最新PCB散熱設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)總結(jié)供參考

1、精品文檔PCB散熱設(shè)計(jì)PCB中熱量的來源主要有三個(gè)方面：(1)電子元器件的發(fā)熱；(2) PCB本身的發(fā)熱；(3)其它部分傳來的熱。 在這三個(gè)熱源中，元器件的發(fā)熱量最大，是主要熱源，其次是PCB板產(chǎn)生的熱，外部傳入的熱量取決于系統(tǒng)的總體熱設(shè)計(jì)。大功率 LED 的基板材料必須有高的絕 緣電阻、高穩(wěn)定性、 高熱導(dǎo)率、 與芯片相近的熱膨脹系數(shù)以及平整性和一定的機(jī)械強(qiáng)度。基 于上述條件，少數(shù)金屬或合金能滿足高熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)的要求，但為了保障電絕緣性， 需要在金屬上涂覆一層高分子聚合物膜或者沉積一層陶瓷膜，如傳統(tǒng)的PCB金屬基板由金屬基片、絕緣介質(zhì)層和銅泊構(gòu)成。絕緣介質(zhì)層一般采用環(huán)氧玻纖布粘結(jié)片或環(huán)氧

2、樹脂，由于絕緣介質(zhì)層的熱導(dǎo)率普遍偏低 (樹脂類通常低于 0.5W/m.K ) ，這導(dǎo)致整個(gè)器件的散熱性 能大大降低。(1) PCB 種類LED常見基板通常有四類：傳統(tǒng)且非常成熟的PCB發(fā)展中的金屬基板(MCPCB)以陶瓷材料為主的陶瓷基板(Ceramic)、覆銅陶瓷基板(DBC)。其中覆銅陶瓷基板是將銅箔直接燒 結(jié)到陶瓷表面而形成的一種復(fù)合基板。PCB及MCPC可使用于一般LED應(yīng)用之產(chǎn)品。不過當(dāng)單位熱流密度較高時(shí)，LED散熱基板主要采用金屬基板及陶瓷基板兩類強(qiáng)化散熱。金屬基板 以鋁(Al)及銅(Cu)為材料，可分為金屬基材 (metal base)、金屬蕊(metal core)。金屬基板

3、制程尚需多一道絕緣層處理，目前全球主要散熱絕緣膠廠商以美商及日商為主。另一類是采用AlN、SiC、BeO等絕緣材料為主的陶瓷基板，由于本身材料就已經(jīng)絕緣，因此不需要有絕緣層的處理。此外，陶瓷基板所能承受的崩潰電壓，擊穿電壓(Break-downvoltage) 也較高，此外， 其熱膨脹系數(shù)匹配性佳， 可減少熱應(yīng)力及熱變形產(chǎn)生也是優(yōu)點(diǎn)，可 以說相當(dāng)適合LED應(yīng)用，目前確實(shí)已經(jīng)有相當(dāng)多 LED產(chǎn)品采用，但目前價(jià)格仍貴，約為金屬 基板的23倍。過去由于LED輸出功率較小，因此使用傳統(tǒng)FR4等玻璃環(huán)氧樹脂封裝基板，并不會(huì)造成太大的散熱問題，但應(yīng)用于照明用的高功率LED,雖芯片面積相當(dāng)小，整體消費(fèi)電力也

4、不高，不過單位面積的發(fā)熱量卻很大。一般來說，樹脂基板的散熱，只能夠支持0.5W以下的LED,超過0.5W以上的LED,多改用陶瓷基板或者高散熱金屬基板進(jìn)行封裝。Unin well的低溫共燒陶瓷金屬基板技術(shù)首先制備出適于共晶焊的大功率LED芯片和相應(yīng)的陶瓷基板FSC系列，然后將LED芯片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路及控制補(bǔ)償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且由于材料熱導(dǎo)率高，熱界面少，大大提高了散熱性能，為大功率LED陣列封裝提出了解決方案。另外一種工藝為高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷 板FSCC系列，由陶瓷基板（AIN或AI2O3）和導(dǎo)電層（Cu）在高溫高壓下燒結(jié)而成，沒有

