutectic)或覆晶(Flip chip)封裝方式，而利用薄膜工藝技術(shù)所開發(fā)的陶瓷散熱基板 則提供了高對位精準(zhǔn)度的產(chǎn)品， 以因應(yīng)封裝技術(shù)的發(fā)展。 近年來，除了陶瓷基板本身的材料 特性問題須考慮之外， 對基板上金屬線路之線寬、 線徑、金屬表面平整度與附著力之要求日 增，使得以傳統(tǒng)厚膜工藝備制的陶瓷基板逐漸不敷使用， 因而發(fā)展出了薄膜型陶瓷散熱基板

9、。 為此，以薄膜元件起家的璦司柏電子 (ICP)，即針對自家開發(fā)之薄膜基板與傳統(tǒng)厚膜基板進(jìn) 行其工藝與產(chǎn)品特性差異分析 (如表 3 所示)。 表 3薄膜制成與厚膜制成特性差異分析 薄膜制成 厚膜制成 線路 精準(zhǔn)度 精準(zhǔn)度較高，誤差值低于+ /-1% 以印刷方式成形，誤差值較咼+ / 10% 鍍層 材料 材料穩(wěn)定度較高 易受漿料均勻性影響 鍍層 表面 表面平整度高 v 0.3卩m 平整度低，誤差值約為 13卩m 設(shè)備 維護(hù) 維護(hù)較不易，費(fèi)用較高 生產(chǎn)設(shè)備上維護(hù)較為簡易 鍍層 附著性 無需高溫?zé)Y(jié)，不會有氧化物生成， 附著性佳 附著性受基板材質(zhì)影響，ALN基板尤差 線路 位置 使用曝光顯影，相對位

10、置精準(zhǔn)度高 受網(wǎng)版張力及印刷次數(shù)影響，相對位置精 準(zhǔn)度低 （3） PCB 的熱阻估算 目前應(yīng)用于大功率 LED 作散熱的 PCB 有三種：普通雙面敷銅板（FR4）、 板（MCPCB、柔性薄膜 PCB 用膠粘在鋁合金板上的 PCB 采用高導(dǎo)熱性介質(zhì)的 好的散熱性能，但價格較貴。 圖 15 為 FR4 PCB 散熱層結(jié)構(gòu)圖，表 4 為 FR4 PCB 各層的材料與熱導(dǎo)率。鋁合金基敷銅 MCPC 有最 圖 15 FR4 PCE 散熱層結(jié)構(gòu)圖 FR4 PCB 各層的材料與熱導(dǎo)率 Layer/Material Thick ness (卩 m) Thermal co nductivity (W/mK) S

11、n AgCu solder 75 58 Top layer copper 70 398 FR-4 1588 0.2 Bottom layer copper 70 398 ENIG(Electroless Nickel/lmmersio n Gold) 35 58 圖 16 為 MCPC 散熱層結(jié)構(gòu)圖，表 5 為 MCPC 各層的材料與熱導(dǎo)率。 圖 16 MCPCB散熱層結(jié)構(gòu)圖 表 5 MCPCB各層的材料與熱導(dǎo)率 Thick ness Layer/MaterialThermal con ductivity (W/mK) Sn AgCu solder 75 58 Top layer copper

12、 70 398 PCB dielectric 100 2.2 Al plate 1588 150 利用表 3、表 4 的熱傳導(dǎo)率數(shù)據(jù)，PCB 的總熱阻可表示為各結(jié)構(gòu)層熱阻的和，即: RthPCB = Rthlayerl + Rthlayer2 + Rthlayer3 . + RthlayerN Rth = L/(K x A) 其中：L 為結(jié)構(gòu)層的厚度；K 為熱傳導(dǎo)率；A 為面積。假設(shè)星型 PCB 的厚度為 面積大約為 270 mm2,那么熱阻大約為 30ºC/W 2.JPG （960.05 KB, 下載次數(shù)：2）1.6mm, I nHHM I y ri liM 2d 1.JP

13、G （960.05 KB, 下載次數(shù):0） Zl (4) FR4 PCB 過孔設(shè)計 圖 17 FR4 PCB 過孔設(shè)計結(jié)構(gòu)圖 FR4 PCB 過孔各層的材料與熱導(dǎo)率 Layer/Material Thick ness (卩 m) Thermal con ductivity (W/mK) Sn AgCu solder 75 58 Top layer copper 70 398 FR-4 1588 0.2 Filled vias (Sn AgCu) 1588 58 Bottom layer copper 70 398 Solder mask (optio nal) 25 0.2 LED 的熱量通過

14、敷銅和金屬化過孔傳到線路板 (PCB)的背面，熱性能和 MCPC 相似，比 MCPC 便宜許多。板厚和孔徑比率： *率,要達(dá)到可靠的金屬化孔鍍層更困難；板厚和孔徑 的比率8,線路板制作難度增加，費(fèi)用也會增加。 假設(shè)FR4 PCB實(shí)芯過孔的直徑為 0.6mm,根據(jù)表6,單個過孔的熱阻=(1.588 X 10-3) / (58 X ( n X (0.5 X 0.6 X 10 -3)2) = 96.8ºC/W 。N 個實(shí)芯過孔的熱阻為： Rthvias = l / (N X KX A) 那么，PCB 的總熱阻可表示為 FR4 的熱阻與實(shí)芯過孔熱阻的并聯(lián)，即: Rthvias | F

15、R-4 =(1/Rthvias) + (1/RthFR-4)-1 舉例：根據(jù)表 6, 270mm2 5 個直徑 0.6mm 實(shí)芯過孔的 FR4 總熱阻為 12ºC/W,與表 4 數(shù)據(jù)的總熱阻 30ºC/W 相比減小了 1.5 倍。 52.JPG （47.21 KB, 下載次數(shù):0） 圖 18功率 LEDs 用于 MCPCB4.JPG （46.08 KB, 下載次數(shù)：0） L rn 6.JPG （50.37 KB, 下載次數(shù)：0） 51.JPG （14.11 KB, 下載次數(shù):0） I得半 WEi/T - i Z / 一上戶 .XL J MCPCB 如圖 18 所示，大部分用于 LED 的 MCPC 因為加入絕緣高導(dǎo)熱層而使其價格非常高。如果采 用圖 19 所示的過孔結(jié)構(gòu)，則過孔的熱阻可表示為： Rth=h/(n x kx x (DX t - t2) Rth:熱阻(ºC/W) ; h: PCB 厚度(m); n:過孔數(shù)量