導(dǎo)（散）熱印制板

林金堵

本刊名譽(yù)主編

吳梅珠

（江南計(jì)算技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214083）

隨著電子產(chǎn)品“輕、薄、短、小”化發(fā)展與進(jìn)步，把大量強(qiáng)大功能集成到更小的組件中，驅(qū)使印制板走向高密度化，同時(shí)信號(hào)傳輸高頻化或高速數(shù)字化的發(fā)展，這兩大因素驅(qū)使著印制板的工作溫度急劇地上升著[1][2]！傳統(tǒng)的印制板的工作溫升大多數(shù)在70 ℃左右，而高密度化或大功率的印制板的工作溫升已經(jīng)達(dá)到110 ℃左右，甚至可超過130 ℃。大量試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電子元器件（最佳工作溫度后）的溫升2 ℃其可靠性便下降10%，溫升50 ℃的使用壽命只有溫升25 ℃的1/6[3]！因此，印制板工作溫度已成為影響可靠性和使用壽命的最重要的因素，降低印制板的溫升已成為印制電路板的設(shè)計(jì)者和制造者的突出課題。

減少印制板溫升是印制板設(shè)計(jì)和制造的重要課題，設(shè)計(jì)者應(yīng)該優(yōu)化和控制散熱的方式和技術(shù)，如：優(yōu)化不同發(fā)熱量的元器件散熱位置；選用低發(fā)熱量的元器件；采用厚銅箔形成的線路；優(yōu)化線路提高電源效率；最重要的是采用高導(dǎo)熱的印制板材料和結(jié)構(gòu)（金屬芯或金屬基）等措施，形成新型的散（導(dǎo)）熱印制板。

散（導(dǎo)）熱印制板是指能夠把印制板內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過其內(nèi)的導(dǎo)熱材料（導(dǎo)熱系數(shù)大的金屬、樹脂等）把熱量迅速傳遞（導(dǎo)）到板面再散發(fā)出去，使印制板能夠在較低溫度（或允許的工作溫度）下進(jìn)行可靠和保證使用壽命的工作。

1 散（導(dǎo)）熱印制板的提出

開發(fā)和發(fā)展散（導(dǎo)）熱印制板這個(gè)問題早在20世紀(jì)70年代就提出來并在航天航空中得到了應(yīng)用，而工業(yè)上和民用產(chǎn)品上還是近10年來的事。主要是通訊（特別是移動(dòng)或便攜電子）產(chǎn)品的快速發(fā)展與進(jìn)步，目前和今后，散（導(dǎo)）熱印制板將會(huì)有更迫切的要求和提速！

1.1 PCB高密度化帶來大功耗化

電子產(chǎn)品或PCB產(chǎn)品的高密度（小型）化，使其尺寸急劇地減小下來（圖1），盡管其功率也相對(duì)下降起來，但是，由于元器件的減少是以尺寸平方的關(guān)系而減小的，而功率的減小是單值地下降著，所以其下降程度遠(yuǎn)小于尺寸的減少。如圖1所示的由安裝面積2025 mm2下降到144 mm2，面積降低了13倍（為原來的1/14），而功率下降要小得多，其結(jié)果是應(yīng)用（或單位面積或單位體積）的功率幅度卻明顯增加了，這些應(yīng)用功率的明顯增加必然帶來功耗明顯的增加，因此印制板的溫升便急劇地增加了，正如前面指出的高密度印制板的工作（或運(yùn)行）溫升已經(jīng)由傳統(tǒng)的70 ℃上升到100 ℃以上、甚至超過130 ℃！目前，高密度印制板（如封裝基板）的線寬/間距（L/S）已經(jīng)縮小到20μm左右（L/S＝20μm/20μm），由于元組件的功率減小遠(yuǎn)不如面積縮小得快，仍將帶來印制板的溫升更加明顯[1]。加上21世紀(jì)迅速發(fā)展起來的LED照明產(chǎn)品僅為傳統(tǒng)白熾燈10%能量，但壽命長40倍，然而LED照明，只有在≤90 ℃下，才能維持這個(gè)功率和長的壽命，因此，散（導(dǎo)）熱的印制板的提出和急劇要求便成為PCB設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的突出的課題。

