PCB散热设计（学习总结供参考）

PCB散热设计

PCB中热量的来源主要有三个方面：(1)电子元器件的发热；(2) PCB本身的发热；(3) 其它部分传来的热。在这三个热源中，元器件的发热量最大，是主要热源，其次是PCB板产生的热，外部传入的热量取决于系统的总体热设计。大功率LED 的基板材料必须有高的绝缘电阻、高稳定性、高热导率、与芯片相近的热膨胀系数以及平整性和一定的机械强度。基于上述条件，少数金属或合金能满足高热导率、低膨胀系数的要求，但为了保障电绝缘性，需要在金属上涂覆一层高分子聚合物膜或者沉积一层陶瓷膜， 如传统的PCB金属基板由金属基片、绝缘介质层和铜泊构成。绝缘介质层一般采用环氧玻纤布粘结片或环氧树脂， 由于绝缘介质层的热导率普遍偏低(树脂类通常低于0.5W/m.K ) ，这导致整个器件的散热性能大大降低。

(1)PCB种类

LED常见基板通常有四类：传统且非常成熟的PCB、发展中的金属基板(MCPCB)、以陶瓷材料为主的陶瓷基板(Ceramic)、覆铜陶瓷基板(DBC)。其中覆铜陶瓷基板是将铜箔直接烧结到陶瓷表面而形成的一种复合基板。PCB及MCPCB可使用于一般LED应用之产品。不过当单位热流密度较高时，LED散热基板主要采用金属基板及陶瓷基板两类强化散热。金属基板以铝(Al)及铜(Cu)为材料，可分为金属基材(metal base)、金属蕊(metal core)。金属基板制程尚需多一道绝缘层处理，目前全球主要散热绝缘胶厂商以美商及日商为主。

另一类是采用AlN、SiC、BeO等绝缘材料为主的陶瓷基板，由于本身材料就已经绝缘，因此不需要有绝缘层的处理。此外，陶瓷基板所能承受的崩溃电压，击穿电压(Break-down voltage)也较高，此外，其热膨胀系数匹配性佳，可减少热应力及热变形产生也是优点，可以说相当适合LED应用，目前确实已经有相当多LED产品采用，但目前价格仍贵，约为金属基板的2～3倍。

过去由于LED输出功率较小，因此使用传统FR4等玻璃环氧树脂封装基板，并不会造成太大的散热问题，但应用于照明用的高功率LED，虽芯片面积相当小，整体消费电力也不高，不过单位面积的发热量却很大。一般来说，树脂基板的散热，只能够支持0.5W以下的LED，超过0.5W以上的LED，多改用陶瓷基板或者高散热金属基板进行封装。Uninwell的低温共烧陶瓷金属基板技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED芯片和相应的陶瓷基板FSC

系列，然后将LED芯片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热界面少，大大提高了散热性能，为大功率LED阵列封装提出了解决方案。另外一种工艺为高导热性覆铜陶瓷板FSCC系列，由陶瓷基板（AlN或Al2O3）和导电层（Cu）在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强。氮化铝（AlN）的热导率为160W/mk，热膨胀系数为4.0×10－6/℃（与硅的热膨胀系数3.2×10－6/℃相当），从而降低了封装热应力。

目前国内外封装基板技术主要有以下几种:

美国UOE公司制作的Norlux系列功率LED封装基板。其结构是在不锈钢板表面烧结一层搪瓷（Porcelain)。此封装基板的优点是易加工、机械强度高、易安装。其缺点是基材价格较高、介质膜层厚度较厚(大于100um) 、热导率仍然较低。

美国TT公司的Anotherm导热基板是在铝合金基片上硬质阳极氧化介质膜绝缘层，电极层用厚膜工艺丝印在绝缘层上。在一块Anotherm 板上可以开发多达3 层电路层。其优点是常温工艺、原位生长介质膜层、易于后期加工、机械强度高，热导率比Norlux 系列有明显提高。

Lamina公司采用金属上低温共烧陶瓷(LTCC-M) 技术，将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的单层生瓷带，在生瓷带上利用打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，然后将多层生瓷带叠轧在金属上，在大约900℃烧结，制成多层互连的三维电路基板。其优点是多层布线、金属散热、集成度较高、热导率好、机械强度高。其缺点是成本高、耗能大、工艺复杂且难于控制。

中国电子科技集团公司第十三研究所制作体块烧结氮化铝单层基板。氮化铝基板具有高导热、高电绝缘、低介电、低热膨胀的特点，其热导率大约是氧化铝陶瓷基板的十倍，热膨胀系数与硅芯片接近。其缺点是体积大、成本高、机械强度差、耗能高。

国内公司制作的铝基覆铜PCB 基板，此基板由铝板、环氧树脂或环氧玻璃布粘结片、铜馅三者经热压而成。优点是结构简单、易于后期加工、机械强度高、耗能较低。但是设备工艺复杂、散热性能一般，特别是高低温下介质层热导率不稳定、抗剥离强度有所下降。

