金屬基PCB的散熱性能研究

彭 軍 宋關(guān)強(qiáng) 劉延祺（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518053）

金屬基PCB的散熱性能研究

Paper Code: S-098

彭 軍 宋關(guān)強(qiáng) 劉延祺
（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518053）

隨著電子產(chǎn)品向輕、薄、小、高密度、多功能化發(fā)展,印制板上元件組裝密度和集成度越來越高,功率消耗越來越大,對PCB基板的散熱性要求越來越高。高散熱金屬PCB基板因其良好的散熱性能得到廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，業(yè)界對金屬基的散熱能力的評估提出了更高的需求，終端等設(shè)計(jì)者希望知道金屬基尺寸與散熱能力之間的定量關(guān)系，來指導(dǎo)他們的設(shè)計(jì)，本文就此問題做了一些基礎(chǔ)研究。

金屬基；熱阻；散熱

隨著電子系統(tǒng)集成化程度越來越高，電子的熱可靠性設(shè)計(jì)變得越來越重要。眾所周知，在PCB中功放區(qū)域埋置金屬塊是一種很好的散熱方式，近年來此類產(chǎn)品在功放和電源等模塊應(yīng)用越來越多，由于理論和實(shí)際總是存在差別，終端設(shè)計(jì)者最為關(guān)心的一個(gè)問題是金屬基的尺寸和其埋入PCB后的實(shí)際散熱能力之間的定量關(guān)系，他們希望PCB廠家出一個(gè)定量的關(guān)系和設(shè)計(jì)文件來指導(dǎo)他們的設(shè)計(jì),今年本人就此疑問與90769客戶、我司研發(fā)管理部等合作，對此問題作了以下兩方面的基本研究。

（1）對在尺寸相同板件中埋入不同尺寸的金屬銅基的散熱進(jìn)行了仿真和實(shí)測，并對仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了比較分析，得出了銅基尺寸與熱阻的關(guān)系。

（2）對銅基的形狀和銅基之間的間距進(jìn)行了仿真分析，定性的分析了銅基形狀和間距與熱阻之間的關(guān)系。

1 不同銅基尺寸散熱能力的仿真與實(shí)測

為了更好的理解金屬基尺寸的真實(shí)散熱能力，PCB尺寸為60 mm*60 mm，銅基尺寸為10 mm*10 mm，20 mm*20 mm，30 mm*30 mm，40 mm*40 mm，仿真初始條件和實(shí)測的環(huán)境設(shè)置如下：

仿真：仿真軟件：ANSYS Workbench Static Thermal analysis;

表面換熱系數(shù)設(shè)置為10W/(m2*℃)；IC功率為0.5 W、1.25 W、2 W、3.125 W、4.5 W；

實(shí)測：

發(fā)熱芯片為ATC大功率電阻器件，型號為CT12525T00500J01，阻值為50歐姆。測試設(shè)備為紅外熱像儀FLUCK TI55；測試地點(diǎn)在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室高速實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境溫度21.7℃，濕度63.9%RH

（1）建模圖形及參數(shù)

圖1 熱仿真建模示意圖

表1 建模參數(shù)設(shè)置

（2）不同銅基尺寸的散熱能力仿真與實(shí)測

為了得到在相同功率下，銅基尺寸與其散熱能力的關(guān)系，對不同銅基尺寸上的芯片溫度進(jìn)行仿真和實(shí)測，表2和表3分別是4.5 W下的不同銅基尺寸上芯片的仿真和實(shí)測的溫度云圖和相同銅基尺寸下不同功率的芯片仿真和實(shí)測溫度。

從表2和表3可以看出：①所有的仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果比較吻合，說明建模成功可靠。②所有芯片下的銅基是溫度集中點(diǎn)，由銅基向板件的四周擴(kuò)散，銅基尺寸越大，散熱越好。③在相同的銅基尺寸下，隨著功率的增大，芯片的溫度不斷升高，在銅基尺寸為10 mm*10 mm時(shí)，4.5W的功率下的芯片溫度達(dá)到150 ℃左右，相比0.5 w下的芯片溫度高了114℃。④在相同的功率下，芯片溫度隨著銅基尺寸的增大，銅基上芯片的溫度逐漸降低，4.5 W的功率下，當(dāng)銅基尺寸由10 mm*10 mm時(shí)變?yōu)?0 mm*40 mm時(shí)，芯片溫度由150 ℃降低到了70 ℃左右，這說明 了銅基尺寸的增大對芯片的散熱有著非常明顯的效果。⑤芯片到空氣的熱阻隨著銅基尺寸改變而顯著變化，當(dāng)銅基尺寸增大16倍時(shí)，芯片到空氣的熱阻降低了58%。

表2 4.5w下不同銅基尺寸的芯片仿真和實(shí)測溫度云圖

表3 不同功率和不同銅基尺寸的芯片仿真和實(shí)測溫度

圖2 芯片至空氣熱阻仿真曲線圖

圖3 芯片至空氣熱阻仿真曲線圖

從圖2和圖3可以看出，不論是仿真還是實(shí)測，不同的功率下，芯片到空氣的熱阻隨銅基尺寸的變化趨勢一致，芯片到空氣的熱阻與銅基的面積成一個(gè)非線性關(guān)系，銅基面積與熱阻究竟成何種關(guān)系，以4.5w為例，對曲線進(jìn)行擬合，如圖4所示：

