QFN封装埋嵌铜块印制板散热研究

2022-09-02张庆军

印制电路信息 2022年7期

冯立张庆军李银

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳 621000）

（四川省航电系统产品轻量化设计与制造工程实验室，四川绵阳 621000）

0 引言

随着印制电路板（PCB）设计层数越来越高，元件安装密度越来越大，PCB工作时产生的热量也越来越多。在高温高湿环境下，PCB长时间工作会使板内部出现离子迁移、连接孔内铜层断裂、表面焊接点疲劳等现象[1]。以上原因均会造成电性能下降、噪声增大，甚至严重损坏[2]。嵌埋式铜块印制板散热技术，是将铜块嵌埋入到FR-4基板或高频基板，铜的导热系数远大于PCB介质层，功率器件产生的热量可以通过铜块传导至PCB和通过散热器散发，在多层PCB内集成小块高导热金属的嵌埋式技术，已成为当前PCB散热处理的发展趋势。不仅可以应用在小型化产品，大功率芯片器件产品，高散热要求产品等，也在航天电子系统、无人机设备、数码产品等方面有很大的市场需求[3]。

目前，PCB散热研究主要集中在器件布局，结构导热设计等方面[4][5]。文章针对PCB本身的散热改善加以研究，通过对底部散热QFN封装类器件的PCB内部埋入散热铜块，构建嵌埋入铜块PCB散热模型，研究其散热性能的影响趋势。

1 QFN封装嵌埋入铜块印制板设计

1.1 QFN封装特点

QFN（Quad Flat no-lead Package，方形扁平无引脚封装）是一种体积小的新型表贴封装技术。因为内部引脚间导线相对短，自感系数和封装内走线的电阻低，所以能够提供良好的电性能[6]。大多数QFN封装芯片设置有底板散热焊盘，如图1所示，以通过底部腔体传导改善QFN封装芯片散热性能。文章选用带底板散热焊盘的QFN封装为研究对象，选用器件包括数模芯片等型号。

图1 QFN器件封装示意图

1.2 嵌埋入铜块设计

PCB金属导体中的导热主要靠自由电子的运动完成；非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动来实现；由于PCB的散热主要依靠传导进行，传导效率与散热路径中接触物体的导热系数有关。PCB水平方向的总热阻比垂直方向的总热阻小很多，因此PCB垂直埋铜，散热效果会更好。使器件下面的热量能够迅速传导到PCB背面和四周，扩大散热面积。普通PCB形成了三个主要散热路径方向，包括顶部腔体和印制板平面两侧如图2（a）所示，为增加散热路径，本设计中嵌埋入铜块PCB新增加了底部腔体印制板散热路径如图2（b）所示。

图2 印制板散热路径图

导热基本定律—傅里叶定律：单位时间内通过该层的导热热量与垂直于该截面方向的温度变化率及平板面积A成正比[7]，见式（1）所示。

单位时间内通过单位面积的热流量称为热流密度，见式（2）所示。

式中Q是热流量，单位为W；k是导热系数，单位为W/mk；A是垂直与热流方向的横截面面积，单位为m2；q是单位时间内通过单位面积的热流量称为热流密度，单位为W/m2，在热传导的热量传递方式中，从式（1）和式（2）可以得到，对于PCB设计，导热系数k越大，导热性能越好。

1.3 嵌埋入铜块厚度确定

从给出的各层最终厚度（H）可以计算出理论板厚，文章设计铜块埋入L1～L6层，因此L1～L6的理论板厚可以表示为式（3）所示，其中hi为i层基板的厚度，hj为j层基板的厚度，hk为k层黏结板的厚度，hl为l层铜箔的厚度。

由式（3）和图3可以确定出备埋铜层理论厚度H。通过计算，本次印制板铜块贯穿型（L1～L6）备埋铜层理论厚度H为1.677 mm。

图3 印制板叠板结构及材料厚度图

2 结果分析

2.1 热仿真参数设置

文章选用6 SigmaET为热仿真软件，首先按照设定条件对多层印制板主要参数进行设计，然后应用6 SigmaET软件对PCB的散热性能进行仿真分析，为PCB的散热设计提供了设计依据和参考，最后对仿真分析的结果进行了分析总结。本次QFN热焊盘设计尺寸14.8 mm×14.8 mm，印制板板厚1.6 mm，印制板外形尺寸200 mm×300 mm，印制板层数为6层板，铜厚0.035 mm，残铜率设定80%，QFN封装芯片功耗设定为6W，设计仿真环境温度25 ℃，设计铜块尺寸包括无嵌入铜块、4 mm×4 mm、6 mm×6 mm、8 mm×8 mm、10 mm×10 mm等5种类型。根据不同铜块尺寸大小，对应进行热仿真分析，以确认最优的铜块尺寸埋入设计。

2.2 热仿真结果及分析

根据尺寸14.8 mm×14.8 mm的QFN封装芯片，其他条件设置相同，对嵌埋入铜块（4种尺寸）和无嵌埋入铜块共5种PCB 进行热仿真，结果见表1所示，由图4、图5为代表。

表1 嵌埋入铜块的导热性表

图4 嵌埋入铜块尺寸10×10 mm印制板芯片温度仿真结果（66.1 ℃）图

图5 无嵌埋入铜块印制板芯片温度仿真结果（90.4 ℃）图

从仿真结果可以看出，随着嵌埋入铜块尺寸的减小，嵌埋入PCB上芯片结温增高，因此，在嵌埋入铜块PCB铜块尺寸越大，更有利于嵌埋入铜块PCB散热。主要是因为随着埋入铜块尺寸的越来越小，芯片底板热盘接触的PCB焊盘所含铜块从顶层到底层越小，铜块的导热系数远远大于FR-4，铜块的热阻小于FR-4，这体现了PCB热盘区域的热阻越大，从而随着铜块尺寸的减小，嵌埋入PCB上芯片结温增高。