5、使 用黏結(jié)劑，因此導(dǎo)熱性能好、強(qiáng)度高、絕緣性強(qiáng)。氮化鋁（AIN）的熱導(dǎo)率為160W/mK熱膨脹系數(shù)為4.0 X 10 6/C（與硅的熱膨脹系數(shù)3.2 X 10 6/C相當(dāng)），從而降低了封裝熱應(yīng)力。目前國內(nèi)外封裝基板技術(shù)主要有以下幾種 :美國UOE公司制作的Norlux系列功率LED封裝基板。其結(jié)構(gòu)是在不銹鋼板表面燒結(jié)一層搪瓷（ PorceIain） 。此封裝基板的優(yōu)點(diǎn)是易加工、機(jī)械強(qiáng)度高、易安裝。其缺點(diǎn)是基材價(jià)格較 高、介質(zhì)膜層厚度較厚 （大于 100um） 、熱導(dǎo)率仍然較低。美國 TT 公司的 Anotherm 導(dǎo)熱基板是在鋁合金基片上硬質(zhì)陽極氧化介質(zhì)膜絕緣層，電 極層用厚膜工藝絲印在絕緣層

6、上。 在一塊 Anotherm 板上可以開發(fā)多達(dá) 3 層電路層。 其優(yōu)點(diǎn) 是常溫工藝、原位生長介質(zhì)膜層、易于后期加工、機(jī)械強(qiáng)度高，熱導(dǎo)率比NorIux 系列有明顯提高。Lamina 公司采用金屬上低溫共燒陶瓷 （LTCC-M） 技術(shù)，將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確 而且致密的單層生瓷帶， 在生瓷帶上利用打孔、 微孔注漿、 精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所 需要的電路圖形，然后將多層生瓷帶疊軋?jiān)诮饘偕?，在大約900C燒結(jié)，制成多層互連的三維電路基板。其優(yōu)點(diǎn)是多層布線、金屬散熱、集成度較高、熱導(dǎo)率好、機(jī)械強(qiáng)度高。其缺點(diǎn) 是成本高、耗能大、工藝復(fù)雜且難于控制。中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所制作體塊燒結(jié)氮

7、化鋁單層基板。氮化鋁基板具有 高導(dǎo)熱、高電絕緣、低介電、低熱膨脹的特點(diǎn)，其熱導(dǎo)率大約是氧化鋁陶瓷基板的十倍，熱 膨脹系數(shù)與硅芯片接近。其缺點(diǎn)是體積大、成本高、機(jī)械強(qiáng)度差、耗能高。國內(nèi)公司制作的鋁基覆銅PCB 基板，此基板由鋁板、環(huán)氧樹脂或環(huán)氧玻璃布粘結(jié)片、銅餡三者經(jīng)熱壓而成。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、易于后期加工、機(jī)械強(qiáng)度高、耗能較低。但是設(shè)備工藝 復(fù)雜、散熱性能一般，特別是高低溫下介質(zhì)層熱導(dǎo)率不穩(wěn)定、抗剝離強(qiáng)度有所下降。(2) LED散熱基板之厚膜與薄膜工藝差異分析H n l*J0Bdq9v1S目前市面上較常見的陶瓷基板多為LTCC或厚膜技術(shù)制成的陶瓷散熱基板，此類型產(chǎn)品受網(wǎng)版印刷技術(shù)的準(zhǔn)備瓶頸，使得

8、其對位精準(zhǔn)度上無法配合更高階的焊接，共晶(Eutectic)或覆晶(Flip chip)封裝方式，而利用薄膜工藝技術(shù)所開發(fā)的陶瓷散熱基板 則提供了高對位精準(zhǔn)度的產(chǎn)品，以因應(yīng)封裝技術(shù)的發(fā)展。近年來，除了陶瓷基板本身的材料特性問題須考慮之外，對基板上金屬線路之線寬、線徑、金屬表面平整度與附著力之要求日增，使得以傳統(tǒng)厚膜工藝備制的陶瓷基板逐漸不敷使用，因而發(fā)展出了薄膜型陶瓷散熱基板。為此，以薄膜元件起家的璦司柏電子(ICP)，即針對自家開發(fā)之薄膜基板與傳統(tǒng)厚膜基板進(jìn)行其工藝與產(chǎn)品特性差異分析(如表3所示)。表3薄膜制成與厚膜制成特性差異分析薄膜制成厚膜制成線路精準(zhǔn)度精準(zhǔn)度較高，誤差值低于+ / 1%

