PCB 設(shè)計(jì)對(duì)電子組件散熱性能之影響 劉君愷
PCB,熱設(shè)計(jì)
摘要:在電子組件及系統(tǒng)技術(shù)中PCB 扮演的角色越來越重要，隨著系統(tǒng)體積縮小的趨勢(shì)，IC 制程及封裝技術(shù)不斷向更細(xì)更小的連接及體積發(fā)展，作為組件及系統(tǒng)連接角色的PCB 也朝向連接細(xì)微化的高密度PCB 發(fā)展。另一方面，隨著電子產(chǎn)品發(fā)熱密度的不斷提升，對(duì)于PCB 層級(jí)散熱設(shè)計(jì)的需求也越來越受到重視。本文中將介紹PCB 的發(fā)展趨勢(shì)、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)之熱傳特性、組件布局的散熱影響以及內(nèi)藏式基板的發(fā)熱問題等，供設(shè)計(jì)之參考。
一、介紹
由于電子裝置的性能提升、模塊化、計(jì)算機(jī)速度高速化的結(jié)果，對(duì)于PCB 的種類造成很大的改變。PCB 的發(fā)展趨勢(shì)如圖一所示，發(fā)展主流由30 年前的單面板到20 年前的雙面板到十年前的多層板的開發(fā)，并由多層板朝高層板化（三層＞四層＞六層＞八層＞十層…＞二十層＞…＞…五十層＞..）。除了高層數(shù)的趨勢(shì)之外，也朝向薄板化發(fā)展，一般PCB 的板厚標(biāo)準(zhǔn)為1.6mm，然而隨著裝置體積的縮減，開始采用更薄的PCB（1.6mm>1.0mm>0.6mm>…..）。此外，隨著封裝設(shè)計(jì)的內(nèi)部連接間距越來越小，數(shù)據(jù)傳輸速率的提升要求越來越高，基板和電路相互的連接也越來越精細(xì)，由傳統(tǒng)的玻璃/環(huán)氧基樹脂制程到新的技術(shù)如ALIVH及雷射鉆孔等技術(shù)的發(fā)展，使得繞線和空間的設(shè)計(jì)由1996 年的100μm降到2000年的50μm。
在封裝的發(fā)展趨勢(shì)中，功能提升及縮小化造成發(fā)熱密度越來越高，一些高頻通訊產(chǎn)品，只靠封裝設(shè)計(jì)已無法散去足夠的熱，必須藉由PCB 的設(shè)計(jì)來加強(qiáng)散熱功能。目前最新的內(nèi)藏式機(jī)板的設(shè)計(jì)技術(shù)把被動(dòng)組件如電阻、電感及電容等埋在PCB 中，如此可將表面的組件密度提升。而技術(shù)更高的目標(biāo)則是結(jié)合光通訊組件以及內(nèi)藏式機(jī)板的整合型光機(jī)板(EOCB)，如圖二所示。其溫度的控制將非常嚴(yán)苛，更將使機(jī)板設(shè)計(jì)的困難度提升。在高密度、多層化、低板厚的基本要求以及高頻電性、內(nèi)藏組件及光特性等不同應(yīng)用下，如何選擇PCB 材料并做適當(dāng)之散熱設(shè)計(jì)已成為目前基板設(shè)計(jì)的一大挑戰(zhàn)。
電路板大致可分成六種不同的制程技術(shù)，包括印刷電路板(PCB)、陶瓷板（Ceramic board）、芯片直接承載的基板(Direct Chip Attach Substrate)以及多芯片模塊(Multichip Modules)、可撓性電路板（Flexible-Circuit Board）、金屬芯板（Metal-Core Boards）以及射出成形電路板（Molded Circuit Boards）【1】。印刷電路板（PCB）和PWB（Printed Writing Board）是相同的意義，常使用之PCB材料為有機(jī)之玻璃布基材環(huán)氧樹脂銅箔積層板（GE）及紙基材苯酚樹脂銅箔基層板（PP），是用途最廣的機(jī)板制程，由計(jì)算器用的薄板到電視、計(jì)算機(jī)等用的厚板等，是利用照相印刷（photoprint）以及鉆孔等方式來做組件間電路的連接，適合量產(chǎn)。陶瓷板的材質(zhì)則是陶瓷材料如Al2O3、SiC、AIN 等，利用篩選（screening）及沖壓（punch）等方式來做電路的連接，亦可以（低溫共燒）cofired的方式制作出多層的復(fù)雜線路。芯片直接承載的基板則是作為芯片直接承載如COB、FCOB 及DCA 等之用，特性是I/O 數(shù)目高，連接密度高?？蓳闲噪娐钒灞萈CB 更薄， 只有一層Poiymide 或Polyester ， 將銅箔以光刻法（Photolithographically）制成線路。射出成形電路板則是以射出成形的方式將熱塑性材料如Polysulfon、Ployetherimide 等射入模中成形，再以電鍍的方式將電路設(shè)置在板上，價(jià)格低，適合量產(chǎn)。金屬芯板則是以壓合的方式將金屬板和有機(jī)板材質(zhì)結(jié)合，主要的目的是散熱增強(qiáng)，對(duì)于機(jī)械強(qiáng)度也有幫助，在本文中將有詳細(xì)的介紹。