(2)LED散热基板之厚膜与薄膜工艺差异分析

H n l*J0Bdq9v1S目前市面上较常见的陶瓷基板多为LTCC或厚膜技术制成的陶瓷散热基板，此类型产品受网版印刷技术的准备瓶颈，使得其对位精准度上无法配合更高阶的焊接，共晶(Eutectic)或覆晶(Flip chip) 封装方式，而利用薄膜工艺技术所开发的陶瓷散热基板则提供了高对位精准度的产品，以因应封装技术的发展。近年来，除了陶瓷基板本身的材料特性问题须考虑之外，对基板上金属线路之线宽、线径、金属表面平整度与附着力之要求日增，使得以传统厚膜工艺备制的陶瓷基板逐渐不敷使用，因而发展出了薄膜型陶瓷散热基板。为此，以薄膜元件起家的璦司柏电子(ICP)，即针对自家开发之薄膜基板与传统厚膜基板进行其工艺与产品特性差异分析(如表3所示)。

表3薄膜制成与厚膜制成特性差异分析

线路薄膜制成 厚膜制成 精准度较高，误差值低于＋/－1% 精准度 镀层材料稳定度较高 材料 镀层表面平整度高＜0.3μm 表面 设备维护较不易，费用较高 维护 镀层附着性 线路使用曝光显影，相对位置精准度高 位置 无需高温烧结，不会有氧化物生成，以印刷方式成形，误差值较高＋/－10% 易受浆料均匀性影响 平整度低，误差值约为1～3μm 生产设备上维护较为简易 附着性受基板材质影响，ALN基板尤差 附着性佳 受网版张力及印刷次数影响，相对位置精准度低

(3) PCB的热阻估算

目前应用于大功率LED作散热的PCB有三种：普通双面敷铜板（FR4）、铝合金基敷铜板（MCPCB）、柔性薄膜PCB用胶粘在铝合金板上的PCB。采用高导热性介质的MCPCB有最好的散热性能，但价格较贵。

图15为FR4 PCB散热层结构图，表4为FR4 PCB各层的材料与热导率。

图15

FR4 PCB散热层结构图

表4

FR4 PCB各层的材料与热导率

Thickness Layer/Material (μm) SnAgCu solder Top layer copper FR-4 Bottom layer copper ENIG(Electroless 35 Nickel/Immersion Gold) 58 75 70 1588 70 58 398 0.2 398 Thermal conductivity (W/mK) 图16为MCPCB散热层结构图，表5为MCPCB各层的材料与热导率。

图16 MCPCB散热层结构图

表5

MCPCB各层的材料与热导率

Thickness Layer/Material (μm) Thermal conductivity (W/mK) SnAgCu solder Top layer copper PCB dielectric Al plate 75 70 100 1588 58 398 2.2 150 利用表3、表4的热传导率数据，PCB的总热阻可表示为各结构层热阻的和，即：

RthPCB = Rthlayer1 + Rthlayer2 + Rthlayer3 ... + RthlayerN

Rth = L/(K × A)

其中：L 为结构层的厚度；K 为热传导率；A 为面积。假设星型PCB的厚度为1.6mm，面积大约为270 mm2, 那么热阻大约为30ºC/W

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(4) FR4 PCB过孔设计

图17

FR4 PCB过孔设计结构图

表6

FR4 PCB过孔各层的材料与热导率

Thickness Layer/Material (μm) SnAgCu solder Top layer copper FR-4 Filled vias 1588 (SnAgCu) Bottom layer copper Solder mask 25 (optional) 0.2 70 398 58 75 70 1588 58 398 0.2 Thermal conductivity (W/mK) LED的热量通过敷铜和金属化过孔传到线路板(PCB)的背面，热性能和MCPCB相似，比MCPCB便宜许多。板厚和孔径比率：**率,要达到可靠的金属化孔镀层更困难；板厚和孔径的比率>8，线路板制作难度增加，费用也会增加。

假设FR4 PCB实芯过孔的直径为0.6mm，根据表6，单个过孔的热阻= (1.588×10-3) / (58×(π ×(0.5×0.6×10-3)2)) = 96.8ºC/W。N个实芯过孔的热阻为：

Rthvias = l / (N×K×A)

那么，PCB的总热阻可表示为FR4的热阻与实芯过孔热阻的并联，即： Rthvias || FR-4 =[(1/Rthvias) + (1/RthFR-4)]-1

举例：根据表6，270mm2、5个直径0.6mm实芯过孔的FR4总热阻为12ºC/W，与

表4数据的总热阻30ºC/W相比减小了1.5倍。

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图18功率 LEDs用于MCPCB

如图18所示，大部分用于LED的MCPCB因为加入绝缘高导热层而使其价格非常高。如果采用图19所示的过孔结构，则过孔的热阻可表示为：

Rth=h/(n×k×? ×(D×t–t2))

Rth: 热阻 (ºC/W)；h: PCB厚度(m)；n: 过孔数量；k: 敷铜材料热导率(铜=398W/mK)。

图19 FR4 PCB过孔尺寸

图20 一般功率LEDs不能用于FR4

如图20所示，一般的功率LED不能用于FR4上，因为FR4单独提供不了热通道，必须增加敷铜面积和热过孔；散热层本身是导电性的,将导致LED之间短路。

图21

XLamp可用于FR4

XLamp可用于FR4工作：其独特的热电分离, 如图21所示的设计XLamp没有任何问题，用FR4设计要求热密度 <1W/in2。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j7xf.html