印制電路板熱特性及其在熱設計中的關鍵作用

leonchen 2019-12-10

PCB（ Printed Circuit Board），中文名稱為印制電路板，又稱印刷線路板，是重要的電子部件。PCB是電子元器件的支撐體和電子元器件電氣連接的載體^[11]。由于它是采用電子印刷術制作的，故被稱為“印刷”電路板。

隨著電子產品技術的發展，元器件的表貼化、小型化趨勢越來越明顯，產品的緊湊程度也不斷增加。反映到電路板上，就是元器件密集度的不斷增加。而從散熱角度上考慮，則是熱流密度的不斷提升，從而導致產品散熱問題日漸嚴峻。為了控制元器件溫度，增強元器件與外部的熱交換效率是關鍵舉措。通過分析元器件的熱阻路徑可知，芯片有一部分熱量可以通過引腳傳遞到單板上。在LED燈珠封裝中，這一點尤為明顯，幾乎所有的燈珠熱量都需要透過PCB進行散失^[12]。

圖5-21 陣列式LED燈珠的熱阻網絡簡圖^[13]

元器件主要通過PCB進行熱量散失時，PCB自身的熱特性最其溫度影響就會變得非常明顯。

6.1 PCB熱傳導特點

目前，在電子行業遇到的單板絕大多數是多層板。多層復合結構的PCB主要由基板樹脂材料和銅箔組成，信號層、電源層及地層之間等必須通過絕緣的樹脂材料進行隔開。而實際上信號層也就是銅箔層往往非常薄，樹脂層才會占據大量空間。同時，因為樹脂材料（FR4）的導熱率（～0.3 W/m﹒℃）遠低于銅箔（～398 W/m﹒℃），因此 PCB 在厚度方向上的綜合導熱系數很低。通常，PCB 在平面方向上的導熱能力比法向方向上的導熱能力強數十倍，多數PCB厚度方向的導熱系數甚至低于0.5W/m.K，而平面方向卻可以達到~30W/ m.K.

圖5-22 單板的多層結構示意圖

一個PCB板的宏觀等效導熱系數可以簡單地通過傅里葉導熱定律推算出來

式中，指FR4的體積含量，指銅的體積含量。k_FR4和k_Cu分別為FR4和銅的導熱系數。需要指出的是，上式是在銅層均勻分布前提下推導出的，對于實際的單板，由于銅含量并非各處均勻，因此其導熱系數不僅法向和平面方向導熱系數不同，單板不同位置導熱系數也不相同。這樣，就有了通過設計局部鋪銅來改變單板的熱傳導能力，從而控制元器件溫度這一熱設計方法。

6.2 PCB銅層鋪設準則——熱設計角度

PCB覆銅可以提高抗干擾能力，降低壓降，提高電源效率。一定程度上，這些都是用來實現電氣性能的。當熱流密度足夠小時，PCB敷銅完全不考慮散熱是可行的。但當單板功率密度增大，元器件散熱風險升高后，單板內的銅層設計就可以起到關鍵作用。了解敷銅對散熱的影響，也是PCB畫板工程師的必修課。

銅層的鋪設面積需要結合局部散熱需求?？蓺w納為如下幾個原則：

6.2.1鋪銅實現熱量定向引流

通常情況下，由于發熱源集中，單板的溫度是不均勻的。通過設計銅層的走向，加大普通面積，將熱量引導向散熱條件較好、溫度較低的區域會有助于熱量散失。

6.2.2阻斷銅層來降低熱敏器件風險

在單板中，器件種類眾多。它們通常發熱量不同，對溫度的敏感性也不相同。例如，多數電容的發熱量很小，但其耐溫性普遍較差。而CPU、Mosfet管等發熱量較大，耐溫性也較強。當出于電氣或空間要求，兩種器件不得不距離很近時，電容就會被CPU、Mos管等影響。當施加的散熱器可以保證CPU和Mos管在95℃時，他們都是安全的，但對于一些電容，這個溫度已經不可接受。這時，通過阻斷、縮減連接兩者間的銅層，可以一定程度上緩解這些高溫器件對低發熱量且不耐溫器件的烘烤作用。

6.2.3根據器件的封裝特點定制銅層

通過前述對芯片封裝熱特性的描述可知，不同封裝形式的芯片內部熱量往頂部和往底部傳遞熱量的阻力是不同的。單板鋪銅，對那些熱量主要從底部散失的芯片（即ΘJB較?。┬Ч麜用黠@。

