PCB散热设计学习总结供参考

1、PCB散热设计 PCB中热疑的来源主要有三个方面：(1)电子元器件的发热：(2)PCB本身的发热：(3) 其它部分传来的热。在这三个热源中，元器件的发热量最大，是主要热源，其次是PCB板产 生的热，外部传入的热量取决于系统的总体热设计。大功率LED的基板材料必须有髙的绝 缘电阻、髙稳泄性、髙热导率、与芯片相近的热膨胀系数以及平整性和一泄的机械强度。基 于上述条件，少数金属或合金能满足高热导率、低膨胀系数的要求，但为了保障电绝缘性， 需要在金属上涂覆一层高分子聚合物膜或者沉积一层陶瓷膜，如传统的PCB金属基板由金 属基片、绝缘介质层和铜泊构成。绝缘介质层一般采用环氧玻纤布粘结片或环氧树脂，由 于

2、绝缘介质层的热导率普遍偏低(树脂类通常低于0. 5W/m. K ),这导致整个器件的散热性 能大大降低。 (l) PCB种类 LED常见基板通常有四类：传统且菲常成熟的PCB、发展中的金属基板(MCPCB)、以陶 瓷材料为主的陶瓷基板(Ceramic)、覆铜陶瓷基板(DBC) 0其中覆铜陶瓷基板是将铜箔直接饶 结到陶瓷表面而形成的一种复合基板。PCB及MCPCB可使用于一般LED应用之产品。不过肖 单位热流密度较髙时，LED散热基板主要采用金属基板及陶瓷基板两类强化散热。金属基板 以铝(A1)及铜(Cu)为材料,可分为金属基材(metal base)、金属烷(metal core)。金属基板

3、制程尚需多一道绝缘层处理，目前全球主要散热绝缘胶厂商以美商及日商为主。 期一类是采用AIN、SiC、BeO等绝缘材料为主的陶瓷基板，由于本身材料就已经绝缘, 因此不需要有绝缘层的处理。此外，陶瓷基板所能承受的朋溃电压，击穿电压(Break-down voltage)也较高，此外，其热膨胀系数匹配性佳，可减少热应力及热变形产生也是优点，可 以说相当适合LED应用，目前确实已经有相当多LED产品采用，但目前价格仍贵，约为金属 基板的23倍。 过去由于LED输出功率较小，因此使用传统FR4等玻璃环氧树脂封装基板，并不会造 成太大的散热问题，但应用于照明用的高功率LED,虽芯片而积相当小，整体消费电力

4、也不 高，不过单位而积的发热量却很大。一般来说，树脂基板的散热，只能够支持0.5弔以下的 LED,超过0. 5W以上的LED,多改用陶瓷基板或者高散热金属基板进行封装。Uninwell的低 温共烧陶瓷金属基板技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED芯片和相应的陶瓷基板FSC 系列，然后将LED芯片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电 路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热界而少，大大提 高了散热性能，为大功率LED阵列封装提出了解决方案。另外一种工艺为髙导热性覆铜陶瓷 板FSCC系列，由陶瓷基板（A1N或A1203）和导电层（Cu）在高温高压下

5、烧结而成，没有使 用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强。氮化铝（A1N）的热导率为160W/mk,热 膨胀系数为4.0X10-6/C （与硅的热膨胀系数3. 2X106厂C相当），从而降低了封装热 应力。 目前国内外封装基板技术主要有以下几种： 美国U0E公司制作的Norlux系列功率LED封装基板。苴结构是在不锈钢板表而烧结一层檐 瓷（Porcelain）。此封装基板的优点是易加工、机械强度高、易安装。其缺点是基材价格较 高、介质膜层厚度较厚（大于lOOum）、热导率仍然较低。 美国TT公司的Anotherm导热基板是在铝合金基片上硬质阳极氧化介质膜绝缘层，电 极层用厚膜工艺丝印在绝缘

6、层上。在一块Anotherm板上可以开发多达3层电路层。苴优点 是常温工艺、原位生长介质膜层、易于后期加工、机械强度髙，热导率比Norlux系列有明 显提高。 Lamina公司采用金属上低温共烧陶瓷（LTCC-M）技术，将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确 而且致密的单层生瓷带，在生瓷带上利用打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所 需要的电路图形，然后将多层生瓷带叠轧在金属上，在大约900C烧结，制成多层互连的三 维电路基板。英优点是多层布线、金属散热、集成度较高、热导率好、机械强度高。其缺点 是成本髙、耗能大、工艺复杂且难于控制。 中国电子科技集团公司第十三研究所制作体块烧结氮化铝单层基板。氮

7、化铝基板具有 高导热、髙电绝缘、低介电、低热膨胀的特点，英热导率大约是氧化铝陶瓷基板的十倍，热 膨胀系数与硅芯片接近。英缺点是体积大、成本髙、机械强度差、耗能髙。 国内公司制作的铝基覆铜PCB基板，此基板由铝板、环氧树脂或环氧玻璃布粘结片、铜馅 三者经热压而成。优点是结构简单、易于后期加工、机械强度高、耗能较低。但是设备工艺 复杂、散热性能一般，特别是髙低温下介质层热导率不稳定、抗剥离强度有所下降。 (2) LED散热基板之厚膜与薄膜工艺差异分析 H n l*J0Bdq9vlS目前市而上较常见的陶瓷基板多为LTCC或厚膜技术制成的陶瓷散热 基板，此类型产品受网版印刷技术的准备瓶颈，使得其对位精

