提高PCB基板導(dǎo)熱等級(jí)是必須解決的重要課題

林金堵

本刊名譽(yù)主編

PCB產(chǎn)品發(fā)熱問題是從其誕生起就一直存在，發(fā)熱的根源來自三大方面：一是電子功率元（組）件運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生熱，由于小型化、大功率的元（組）件運(yùn)作的發(fā)熱，往往是主要的；二是PCB（承載板）導(dǎo)體電阻在傳輸信號(hào)產(chǎn)生的熱，其發(fā)熱量將隨著高密度化（或小型化）、信號(hào)頻率而增加著；三是PCB的介質(zhì)層導(dǎo)熱性差，形成“熱積累”而升溫。隨著這些熱量的不斷升高，不僅會(huì)造成傳輸信號(hào)損失而引起信號(hào)減弱或失真，甚至造成產(chǎn)品（電子元器件、PCB基板）結(jié)構(gòu)性失效（主要是熱干擾、熱膨脹等破壞內(nèi)部導(dǎo)體連接結(jié)構(gòu)）。

因此，電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)已變成一個(gè)越來越突出的課題。電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)，除了加強(qiáng)散熱設(shè)計(jì)（如周圍采用散熱板、風(fēng)冷、液冷等）外，主要措施：一是提高元（組）件和PCB的耐熱性，如采用耐更高溫的元（組）件、采用高Tg溫度和低熱膨脹系數(shù)（CTE）的 PCB基板；二是提高元（組）件和PCB的導(dǎo)熱性，主要是提高其介質(zhì)（絕緣隔離）層的導(dǎo)熱系數(shù)，把內(nèi)部的熱傳導(dǎo)出來，降低介質(zhì)層的“熱積累”程度。

目前 PCB基板有兩大類型：一是有機(jī)樹脂基板，占領(lǐng)市場和應(yīng)用的絕大多數(shù)；二是無機(jī)物基板（如陶瓷基PCB、玻璃基PCB等）[1][2]。因此 必須十分重視占有率最大的有機(jī)樹脂PCB基板的耐熱和導(dǎo)熱的課題，特別是加強(qiáng)導(dǎo)熱性有機(jī)樹脂PCB基板的開發(fā)研究和生產(chǎn)，因?yàn)镻CB基板的導(dǎo)熱性比耐熱性更重要。本文僅評述有機(jī)物樹脂類型PCB的導(dǎo)熱性概況。

1 PCB介質(zhì)層導(dǎo)熱性的提出

1.1 PCB介質(zhì)層溫度（熱）高會(huì)使元器件傷害、失效

1.1.1 各種元器件都有個(gè)工作溫度范圍并分等級(jí)的

電子產(chǎn)品在工作時(shí)各種元器件會(huì)發(fā)熱而溫升，必然要引起性能波動(dòng)，老化等影響電路性能、失效率，甚至故障。

（1）各種元器件都有標(biāo)準(zhǔn)工作溫度范圍、等級(jí)。

各種元器件的標(biāo)準(zhǔn)工作溫度范圍和耐熱等級(jí)示于表1～表3中，數(shù)據(jù)來自公開資料摘編的。其中應(yīng)用于軍工級(jí)的元器件（含PCB基板）要采用最高級(jí)的溫度使用范圍。

（2）溫度對元器件（含PCB基板）的影響。

電子產(chǎn)品在工作時(shí)，PCB基板和元器件必然會(huì)發(fā)熱（溫升）問題，并影響產(chǎn)品電氣性能、

物理（結(jié)構(gòu)）性能和安全可靠性問題。

①溫度對電氣性能的影響。

如有源元件IC（以25 ℃為準(zhǔn)）每上升10 ℃，其漏電流便增加1倍，而無源元件的薄膜電阻每增加1 ℃會(huì)引起百萬分之幾百的變化，陶瓷電容器在-55 ℃～125 ℃會(huì)引起60%的變化量（電容值），這些變化必然帶來電子電路性能波動(dòng)，從而影響信號(hào)傳輸質(zhì)量偏差和效果。

②溫度對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（物理性能）的影響。

由于電子元器件存在著熱膨脹系數(shù)（CTE）、熱循環(huán)（反復(fù)操作）必然引起變形、老化等而引起焊點(diǎn)失效、翹曲、開裂等而提高失效率。

③溫度對產(chǎn)品可靠性的影響。

各種元器件的失效率是與溫度（發(fā)熱）程度成正比的，可用式（1）表示。

其中：F為失效率；A為常數(shù)；EA為激活能（ev）；k為波茲曼常數(shù)（8.63×10-5 ev/K）；T為結(jié)溫度（K）。

激活能是個(gè)與失效率相關(guān)的參數(shù)，可從有關(guān)手冊查到，是產(chǎn)品可靠性評估的依據(jù)。如組件的激活能為10電子伏（ev），則工作溫度從50 ℃上升到60 ℃時(shí)，其失效率將提供到2.9倍，很顯然，其可靠性會(huì)明顯下降。

表1 某些元器件的標(biāo)準(zhǔn)工作溫度范圍和等級(jí)

