PCB/金屬基互聯(lián)結(jié)構(gòu)散熱性能初探

俞利 張婧亮

摘要：本文采用IcePak軟件對(duì)PCB/金屬基互聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱性能仿真，初步研究了金屬基尺寸、形狀和間距等因素對(duì)芯片到空氣熱阻的影響。通過引入金屬基發(fā)現(xiàn)，可有效增強(qiáng)印制板的散熱性能，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性及可靠性。

關(guān)鍵詞：金屬基;互聯(lián)結(jié)構(gòu);熱阻;

引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子元器件及電子設(shè)備功率密度的不斷增加，設(shè)備小型化的要求，同時(shí)芯片的主頻不斷提高、單個(gè)芯片的功耗逐漸增大，這些都將導(dǎo)致熱流密度急劇升高。如果各種發(fā)熱元器件散發(fā)出來的熱量不能夠及時(shí)有效地散發(fā)出去，就會(huì)造成熱量的積聚，從而導(dǎo)致各個(gè)元器件的溫度超過各自所能承受的溫度極限，降低電子設(shè)備的可靠性，使其失效[1]。因此，研究散熱方法，改善散熱結(jié)構(gòu)，對(duì)提高電子產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

本文以銅基作為金屬基材料，通過對(duì)不同金屬基尺寸、形狀和間距等因素進(jìn)行熱仿真，得出金屬基尺寸、形狀、間距與芯片到空氣熱阻的關(guān)系，初步探索此種互聯(lián)結(jié)構(gòu)的散熱性能。

1 PCB/金屬互聯(lián)結(jié)構(gòu)建模

由于受到印制板上布局布線、芯片位置以及整體重量的影響，設(shè)計(jì)師不能為了達(dá)到散熱的目的而隨意設(shè)計(jì)銅基的尺寸及分布形式。因此需要仿真對(duì)比金屬材料具備不同尺寸及形狀、不同間距情況下，功能層內(nèi)的溫度大小以及分布規(guī)律。

1）散熱條件設(shè)定為自然對(duì)流散熱+傳導(dǎo)散熱，環(huán)境溫度25℃;模型邊界屬性為opening，即模擬理想空曠環(huán)境;

3）電路板采用等效模型代替實(shí)際模型[2]（八層板，兩層0.5oz（約17μm）全鋪銅），設(shè)定PCB尺寸為100mm×100mm×2mm：

4）假設(shè)芯片有80%功率產(chǎn)生的熱是通過金屬基散出的。

2 PCB/金屬互聯(lián)結(jié)構(gòu)熱仿真分析

2.1金屬基材料分析

在本仿真條件下，發(fā)現(xiàn)選取不同的金屬材料（銅、鋁、鐵等），對(duì)于其散熱性能的影響并不大。由于金屬基厚度較大，可以充分將芯片的熱量通過橫向進(jìn)行傳遞，再通過電路板將熱量散到空氣中。當(dāng)電路板尺寸一定時(shí)，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，再換具有更高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材料，芯片散熱能力將不會(huì)得到明顯加強(qiáng)。介于此，以下仿真模型均以較常用的銅基作為金屬基材料進(jìn)行仿真。

2.1銅基形狀分析

為研究銅基形狀對(duì)于芯片散熱性能的影響，設(shè)計(jì)了體積相等、面積相等但形狀不同的銅基。通過比較發(fā)現(xiàn)，開槽邊的散熱性能最好，圓形散熱性能最差?？梢姰?dāng)同等體積時(shí)，適當(dāng)增加銅基與PCB間接觸將有利于芯片散熱。

2.3銅基間距分析

由于實(shí)際使用時(shí)，電路板上可能含有不止一個(gè)大功率的芯片，工作時(shí)芯片間的熱量會(huì)存在相互耦合，造成散熱能力下降;并且距離越近，熱量耦合就越嚴(yán)重，越不利散熱。通過建立多組模型來仿真不同銅基間距下芯片的溫升情況，仿真表明銅基間距從0mm到30mm時(shí)，熱阻下降趨勢(shì)非常明顯;當(dāng)芯片間距介于（30～60）mm時(shí)，隨著間距增大，芯片至空氣的熱阻基本無變化;當(dāng)芯片間距大于60mm時(shí)，芯片至空氣的熱阻反而上升。根據(jù)此種模型的仿真結(jié)果，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，基于小型化考慮，可以將大功率芯片間距設(shè)定為30mm，芯片至空氣熱阻最低，有利于芯片散熱。

圖1表示的是兩組不同間距的熱量分布圖。一般情況，間距越大，兩個(gè)芯片間熱耦合就越小，越有利于芯片散熱;但是由于間距越來越大，導(dǎo)致芯片距離板邊的距離也越來越近，當(dāng)芯片距離板邊達(dá)到一定值后，芯片向板邊方向傳遞熱量就越困難，造成熱量積聚，導(dǎo)致溫升變高。極端情況就是芯片剛好處于板邊，此時(shí)芯片無法向板邊方向傳遞熱量。根據(jù)此種模型的仿真結(jié)果可知，間距不超過60mm時(shí)，散熱將達(dá)到最佳效果。

然而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，因此該最佳間距區(qū)間根據(jù)實(shí)際情況可能有所變動(dòng)。實(shí)際設(shè)計(jì)印制板時(shí)，需要注意工作芯片的間距以及與印制板邊緣的距離。

2.4銅基尺寸及PCB尺寸影響

為了研究銅基尺寸及PCB尺寸對(duì)芯片散熱性能影響，取PCB尺寸5種，每種PCB尺寸對(duì)應(yīng)5-7個(gè)銅基尺寸進(jìn)行仿真，銅基尺寸及PCB尺寸影響如圖2所示。

由圖2可以看出，PCB尺寸的變化對(duì)芯片到空氣的熱阻影響不大，而銅基尺寸的變化對(duì)其影響顯著。無銅基的PCB的芯片到空氣的熱阻比銅基尺寸為10×10mm的大10K/W左右。隨著銅基尺寸增大，熱阻數(shù)值迅速減小?？梢娿~基的引入，大大增強(qiáng)了散熱效果。此外，當(dāng)銅基尺寸達(dá)到一定值時(shí)，芯片到空氣的熱阻變化趨于平緩。

將圖2經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可得出如圖3所示曲線關(guān)系，形成出熱阻與銅基尺寸的數(shù)學(xué)表達(dá)式，揭示埋入式銅基結(jié)構(gòu)散熱能力規(guī)律，指導(dǎo)工程應(yīng)用，進(jìn)行可制造性設(shè)計(jì)。

3結(jié)束語

對(duì)PCB/金屬這種新型互聯(lián)結(jié)構(gòu)散熱性能的研究發(fā)現(xiàn)：金屬基的引入，增強(qiáng)了印制板的散熱性能，使芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能夠及時(shí)有效地散發(fā)出去，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性及可靠性。通過仿真分析，當(dāng)相同面積時(shí)，銅基與PCB的接觸邊長越大越有利于芯片散熱;當(dāng)電路板上含有不止一個(gè)大功率芯片工作時(shí)其芯片位置排布的最佳間距。此次研究獲得的結(jié)論，可為印制板電路設(shè)計(jì)提供支撐，以尋找滿足設(shè)備小型化要求的最佳方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙惇殳.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2] 楊帆.電子線路板熱分析方法研究[J].電力電子技術(shù)，2011，45（1）：91-92.

（作者單位：中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所）