PCB（ Printed Circuit Board），中文名稱為印制電路板，又稱印刷線路板，是重要的電子部件。PCB是電子元器件的支撐體和電子元器件電氣連接的載體^[11]。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的，故被稱為“印刷”電路板。

隨著電子產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展，元器件的表貼化、小型化趨勢越來越明顯，產(chǎn)品的緊湊程度也不斷增加。反映到電路板上，就是元器件密集度的不斷增加。而從散熱角度上考慮，則是熱流密度的不斷提升，從而導(dǎo)致產(chǎn)品散熱問題日漸嚴(yán)峻。為了控制元器件溫度，增強(qiáng)元器件與外部的熱交換效率是關(guān)鍵舉措。通過分析元器件的熱阻路徑可知，芯片有一部分熱量可以通過引腳傳遞到單板上。在LED燈珠封裝中，這一點(diǎn)尤為明顯，幾乎所有的燈珠熱量都需要透過PCB進(jìn)行散失^[12]。

圖5-21 陣列式LED燈珠的熱阻網(wǎng)絡(luò)簡圖^[13]

元器件主要通過PCB進(jìn)行熱量散失時(shí)，PCB自身的熱特性最其溫度影響就會變得非常明顯。

6.1 PCB熱傳導(dǎo)特點(diǎn)

目前，在電子行業(yè)遇到的單板絕大多數(shù)是多層板。多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的PCB主要由基板樹脂材料和銅箔組成，信號層、電源層及地層之間等必須通過絕緣的樹脂材料進(jìn)行隔開。而實(shí)際上信號層也就是銅箔層往往非常薄，樹脂層才會占據(jù)大量空間。同時(shí)，因?yàn)闃渲牧希?/span>FR4）的導(dǎo)熱率（～0.3 W/m﹒℃）遠(yuǎn)低于銅箔（～398 W/m﹒℃），因此 PCB 在厚度方向上的綜合導(dǎo)熱系數(shù)很低。通常，PCB 在平面方向上的導(dǎo)熱能力比法向方向上的導(dǎo)熱能力強(qiáng)數(shù)十倍，多數(shù)PCB厚度方向的導(dǎo)熱系數(shù)甚至低于0.5W/m.K，而平面方向卻可以達(dá)到~30W/ m.K.

圖5-22 單板的多層結(jié)構(gòu)示意圖

一個(gè)PCB板的宏觀等效導(dǎo)熱系數(shù)可以簡單地通過傅里葉導(dǎo)熱定律推算出來

式中，  指FR4的體積含量，指銅的體積含量。k_FR4和k_Cu分別為FR4和銅的導(dǎo)熱系數(shù)。需要指出的是，上式是在銅層均勻分布前提下推導(dǎo)出的，對于實(shí)際的單板，由于銅含量并非各處均勻，因此其導(dǎo)熱系數(shù)不僅法向和平面方向?qū)嵯禂?shù)不同，單板不同位置導(dǎo)熱系數(shù)也不相同。這樣，就有了通過設(shè)計(jì)局部鋪銅來改變單板的熱傳導(dǎo)能力，從而控制元器件溫度這一熱設(shè)計(jì)方法。

6.2 PCB銅層鋪設(shè)準(zhǔn)則——熱設(shè)計(jì)角度

PCB覆銅可以提高抗干擾能力，降低壓降，提高電源效率。一定程度上，這些都是用來實(shí)現(xiàn)電氣性能的。當(dāng)熱流密度足夠小時(shí)，PCB敷銅完全不考慮散熱是可行的。但當(dāng)單板功率密度增大，元器件散熱風(fēng)險(xiǎn)升高后，單板內(nèi)的銅層設(shè)計(jì)就可以起到關(guān)鍵作用。了解敷銅對散熱的影響，也是PCB畫板工程師的必修課。