表2 變壓器的絕緣耐熱等級(jí)

表3 IC芯片的等級(jí)

1.1.2 傳統(tǒng)PCB的導(dǎo)熱性能差，長期以來是個(gè)“老、大、難”問題

由于傳統(tǒng)PCB的基材介質(zhì)層大多是由導(dǎo)熱性差的材料（有機(jī)樹脂和無機(jī)玻纖布等）組成，其“加權(quán)和”的導(dǎo)熱性能必然不會(huì)高（見表4）。

從表4中可看到，由環(huán)氧樹脂和玻纖布組成的常規(guī)FR-4而制造的PCB，其介質(zhì)層的導(dǎo)熱系數(shù)（率）是由環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱系數(shù)（好的為0.19 W/m·K）和玻纖布導(dǎo)熱系數(shù)（1.0 W/m·K）的體積“加權(quán)和”的結(jié)果，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.24 W/m·K左右。

為了改善熱膨脹系數(shù)（CTE）和導(dǎo)熱性能，往往加入無機(jī)材料（如陶瓷粉、石英粉等，加入這些粉料會(huì)影響加工質(zhì)量和困難、特別是鉆孔等）來改善導(dǎo)熱性和CTE。實(shí)際上，加入無機(jī)粉料改善導(dǎo)熱性能是有限的，只能提高三倍左右（如表4中的導(dǎo)熱型FR-4基材）。

很顯然，常規(guī)FR-4和導(dǎo)熱型FR-4的導(dǎo)熱系數(shù)還是很低，越來越難于擔(dān)當(dāng)高密度化、多功能化和高頻化的發(fā)展要求，其出路除了提高PCB基板耐熱性能外，更重要的是提高導(dǎo)熱的等級(jí)，把PCB板內(nèi)熱量快速傳遞出來。

2 PCB用覆銅箔板介質(zhì)層導(dǎo)熱性能類型

2.1 傳統(tǒng)和導(dǎo)熱型的覆銅板基材的主要挑戰(zhàn)

傳統(tǒng) PCB基材由于導(dǎo)熱介質(zhì)層（含添加物）的材料不同，必然得到不同的導(dǎo)熱系數(shù)和等級(jí)。因此，我們可以把PCB基材所涉及的導(dǎo)熱性能加以分類（見表5）。

由于傳統(tǒng)覆銅箔板材（F R-4）的導(dǎo)熱系數(shù)（0.24 W/m·K）很小，極易產(chǎn)生高的“熱積累”，即使采用導(dǎo)熱型FR-4的導(dǎo)熱系數(shù)僅在0.6 W/m·K左右，改善導(dǎo)熱性能3倍左右，難于滿足迅速發(fā)展的微小型化和高頻化的要求，必須提高導(dǎo)熱性能等級(jí)，至少是高導(dǎo)熱等級(jí)的覆銅箔板基材。日本有報(bào)道過在FR-4中加入氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、二氧化硅（SiO2）、氮化硅（SiN）和氮化硼（BN）等無機(jī)物，單獨(dú)加入或復(fù)合加入，其導(dǎo)熱率可上升到3 W/m·K。加入量為重量比的60%～95%之間，少于60%，作用不大，大于95%流動(dòng)性太差，加工性能也不好，一般加入量為95%以內(nèi)。

2.2 PCB提高導(dǎo)熱性比提高耐熱性更重要

PCB基板材料提高介質(zhì)層的熱設(shè)計(jì)主要有兩方面：（1）提高耐熱性能；（2）提高導(dǎo)熱性能。顯然，通過耐熱性是重要的，但是提高導(dǎo)熱性能比提高耐熱性能更重要。

表4 PCB各種原、輔材料的導(dǎo)熱等性能

表5 各種導(dǎo)熱介質(zhì)基板（材）的導(dǎo)熱類型

2.2.1 提高耐熱性能是重要的

采用高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的樹脂，如聚酰亞胺樹脂、BT（雙馬來酰胺三嗪樹脂）等，其Tg溫度可達(dá)到200℃以上，而對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性的FR-4，其Tg溫度也可提高到（150～180）℃之間。這些措施都可不同程度提高PCB的工作溫度范圍，從結(jié)構(gòu)（物理）上減少變形、裂縫和失效，從而提高PCB的應(yīng)用可靠性。但是，PCB基板的導(dǎo)熱性能仍然不好，形成“熱積累”使基板內(nèi)溫度升高而帶來不利影響。

2.2.2 提高導(dǎo)熱性能更重要

提高PCB的耐熱性能能夠提高PCB的可靠性，但是PCB的耐熱性能好，它意味著PCB內(nèi)部“熱積累”更多（溫度更高），這對于組裝的元器件是不利的。

（1）減少元器件傳熱效率，增加了元器件的“熱積累”溫度。

元器件是封裝后而組裝在PCB基板上的，元器件工作時(shí)產(chǎn)生的“熱積累（溫度）”主要是靠連接線（或焊點(diǎn)）而熱傳導(dǎo)到PCB連接盤（含導(dǎo)線等）來降低溫度的。如果PCB基板內(nèi)“熱積累”多溫度高，或者說元器件的“熱積累”溫度和PCB基板內(nèi)溫差小，這就意味著傳導(dǎo)的熱就少，其結(jié)果是引起元器件更大的“熱積累”溫度。

