金屬基覆銅板的散熱性能研究

丘威平 陳毅龍 劉旭亮 黃奕釗 楊 單

（1.景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 河源 517373；2.廣東省金屬基印制電路板工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣東 河源 517373）

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，印制電路也向著高集成度、高密度化和大功耗的方向發(fā)展。在相關(guān)使用場景下，單位面積產(chǎn)生的熱量急劇增加，為保證元器件及模塊的正常工作和長期可靠性，需及時(shí)散發(fā)熱量，這對(duì)印制電路板（printed circuit board，PCB）的基材即覆銅板（copper clad laminate，CCL）材料的性能提出了更高要求，除應(yīng)具備覆銅板所需的常規(guī)性能外，還需具有較高的散熱性能?；谶@種背景，金屬基覆銅板（mental base copper clad laminate，MBCCL）逐漸發(fā)展起來并得到推廣應(yīng)用［1］。本文介紹金屬基覆銅板的散熱性能測試方法，并采用ASTMD5470 和JESD-51 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同規(guī)格金屬基覆銅板的散熱性能展開研究。

金屬基覆銅板是由金屬板材、導(dǎo)熱絕緣層（介質(zhì)層）和導(dǎo)電層銅箔組成的復(fù)合板材，如圖1所示。因其具有較好的散熱性能、機(jī)械加工性能、電磁屏蔽性能、尺寸穩(wěn)定性能和高可靠性，被廣泛應(yīng)用于集成電路、大功率電器設(shè)備、大功率電源、新能源汽車、LED照明、電視背光等領(lǐng)域。

圖1 常規(guī)金屬基覆銅板結(jié)構(gòu)

1 金屬基覆銅板散熱性能測試方法

對(duì)于固體材料，最有效的熱量轉(zhuǎn)移方式為熱傳導(dǎo)。在物體內(nèi)部，熱量可從溫度較高的部分轉(zhuǎn)移至溫度較低的部分，或傳遞到與其接觸的溫度較低的物體內(nèi)部，即熱傳導(dǎo)過程。其基本定律為：在單位時(shí)間內(nèi)，通過給定截面積傳遞的熱量，正比例于垂直于該截面方向的溫度變化率，熱量的傳遞方向與溫度的升高方向相反，表達(dá)式為：

式中：Q為熱流量，W；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·K）；A為材料橫截面積，m2。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，通過單位截面積的單位溫度梯度下的熱流量是恒定的。

由式（1）可得：

導(dǎo)熱系數(shù)是材料本身的固有性能參數(shù)，相同材料的導(dǎo)熱系數(shù)一致。其數(shù)值為單位溫度梯度下，單位導(dǎo)熱面積上的導(dǎo)熱速率。導(dǎo)熱系數(shù)測定可根據(jù)熱流方向、截面形狀面積、加熱形式及溫度場隨時(shí)間變化進(jìn)行區(qū)分，根據(jù)溫度場隨時(shí)間變化而發(fā)生變化的情況，將測試方法分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法2種。

1.1 平板熱流法

平板熱流法屬于穩(wěn)態(tài)法，采用ASTM-D5470-2017 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，是目前公認(rèn)的準(zhǔn)確度最高的測試方法。采用該方法，需在測試樣品中建立穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)狀態(tài)，即熱場和熱流量均不隨時(shí)間的變化而改變。

通過測量熱流密度和溫度梯度，可測定導(dǎo)熱系數(shù)。在實(shí)際測試中，基于測試兩平行等溫界面之間厚度均勻試樣的理想熱傳導(dǎo)，在試樣上下2 個(gè)表面的接觸界面處施加不同溫度，使得其2 個(gè)表面間形成溫度梯度，促使熱量均以垂直于試樣表面的方向傳遞，側(cè)面的熱量擴(kuò)散很小，基本可忽略［2］，其測試模塊原理如圖2所示。

圖2 平板熱流法測試原理

測量多組材料相同、厚度不同的試樣熱流量數(shù)據(jù)，得到不同試樣厚度下的熱阻值，通過擬合數(shù)據(jù)得到導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算值，其計(jì)算過程如下：

式中：R為樣品的熱阻值，℃/W；TH和TC分別為測試儀器熱極和冷極的溫度，℃；L為樣品的厚度，m。

根據(jù)式（3），改變樣品厚度，測試出幾組熱阻值R，并完成對(duì)應(yīng)的擬合，可得到導(dǎo)熱系數(shù)擬合曲線，如圖3所示，圖中曲線的斜率倒數(shù)即為該材料的導(dǎo)熱系數(shù)。該方法測試導(dǎo)熱系數(shù)比較適用于金屬基覆銅板。

