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PCB 设计对电子组件散热性能之影响

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PCB 设计对电子组件散热性能之影响  刘君恺

PCB,热设计

摘要:在电子组件及系统技术中PCB 扮演的角色越来越重要,随着系统体积缩小的趋势,IC 制程及封装技术不断向更细更小的连接及体积发展,作为组件及系统连接角色的PCB 也朝向连接细微化的高密度PCB 发展。另一方面,随着电子产品发热密度的不断提升,对于PCB 层级散热设计的需求也越来越受到重视。本文中将介绍PCB 的发展趋势、材质及结构之热传特性、组件布局的散热影响以及内藏式基板的发热问题等,供设计之参考。

一、介绍
由于电子装置的性能提升、模块化、计算机速度高速化的结果,对于PCB 的种类造成很大的改变。PCB 的发展趋势如图一所示,发展主流由30 年前的单面板到20 年前的双面板到十年前的多层板的开发,并由多层板朝高层板化(三层>四层>六层>八层>十层…>二十层>…>…五十层>..)。除了高层数的趋势之外,也朝向薄板化发展,一般PCB 的板厚标准为1.6mm,然而随着装置体积的缩减,开始采用更薄的PCB(1.6mm>1.0mm>0.6mm>…..)。此外,随着封装设计的内部连接间距越来越小,数据传输速率的提升要求越来越高,基板和电路相互的连接也越来越精细,由传统的玻璃/环氧基树脂制程到新的技术如ALIVH及雷射钻孔等技术的发展,使得绕线和空间的设计由1996 年的100μm降到2000年的50μm。
在封装的发展趋势中,功能提升及缩小化造成发热密度越来越高,一些高频通讯产品,只靠封装设计已无法散去足够的热,必须藉由PCB 的设计来加强散热功能。目前最新的内藏式机板的设计技术把被动组件如电阻、电感及电容等埋在PCB 中,如此可将表面的组件密度提升。而技术更高的目标则是结合光通讯组件以及内藏式机板的整合型光机板(EOCB),如图二所示。其温度的控制将非常严苛,更将使机板设计的困难度提升。在高密度、多层化、低板厚的基本要求以及高频电性、内藏组件及光特性等不同应用下,如何选择PCB 材料并做适当之散热设计已成为目前基板设计的一大挑战。

电路板大致可分成六种不同的制程技术,包括印刷电路板(PCB)、陶瓷板(Ceramic board)、芯片直接承载的基板(Direct Chip Attach Substrate)以及多芯片模块(Multichip Modules)、可挠性电路板(Flexible-Circuit Board)、金属芯板(Metal-Core Boards)以及射出成形电路板(Molded Circuit Boards)【1】。印刷电路板(PCB)和PWB(Printed Writing Board)是相同的意义,常使用之PCB材料为有机之玻璃布基材环氧树脂铜箔积层板(GE)及纸基材苯酚树脂铜箔基层板(PP),是用途最广的机板制程,由计算器用的薄板到电视、计算机等用的厚板等,是利用照相印刷(photoprint)以及钻孔等方式来做组件间电路的连接,适合量产。陶瓷板的材质则是陶瓷材料如Al2O3、SiC、AIN 等,利用筛选(screening)及冲压(punch)等方式来做电路的连接,亦可以(低温共烧)cofired的方式制作出多层的复杂线路。芯片直接承载的基板则是作为芯片直接承载如COB、FCOB 及DCA 等之用,特性是I/O 数目高,连接密度高。可挠性电路板比PCB 更薄, 只有一层Poiymide 或Polyester , 将铜箔以光刻法(Photolithographically)制成线路。射出成形电路板则是以射出成形的方式将热塑性材料如Polysulfon、Ployetherimide 等射入模中成形,再以电镀的方式将电路设置在板上,价格低,适合量产。金属芯板则是以压合的方式将金属板和有机板材质结合,主要的目的是散热增强,对于机械强度也有帮助,在本文中将有详细的介绍。