1.2 信號(hào)傳輸高頻化或高速數(shù)字化

電子產(chǎn)品的信號(hào)傳輸越來越高頻化和高速數(shù)字化。在50年前，超過300兆的傳輸頻率便認(rèn)為是高頻化了，現(xiàn)在300 G（1 G=1000 M）、1000 G或更高的頻率都在應(yīng)用（特別是在國防與軍事上）了。正是PCB的電子信號(hào)傳輸高頻化（或高速數(shù)字化）使單位時(shí)間內(nèi)的功耗隨信號(hào)高頻化程度增加而增加了，從而帶來更大的功率消耗和溫升。同樣的，這些更高功耗而帶來的溫升也威脅著電子產(chǎn)品使用的可靠性和壽命，必須通過散（導(dǎo)）熱（或熱設(shè)計(jì)）方法加強(qiáng)散（導(dǎo)）熱而使溫度降低下來！

1.3 發(fā)光二極管（LED）散熱與應(yīng)用問題

LED（發(fā)光二極管）是半導(dǎo)體的一種，出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代初，通過50多年來的發(fā)展，采用不同的半導(dǎo)體材料，可獲得各種各樣的顏色或波長的光，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，其中最突出的是照明方面。

1.3.1 LED “超級(jí)燈泡”的誕生

飛利浦發(fā)明的“超級(jí)燈泡”， 在2011年美國能源部舉辦的“照亮明天”照明競賽獎(jiǎng)中獲得2011年大獎(jiǎng)并獲獎(jiǎng)1000萬美圓[4]。

（1）性能。大約10瓦功率的LED燈相當(dāng)于60瓦的普通燈的亮度，而使用壽命可提高大約170倍，見表1。

（2）效果?，F(xiàn)美國每年銷售4.25億個(gè)60瓦燈泡，如用”超極燈泡”取代，則可節(jié)省能源83%，每年節(jié)省能源費(fèi)用39億美圓，可避免2000萬噸CO2排放。節(jié)省的能源可供現(xiàn)在華盛頓特區(qū)用電量三年，可為1800戶家庭3年照明。

1.3.2 LED燈泡發(fā)熱問題

表1 LED燈泡的優(yōu)勢

盡管采用LED照明產(chǎn)品，其功率僅為傳統(tǒng)白熾燈10%，而壽命還可長40倍以上，然而只有在≤90 ℃下工作，才能維持這個(gè)功率和長的壽命！

大家知道，傳統(tǒng)的照明燈，真正用來發(fā)光的功率（能源）只有百分之幾而已，其余的功率都消耗在”加熱”、”發(fā)熱”上，而加在LED上的功率用于發(fā)光的只能達(dá)到15%～20%之間，其余的能量也是消耗在發(fā)熱上。因此，用于在LED照明的印制板的散（導(dǎo)）熱是極為重要的，一般都是采用金屬基板才行（圖3）。

1.3.3 LED的應(yīng)用市場

LED的應(yīng)用，不僅可用于各種各樣的照明領(lǐng)域，而且還可用于顯示/指示等功用，還可以用于激光加工等領(lǐng)域，其應(yīng)用遠(yuǎn)景和潛力非常廣泛而遠(yuǎn)大！

LED的應(yīng)用和未來市場如圖4所示。盡管LED的應(yīng)用優(yōu)勢明顯、市場廣泛，但是LED的缺點(diǎn)是發(fā)熱問題。因此在使用LED的場合，幾乎必須解決散（導(dǎo)）熱的熱設(shè)計(jì)課題，才能保證在≤90 ℃下工作而發(fā)揮其特性！

從印制電路板的高密度化、信號(hào)傳輸高頻化或高速數(shù)字化和LED開發(fā)應(yīng)用等的發(fā)展和進(jìn)步，要求印制電路板內(nèi)部應(yīng)有越來越好的耐熱性和散（導(dǎo)）熱性能才行。

2 散（導(dǎo)）熱印制板的類型

電子產(chǎn)品和PCB都面臨著散（導(dǎo)）熱的熱設(shè)計(jì)問題，一般是采用：（1）PCB基板外加散（導(dǎo)）熱件（片）或材料，如圖5中的a和b；（2）PCB基板本身（主要是內(nèi)部）附加（或具有）導(dǎo)熱功能，如圖5的c和d等所示。而PCB基板本身（主要是內(nèi)部）附加（或具有）導(dǎo)熱功能將是主要發(fā)展方向。

