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1、(完整word 版)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 其它局部传来的热。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 的基板材料必需有高的绝缘电阻、高稳定性、高热导率、与芯片相近的热膨胀系数以及平坦性和确定的机械强度.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
2、成。绝缘介质层一般承受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。1PCB 种类LED 常见基板通常有四类：传统且格外成熟的PCB、进展中的金属基板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外表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 散热基板主要承受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(meta
3、l 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。另一类是承受 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,可削减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 产品承受，但目前价格仍贵,约为金属基板的 23 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
4、，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展封装。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、驱动电路及把握补偿电路，不仅构造简洁，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(A
5、lN 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 4.0106/与硅的热膨胀系数 3.2106/ 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：(完整word 版)PCB 散热设计(学习总结供参考)美国 UOE 公司制作的Norlux 系列功率 LED 封装基板。其构造是在不锈钢板外表烧结一层搪瓷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、热导率照旧较低。美国 TT 公司的 Anoth
6、erm 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 公司承受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准确而且致密的单层生瓷带，在生瓷带上利用打孔、微孔注浆、周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.其缺点是本钱高、耗能大、工
7、艺简洁且难于把握。中国电子科技集团公司第十三争论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、本钱高、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。优点是构造简洁、易于后期加工、机械强度高、耗能较低。但是设备工艺简洁、散热性能一般,特别是凹凸 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
8、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预备瓶颈,使得其对位精准度上无法协作更高阶的焊接,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供给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、金属外表平坦 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渐渐不敷使用，因而进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展其工 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
9、成特性差异分析薄膜制成厚膜制成线路精准度较高，误差值低于/1%以印刷方式成形，误差值较高/10精准度镀层材料稳定度较高易受浆料均匀性影响材料镀层外表平坦度高0.3m平坦度低，误差值约为 13m外表设备维护较不易，费用较高生产设备上维护较为简易维护镀层无需高温烧结，不会有氧化物生成，附附着性受基板材质影响，ALN 基板尤差附着性着性佳线路受网版张力及印刷次数影响，相对位置精准使用曝光显影,相对位置精准度高位置度低(完整word 版)PCB 散热设计(学习总结供参考)3) PCB 的热阻估算目前应用于大功率 LED 作散热的 PCB 有三种：一般双面敷铜板FR4)、铝合金基敷铜板MCPCB)、柔性
10、薄膜 PCB 用胶粘在铝合金板上的PCB。承受高导热性介质的MCPCB 有最好的散热性能,但价格较贵。图 15 为 FR4 PCB 散热层构造图,表 4 为 FR4 PCB 各层的材料与热导率。(完整word 版)PCB 散热设计(学习总结供参考)图 15FR4 PCB 散热层构造图表 4FR4 PCB 各层的材料与热导率Layer/Material SnAgCu solderThickness (m)75Thermal conductivity (W/mK 58(完整word 版)PCB 散热设计(学习总结供参考)Top layer copper70398FR415880.2Bottom l
11、ayer copper70398ENIGElectroless3558Nickel/Immersion Gold图 16 为 MCPCB 散热层构造图，表 5 为 MCPCB 各层的材料与热导率.(完整word 版)PCB 散热设计(学习总结供参考)图 16 MCPCB 散热层构造图表 5MCPCB 各层的材料与热导率ThicknessLayer/MaterialThermal conductivity (W/mK(mSnAgCu solder7558Top layer copper70398PCB dielectric1002。2Al plate1588150利用表 3、表 4 的热传导率数
12、据，PCB 的总热阻可表示为各构造层热阻的和，即：RthPCB = Rthlayer1 + Rthlayer2 + Rthlayer3 。 + RthlayerN Rth = L/(K A)其中：L 为构造层的厚度;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 30ordm;C/W2。JPG 960。05 KB, 下载次数: 2(完整word 版)PCB 散热设计(学习总结供参考)1。JPG (960。05 KB， 下载次数: 0(完整word 版)PCB 散热设计(学习总结供参考)4 FR4 PCB 过孔设计图 17FR4 P
13、CB 过孔设计构造图(完整word 版)PCB 散热设计(学习总结供参考)表 6FR4 PCB 过孔各层的材料与热导率ThicknessLayer/MaterialThermal conductivity W/mK(mSnAgCu solder7558Top layer copper70398FR415880。2Filled vias158858SnAgCuBottom layer copper70398Solder mask250.2(optionalLED 的热量通过敷铜和金属化过孔传到线路板PCB的反面，热性能和MCPCB 相像，比 MCPCB 廉价很多。板厚和孔径比率:率,要到达牢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，依据表 6，单个过孔的热阻= (1。588103 / 58(0.50。61032) = 96.8ordm；C/W。N 个实芯过
