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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
关键词:灯珠结温热阻

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。

4 结论

(1)不同的PCB 结构导热能力:热电分离结构(嵌埋铜块)、嵌埋导热通道FR4(嵌埋ALN陶瓷)导热能力强,其次为金属基板,再次为FR4+散热孔,普通FR4 导热能力差;热电分离结构的导热能力是FR4+散热孔结构的5~10倍。

(2)采用嵌埋铜块和高导热陶瓷可有效提高PCB 的散热能力,且保持FR4 多层板的线路设计需求;根据器件是否绝缘选择不同的散热结构设计。

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