二、PCB 基板材料之热传特性
PCB 是由绝缘基板及导电材料所组成,而PCB 的性能及可靠度主要是由绝缘材料所决定,设计者需依照机器装置选择适合之材料,并以图面指定之。GE材质的电性及机械性能较好,但是价格较贵,而PP 的特性较差,但价格便宜,一般产业机械用(多为两层板)GE 材质,民生机器用(多为单层板)PP 材质。
约十年前,价格在GE 及PP 之间的玻璃布纸基材苯酚树脂铜箔基层板(CPE)及玻璃布玻璃不织布复合基材苯酚树脂铜箔基层板(CGE)的开发使PCB 的价格降低,顺应电子机器低价格的趋势。陶瓷材料PCB 的应用目前也有增加的趋势,和前者相比,其热传导性更高、热膨胀系数(TEC)和芯片比较兼容以及密封性更好,但是价格高是其缺点。以下将先就热传导性做讨论。
(一)热传导性之影响
1. 有机材料之PCB
以往PCB 所适用的材料重视电的绝缘性要求,使得热传导性小的材质受到重视,现在常用之玻璃布基材环氧树脂积层板(GE)及纸基材苯酚树脂基层板(PP)和其它材料相比几乎是不导热的材料。然而随着零件发热密度升高,使得单靠组件表面散热的方式更为困难,增加PCB 的热传导性将有助于组件的散热,因此需开发能同时满足电性的绝缘性及热传导性的材料。树脂材料使用时,可增加热传导率高之铜箔以增加等效热传导性,在GE 材料制之PCB,可由单层PCB>双层PCB>多层PCB 的顺序以增加平面方向的热传导性,如图三所示,而垂直方向的热传导性则可靠通孔(via)的设计来增进,这在芯片直接承载的基板设计中尤其重要。

通孔一般用作电性的垂直传输,如图四所示,但适当设计后之通孔也可增加PCB 在垂直方向的热传导性,对于芯片直接承载的基板的散热有显著的影响,如图五所示。通孔外层是铜,由于镀铜有限制,因此当孔径较大时无法将铜镀满,因此中间则一般是胶。为了增加热传导性,可填充传导性高的银胶等,计算时需将铜含量估算进去,而以如上之等效方式计算传导性,散热通孔之影响如图六所示,当通孔数量越多,孔径越大,且越集中在发热组件下方,散热效果会越好。

2. 陶瓷材料制PCB
陶瓷制PCB 常用纯度92~96%的氧化铝(Al2O3),陶瓷材料之传导性一般比金属低,但比但比树脂材料高两位数,表二为陶瓷材料之热传导性【4,5】。此外在电性、机械、物理上的特性也优异,常用于高发热密度之PCB,例如多芯片模块(multichip module)以及高频组件之基板或光电模块等,如图四所示【4】。
BeO 为热传导性优异的陶瓷材料,堪与铝制材质比美,且有优异的电性绝缘特性,但因其有毒性,使用时需特别注意。最近以无毒性新开发之SiC 及AIN 之材料来替代BeO。

(二)热膨胀系数之影响
PCB 所使用的绝缘基板材料是用玻璃布等纤维补强的基层板,因玻璃之热膨胀系数比树脂材料的小,平面方向的膨胀量受到限制,只有厚度方向的膨胀量有增加的趋势。又因当温度大于玻璃转换温度Tg 时,Z 方向的膨胀系数将急速增加,因而会造成在可靠性测试中温度循环试验时产生破坏的主因。在表面组装时,绝缘基板在平面方向的热膨胀系数则是重要的问题,由于组装时会在接合部分产生热应力,而产生在产品内部回路断裂的危险。图七为各种材料的热膨胀系数(X-Y 方向)之比较【6】,目前PCB 的材质开发着重于和组装组件材料(硅或氧化铝)的热膨胀系数相近的材质,陶瓷PCB 的热膨胀系数则比有机材质的要低很多,因此可靠性较高。