銅層的鋪設(shè)面積需要結(jié)合局部散熱需求。可歸納為如下幾個(gè)原則：

6.2.1鋪銅實(shí)現(xiàn)熱量定向引流

通常情況下，由于發(fā)熱源集中，單板的溫度是不均勻的。通過設(shè)計(jì)銅層的走向，加大普通面積，將熱量引導(dǎo)向散熱條件較好、溫度較低的區(qū)域會有助于熱量散失。

6.2.2阻斷銅層來降低熱敏器件風(fēng)險(xiǎn)

在單板中，器件種類眾多。它們通常發(fā)熱量不同，對溫度的敏感性也不相同。例如，多數(shù)電容的發(fā)熱量很小，但其耐溫性普遍較差。而CPU、Mosfet管等發(fā)熱量較大，耐溫性也較強(qiáng)。當(dāng)出于電氣或空間要求，兩種器件不得不距離很近時(shí)，電容就會被CPU、Mos管等影響。當(dāng)施加的散熱器可以保證CPU和Mos管在95℃時(shí)，他們都是安全的，但對于一些電容，這個(gè)溫度已經(jīng)不可接受。這時(shí)，通過阻斷、縮減連接兩者間的銅層，可以一定程度上緩解這些高溫器件對低發(fā)熱量且不耐溫器件的烘烤作用。

6.2.3根據(jù)器件的封裝特點(diǎn)定制銅層

通過前述對芯片封裝熱特性的描述可知，不同封裝形式的芯片內(nèi)部熱量往頂部和往底部傳遞熱量的阻力是不同的。單板鋪銅，對那些熱量主要從底部散失的芯片（即ΘJB較小）效果會更加明顯。

6.2.4銅層局部連續(xù)打通熱流通道

由于FR4的導(dǎo)熱系數(shù)極低，銅層如果被隔斷會極大降低單板熱量的傳遞效率。可以看到，在厚度方向上，由于單板銅層被FR4隔斷，單板厚度方向?qū)嵯禂?shù)遠(yuǎn)低于平面方向。為了提高單板傳熱性能，在部分需要特殊強(qiáng)化散熱的芯片底部，通過施加熱過孔可以將導(dǎo)熱效率高的銅層連接起來，從而提高芯片熱量傳遞到單板上的效率。

6.3  熱過孔及其設(shè)計(jì)注意點(diǎn)

當(dāng)熱量從芯片結(jié)發(fā)出，經(jīng)過襯底傳出到芯片底部后，就需要進(jìn)入PCB。這時(shí)，如果不施加過孔，熱量在進(jìn)入PCB后，就必須經(jīng)由導(dǎo)熱性能極低的FR4才能散發(fā)到單板的背面來。這顯然非常不利于熱量的散失。

當(dāng)過孔位于芯片下方時(shí)，其直接洞穿PCB，過孔孔壁材料一般是銅箔，孔內(nèi)如果填錫，則整個(gè)過孔都是由金屬組成，縱向的導(dǎo)熱系數(shù)相對無過孔時(shí)大大提高。同時(shí)，過孔貫穿PCB板，相當(dāng)于將平面方向?qū)崧瘦^高的信號層、電源層、地層的銅箔層連接起來了，芯片自身的放熱量可以更順暢地在單板平面方向鋪展開來。因此，過孔可以大大降低底部散熱器件的溫度。施加熱過孔后，芯片在單板測的主要傳熱路徑如圖5-23所示：

圖5-23 施加熱過孔后芯片的主要傳熱路徑

注：雖然絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)很低，但仍然會有一小部分熱量通過絕緣層往四周擴(kuò)展。圖中未畫出。

