散热设计PCB设计对电子器件散热性能

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1、散热设计（三）PCB设计对电子器件散热性能之影响在电子器件及系统技术中PCB扮演的角色越来越重要，随着系统体积缩小的趋势，IC制程及封 装技术不断向更细更小的连接及体积发展，作为器件及系统连接角色的PCB也朝向连接细微化的 高密度PCB发展。另一方面，随着电子产品发热密度的不断提升，对于PCB层级散热设计的需求 也越来越受到重视。本文中将介绍PCB的发展趋势、材质及结构之热传特性、器件布局的散热影 响以及内藏式基板的发热问题等，供设计之参考。介绍 由于电子装置的性能提升、模块化、计算机速度高速化的结果，对于PCB的种类造成很大的改变。 PCB的发展趋势如图一所示，发展主流由30年前的单面板到2

2、0年前的双面板到十年前的多层 板的开发，并由多层板朝高层板化（三层四层六层八层十层二十层五十层 .）。除了高层数的趋势之外，也朝向薄板化发展，一般PCB的板厚标准为1.6mm，然而随着 装置体积的缩减，开始采用更薄的PCB （1.6mm1.0mm0.6mm=.）。此外，随着封装设计的内 部连接间距越来越小，数据传输速率的提升要求越来越高，基板和电路相互的连接也越来越精细， 由传统的玻璃/环氧基树脂制程到新的技术如ALIVH及雷射钻孔等技术的发展，使得绕线和空间 的设计由1996年的100 u m降到2000年50小。图一 PCB的发展趋势【1】在封装的发展趋势中，功能提升及缩小化造成发热密度越

3、来越高，一些高频通讯产品，只靠封装 设计已无法散去足够的热，必须藉由PCB的设计来加强散热功能。目前最新的内藏式机板的设计 技术把被动器件如电阻、电感及电容等埋在PCB中，如此可将表面的器件密度提升。而技术更高 的目标则是结合光通讯器件以及内藏式机板的集成型光机板（E0CB），如图二所示。其温度的控制 将非常严苛，更将使机板设计的困难度提升。在高密度、多层化、低板厚的基本要求以及高频电性 内藏器件及光特性等不同应用下，如何选择PCB材料并做适当之散热设计已成为目前基板设 计的一大挑战。Integrated Micro Module TechnologyBuiK in CBuilt-in Hnh

4、 waue Guide f Z-tiFrincUiori Built4n LGWl图二 集成型光机板模块 电路板大致可分成六种不同的制程技术，包括印刷电路板（PCB）、陶瓷板（Ceramic board）、芯 片直接承载的基板（Direct Chip Attach Substrate ）以及多芯片模块（Multichip Modules）、可 挠性电路板（Flexible-Circuit Board）、金属芯板（Metal-Core Boards）以及射出成形电路板 （Molded Circuit Boards）【1】。印刷电路板（PCB）和 PWB （Printed Writing Boar

5、d）是相同 的意义，常使用之PCB材料为有机之玻璃布基材环氧树脂铜箔积层板（GE）及纸基材苯酚树脂铜 箔基层板（PP），是用途最广的机板制程，由计算器用的薄板到电视计算机等用的厚板等，是 利用照相印刷（photoprint）以及钻孔等方式来做器件间电路的连接，适合批量供应。陶瓷板的 材质则是陶瓷材料如Al203、SiC、AIN等，利用筛选（screening）及冲压（punch）等方式来 做电路的连接，亦可以（低温共烧）cofired的方式制作出多层的复杂线路。芯片直接承载的基板则是作为芯片直接承载如COB、FCOB及DCA 等之用，特性是I/O数目高，连接密度高。可挠性电路板比PCB更薄，只

6、有一层Poiymide或 Polyester ， 将铜箔以光刻法（Photolithographically）制成线路。射出成形电路板则是以射出成形的方式将热塑性材料如 Polysulfon、Ployetherimide 等射入模中成形，再以电镀的方式将电路设置在板上，价格低， 适合批量供应。金属芯板则是以压合的方式将金属板和有机板材质结合，主要的目的是散热增强， 对于机械强度也有帮助，在本文中将有详细的介绍。PCB基板材料之热传特性PCB是由绝缘基板及导电材料所组成，而PCB的性能及可靠度主要是由绝缘材料所决定，设计者 需依照机器装置选择适合之材料，并以图面指定之。GE材质的电性及机械性能较

7、好，但是价格 较贵，而PP的特性较差，但价格便宜，一般产业机械用（多为两层板）GE材质，民生机器用（多为单层板）PP材质。约十年前，价格在GE及PP之间的玻璃布纸基材苯酚树脂铜箔基层板 （CPE）及玻璃布玻璃不织布复合基材苯酚树脂铜箔基层板（CGE）的开发使PCB的价格降低，顺 应电子机器低价格的趋势。陶瓷材料PCB的应用目前也有增加的趋势，和前者相比，其热传导性 更高、热膨胀系数（TEC）和芯片比较兼容以及密封性更好，但是价格高是其缺点。以下将先就热 传导性做讨论。（一）热传导性之影响1. 有机材料之 PCB以往PCB所适用的材料重视电的绝缘性要求，使得热传导性小的材质受到重视，现在常用之玻

