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印制电路板热特性及其在热设计中的关键作用

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PCB Printed Circuit Board),中文名称为印制电路板,又称印刷线路板,是重要的电子部件。PCB是电子元器件的支撑体和电子元器件电气连接的载体[11]。由于它是采用电子印刷术制作的,故被称为“印刷”电路板。

随着电子产品技术的发展,元器件的表贴化、小型化趋势越来越明显,产品的紧凑程度也不断增加。反映到电路板上,就是元器件密集度的不断增加。而从散热角度上考虑,则是热流密度的不断提升,从而导致产品散热问题日渐严峻。为了控制元器件温度,增强元器件与外部的热交换效率是关键举措。通过分析元器件的热阻路径可知,芯片有一部分热量可以通过引脚传递到单板上。在LED灯珠封装中,这一点尤为明显,几乎所有的灯珠热量都需要透过PCB进行散失[12]

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5-21 阵列式LED灯珠的热阻网络简图[13]

元器件主要通过PCB进行热量散失时,PCB自身的热特性最其温度影响就会变得非常明显。


6.1 PCB热传导特点

目前,在电子行业遇到的单板绝大多数是多层板。多层复合结构的PCB主要由基板树脂材料和铜箔组成,信号层、电源层及地层之间等必须通过绝缘的树脂材料进行隔开。而实际上信号层也就是铜箔层往往非常薄,树脂层才会占据大量空间。同时,因为树脂材料(FR4)的导热率(~0.3 W/m℃)远低于铜箔(~398 W/m℃),因此 PCB 在厚度方向上的综合导热系数很低。通常,PCB 在平面方向上的导热能力比法向方向上的导热能力强数十倍,多数PCB厚度方向的导热系数甚至低于0.5W/m.K,而平面方向却可以达到~30W/ m.K.

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5-22 单板的多层结构示意图

一个PCB板的宏观等效导热系数可以简单地通过傅里叶导热定律推算出来

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式中,  blob.pngFR4的体积含量,blob.png指铜的体积含量。kFR4kCu分别为FR4和铜的导热系数。需要指出的是,上式是在铜层均匀分布前提下推导出的,对于实际的单板,由于铜含量并非各处均匀,因此其导热系数不仅法向和平面方向导热系数不同,单板不同位置导热系数也不相同。这样,就有了通过设计局部铺铜来改变单板的热传导能力,从而控制元器件温度这一热设计方法。

6.2 PCB铜层铺设准则——热设计角度

PCB覆铜可以提高抗干扰能力,降低压降,提高电源效率。一定程度上,这些都是用来实现电气性能的。当热流密度足够小时,PCB敷铜完全不考虑散热是可行的。但当单板功率密度增大,元器件散热风险升高后,单板内的铜层设计就可以起到关键作用。了解敷铜对散热的影响,也是PCB画板工程师的必修课。

铜层的铺设面积需要结合局部散热需求。可归纳为如下几个原则:

6.2.1铺铜实现热量定向引流

通常情况下,由于发热源集中,单板的温度是不均匀的。通过设计铜层的走向,加大普通面积,将热量引导向散热条件较好、温度较低的区域会有助于热量散失。

6.2.2阻断铜层来降低热敏器件风险

在单板中,器件种类众多。它们通常发热量不同,对温度的敏感性也不相同。例如,多数电容的发热量很小,但其耐温性普遍较差。而CPUMosfet管等发热量较大,耐温性也较强。当出于电气或空间要求,两种器件不得不距离很近时,电容就会被CPUMos管等影响。当施加的散热器可以保证CPUMos管在95℃时,他们都是安全的,但对于一些电容,这个温度已经不可接受。这时,通过阻断、缩减连接两者间的铜层,可以一定程度上缓解这些高温器件对低发热量且不耐温器件的烘烤作用。

6.2.3根据器件的封装特点定制铜层

通过前述对芯片封装热特性的描述可知,不同封装形式的芯片内部热量往顶部和往底部传递热量的阻力是不同的。单板铺铜,对那些热量主要从底部散失的芯片(即ΘJB较小)效果会更加明显。

6.2.4铜层局部连续打通热流通道

由于FR4的导热系数极低,铜层如果被隔断会极大降低单板热量的传递效率。可以看到,在厚度方向上,由于单板铜层被FR4隔断,单板厚度方向导热系数远低于平面方向。为了提高单板传热性能,在部分需要特殊强化散热的芯片底部,通过施加热过孔可以将导热效率高的铜层连接起来,从而提高芯片热量传递到单板上的效率。

6.3  热过孔及其设计注意点

当热量从芯片结发出,经过衬底传出到芯片底部后,就需要进入PCB。这时,如果不施加过孔,热量在进入PCB后,就必须经由导热性能极低的FR4才能散发到单板的背面来。这显然非常不利于热量的散失。

当过孔位于芯片下方时,其直接洞穿PCB,过孔孔壁材料一般是铜箔,孔内如果填锡,则整个过孔都是由金属组成,纵向的导热系数相对无过孔时大大提高。同时,过孔贯穿PCB板,相当于将平面方向导热率较高的信号层、电源层、地层的铜箔层连接起来了,芯片自身的放热量可以更顺畅地在单板平面方向铺展开来。因此,过孔可以大大降低底部散热器件的温度。施加热过孔后,芯片在单板测的主要传热路径如图5-23所示:

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5-23 施加热过孔后芯片的主要传热路径

注:虽然绝缘层导热系数很低,但仍然会有一小部分热量通过绝缘层往四周扩展。图中未画出。

6.3.1配合芯片封装

需要注意的是,热过孔改善的是PCB到单板侧的传热。而芯片的热量要传递到单板上,还需要经过芯片内部的封装材料。当封装工艺使得结到板的热阻ΘJB很低时,如图5-24()所示的QFN封装,IC芯片底部的焊盘直接可大面积接到地层,这时在其下方的单板上施加热过孔对芯片温度控制将有非常明显效果;而当芯片结板热阻ΘJB较大时,如图5-24()所示的QFP封装,芯片底部与PCB之间甚至存在空隙,芯片热量难以导向PCB,从而导致施加热过孔改善幅度较为有限。

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5-24 ΘJB较低的QFN封装和ΘJB较大的QFP封装

6.3.2连接方式、几何参数和填充材料

热过孔有两种连接方式,一种是铜线连接方式,一种是铺铜连接方式。这两种不同链接方式对器件结点温度的影响也不相同。铺铜连接方式热通路面积大,对于散热效果的强化会由于铜线连接。有时,为进步一加强散热,在空间允许的情况下,还会对芯片位置处单板正反两面的散热焊盘铺铜区域进行轴向扩展,加大换热面积。

       热过孔的几何参数包含过孔内经、孔间距和孔壁厚度等。合理设计热过孔的几何参数能有效改善PCB的散热能力,同时不过度增加制板成本。如图5-25所示,用d来表示热过孔内径,p表示过孔间距,t表示过孔壁厚度。研究表明[14],对于常见的芯片,热过孔的合理设计区域为d/p>25%t/p>2%,器件的结温在此区域内再增加过孔内的密度和孔壁厚度对单板的传热效果仍有强化效果,但强化曲线变得平缓。

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5-25 热过孔的几何参数示意

热过孔的孔壁材质是铜,孔内根据需要可以选择是否填充其它材质。图5-26所示的是未填充的过孔,中间将会是空气。显然,在过孔中填充高导热系数的物质会进一步提升过孔对单板厚度方向上导热的强化作用。但这些填充会带来成本增加以及单板生产过程中的溢锡(当填充物是金属锡时)问题。有计算表明,热过孔填充与否对芯片的温度影响甚微[14,15]。因此,在散热风险已经可控的情况下,可以考虑放弃填充。

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5-26 热过孔放大图

热过孔是除风道设计、散热器设计之外另一非常重要的散热强化手段。尤其是对于那些贴片封装、结板热阻较低的芯片。对于某些尺寸很小、加装散热器困难的小芯片而言,热过孔甚至可能是最有效的散热强化手段。在实际的应用中,热过孔的设计还需要充分考虑芯片的功率密度、芯片周边的热源布局、芯片的具体封装特点、单板内铜层的铺设特点以及芯片正面的散热强化手段等因素。热设计工程师应当对其建立深刻认知,在产品中视具体需求充分体现。



参考文献(全部)

[1] 李可为. 集成电路芯片封装技术.第二版[M].电子工业出版社,2013.

[2] 杨世铭, 陶文铨. 传热学 第三版[M]. 高等教育出版社, 1998.

[3] Darvin Edwards, Hiep Nguyen. Semiconductor and IC Package Thermal Metrics. 2016.

[4] JESD15-3. Two-Resistor Compact Thermal Model Guideline. 2008.

[5] JEDEC Standard EIA/JESD51-1. Integrated Circuits Thermal Measurement Method—Electrical Test Method (Single Semi- conductor Device), 1995.

[6] Thermal Characterization of IC Packages. https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/4083

[7] YounesShabany, 夏班尼, 余小玲,. 传热学:电力电子器件热管理[M]. 机械工业出版社, 2013.

[8] JESD51-12. Guidelines for Reporting and Using Electronic Package Thermal Information. 2005.

[9] Sergio Lopez-Buedo, Eduardo Boemo. Electronic Packaging Technologies.

[10] Trends in Package Development. http://www.fujitsu.com/downloads/MICRO/fma/pdf/a810000114e.pdf

[11] Printed circuit board. https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board. 2018.

[12] Lasance C J M, Poppe A. Thermal Management for LED Applications[J]. Solid State Lighting Technology & Application, 2014, 2.

[13] Thermal Management of Cree® XLamp® LEDs. www.Cree.COm/XlAmp

[14] 黄云生. 电子电路PCB的散热分析与设计[D]. 西安电子科技大学, 2010.

[15] 李增珍. 印刷电路板散热过孔导热率计算方法及优化[J]. 现代电子技术, 2014, v.37;No.419(12):143-147.

                                  本篇节选自:陈继良.从零开始学散热.第五章 芯片封装和电路板的热特性


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