圖3 導(dǎo)熱系數(shù)擬合曲線

1.2 激光散射法

激光散射法屬于非穩(wěn)態(tài)法測試導(dǎo)熱系數(shù)，采用ASTM-E1461—2012 標(biāo)準(zhǔn)，原理為使用高強(qiáng)度能量脈沖對(duì)小而薄的試樣進(jìn)行短時(shí)間輻照，用紅外檢測器測量樣品表面的溫度變化，測得的數(shù)據(jù)為樣品熱擴(kuò)散系數(shù)［3］，其測試原理如圖4所示。

圖4 測試原理

通過試樣的比熱容和密度，可計(jì)算得到其導(dǎo)熱系數(shù)，公式如下：

式中：α為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Cp為比熱容，J/（kg·K-1）；ρ為密度，kg/m3。

激光法反映材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)性，未考慮界面接觸熱阻，僅測量固態(tài)材料的熱擴(kuò)散系數(shù)。因此將其用于金屬基覆銅板測試時(shí)，只能單獨(dú)測試絕緣層，相較于平板熱流法，其優(yōu)勢是可測試XY軸方向和Z軸方向的熱擴(kuò)散系數(shù)。

1.3 TO-220測試法

TO-220 測試法的原理為：模擬元器件封裝在金屬基覆銅板上的使用場景，測量絕緣層材料的熱阻，利用溫差推動(dòng)熱量傳遞。測試樣品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 TO-220鋁基板導(dǎo)熱系數(shù)測試原理

因不同廠家的TO-220 測試規(guī)范不盡相同，因此結(jié)果也存在差異。以其中一種測試方法為例，在元器件穩(wěn)定工作狀態(tài)下，可得方程式如下：

式中：P為導(dǎo)熱量，W；T1和T2分別為測試樣品兩側(cè)的表面溫度，℃。

由式（5）可知，不同的晶體管元器件功率、鋁基板樣品、焊盤尺寸、晶體管銅座焊接所用焊膏類型及厚度、鋁基板及金屬散熱器界面所用導(dǎo)熱膏性能、銅箔及鋁板厚度、施加壓力、熱電偶位置（一般位于芯片正下方位置，以確保芯片到散熱器的熱傳導(dǎo)路徑最短）等因素，均會(huì)影響測試結(jié)果。為了確保結(jié)果具有可行性，需將樣品置于同等標(biāo)準(zhǔn)下完成測試。需要注意，TO-220 封裝外形（transistor outline package，TOP）是大功率晶體管、中小規(guī)模集成電路等常采用的直插式封裝形式，晶體管的使用上有所不同。

1.4 電學(xué)測試法

電學(xué)測試法主要參照J(rèn)EDEC-JESD51-51—2015 標(biāo)準(zhǔn)，該測試法的測量對(duì)象為發(fā)熱元器件，通過測量其溫度敏感參數(shù)（temperature sensitive parameter，TSP）的變化標(biāo)定內(nèi)部結(jié)溫的變化。通過測量元器件在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間，結(jié)溫隨時(shí)間發(fā)生瞬態(tài)變化過程，得到瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線，利用數(shù)學(xué)反卷積變換，將函數(shù)從時(shí)間域變?yōu)榭臻g域，得到結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，其中包含熱傳遞路徑中，每一層結(jié)構(gòu)的熱阻和熱容參數(shù)信息，分析樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)。主要測試過程分為以下幾個(gè)步驟。

1.4.1 K系數(shù)標(biāo)定

測試K系數(shù)，即建立結(jié)溫與溫度敏感參數(shù)之間關(guān)系，在元器件自身發(fā)熱可以忽略的前提下，將元器件置于溫度可控的恒溫環(huán)境下（如恒溫水槽、油槽、烘箱等），通過改變環(huán)境溫度測量TSP，得到K系數(shù)校準(zhǔn)曲線，如圖6所示。

圖6 K系數(shù)曲線

1.4.2 瞬態(tài)熱測試

當(dāng)元器件工作達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將工作電流快速切換為測試電流，在元器件結(jié)溫下降過程中，實(shí)時(shí)采集結(jié)點(diǎn)電壓值，再通過K系數(shù)換算，得到結(jié)點(diǎn)降溫曲線，如圖7所示。

