不同基材結(jié)構(gòu)PCB散熱性能研究

張興望 李會(huì)霞 夏國(guó)偉 李 波

（勝宏科技（惠州）股份有限公司，廣東 惠州 516211）

0 引言

目前電力電源系統(tǒng)中，金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（metal-oxide-semiconductor，MOS）和絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）為電路系統(tǒng)的核心器件，其在電路系統(tǒng)工作過(guò)程中，會(huì)因?yàn)轱柡蛪航导伴_(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生大量的熱。有研究表明，溫度每上升1 ℃，器件壽命降低5%［1］，相關(guān)的MOS、IGBT 模組必須設(shè)計(jì)制定相應(yīng)的散熱措施，以保證器件正常工作。模組的整體散熱性能受功率器件本身、印制電路板（printed circuit boards，PCB）、散熱器及各組件連接材料的限制，其中PCB 除具有傳統(tǒng)的電氣信號(hào)傳輸和元器件承載功能外，散熱能力也是整個(gè)模組散熱體系中不可或缺的一環(huán)。

1 不同基材PCB 結(jié)構(gòu)介紹與導(dǎo)熱分析

PCB 行業(yè)市場(chǎng)常見(jiàn)的環(huán)氧玻璃布層壓板（FR4）材料未考慮散熱需求，材料的導(dǎo)熱率一般為＜0.2 W/（m·K），導(dǎo)熱性能有限。對(duì)于功率器件的散熱需求必須從PCB 結(jié)構(gòu)、材料選擇等多方面考慮，以滿(mǎn)足模組的散熱需求。目前，市場(chǎng)常見(jiàn)的PCB導(dǎo)熱設(shè)計(jì)有：散熱孔設(shè)計(jì)、導(dǎo)熱FR4材料、金屬基板、覆銅陶瓷基板、嵌埋導(dǎo)熱通道多層FR4和設(shè)計(jì)凸臺(tái)的金屬基板［2-4］。

1.1 散熱孔設(shè)計(jì)

利用PCB 本身的過(guò)電孔和接地孔導(dǎo)熱，在功率器件區(qū)域設(shè)計(jì)過(guò)電孔矩陣用于散熱，如圖1所示。

圖1 散熱孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1.2 導(dǎo)熱FR-4材料設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)用的導(dǎo)熱FR-4 材料，為提高其導(dǎo)熱效果，主要在樹(shù)脂體系中加入導(dǎo)熱填料，其導(dǎo)熱率一般在1～2 W/m·K。導(dǎo)熱FR4 材料一般可以與散熱孔設(shè)計(jì)復(fù)合使用。

1.3 金屬基板設(shè)計(jì)

金屬基板是目前應(yīng)用最廣泛的散熱材料，主要以銅基和鋁基為主。絕緣層采用導(dǎo)熱FR-4 材料，為控制絕緣層厚度保證散熱效果，導(dǎo)熱金屬基板主流為單面板設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 金屬基板結(jié)構(gòu)

1.4 雙面鍍銅陶瓷板設(shè)計(jì)

在導(dǎo)熱陶瓷（主要是氮化鋁ALN 和氧化鋁AL2O3）表面燒結(jié)銅，陶瓷具備良好導(dǎo)熱率和絕緣效果，表面銅可以制作線路，是大功率器件的良好載體。

1.5 嵌埋導(dǎo)熱通道FR4

在大功率器件安裝部位設(shè)計(jì)導(dǎo)熱通道，其他部分保持常規(guī)的多層FR4 設(shè)計(jì)，導(dǎo)熱通道通過(guò)嵌埋導(dǎo)熱良好的銅、陶瓷等材料實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)熱，如圖3所示。

圖3 金屬基板MHE?901結(jié)構(gòu)

1.6 熱電分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合金屬基板和嵌埋導(dǎo)熱通道的設(shè)計(jì)，在功率器件安裝部分將金屬基設(shè)計(jì)凸臺(tái)，使之直接與器件接觸，避免絕緣層導(dǎo)熱率的限制，提升導(dǎo)熱效果，如圖4所示。