6.2.4銅層局部連續打通熱流通道

由于FR4的導熱系數極低，銅層如果被隔斷會極大降低單板熱量的傳遞效率?？梢钥吹剑诤穸确较蛏?，由于單板銅層被FR4隔斷，單板厚度方向導熱系數遠低于平面方向。為了提高單板傳熱性能，在部分需要特殊強化散熱的芯片底部，通過施加熱過孔可以將導熱效率高的銅層連接起來，從而提高芯片熱量傳遞到單板上的效率。

6.3 熱過孔及其設計注意點

當熱量從芯片結發出，經過襯底傳出到芯片底部后，就需要進入PCB。這時，如果不施加過孔，熱量在進入PCB后，就必須經由導熱性能極低的FR4才能散發到單板的背面來。這顯然非常不利于熱量的散失。

當過孔位于芯片下方時，其直接洞穿PCB，過孔孔壁材料一般是銅箔，孔內如果填錫，則整個過孔都是由金屬組成，縱向的導熱系數相對無過孔時大大提高。同時，過孔貫穿PCB板，相當于將平面方向導熱率較高的信號層、電源層、地層的銅箔層連接起來了，芯片自身的放熱量可以更順暢地在單板平面方向鋪展開來。因此，過孔可以大大降低底部散熱器件的溫度。施加熱過孔后，芯片在單板測的主要傳熱路徑如圖5-23所示：

圖5-23 施加熱過孔后芯片的主要傳熱路徑

注：雖然絕緣層導熱系數很低，但仍然會有一小部分熱量通過絕緣層往四周擴展。圖中未畫出。

6.3.1配合芯片封裝

需要注意的是，熱過孔改善的是PCB到單板側的傳熱。而芯片的熱量要傳遞到單板上，還需要經過芯片內部的封裝材料。當封裝工藝使得結到板的熱阻ΘJB很低時，如圖5-24(左)所示的QFN封裝，IC芯片底部的焊盤直接可大面積接到地層，這時在其下方的單板上施加熱過孔對芯片溫度控制將有非常明顯效果；而當芯片結板熱阻ΘJB較大時，如圖5-24(右)所示的QFP封裝，芯片底部與PCB之間甚至存在空隙，芯片熱量難以導向PCB，從而導致施加熱過孔改善幅度較為有限。

圖5-24 ΘJB較低的QFN封裝和ΘJB較大的QFP封裝

6.3.2連接方式、幾何參數和填充材料

熱過孔有兩種連接方式，一種是銅線連接方式，一種是鋪銅連接方式。這兩種不同鏈接方式對器件結點溫度的影響也不相同。鋪銅連接方式熱通路面積大，對于散熱效果的強化會由于銅線連接。有時，為進步一加強散熱，在空間允許的情況下，還會對芯片位置處單板正反兩面的散熱焊盤鋪銅區域進行軸向擴展，加大換熱面積。

熱過孔的幾何參數包含過孔內經、孔間距和孔壁厚度等。合理設計熱過孔的幾何參數能有效改善PCB的散熱能力，同時不過度增加制板成本。如圖5-25所示，用d來表示熱過孔內徑，p表示過孔間距，t表示過孔壁厚度。研究表明^[14]，對于常見的芯片，熱過孔的合理設計區域為d/p>25%、t/p>2%，器件的結溫在此區域內再增加過孔內的密度和孔壁厚度對單板的傳熱效果仍有強化效果，但強化曲線變得平緩。

圖5-25 熱過孔的幾何參數示意

熱過孔的孔壁材質是銅，孔內根據需要可以選擇是否填充其它材質。圖5-26所示的是未填充的過孔，中間將會是空氣。顯然，在過孔中填充高導熱系數的物質會進一步提升過孔對單板厚度方向上導熱的強化作用。但這些填充會帶來成本增加以及單板生產過程中的溢錫（當填充物是金屬錫時）問題。有計算表明，熱過孔填充與否對芯片的溫度影響甚微^[14,15]。因此，在散熱風險已經可控的情況下，可以考慮放棄填充。

圖5-26 熱過孔放大圖

熱過孔是除風道設計、散熱器設計之外另一非常重要的散熱強化手段。尤其是對于那些貼片封裝、結板熱阻較低的芯片。對于某些尺寸很小、加裝散熱器困難的小芯片而言，熱過孔甚至可能是最有效的散熱強化手段。在實際的應用中，熱過孔的設計還需要充分考慮芯片的功率密度、芯片周邊的熱源布局、芯片的具體封裝特點、單板內銅層的鋪設特點以及芯片正面的散熱強化手段等因素。熱設計工程師應當對其建立深刻認知，在產品中視具體需求充分體現。

參考文獻（全部）

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[11] Printed circuit board. https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board. 2018.