不同基材结构PCB散热性能研究

2023-03-20张兴望李会霞夏国伟

印制电路信息 2023年2期

张兴望李会霞夏国伟李波

（胜宏科技（惠州）股份有限公司，广东惠州 516211）

0 引言

目前电力电源系统中，金属-氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor，MOS）和绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）为电路系统的核心器件，其在电路系统工作过程中，会因为饱和压降及开关频率产生大量的热。有研究表明，温度每上升1 ℃，器件寿命降低5%［1］，相关的MOS、IGBT 模组必须设计制定相应的散热措施，以保证器件正常工作。模组的整体散热性能受功率器件本身、印制电路板（printed circuit boards，PCB）、散热器及各组件连接材料的限制，其中PCB 除具有传统的电气信号传输和元器件承载功能外，散热能力也是整个模组散热体系中不可或缺的一环。

1 不同基材PCB 结构介绍与导热分析

PCB 行业市场常见的环氧玻璃布层压板（FR4）材料未考虑散热需求，材料的导热率一般为＜0.2 W/（m·K），导热性能有限。对于功率器件的散热需求必须从PCB 结构、材料选择等多方面考虑，以满足模组的散热需求。目前，市场常见的PCB导热设计有：散热孔设计、导热FR4材料、金属基板、覆铜陶瓷基板、嵌埋导热通道多层FR4和设计凸台的金属基板［2-4］。

1.1 散热孔设计

利用PCB 本身的过电孔和接地孔导热，在功率器件区域设计过电孔矩阵用于散热，如图1所示。

图1 散热孔设计结构

1.2 导热FR-4材料设计

目前市场用的导热FR-4 材料，为提高其导热效果，主要在树脂体系中加入导热填料，其导热率一般在1～2 W/m·K。导热FR4 材料一般可以与散热孔设计复合使用。

1.3 金属基板设计

金属基板是目前应用最广泛的散热材料，主要以铜基和铝基为主。绝缘层采用导热FR-4 材料，为控制绝缘层厚度保证散热效果，导热金属基板主流为单面板设计，如图2所示。

图2 金属基板结构

1.4 双面镀铜陶瓷板设计

在导热陶瓷（主要是氮化铝ALN 和氧化铝AL2O3）表面烧结铜，陶瓷具备良好导热率和绝缘效果，表面铜可以制作线路，是大功率器件的良好载体。

1.5 嵌埋导热通道FR4

在大功率器件安装部位设计导热通道，其他部分保持常规的多层FR4 设计，导热通道通过嵌埋导热良好的铜、陶瓷等材料实现快速导热，如图3所示。

图3 金属基板MHE®901结构

1.6 热电分离结构设计

结合金属基板和嵌埋导热通道的设计，在功率器件安装部分将金属基设计凸台，使之直接与器件接触，避免绝缘层导热率的限制，提升导热效果，如图4所示。

图4 热电分离结构

2 热仿真分析

2.1 仿真测试PCB设计方案

（1）嵌埋导热通道FR4：导热通道使用氧化铝（AIN）陶瓷，其中AIN尺寸为10 mm×10 mm、板厚为1.60 mm，层数为2。

（2）散热孔设计：在功率器件区域设计金属化电孔矩阵，孔径为0.20 mm、节距为0.65 mm、孔铜厚度设计为25.00 μm、阵列大小为16 mm×16 mm、板厚为1.6 mm，层数为2。

2.2 仿真测试PCB设计模型

仿真模型如图5所示。基于以下条件展开对比和极限条件评估。

图5 仿真模型

（1）对称设计，取3D模组1/4结构。

（2）材料特性各向同性。

（3）稳态控制。

（4）负载设定：10 W（热源）；芯片尺寸3 mm×3 mm。

（5）散热片：150 W/（m·K）（导热率），25 °C（温度设定）。

2.3 热仿真测试结果

热仿真结果中ΔT（基板温度与露点之差）是表征PCB 底层与顶层的温度差，直接反应不同PCB 的导热能力，温度差越小表示该PCB 导热能力越好，反之越差。热仿真结果如图6所示，颜色越深代表温度越高，ΔT代表模组的散热能力，数值越大代表散热能力越差。由图可知，2种结构的ΔTPCB分别为68.2 ℃和7.3 ℃，相差近10倍，即表明嵌埋导热通道FR4 导热能力约为带散热孔设计FR4的10倍。