圖4 熱電分離結(jié)構(gòu)

2 熱仿真分析

2.1 仿真測(cè)試PCB設(shè)計(jì)方案

（1）嵌埋導(dǎo)熱通道FR4：導(dǎo)熱通道使用氧化鋁（AIN）陶瓷，其中AIN尺寸為10 mm×10 mm、板厚為1.60 mm，層數(shù)為2。

（2）散熱孔設(shè)計(jì)：在功率器件區(qū)域設(shè)計(jì)金屬化電孔矩陣，孔徑為0.20 mm、節(jié)距為0.65 mm、孔銅厚度設(shè)計(jì)為25.00 μm、陣列大小為16 mm×16 mm、板厚為1.6 mm，層數(shù)為2。

2.2 仿真測(cè)試PCB設(shè)計(jì)模型

仿真模型如圖5所示?；谝韵聴l件展開(kāi)對(duì)比和極限條件評(píng)估。

圖5 仿真模型

（1）對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，取3D模組1/4結(jié)構(gòu)。

（2）材料特性各向同性。

（3）穩(wěn)態(tài)控制。

（4）負(fù)載設(shè)定：10 W（熱源）；芯片尺寸3 mm×3 mm。

（5）散熱片：150 W/（m·K）（導(dǎo)熱率），25 °C（溫度設(shè)定）。

2.3 熱仿真測(cè)試結(jié)果

熱仿真結(jié)果中ΔT（基板溫度與露點(diǎn)之差）是表征PCB 底層與頂層的溫度差，直接反應(yīng)不同PCB 的導(dǎo)熱能力，溫度差越小表示該P(yáng)CB 導(dǎo)熱能力越好，反之越差。熱仿真結(jié)果如圖6所示，顏色越深代表溫度越高，ΔT代表模組的散熱能力，數(shù)值越大代表散熱能力越差。由圖可知，2種結(jié)構(gòu)的ΔTPCB分別為68.2 ℃和7.3 ℃，相差近10倍，即表明嵌埋導(dǎo)熱通道FR4 導(dǎo)熱能力約為帶散熱孔設(shè)計(jì)FR4的10倍。

圖6 熱仿真結(jié)果

3 不同PCB 散熱能力測(cè)試

3.1 散熱能力測(cè)試PCB設(shè)計(jì)

基于目前市場(chǎng)常見(jiàn)的散熱PCB 結(jié)構(gòu)和材料，選擇7 種不同PCB 展開(kāi)導(dǎo)熱能力測(cè)試，比較其導(dǎo)熱能力。

具體信息見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試PCB基本信息

熱阻計(jì)算：以焊盤(pán)尺寸10 mm×10 mm 為基準(zhǔn)（熱電分離焊盤(pán)5 mm×10 mm），只計(jì)算縱向的熱阻，忽略橫向的熱傳遞；其中散熱孔以孔徑為0.250 mm、節(jié)距為0.650 mm 和孔銅為0.025 mm計(jì)算。

PCB 圖形設(shè)計(jì)：所有PCB 原件面圖形設(shè)計(jì)一致，如圖7所示，用于焊接熱源，將雙面板底層設(shè)計(jì)為大銅皮，用于與散熱器接觸面散熱；將散熱孔設(shè)計(jì)為孔徑0.25 mm、節(jié)距0.65 mm 和矩陣16 mm×16 mm；嵌埋導(dǎo)熱通道FR4 陶瓷尺寸設(shè)計(jì)為10 mm×10 mm，熱電分離結(jié)構(gòu)的凸臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)為5 mm×10 mm。

圖7 PCB元件面圖形設(shè)計(jì)