圖4 4.5W芯片至空氣熱阻擬合曲線圖

由此可以得出芯片至空氣的熱阻與銅基尺寸存在如下關(guān)系：R=12.48+29.25*(0.9948)S其中R為芯片到空氣的熱阻，S為銅基面積。

2 不同銅基形狀散熱能力的仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本小節(jié)研究了銅基形狀對于芯片散熱性能的影響，設(shè)計(jì)了5種面積相等不同形狀的銅基，即銅基與板件的接觸周長不同。

經(jīng)過仿真后，結(jié)果如表4所示：

表4 銅基形狀與熱阻關(guān)系數(shù)據(jù)表

從表4可以看出，開槽邊的散熱性能最好，內(nèi)部開槽散熱性能最差。不難看出，在相同面積下，隨著銅基與PCB接觸周長增大，芯片到到電路板的熱阻逐漸減小。值得說明的是，第五種銅基底部開槽方式，雖然表面上增加了銅基與空氣的接觸面積，但是對于散熱性能并沒有改善，反倒降低。分析其原因，是銅基用料減小，橫向?qū)崮芰ο陆怠?/p>

3 不同銅基間距散熱能力的仿真

由于實(shí)際電路板上可能含有不止一個(gè)大功率的芯片，其工作時(shí)芯片間的熱量會存在相互耦合，造成散熱能力下降。且距離越近，熱量耦合就越嚴(yán)重，越不利散熱。為了研究間距對于散熱的影響，本實(shí)驗(yàn)建立多組模型來仿真不同銅基間距下芯片的溫升情況。在本模型中，PCB為100 mm*100 mm*2 mm，銅基10 mm*10 mm*2 mm。仿真數(shù)據(jù)如表5所示，很容易看出，隨著銅基間距的變大，芯片到空氣的熱阻變化非常明顯。當(dāng)銅基間距小于20 mm時(shí)，芯片到空氣的熱阻隨銅基間距增大而減小，當(dāng)芯片間距大于20 mm時(shí)，隨著間距增大，芯片至空氣的熱阻反而上升。如何解釋此現(xiàn)象呢？

表5 銅基間距與熱阻關(guān)系數(shù)據(jù)表

對應(yīng)的芯片間距與熱阻關(guān)系曲線如下圖所示：

圖5 芯片至空氣的熱阻隨銅基間距的曲線圖

圖6 不同銅基間距的熱量分布圖

通過圖8可以看出端倪。當(dāng)銅基間距很小時(shí)，兩個(gè)芯片產(chǎn)生的熱場就會耦合，間距越小，耦合度越大，散熱越不好；隨著間距的增大，熱耦合逐漸減小，當(dāng)間距越來越大，芯片距離板邊的距離也越來越近，由于介質(zhì)的不連續(xù)，芯片至向板邊方向的熱傳遞就會存在反射，熱量反向傳回給芯片導(dǎo)致芯片溫升。

因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們不僅需要考慮銅基的尺寸，還得考慮銅基間的間距，最好將大功率芯片間距設(shè)定在最佳間距的區(qū)間內(nèi)，以達(dá)到最好的散熱效果。

當(dāng)然，由于電路板的疊層不盡相同，橫向?qū)嵯禂?shù)不同，板子大小也不同，因此我們在設(shè)計(jì)間距時(shí)，要具體情況具體分析。

4 結(jié)論

本文通過仿真加部分實(shí)測的方式，對不同銅基尺寸的大小散熱能力進(jìn)行了詳細(xì)的仿真和實(shí)測研究，通過仿真和實(shí)測可以發(fā)現(xiàn)，金屬基的散熱能力與其尺寸有著直接的聯(lián)系，隨著金屬基的尺寸增加，其與板件接觸周長增大，其散熱能力逐漸增大。但在PCB尺寸固定的情況下，埋入銅基的間距直接影響著其散熱能力，銅基的間距并不是越大越好，而是存在一個(gè)最佳區(qū)間，只有找到了這個(gè)最佳間距，才能更好的發(fā)揮銅基的散熱能力！因此我們做相關(guān)散熱設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)只考慮銅基尺寸，而要考慮銅基與PCB接觸周長、銅基間的間距等諸多因素的影響。

[1] 楊世銘. 2010.傳熱學(xué), 高等教育出版社.

[2] Radu Bunea. PCB Tracks Thermal Simulation, Analysis And Comparison To IPC-2152 For Electrical Current Carrying Capacity. University “Politehnica” of Bucharest.

[3] 孫簡. 電子線路板熱可靠性分析方法的研究,電子與信息學(xué)報(bào),2009年4月,第31卷第4期.

[4] Yun Ling, On Current Carrying Capacities of PCB Traces，2002 Electronic Components and Technology Conference.

[5] Johannes Adam, New Correlations Between Electrical Current and Temperature Rise in PCB Traces, 20th IEEE SEMI-THERM Symposium.

Research on heat dissipation performance of metal based PCB

PENG Jun SONG Guan-qiang LIU Yan-qi

Along with development of the electronic products , the heat dissipation of PCB demand is higher and higher. Today, the metal base PCB has got the very extensive application, in order to better solve the problem of heat dissipation. Designers want to know the relationship between the size of metal base and heat dissipation ability. This article did some basic research on the relationship between the size of metal base and heat dissipation.

Thermal Resistance; Metal Base; Heat Dissipation

TN41

A

1009-0096（2015）03-0197-06