6.3.1配合芯片封裝

需要注意的是，熱過孔改善的是PCB到單板側(cè)的傳熱。而芯片的熱量要傳遞到單板上，還需要經(jīng)過芯片內(nèi)部的封裝材料。當(dāng)封裝工藝使得結(jié)到板的熱阻ΘJB很低時(shí)，如圖5-24(左)所示的QFN封裝，IC芯片底部的焊盤直接可大面積接到地層，這時(shí)在其下方的單板上施加熱過孔對芯片溫度控制將有非常明顯效果；而當(dāng)芯片結(jié)板熱阻ΘJB較大時(shí)，如圖5-24(右)所示的QFP封裝，芯片底部與PCB之間甚至存在空隙，芯片熱量難以導(dǎo)向PCB，從而導(dǎo)致施加熱過孔改善幅度較為有限。

圖5-24 ΘJB較低的QFN封裝和ΘJB較大的QFP封裝

6.3.2連接方式、幾何參數(shù)和填充材料

熱過孔有兩種連接方式，一種是銅線連接方式，一種是鋪銅連接方式。這兩種不同鏈接方式對器件結(jié)點(diǎn)溫度的影響也不相同。鋪銅連接方式熱通路面積大，對于散熱效果的強(qiáng)化會由于銅線連接。有時(shí)，為進(jìn)步一加強(qiáng)散熱，在空間允許的情況下，還會對芯片位置處單板正反兩面的散熱焊盤鋪銅區(qū)域進(jìn)行軸向擴(kuò)展，加大換熱面積。

       熱過孔的幾何參數(shù)包含過孔內(nèi)經(jīng)、孔間距和孔壁厚度等。合理設(shè)計(jì)熱過孔的幾何參數(shù)能有效改善PCB的散熱能力，同時(shí)不過度增加制板成本。如圖5-25所示，用d來表示熱過孔內(nèi)徑，p表示過孔間距，t表示過孔壁厚度。研究表明^[14]，對于常見的芯片，熱過孔的合理設(shè)計(jì)區(qū)域?yàn)?/span>d/p>25%、t/p>2%，器件的結(jié)溫在此區(qū)域內(nèi)再增加過孔內(nèi)的密度和孔壁厚度對單板的傳熱效果仍有強(qiáng)化效果，但強(qiáng)化曲線變得平緩。

圖5-25 熱過孔的幾何參數(shù)示意

熱過孔的孔壁材質(zhì)是銅，孔內(nèi)根據(jù)需要可以選擇是否填充其它材質(zhì)。圖5-26所示的是未填充的過孔，中間將會是空氣。顯然，在過孔中填充高導(dǎo)熱系數(shù)的物質(zhì)會進(jìn)一步提升過孔對單板厚度方向上導(dǎo)熱的強(qiáng)化作用。但這些填充會帶來成本增加以及單板生產(chǎn)過程中的溢錫（當(dāng)填充物是金屬錫時(shí)）問題。有計(jì)算表明，熱過孔填充與否對芯片的溫度影響甚微^[14,15]。因此，在散熱風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)可控的情況下，可以考慮放棄填充。

圖5-26 熱過孔放大圖

熱過孔是除風(fēng)道設(shè)計(jì)、散熱器設(shè)計(jì)之外另一非常重要的散熱強(qiáng)化手段。尤其是對于那些貼片封裝、結(jié)板熱阻較低的芯片。對于某些尺寸很小、加裝散熱器困難的小芯片而言，熱過孔甚至可能是最有效的散熱強(qiáng)化手段。在實(shí)際的應(yīng)用中，熱過孔的設(shè)計(jì)還需要充分考慮芯片的功率密度、芯片周邊的熱源布局、芯片的具體封裝特點(diǎn)、單板內(nèi)銅層的鋪設(shè)特點(diǎn)以及芯片正面的散熱強(qiáng)化手段等因素。熱設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)對其建立深刻認(rèn)知，在產(chǎn)品中視具體需求充分體現(xiàn)。

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參考文獻(xiàn)（全部）

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                                  本篇節(jié)選自：陳繼良.從零開始學(xué)散熱.第五章 芯片封裝和電路板的熱特性

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