圖7 設(shè)備測試降溫曲線結(jié)果

得到降溫曲線后，通過結(jié)構(gòu)函數(shù)分析可得到熱阻與時(shí)間的對(duì)應(yīng)瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線。對(duì)于具有多層結(jié)構(gòu)的鋁基板樣品，其瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線包含了熱流傳導(dǎo)路徑中每層結(jié)構(gòu)的詳細(xì)熱學(xué)信息，如圖8所示。

圖8 微分和積分結(jié)構(gòu)函數(shù)處理結(jié)果

2 金屬基覆銅板散熱能力測試

研究了不同結(jié)構(gòu)金屬基覆銅板材料的導(dǎo)熱系數(shù)，模擬元器件實(shí)際工作狀況，對(duì)實(shí)際工作中的結(jié)溫和熱阻數(shù)據(jù)展開分析，以表征散熱性能。

2.1 金屬基覆銅板材料熱阻和導(dǎo)熱系數(shù)測試

2.1.1 測試目的

測試不同鋁板厚度、介質(zhì)層厚度和銅箔厚度的樣品，對(duì)比不同規(guī)格對(duì)金屬基覆銅板整板導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

2.1.2 測試設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)

本研究的測試設(shè)備如圖9所示。

圖9 LW-9389熱導(dǎo)率測試儀

設(shè)備名稱：LW-9389導(dǎo)熱系數(shù)測試儀；

樣品尺寸：25.4 mm×25.4 mm；

上下模組面接觸有效面積：25.4 mm×25.4 mm；

樣品厚度范圍：0.05～5.00 mm；

導(dǎo)熱系數(shù)測試范圍：＜70 W/（m·K）；

熱阻測量范圍：＞0.01 K/W；

測量精度：熱阻值測量精度±5%；

參考標(biāo)準(zhǔn)：ASTM-D5470―2017 平板熱流法標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 樣品制作及測試步驟

樣品尺寸：25.4 mm×25.4 mm 的單面鋁基覆銅板。

樣品規(guī)格：見表1。

表1 測試樣品規(guī)格表

測試步驟：制樣（取樣打磨和測試厚度）→開機(jī)（參數(shù)設(shè)置）→涂抹導(dǎo)熱膏→試樣放置→開始測試→測試結(jié)束（生成報(bào)告）→清潔測試模塊→關(guān)機(jī)。

2.1.4 樣品導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果分析

從圖10所示的測試結(jié)果可知，在鋁板厚度和介質(zhì)層厚度不變的條件下，隨著銅箔厚度的增加，整板導(dǎo)熱系數(shù)呈上升趨勢，但是導(dǎo)熱系數(shù)的變化幅值不大，說明銅箔厚度變化對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小。

圖10 銅箔厚度變化對(duì)樣品導(dǎo)熱系數(shù)的影響

從圖11的測試結(jié)果可知，在銅箔厚度和介質(zhì)層厚度不變的條件下，隨著鋁板厚度的增加，整板導(dǎo)熱系數(shù)提升較為明顯，說明鋁板厚度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)性能的影響較大。

圖11 鋁板厚度變化對(duì)樣品導(dǎo)熱系數(shù)的影響

從圖12的測試結(jié)果分析可知，在鋁板厚度和銅箔厚度不變的條件下，隨著介質(zhì)層厚度的增加，整板導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)下降的趨勢，說明絕緣層厚度的增加對(duì)整板導(dǎo)熱系數(shù)性能存在不良影響。

圖12 介質(zhì)層厚度變化對(duì)樣品導(dǎo)熱系數(shù)的影響

綜上所述，在實(shí)際應(yīng)用中，基于滿足絕緣性要求，盡量采用較薄的介質(zhì)層厚度，有利于提高金屬基板的散熱效果；在產(chǎn)品空間允許的情況下，適當(dāng)增加鋁板厚度，也能改善散熱效果，但這樣也會(huì)增加成本。

2.2 貼件印制電路板（PCBA）熱阻及結(jié)溫測試

為進(jìn)一步研究實(shí)際工況，金屬基板各部分層級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)元器件的影響，本文采用電學(xué)法測試LED實(shí)際工作時(shí)的結(jié)溫和熱阻數(shù)據(jù)。

2.2.1 測試目的

通過測試不同鋁板厚度、介質(zhì)層厚度和銅箔厚度的樣品，對(duì)比不同因素對(duì)金屬基板整板熱阻的影響，并結(jié)合LED 芯片結(jié)溫測試結(jié)果，分析金屬基板散熱性能對(duì)元器件實(shí)際工作時(shí)結(jié)溫的影響。