三、金属材料制PCB
由于发热问题越来越严重,金属基板在高效率的封装制程如CMOS 及bipolar 芯片中将越来越重要,比起其它的PCB 可提供更好的散热特性。金属基板的基本散热性能约为80mW/mm2,由于金属的热扩散性很好,因此也取代了许多需要散热片的应用场合。金属基板也提供了大块的金属面积,可作为接地及屏蔽之用,对于高频的应用也很重要。此外,高金属也提供了线路板机械上的强度需求。应用于金属基板的金属材料除了铜之外,其它像是铝、合金以及金属数组复合材料也可应用。金属基板构造上可分为单面及双面两种,单面金属板只有一面有电路,另一面为金属,应用表面黏着(SMT)的方式组装组件,基本构造如图八所示,其热阻值仅有约0.8℃/W,是铺铜层FR4 的PCB 的1/6。而双面金属板则是两面有线路,金属夹于中间,也称为金属芯基板,上下两层透过通道(via)相互连接,提升组装密度,最近新技术利用将有机绝缘材料以及导体以连续沉积(sequential deposition)的方式制造于金属板上,可以扩展到更多层的金属基板,如图九所示。多层金属基板的热阻值大约只有传统板的1/2,散热功能十分优越四、组件在PCB 上布局的影响PCB 上组件的配置对于散热有很大的影响,相同的组件及发热状况安装在不同的位置会有不同的温度结果,这主要是受到PCB 的几何形状及环境条件的影响。在PCB 上适当的组件布局可以有效的降低组件温度,考虑的几个重点是。
1. 基本原则
(1) 板的放置方向
在自然对流时PCB 水平放置的效果较垂直放置的效果要差,这是因为垂直放置时,气流可有效流过组件表面,而水平放置时,气流只从组件表面向上流动。在强制对流时由于风量大,因此放置方向的效果较不明显。
(2) 组件的发热影响
当发热量高的组件很接近时,彼此的发热会有加成的效果,因此造成组件温度上升,对可靠度会有不良的影响。一般对发热量高的组件而言,PCB上有较大的空间以利热传,因此置于中间位置的IC 组件散热效果较好。
2. 在PCB 上配置发热特性不同的组件
当PCB 上安装耐热性不同的组件时散热方面应考虑于下风侧装置怕热的组件(IC、晶体管、电容器等),而于上风处装置耐热及发热的组件(如电阻、变压器),这是因为若将怕热组件安装于发热组件的发热路径之上,会使得温度变得更高。在实际情况不允许的时候,可考虑在组件之间加装文件热板。
3. 在PCB 上配置发热特性不同的IC 时需注意事项
在这种状况之下,要求的重点是考虑如何将其配置为均匀温度分布,基本上式发热量大的组件安装于上风侧,而将发热量低的组件装于下风侧,如此发热量大的IC,其温度可以不会上升得太高。实际上的IC 温度可由数值仿真软件来做预测及仿真。
4. 组件配置需配合散热方式
在自然对流时,由于通风来自温差引起的浮力,因此要注意避免妨碍通风的凸起物,因此图十b 的温度较低。在强制对流时,由于可以得到强大的通风力,因此设计重点则是提高零件到表面的热传系数,加速空气的混合,图十a 的摆设方式虽然造成阻碍,但是如果风量足够,扰流所引起的热传系数增加所造成的冷却效果较大。


5. 组件配置配合系统设计
应将发热量高的原件安装于系统中方便通风的地方,例如通风口旁或接近风扇的地方,尤其是空间小的电子装置如笔记型计算机等。如此可缩短散热路径,
也不会加热到其它的装置或组件。

五、结论
随着电子产品发热密度的不断提升,PCB 的散热需求也越来越受到重视,良好的组件散热设计将可使组件的热有效散去而使过热问题的发生机会降低
【8】。当组件散热无法满足需求时,PCB 的散热就成为很重要的设计方向。有了良好的PCB 散热考虑,就可避免因额外于系统中加装散热装置所产生空间、
成本及噪音等问题。良好的基板必须具备高热传导性及低热膨胀系数,同时也应注意焊接线路对散热的影响,此外一些特殊设计如金属基板的设计都可以协助
PCB 散热。最后在PCB 上IC 的布局及系统空气流向等设计问题也会影响散热,是设计时应注意的。

参考文献
1.R. R. Tummala, et al., ”Microelectronics Packaging Handbook, Part 3”, chapter 17,ITP Press, 1997.
2.B. M. Guenin, “Convection and Radiation heat loss from a printed circuit board”,electronics Cooling, 4:1998.
3. J. E. Graebner, “Technical Brier: Thermal Conductivity of Printed Writing Boards,”Electronic Cooling, 1(2):27, 1995.
4. Clemens J.M. Lasance, “The thermal conductivity of ceramics”, Electronic Cooling(3), 1995
5. J. Sergent and A. Krum, “Thermal managementment

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