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小部件大作用—单板上散热强化手段:热过孔

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常用的 PCB 为多层复合结构,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。

我们反过来再看贴片式芯片在PCB这一侧的散热过程。当热量从芯片结发出,经过热阻较低的衬底传输到PCB顶面后,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。基于这一传热特点,诞生了热过孔这一散热强化手段。

热过孔的放大截面图如下:

 

热过孔

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,则整个过孔都是有金属组成,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。下图描述了有热过孔的情形下,芯片在PCB侧的热量传导过程。

 

热过孔的情形下,芯片在PCB侧的热量传导过程

 需要注意的是,热过孔改善的是PCB到单板侧的传热。这样,必须保证芯片与热过孔之间的传热通路被顺畅地连接起来。下图描述了几种不同封装芯片低于与热过孔之间的处理方式。例如下图最上图所示,当芯片底部与PCB之间存在间隙时,需要填充相关界面材料,排出空气,打通热量传输路径,才能有效发挥热过孔的效能。

热过孔
 

热过孔有两种链接方式,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。铺铜连接方式对于散热效果的强化会更好一些。另外,为进步一加强散热,如果空间允许,有必要对芯片位置处单板正反两面的散热焊盘铺铜面积增加。

热过孔的细节参数设计包含过孔内经、孔间距和孔壁厚度、热过孔的合理设计能有效改善PCB的散热能力,同时不过度增加制板成本。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,通常情况下,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。通过对热过孔的强化机理认知,可指导合理的选择热过孔设计参数,从而达到有效降低器件结温的目的。

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,热过孔甚至可能是唯一的散热强化手段。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有关,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。

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