8、璃 布基材环氧树脂积层板（GE）及纸基材苯酚树脂基层板（PP）和其它材料相比几乎是不导热的材 料。然而随着零件发热密度升高，使得单靠元件表面散热的方式更为困难，增加PCB的热传导性将有助于器件的散热，因此需开发能同时满足 电性的绝缘性及热传导性的材料。树脂材料使用时，可增加热传导率高之铜箔以增加等效热传导 性，在GE材料制之PCB,可由单层PCB双层PCB多层PCB的顺序以增加平面方向的热传导性，如图三所示，而垂直方向的热传导性则 可靠通孔（via）的设计来增进，这在芯片直接承载的基板设计中尤其重要。EffiCFlPTlCiNSlhdld Eld4dCrit Eirial Lay?r (11A

9、M SkkdTwn Bqnal|加 IMulLHA-purPIijf fp S-trilirve孑口 叫i 皆 Tu.n E*hw* 1,7 p) SGrilinc图三 多层基板之构造【1】由于PCB是由各种不同材料所组成之复合材料，因此在计算PCB之热传导性时，可用等效热传导 性来计算，其中ki ：第 i 层之热传导性ti ：第 i 层之厚度Pi：第I层之导体所占之百分比T：总厚度而多层的PCB在板的平面方向及垂直方向的热传能力并不相同，因而模拟热传导性时需考虑非等 向性的问题，在PCB的垂直及水平方向上所用的模型并不相同，垂直及水平方向的等向热传导性 分别为片 口 _I- ?5(1| 么L

10、 2此经验式和实验结果比较，误差约在10%以内【3】，表一为常用的各种无填充物的有机基板热传 导性的整理，这些值在0100C的范围内变化在数个百分比之内。通孔一般用作电性的垂直传输, 如图四所示，但适当设计后之通孔也可增加PCB在垂直方向的热传导性，对于芯片直接承载的基 板的散热有显著的影响，如图五所示。通孔外层是铜，由于镀铜有限制，因此当孔径较大时无法 将铜镀满，因此中间则一般是胶。为了增加热传导性，可填充传导性高的银胶等，计算时需将铜 含量估算进去，而以如上之等效方式计算传导性，散热通孔之影响如图六所示，当通孔数量越多， 孔径越大，且越集中在发热器件下方，散热效果会越好。图四 通孔之实际结

11、构ij01侗跚3004ffl)一月虫记胃一3QL图五 1 mil Cu & 0.5 mil Solder Plating PCB, 0.03 pitch, 300 vias 之散热特性 2陶瓷材料制PCB 陶瓷制PCB常用纯度9296%的氧化铝（AI203）,陶瓷材料之传导性一般比金属低，但比但比树 脂材料高两位数，表二为陶瓷材料之热传导性【4,5】。此外在电性、机械、物理上的特性也优异， 常用于高发热密度之PCB，例如多晶片模块（multichip module）以及高频器件之基板或光电模 块等，如图四所示【4】。BeO为热传导性优异的陶瓷材料，堪与铝制材质比美，且有优异的电性 绝缘特性，但

12、因其有毒性，使用时需特别注意。最近以无毒性新开发之SiC及AIN之材料来替 代 BeO。TlieiTnal C c i du ctikh ty (W in K Jal 2CT匚ALNAluminuS Mitride-140-220料心磁,AIllui in uni Ok ide21ALO.5%AIlliti inum Ozick37EeO 対.5%Beiyl liuin Oxide25QBN(heK)Boren M ilride60BNdioi: press)Bai on N itrideu-ioaBN Kin j l& crystal)Boron Nitr ideIjQOSiCSilicon

13、 Cfirbide27Q匚丁匸亡g表二陶瓷材料的热传导性【5】图六 陶瓷基板之应用（二）热膨胀系数之影响PCB 所使用的绝缘基板材料是用玻璃布等纤维补强的基层板，因玻璃之热膨胀系数比树脂材料的 小，平面方向的膨胀量受到限制，只有厚度方向的膨胀量有增加的趋势。又因当温度大于玻璃转 换温度Tg时，Z方向的膨胀系数将急速增加，因而会造成在可靠性测试中温度循环试验时产生 破坏的主因。在表面组装时，绝缘基板在平面方向的热膨胀系数则是重要的问题，由于组装时会 在接合部分产生热应力，而产生在产品内部回路断裂的危险。图七为各种材料的热膨胀系数（X-Y 方向）之比较【6】，目前PCB的材质开发着重于和组装器件材