9、以印刷方式成形，誤差值較高+ / 10%鍍層材料材料穩(wěn)定度較高易受漿料均勻性影響鍍層表面表面平整度高v 0.3卩m平整度低，誤差值約為 13卩m設(shè)備維護(hù)維護(hù)較不易，費(fèi)用較高生產(chǎn)設(shè)備上維護(hù)較為簡易鍍層附著性無需高溫?zé)Y(jié)，不會(huì)有氧化物生成， 附著性佳附著性受基板材質(zhì)影響，ALN基板尤差線路位置使用曝光顯影，相對位置精準(zhǔn)度高受網(wǎng)版張力及印刷次數(shù)影響，相對位置精準(zhǔn)度低（3）PCB的熱阻估算鋁合金基敷銅MCPC有最目前應(yīng)用于大功率 LED作散熱的PCB有三種：普通雙面敷銅板（FR4）、 板（MCPCB、柔性薄膜 PCB用膠粘在鋁合金板上的 PCB采用高導(dǎo)熱性介質(zhì)的 好的散熱性能，但價(jià)格較貴。圖15為FR

10、4 PCB散熱層結(jié)構(gòu)圖，表 4為FR4 PCB各層的材料與熱導(dǎo)率。精品文檔圖15FR4 PCB散熱層結(jié)構(gòu)圖表4FR4 PCB各層的材料與熱導(dǎo)率Layer/MaterialThick ness(卩m)Thermal co nductivity (W/mK)Sn AgCu solder7558Top layer copper70398FR-415880.2Bottom layer copper70398ENIG(ElectrolessNickel/lmmersio n Gold)3558圖16為MCPC散熱層結(jié)構(gòu)圖，表 5為MCPC各層的材料與熱導(dǎo)率。圖16 MCPCB散熱層結(jié)構(gòu)圖MCPCB各層的

11、材料與熱導(dǎo)率Layer/MaterialThick ness(卩m)Thermal con ductivity (W/mK)Sn AgCu solder7558Top layer copper70398PCB dielectric1002.2Al plate1588150利用表3、表4的熱傳導(dǎo)率數(shù)據(jù)，PCB的總熱阻可表示為各結(jié)構(gòu)層熱阻的和，即:RthPCB = Rthlayerl + Rthlayer2 + Rthlayer3 . + RthlayerNRth = L/(K x A)其中：L為結(jié)構(gòu)層的厚度；K為熱傳導(dǎo)率；A為面積。假設(shè)星型 PCB的厚度為1.6mm,面積大約為270 mm2,那

12、么熱阻大約為 30ºC/W2.JPG (960.05 KB, 下載次數(shù)：2)1.JPG (960.05 KB,下載次數(shù)：0)(4) FR4 PCB過孔設(shè)計(jì)圖17FR4 PCE過孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖表6FR4 PCE過孔各層的材料與熱導(dǎo)率Layer/MaterialThick ness(卩m)Thermal con ductivity (W/mK)Sn AgCu solder7558Top layer copper70398FR-415880.2Filled vias(Sn AgCu)158858Bottom layer copper70398Solder mask(optio nal

13、)250.2LED的熱量通過敷銅和金屬化過孔傳到線路板(PCB)的背面，熱性能和 MCPC相似，比MCPC便宜許多。板厚和孔徑比率：*率,要達(dá)到可靠的金屬化孔鍍層更困難；板厚和孔徑的比率8,線路板制作難度增加，費(fèi)用也會(huì)增加。假設(shè)FR4 PCB實(shí)芯過孔的直徑為 0.6mm,根據(jù)表6,單個(gè)過孔的熱阻=(1.588 X 10-3) / (58 X( n X (0.5 X 0.6 X 10-3)2) = 96.8ºC/W。N 個(gè)實(shí)芯過孔的熱阻為：Rthvias = l / (NX KX A)那么，PCB的總熱阻可表示為 FR4的熱阻與實(shí)芯過孔熱阻的并聯(lián)，即:Rthvias | FR-

14、4 =(1/Rthvias) + (1/RthFR-4)-112ºC/W,與舉例：根據(jù)表6, 270mm2 5個(gè)直徑0.6mm實(shí)芯過孔的FR4總熱阻為 表4數(shù)據(jù)的總熱阻30ºC/W相比減小了 1.5倍。52.JPG （47.21 KB, 下載次數(shù):0）FR42NI2NILED4.JPG （46.08 KB,下載次數(shù)：0）LEOMCPCB6.JPG （50.37 KB, 下載次數(shù)：0）51.JPG （14.11 KB, 下載次數(shù):0）圖18功率LEDs用于MCPCB如圖18所示，大部分用于 LED的MCPC因?yàn)榧尤虢^緣高導(dǎo)熱層而使其價(jià)格非常高。如果采用圖19所示的過孔結(jié)構(gòu)，則過孔的熱阻可表示為：Rth=h/(n x kx 二 x (DX t t2)Rth:熱阻(ºC/W) ; h: PCB