3.2 熱源選擇

選擇功率為60 W的高功率LED作為熱源，燈珠熱密度為1.6 W/mm2（大功率LED，忽略光效影響，以實(shí)際功率近似代表熱功率）。

3.3 節(jié)溫測(cè)試

測(cè)試方法：采用正向電壓法測(cè)試LED 工作結(jié)溫，燈珠工作電流設(shè)定為4.5 A，測(cè)試電流為0.1 mA；模組組裝如圖8所示。所有PCB 同時(shí)進(jìn)行表面貼裝技術(shù)制作（surface mount technology，SMT）制作，使用同一鋼網(wǎng)完成錫膏印刷，在相同的焊接條件下完成燈珠焊接，保證燈珠與PCB之間導(dǎo)熱介質(zhì)一致。模組與散熱器連接使用同種導(dǎo)熱硅脂，采用同一設(shè)備和相同測(cè)試人員開(kāi)展結(jié)溫測(cè)試，保證系統(tǒng)誤差的一致性；對(duì)不同模組依次測(cè)試，使用同種導(dǎo)熱硅脂和同一測(cè)試人員，將模組固定在相同的散熱器上；測(cè)試時(shí)散熱器設(shè)定為25 ℃；在燈珠點(diǎn)亮過(guò)程中，同時(shí)測(cè)量模組底部溫度；并通過(guò)壓降與定標(biāo)曲線得出燈珠結(jié)溫。大功率LED 光效以20%計(jì)算，忽略熱輻射的影響，根據(jù)結(jié)溫與模組底部溫差，以及熱源功率計(jì)算出模組的熱阻。

圖8 散熱測(cè)試組裝

3.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

從結(jié)溫分析，結(jié)溫存在明顯差異，見(jiàn)表2。FR4 結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱能力太差，導(dǎo)致燈珠瞬間燒毀，無(wú)法工作，未列入表2。FR4+散熱孔結(jié)構(gòu)雖能工作，但結(jié)溫高達(dá)288 ℃，遠(yuǎn)超其他材料，散熱能力有限；散熱材料為金屬基板，結(jié)溫在150 ℃左右；最優(yōu)為熱電分離結(jié)構(gòu)與嵌埋導(dǎo)熱通道FR4，節(jié)溫在100 ℃左右。

表2 不同結(jié)構(gòu)PCB散熱測(cè)試結(jié)果

金屬基板中，銅基板散熱能力優(yōu)于鋁基板、高導(dǎo)熱率材料優(yōu)于低導(dǎo)熱材料、熱電分離結(jié)構(gòu)優(yōu)于嵌埋導(dǎo)熱通道FR4。與表1理論的熱阻高低存在差異，主要是實(shí)際熱傳遞過(guò)程中，除縱向傳遞外，還有橫向傳遞［5］，在橫向傳遞過(guò)程中因銅的良好導(dǎo)熱率，實(shí)際散熱效果更好。

從熱阻分析，不同材料差異明顯，模組熱阻與結(jié)溫高低趨勢(shì)完全一致，模組的熱阻包括燈珠、焊料、PCB 及PCB 與散熱器之間的熱阻這3 個(gè)部分。在本次試驗(yàn)中，除PCB 外，其他材料與工藝條件完全一致，其熱阻差異可代表不同PCB 結(jié)構(gòu)的熱阻差異。熱電分離結(jié)構(gòu)與嵌埋導(dǎo)熱通道FR4熱阻明顯低于金屬基板，金屬基板又明顯低于普通FR4 結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與熱仿真結(jié)果一致性高。

4 結(jié)論

（1）不同的PCB 結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱能力：熱電分離結(jié)構(gòu)（嵌埋銅塊）、嵌埋導(dǎo)熱通道FR4（嵌埋ALN陶瓷）導(dǎo)熱能力強(qiáng)，其次為金屬基板，再次為FR4+散熱孔，普通FR4 導(dǎo)熱能力差；熱電分離結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱能力是FR4+散熱孔結(jié)構(gòu)的5～10倍。

（2）采用嵌埋銅塊和高導(dǎo)熱陶瓷可有效提高PCB 的散熱能力，且保持FR4 多層板的線路設(shè)計(jì)需求；根據(jù)器件是否絕緣選擇不同的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。