2.2.2 測試設(shè)備及條件

設(shè)備型號(hào)：T3Ster熱阻測試儀，如圖13所示。

圖13 T3Ster熱阻測試儀

樣品尺寸：30 mm×30 mm（不超過水冷板尺寸均可）。

樣品要求：具有雙接線端，焊接LED芯片。

參考標(biāo)準(zhǔn)：JEDEC-JESD51-51-2015。

測試樣品實(shí)物如圖14所示。

圖14 測試樣品實(shí)物

2.2.3 樣品規(guī)格及測試步驟

樣品制作流程：采用表1中提供的金屬基覆銅板規(guī)格，制作成金屬基印制電路板，貼裝相同規(guī)格的LED芯片。

測試步驟：焊接正負(fù)極導(dǎo)線→接入T3Ster 測試設(shè)備→輸入相同測試電流→測試芯片K系數(shù)→輸入相同加熱電流→測試芯片結(jié)溫→結(jié)構(gòu)函數(shù)分析熱阻數(shù)據(jù)→導(dǎo)出結(jié)果。

2.2.4 樣品熱阻及芯片結(jié)溫測試結(jié)果

由圖15電學(xué)法的測試結(jié)果分析可知，在鋁板厚度和介質(zhì)層厚度不變的條件下，銅箔厚度改變對(duì)整板的熱阻影響不大，其熱阻變化趨勢不明顯，符合ASTM-D5470的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果變化趨勢。因此不同芯片在穩(wěn)定工作時(shí)，表現(xiàn)出的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)無太大差異。

圖15 銅箔厚度變化對(duì)樣品熱阻及芯片結(jié)溫的影響

由圖16測試結(jié)果分析可知，在銅箔厚度和介質(zhì)層厚度不變的條件下，隨著鋁板厚度的增加，整板熱阻呈下降趨勢，芯片結(jié)溫下降較為明顯，說明鋁板厚度的增加能夠提高板材散熱效果，降低芯片的工作結(jié)溫。

圖16 鋁板厚度變化對(duì)樣品熱阻及芯片結(jié)溫的影響

由圖17的測試結(jié)果分析可知，在鋁板厚度和銅箔厚度不變的條件下，隨著介質(zhì)層厚度的增加，整板熱阻呈上升趨勢，且變化明顯；隨著整板熱阻的增加，LED 芯片的工作結(jié)溫明顯升高，說明介質(zhì)層厚度變化對(duì)整板散熱效果的影響較大。

圖17 介質(zhì)層厚度對(duì)樣品熱阻及芯片結(jié)溫的影響

通過該方法得到的熱阻結(jié)果不能作為熱阻的實(shí)際絕對(duì)值，只能對(duì)比不同樣品的差異，其分析過程需人為劃分并選取不同層的界面，實(shí)際熱阻數(shù)值受人為選擇因素影響較大，因此測試數(shù)據(jù)結(jié)果的認(rèn)可度不如熱流法。另外，采用電學(xué)法測試元器件結(jié)溫，是通過監(jiān)測元器件溫度敏感參數(shù)的變化標(biāo)定溫度，受人為影響因素較小，因此其結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)的參考意義較大，能夠真實(shí)反應(yīng)元器件的工作溫度。采用該方法作為散熱研究時(shí)的無損測試手段，可以更好地表征元器件的實(shí)際工作狀態(tài)。

3 結(jié)論

（1）采用ASTM-D5470―2017 平板熱流法，能較為準(zhǔn)確地測量金屬基覆銅板材料的導(dǎo)熱系數(shù)性能，分析不同導(dǎo)電層、絕緣層和金屬基板的組合對(duì)實(shí)際成品的導(dǎo)熱系數(shù)影響情況。

（2）采用JEDEC-JESD51-51-2015 電學(xué)測試法進(jìn)行無損測試，可以準(zhǔn)確地監(jiān)測元器件的工作結(jié)溫和狀態(tài)，更好地模擬實(shí)際應(yīng)用場景。

（3）通過測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在金屬基板材料中，銅箔層的厚度增加對(duì)金屬基板整體散熱性能的提升影響最??；減小介質(zhì)層的厚度，或增加鋁板層的厚度，均對(duì)金屬基板整體的散熱性能提升影響較大。

（4）結(jié)合平板熱流法與電學(xué)測試法2 種表征方式，可以更好地選擇金屬基覆銅板材料的規(guī)格和表征實(shí)際應(yīng)用時(shí)的散熱效果，適當(dāng)選擇各層材料的厚度組合可以在滿足散熱的要求下，節(jié)約材料成本。