图6 热仿真结果

3 不同PCB 散热能力测试

3.1 散热能力测试PCB设计

基于目前市场常见的散热PCB 结构和材料，选择7 种不同PCB 展开导热能力测试，比较其导热能力。

具体信息见表1。

表1 测试PCB基本信息

热阻计算：以焊盘尺寸10 mm×10 mm 为基准（热电分离焊盘5 mm×10 mm），只计算纵向的热阻，忽略横向的热传递；其中散热孔以孔径为0.250 mm、节距为0.650 mm 和孔铜为0.025 mm计算。

PCB 图形设计：所有PCB 原件面图形设计一致，如图7所示，用于焊接热源，将双面板底层设计为大铜皮，用于与散热器接触面散热；将散热孔设计为孔径0.25 mm、节距0.65 mm 和矩阵16 mm×16 mm；嵌埋导热通道FR4 陶瓷尺寸设计为10 mm×10 mm，热电分离结构的凸台尺寸设计为5 mm×10 mm。

图7 PCB元件面图形设计

3.2 热源选择

选择功率为60 W的高功率LED作为热源，灯珠热密度为1.6 W/mm2（大功率LED，忽略光效影响，以实际功率近似代表热功率）。

3.3 节温测试

测试方法：采用正向电压法测试LED 工作结温，灯珠工作电流设定为4.5 A，测试电流为0.1 mA；模组组装如图8所示。所有PCB 同时进行表面贴装技术制作（surface mount technology，SMT）制作，使用同一钢网完成锡膏印刷，在相同的焊接条件下完成灯珠焊接，保证灯珠与PCB之间导热介质一致。模组与散热器连接使用同种导热硅脂，采用同一设备和相同测试人员开展结温测试，保证系统误差的一致性；对不同模组依次测试，使用同种导热硅脂和同一测试人员，将模组固定在相同的散热器上；测试时散热器设定为25 ℃；在灯珠点亮过程中，同时测量模组底部温度；并通过压降与定标曲线得出灯珠结温。大功率LED 光效以20%计算，忽略热辐射的影响，根据结温与模组底部温差，以及热源功率计算出模组的热阻。

图8 散热测试组装

3.4 实验测试数据分析

从结温分析，结温存在明显差异，见表2。FR4 结构导热能力太差，导致灯珠瞬间烧毁，无法工作，未列入表2。FR4+散热孔结构虽能工作，但结温高达288 ℃，远超其他材料，散热能力有限；散热材料为金属基板，结温在150 ℃左右；最优为热电分离结构与嵌埋导热通道FR4，节温在100 ℃左右。

表2 不同结构PCB散热测试结果

金属基板中，铜基板散热能力优于铝基板、高导热率材料优于低导热材料、热电分离结构优于嵌埋导热通道FR4。与表1理论的热阻高低存在差异，主要是实际热传递过程中，除纵向传递外，还有横向传递［5］，在横向传递过程中因铜的良好导热率，实际散热效果更好。

从热阻分析，不同材料差异明显，模组热阻与结温高低趋势完全一致，模组的热阻包括灯珠、焊料、PCB 及PCB 与散热器之间的热阻这3 个部分。在本次试验中，除PCB 外，其他材料与工艺条件完全一致，其热阻差异可代表不同PCB 结构的热阻差异。热电分离结构与嵌埋导热通道FR4热阻明显低于金属基板，金属基板又明显低于普通FR4 结构，试验测试结果与热仿真结果一致性高。