14、料（硅或氧化铝）的热膨胀系数相 近的材质，陶瓷PCB的热膨胀系数则比有机材质的要低很多，因此可靠度较高。r （SEI* IJW 1t3（山!1科血WJ质）LDI_r M*nd黑牛锻】巒3.5 t忆晶C咬制咅划料 1訂一 （ H fi 醤礼FQlTiJHids ） 匚時也和官崔摆J_鼻ArBiakK 吐 * （J I-I-1IF图七 各种材料之热膨胀系数【6】金属材料制PCB 由于发热问题越来越严重，金属基板在高效率的封装制程如CMOS及bipolar芯片中将越来越重 要，比起其它的PCB可提供更好的散热特性。金属基板的基本散热性能约为80mW/mm2，由于金 属的热扩散性很好，因此也取代了许多

15、需要散热片的应用场合。金属基板也提供了大块的金属面 积，可作为接地及屏蔽之用，对于高频的应用也很重要。此外，高金属也提供了线路板机械上的 强度需求。应用于金属基板的金属材料除了铜之外，其它像是铝、合金以及金属数组复合材料也 可应用。金属基板构造上可分为单面及双面两种，单面金属板只有一面有电路，另一面为金属， 应用表面贴装（SMT）的方式组装器件，基本构造如图八所示，其热阻值仅有约0.8C/W，是铺 铜层FR4的PCB的1/6。而双面金属板则是两面有线路，金属夹于中间，也称为金属芯基板，上 下两层透过沟道（via ）相互连接，提升组装密度，最近新技术利用将有机绝缘材料以及导体以 连续沉积（seq

16、uential deposition）的方式制造于金属板上，可以扩展到更多层的金属基板，如 图九所示。多层金属基板的热阻值大约只有传统板的1/2，散热功能十分优越图八单面金属PCB构造图CiQlcelrlcNlulBU氓iU掀Ptl-iitoijri ldi5Iftn If TOJJ 5IHB ell-ftj-JtFyThraitgji coni? edloR7 IPS CoitiimsHbPEteid toffepcpF图九 金属芯基板之基本结构【7】器件在 PCB 上布局的影响PCB 上器件的配置对于散热有很大的影响，相同的器件及发热状况安装在不同的位置会有不同的 温度结果，这主要是受到P

17、CB的几何形状及环境条件的影响。在PCB上适当的器件布局可以有效 的降低器件温度，考虑的几个重点是。1. 基本原则(1) 板的放置方向在自然对流时PCB水平放置的效果较垂直放置的效果要差，这是因为垂直放置时，气流可有效流 过器件表面，而水平放置时，气流只从器件表面向上流动。在强制对流时由于风量大，因此放置 方向的效果较不明显。(2) 器件的发热影响当发热量高的器件很接近时，彼此的发热会有加成的效果，因此造成元件温度上升，对可靠度会 有不良的影响。一般对发热量高的器件而言，PCB 上有较大的空间以利热传，因此置于中间位置 的 IC 器件散热效果较好。2. 在 PCB 上配置发热特性不同的器件当P

18、CB 上安装耐热性不同的器件时散热方面应考虑于下风侧装置怕热的器件(IC、晶体管、电容 器等)，而于上风处装置耐热及发热的器件(如电阻、变压器)，这是因为若将怕热器件安装于发 热器件的发热路径之上，会使得温度变得更高。在实际情况不允许的时候，可考虑在器件之间加 装档热板。3. 在 PCB 上配置发热特性不同的 IC 时需注意事项在这种状况之下，要求的重点是考虑如何将其配置为均匀温度分布，基本上式发热量大的器件安 装于上风侧，而将发热量低的器件装于下风侧，如此发热量大的IC，其温度可以不会上升得太 高。实际上的 IC 温度可由数值仿真软件来做预测及仿真。4. 器件配置需配合散热方式在自然对流时，

19、由于通风来自温差引起的浮力，因此要注意避免妨碍通风的凸起物，因此图十b 的温度较低。在强制对流时，由于可以得到强大的通风力，因此设计重点则是提高零件到表面的 热传系数，加速空气的混合，图十 a 的摆设方式虽然造成阻碍，但是如果风量足够，扰流所引起的热传系数增加所造成的冷却效果较大。1纹 *1rI u1Tf图十 器件位置之散热影响5. 器件配置配合系统设计应将发热量高的原件安装于系统中方便通风的地方，例如通风口旁或接近风扇的地方，尤其是空 间小的电子装置如笔记本电脑等。如此可缩短散热路径，也不会加热到其它的装置或器件。结论随着电子产品发热密度的不断提升，PCB的散热需求也越来越受到重视，良好的器件散热设计将 可使器件的热有效散去而使过热问题的发生机会降低【8】当器件散热无法满足需求时，PCB 的 散热就成为很重要的设计方向。有了良好的PCB散热考虑，就可避免因额外于系统中加装散热装 置所产生空间、成本及噪音等问题。良好的基板必须具备高热传导性及低热膨胀系数，同时也应 注意焊接线路对散热的影响，此外一些特殊设计如金属基板的设计都可以协助PCB散热。最后在 PCB 上 IC 的布局及系统空气流向等设计问题也会影响散热，是设计时应注意的。