由于PCB面臨著發(fā)熱（溫升）越來越大的問題，而傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品散熱方法有：（1）風(fēng)冷技術(shù)，利用風(fēng)扇把熱帶走而散熱；（2）涂覆散熱物質(zhì)技術(shù)，如安裝散熱片、涂覆散熱硅膠等方法；（3）液冷技術(shù)，利用冷卻水或液氮等循環(huán)把熱帶走；（4）增加銅的厚度和導(dǎo)體（線）的寬度，這顯然是與高密度化相矛盾的，只有在有大電流的場合才不得不采用；（5）PCB本身耐熱/散（導(dǎo)）熱技術(shù)，如利用埋嵌金屬芯（銅、鋁等）、金屬基板和采用高導(dǎo)熱樹脂的CCL方法。本文僅限于（5）的內(nèi)容進(jìn)行評(píng)述。

表2 各種基板的導(dǎo)熱系數(shù)（率）[5][6]

散（導(dǎo)）熱印制板的類型可以多種多樣，按其出現(xiàn)時(shí)間（歷史）和類型，主要的有三種（表2）：（1）金屬芯印制板；（2）金屬基印制板；（3）高導(dǎo)熱樹脂或填料的印制板。

2.1 印制電路板原輔材料的散（導(dǎo)）熱性能

印制電路板原輔材料的散（導(dǎo)）熱性能如表3所示[1]。

從表3中可看出，常規(guī)PCB的介質(zhì)層材料的熱導(dǎo)率很小，不能把PCB上由于焊接和使用過程產(chǎn)生的高熱快速地傳遞（導(dǎo)）或釋放（散發(fā)）出去，從而引起PCB內(nèi)溫升和可靠性問題。為了解決這個(gè)問題，我們可以采取下述三種有效措施來降低PCB的溫升和高熱（溫）問題：（1）金屬芯印制板；（2）金屬基印制板；（3）高導(dǎo)熱介質(zhì)基印制板。

2.2 金屬芯印制板

由于金屬具有好的散（導(dǎo)）熱性能（見表1 ）。如果把金屬板（片）埋嵌到PCB介質(zhì)層之內(nèi)，則可把介質(zhì)層內(nèi)的熱量通過金屬板（片）快速傳遞出來而散發(fā)掉，使PCB內(nèi)部溫度降下來。達(dá)到可操作的溫度范圍之內(nèi)。因此，在PCB內(nèi)部的合適位置埋嵌入金屬（如銅、鋁等）板（片、塊）便可達(dá)到降溫目的。PCB年內(nèi)埋嵌金屬板（片）如圖6所表示。

2.3 金屬基印制板

同理， 由于金屬具有好的散（導(dǎo)）熱性能（見表1），如果把印制線路等貼壓在涂覆有導(dǎo)熱而絕緣（如導(dǎo)熱硅膠膜等）的金屬基上，則印制板內(nèi)的熱量便可以通過導(dǎo)熱膠膜（絕緣介質(zhì)層）而迅速傳遞到金屬基板而散發(fā)出去，從而降低印制板的溫度。圖7表示采用的鋁基覆銅板及其形成的四層鋁基印制板。

2.4 高導(dǎo)熱樹脂印制板

高導(dǎo)熱樹脂印制板是采用高導(dǎo)熱樹脂或添加有高導(dǎo)熱材料（大都為陶瓷粉末，如SiO2等）的CCL（見表1所示）而制造的印制板。這些印制板的導(dǎo)熱等級(jí)雖然比傳統(tǒng)（常規(guī)）印制板要好，但比起金屬芯印制板和金屬基印制板還是差得很多，因此大多用于低等級(jí)的散（導(dǎo)）熱的領(lǐng)域（高端的工業(yè)等用的電子產(chǎn)品），不適合于大功率LED和高可靠性要求（航空、航天、軍事、醫(yī)療等）的領(lǐng)域。

以上三大類型的導(dǎo)熱印制板是可以用來滿足不同導(dǎo)（散）熱等級(jí)需求的場合和領(lǐng)域，并從而可演變?yōu)楦鞣N各樣結(jié)構(gòu)類型和級(jí)別的導(dǎo)（散）熱印制板。

3 散（導(dǎo)）熱板的加工技術(shù)