（2）元器件的高“熱積累”溫度將加大影響電氣性能和提高失效率。

PCB上的元器件是最大的發(fā)熱體，產(chǎn)生“熱積累”而升高溫度，不僅會(huì)影響元器件的電路性能（如IC組件的漏電流加大）波動(dòng)，而且還會(huì)加大結(jié)構(gòu)（物理性能）上“熱應(yīng)力”、變形和老化等問題，其結(jié)果是增加元器件的失效率、降低可靠性和使用壽命。

（3）必須把導(dǎo)熱性擺在主導(dǎo)位置上。

從上述的分析中可看出：（1）元器件是PCB工作時(shí)的最大發(fā)熱體，所以PCB上的焊盤和導(dǎo)線（孔等），既是元器件的信號(hào)傳輸通道又是最大的導(dǎo)熱的路徑；（2）提高PCB介質(zhì)層的導(dǎo)熱性能，可以升高元器件與PCB基板增加的溫差，才能降低元器件的“熱積累”溫度，從而降低元器件的失效率、提高可靠性和使用壽命，因此提高PCB基板介質(zhì)層的導(dǎo)熱效率比提高耐熱性能更重要。

3 PCB的導(dǎo)熱性能必須要?jiǎng)?chuàng)新轉(zhuǎn)型發(fā)展

3.1 傳統(tǒng)方法提高介質(zhì)層的導(dǎo)熱性能是有限的

顯然，采用傳統(tǒng)方法提高PCB基板介質(zhì)層的導(dǎo)熱性能是有限的，其提高導(dǎo)熱系數(shù)一般只能提高1～3倍，很難提高到“一個(gè)數(shù)量級(jí)”以上，即提高到高導(dǎo)熱等級(jí)（見表2）。

傳統(tǒng)提高PCB介質(zhì)層導(dǎo)熱性的方法有：（1）直接通過有機(jī)物樹脂類來提高導(dǎo)熱性能，大量有機(jī)物樹脂的試驗(yàn)表明要導(dǎo)熱性好，絕緣性能就達(dá)不到要求，或者反過來；（2）加入導(dǎo)熱性好的無機(jī)物（陶瓷或金屬氧化物）粉料來提高導(dǎo)熱性能是有限的，只能提高3倍左右，其導(dǎo)熱率（系數(shù)）都小于1.0 W/m·K，大多數(shù)是在 0.6 W/m·K左右。

3.2 采用加入高等級(jí)的導(dǎo)熱材料才能獲得高導(dǎo)熱介質(zhì)層PCB基材

加入傳統(tǒng)高導(dǎo)熱性材料（如Al3O3等）只能達(dá)到一般的導(dǎo)熱基材（見表2），其導(dǎo)熱系數(shù)都小于1.0 W/m·K，而且加入量又很大，影響加工性能。要改變這種狀態(tài)，加入量要少，只有加入高等級(jí)導(dǎo)熱材料來獲得比環(huán)氧樹脂高一個(gè)數(shù)量級(jí)的導(dǎo)熱系數(shù)。

3.2.1 加入氧化石墨烯提高導(dǎo)熱系數(shù)。

石墨烯是目前崛起的一種新材料，它是高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱和高耐熱的優(yōu)秀性料。但是氧化石墨烯既是優(yōu)良的絕緣性，又是優(yōu)秀的導(dǎo)熱材料、耐熱材料，更重要的是加入少量的氧化石墨烯就可以獲得好的導(dǎo)熱性能。如在環(huán)氧樹脂型的覆銅箔板介質(zhì)層中加入6%左右的氧化石墨烯（因?yàn)檠趸┑谋缺砻娣e很大，加入量就少，不影響加工性能），便可得到6.44 W/m·K的導(dǎo)熱系數(shù)覆銅板基材，還可提高Tg溫度（從140 ℃提高到175 ℃）、改善耐沖擊強(qiáng)度等性能[3]。

3.2.2 加入AlN+氧化石墨烯提高導(dǎo)熱系數(shù)。

單純加入導(dǎo)熱性好的AlN必須加入70%（質(zhì)量比）才能達(dá)到2.24 W/m·K。為了改善加工性能和成本，分別加入（質(zhì)量比）50%AlN和3%的氧化石墨烯，則可獲得3.0 W/m·K的導(dǎo)熱系數(shù)介質(zhì)層材料。

上述的兩個(gè)舉例充分表明，開發(fā)和采用新型高導(dǎo)熱材料來提高PCB基板介質(zhì)層應(yīng)是發(fā)展的方向。目前氧化石墨烯的成本已下降，加入量也不大，因此采用添加氧化石墨烯來提高覆銅箔基材介質(zhì)層導(dǎo)熱性能是個(gè)最可取而較理想的方法。