8、准度上无法配合更髙阶的焊接, 共晶(Eutectic)或覆晶(Flip chip)封装方式，而利用薄膜工艺技术所开发的陶瓷散热基板 则提供了高对位精准度的产品，以因应封装技术的发展。近年来，除了陶瓷基板本身的材料 特性问题须考虑之外，对基板上金属线路之线宽、线径、金属表而平整度与附着力之要求日 增，使得以传统厚膜工艺备制的陶瓷基板逐渐不敷使用，因而发展出了薄膜型陶瓷散热基板。 为此，以薄膜元件起家的瑾司柏电子(ICP),即针对自家开发之薄膜基板与传统厚膜基板进 行其工艺与产品特性差异分析(如表3所示)。 表3薄骐制成与厚膜制成待性差异分析 膜 薄膜制成 制 成 印 刷 方 式 成 线路精准度稱

9、准度较高，误差值低于+/-1%形 误 差 值 较 rWj 10 镀层材料 镀层表面 受 浆 料 材料稳定度较高均 匀 性 彩 响 整 度 低 误 差 表面平整度高03um值 约 为 1 3 u m 产 设备维护 维护较不易，费用较商 设 备 上 维 护 较 为 简 易 镀层附着性 着 性 受 基 板 材 质 无需高温烧结，不会有氧化物生成，附着性佳影 响 V AL N 基 板 尤 差 线路位置使用曝光显影，相对位置精准度髙 网 版 张 力 及 印 刷 次 数 影 响 V 相 对 位 置 精 准 度 低 （3）PCB的热阻估算 目前应用于大功率LED作散热的PCB有三种：普通双而敷铜板（FR4）

10、、铝合金基敷 铜板（MCPCB）、柔性薄膜PCB用胶粘在铝合金板上的PCB。采用高导热性介质的MCPCB有 最好的散热性能，但价格较贵。 图15为FR4 PCB散热层结构图，表4为FR4 PCB各层的材料与热导率。 Layer/MaterialThicknessThermal conductivity (W/mK) 图5 FR4 PCB散热层结构图 表4 FR4 PCB各层的材料与热导率 (Um) SnAgCu solder 75 58 Top layer copper 70 398 FR-4 1588 0.2 Bottom layer copper 70 398 ENIG(Electrole

11、ss Nieke1/Immersion Gold) 35 58 图16为MCPCB散热层结构图，表5为MCPCB各层的材料与热导率。 图16 MCPCB散热层结构图 表5 Thickness (Um) Thermal conductivity (W/mK) MCPCB各层的材料与热导率 Layer/Material SnAgCu solder 75 58 Top layer copper 70 398 PCB dielectric 100 2.2 Al plate 1588 150 利用表3、表4的热传导率数据，PCB的总热阻可表示为各结构层热阻的和，即: RthPCB = Rthlayerl

12、 + Rthlayer2 + Rthlayer3 + RthlayerN Rth = L/(K X A) 苴中：L为结构层的厚度；K为热传导率：A为面积。假设星型PCB的厚度为1. 6mm, 而积大约为270 mm2,那么热阻大约为30C/W 2. JPG (960. 05 KB 因一 1 JPG 960. 05 KB. 因一 (4) FR4 PCB过孔设计 IBB 图17 FR4 PCB过孔设计结构图 表6 FR4 PCB过孔各层的材料与热导舉 Layer/Material Thickness (Um) Thermal conductivity (W/mK) SnAgCu solder 75

13、 58 Top layer copper 70 398 FR-4 1588 0.2 Filled vias (SnAgCu) 1588 58 Bottom layer copper 70 398 Solder mask (optional) 25 0.2 LED的热疑通过敷铜和金属化过孔传到线路板(PCB)的背而，热性能和MCPCB相似，比 MCPCB便宜许多。板厚和孔径比率：林率，要达到可靠的金属化孔镀层更困难：板厚和孔径 的比率8,线路板制作难度增加，费用也会增加。 假设FR4 PCB实芯过孔的直径为0. 6mm,根据表6,单个过孔的热阻二(1. 588X10-3) / (58X( n X

14、 (0.5X0.6X10-3)2) = 96. 8C/Wo N 个实芯过孔的热阻为: Rthvias = 1 / (NXKXA) 那么，PCB的总热阻可表示为FR4的热阻与实芯过孔热阻的并联，即： Rthvias FR-4 =(1/Rthvias) + (l/RthFR-4)-1 举例：根据表6, 270mm2. 5个直径0. 6mm实芯过孔的FR4总热阻为12C/W,与 表4数据的总热阻30C/W相比减小了 1. 5倍。 52. JPG L . 21 KB. FR4 -M-J A Fl Fl Jill Illi Illi LED 4. JPG 16.08 KB,: 0) LKD HUA .MCPCB 6. JPG ： 50.37 KB,: 0) E川川I mmwf EMI 托 51. JPG 1 . 11 KB. 图18功率LEDs用于MCPCB 如图18所示，大部分用于LED的MCPCB因为加入绝缘髙导热层而使其价格非常髙。如果采 用图19所示的过孔结构，则过孔的热阻可表示为： Rth=h/(nXkX7i X(DXft2) Rth:热阻(C/W): h：