表3 各種原、輔材料的導(dǎo)熱等性能情況

關(guān)于散（導(dǎo)）熱印制板的加工技術(shù)，可參見《現(xiàn)代印制電路先進(jìn)技術(shù)（第三板）》一書的第六章進(jìn)行了較詳細(xì)的評(píng)述與介紹，在本節(jié)中僅作概要的介紹。

3.1 金屬芯印制板

金屬芯印制板是把散（導(dǎo)）熱性金屬板（片，如鋁、銅、鋼、碳素等）嵌入到印制（多層）板內(nèi)部的介質(zhì)層中，而嵌入的金屬芯（板）可以是對(duì)稱（離兩個(gè)板面是對(duì)等的，如圖6所示）的，也可以是不對(duì)稱（如靠近發(fā)熱多的板面）的，主要是根據(jù)印制板的發(fā)熱程度（最大發(fā)熱元組件位置）和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素來決定。當(dāng)然還要考慮到印制板PCB的翹曲度和熱膨脹系數(shù)（CTE）等的因素。

由于金屬芯主要是用于導(dǎo)熱的而非用于導(dǎo)體的，因此必須加以絕緣（隔離）開來。所以在層壓之前，金屬芯板要進(jìn)行預(yù)鉆孔，其孔徑一般要比導(dǎo)電的金屬化孔徑大0.5 mm左右（取決于印制板密度），然后按板的結(jié)構(gòu)與內(nèi)層芯片、半固化片等定（對(duì)）位疊合進(jìn)行多層板層壓形成，由于金屬芯片很薄，其開孔的絕緣，一般可采用樹脂含量高和流動(dòng)度大的半固化片，在高溫層壓時(shí)被樹脂所充填。接著在鉆孔時(shí)，由于金屬化的孔小于金屬芯片的開孔尺寸，則金屬芯被樹脂隔離而絕緣開來（見圖6所示）。

3.2 金屬基印制板

一般是指在金屬基板上的一個(gè)表面或雙表面按印制板制造方法形成線路圖形的產(chǎn)品。如果金屬（鋁、銅、鋼等）基僅是傳（導(dǎo)）熱作用，則必須采用高導(dǎo)熱的絕緣薄覆層而隔離開來。一般金屬基材料供應(yīng)商已經(jīng)涂覆有這樣的高導(dǎo)熱的絕緣層。

如果是雙面的金屬基印制板，其制造方法主要是把金屬基形成的通孔（尺寸要大些）用樹脂隔離而絕緣開來（如金屬芯印制板制造方法），實(shí)際上這種印制板也是金屬芯印制板了。更詳細(xì)的制造方法請(qǐng)見《現(xiàn)印制電路先進(jìn)技術(shù)》（第三版上冊(cè)）第六章第三節(jié)的敘述。

3.3 高導(dǎo)熱樹脂印制板。

這種印制板是指不采用金屬材料來導(dǎo)熱的，它的導(dǎo)（散）熱主要是依靠基板材料（CCL）內(nèi)介質(zhì)層的高導(dǎo)熱樹脂或添加高導(dǎo)熱填料（如陶瓷粉料），其導(dǎo)熱率大多數(shù)在（0.4～1.0）W/m·K之間。因此，我們可以選購各種級(jí)別的高導(dǎo)熱的覆銅箔層壓板（CCL）基材，按傳統(tǒng)（或現(xiàn)行）的印制板制造工藝和生產(chǎn)技術(shù)來完成各種各樣需求的導(dǎo)熱等級(jí)PCB產(chǎn)品。

參考資料

[1]林金堵,梁志立,鄔寧彪等. 現(xiàn)印制電路先進(jìn)技術(shù)(第三版)[M]. 上海:中國印制電路行業(yè)協(xié)會(huì)CPCA印制電路信息雜志社PCI, 2013. 上冊(cè)23-24,312-320:下冊(cè)173-175, 266-267.

[2]祝大同. 散熱基板市場增大對(duì)PCB產(chǎn)業(yè)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)[J]. 印制電路信息, 2011(2):6-11.

[3]紀(jì)成光,高 斌,肖 璐等. 高導(dǎo)熱板材PCB產(chǎn)品開發(fā)[J]. 印制電路信息,2013(8):24-31.

[4]全世界最高效的燈泡. 參考消息.2011,8,13.

[5]辜信實(shí)主編. 印制電路用覆銅箔層壓板(第二版)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013,407-409；427-443.

[6]臺(tái)資-騰輝電子集體的產(chǎn)品說明書. 2013.