二、PCB 基板材料之熱傳特性
PCB 是由絕緣基板及導(dǎo)電材料所組成，而PCB 的性能及可靠度主要是由絕緣材料所決定，設(shè)計(jì)者需依照機(jī)器裝置選擇適合之材料，并以圖面指定之。GE材質(zhì)的電性及機(jī)械性能較好，但是價(jià)格較貴，而PP 的特性較差，但價(jià)格便宜，一般產(chǎn)業(yè)機(jī)械用（多為兩層板）GE 材質(zhì)，民生機(jī)器用（多為單層板）PP 材質(zhì)。
約十年前，價(jià)格在GE 及PP 之間的玻璃布紙基材苯酚樹脂銅箔基層板（CPE）及玻璃布玻璃不織布復(fù)合基材苯酚樹脂銅箔基層板（CGE）的開發(fā)使PCB 的價(jià)格降低，順應(yīng)電子機(jī)器低價(jià)格的趨勢(shì)。陶瓷材料PCB 的應(yīng)用目前也有增加的趨勢(shì)，和前者相比，其熱傳導(dǎo)性更高、熱膨脹系數(shù)(TEC)和芯片比較兼容以及密封性更好，但是價(jià)格高是其缺點(diǎn)。以下將先就熱傳導(dǎo)性做討論。
(一)熱傳導(dǎo)性之影響
1. 有機(jī)材料之PCB
以往PCB 所適用的材料重視電的絕緣性要求，使得熱傳導(dǎo)性小的材質(zhì)受到重視，現(xiàn)在常用之玻璃布基材環(huán)氧樹脂積層板（GE）及紙基材苯酚樹脂基層板（PP）和其它材料相比幾乎是不導(dǎo)熱的材料。然而隨著零件發(fā)熱密度升高，使得單靠組件表面散熱的方式更為困難，增加PCB 的熱傳導(dǎo)性將有助于組件的散熱，因此需開發(fā)能同時(shí)滿足電性的絕緣性及熱傳導(dǎo)性的材料。樹脂材料使用時(shí)，可增加熱傳導(dǎo)率高之銅箔以增加等效熱傳導(dǎo)性，在GE 材料制之PCB，可由單層PCB＞雙層PCB＞多層PCB 的順序以增加平面方向的熱傳導(dǎo)性，如圖三所示，而垂直方向的熱傳導(dǎo)性則可靠通孔(via)的設(shè)計(jì)來增進(jìn)，這在芯片直接承載的基板設(shè)計(jì)中尤其重要。
通孔一般用作電性的垂直傳輸，如圖四所示，但適當(dāng)設(shè)計(jì)后之通孔也可增加PCB 在垂直方向的熱傳導(dǎo)性，對(duì)于芯片直接承載的基板的散熱有顯著的影響，如圖五所示。通孔外層是銅，由于鍍銅有限制，因此當(dāng)孔徑較大時(shí)無法將銅鍍滿，因此中間則一般是膠。為了增加熱傳導(dǎo)性，可填充傳導(dǎo)性高的銀膠等，計(jì)算時(shí)需將銅含量估算進(jìn)去，而以如上之等效方式計(jì)算傳導(dǎo)性，散熱通孔之影響如圖六所示，當(dāng)通孔數(shù)量越多，孔徑越大，且越集中在發(fā)熱組件下方，散熱效果會(huì)越好。
2. 陶瓷材料制PCB
陶瓷制PCB 常用純度92~96%的氧化鋁（Al2O3），陶瓷材料之傳導(dǎo)性一般比金屬低，但比但比樹脂材料高兩位數(shù)，表二為陶瓷材料之熱傳導(dǎo)性【4,5】。此外在電性、機(jī)械、物理上的特性也優(yōu)異，常用于高發(fā)熱密度之PCB，例如多芯片模塊（multichip module）以及高頻組件之基板或光電模塊等，如圖四所示【4】。
BeO 為熱傳導(dǎo)性優(yōu)異的陶瓷材料，堪與鋁制材質(zhì)比美，且有優(yōu)異的電性絕緣特性，但因其有毒性，使用時(shí)需特別注意。最近以無毒性新開發(fā)之SiC 及AIN 之材料來替代BeO。
（二）熱膨脹系數(shù)之影響
PCB 所使用的絕緣基板材料是用玻璃布等纖維補(bǔ)強(qiáng)的基層板，因玻璃之熱膨脹系數(shù)比樹脂材料的小，平面方向的膨脹量受到限制，只有厚度方向的膨脹量有增加的趨勢(shì)。又因當(dāng)溫度大于玻璃轉(zhuǎn)換溫度Tg 時(shí)，Z 方向的膨脹系數(shù)將急速增加，因而會(huì)造成在可靠性測(cè)試中溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生破壞的主因。在表面組裝時(shí)，絕緣基板在平面方向的熱膨脹系數(shù)則是重要的問題，由于組裝時(shí)會(huì)在接合部分產(chǎn)生熱應(yīng)力，而產(chǎn)生在產(chǎn)品內(nèi)部回路斷裂的危險(xiǎn)。圖七為各種材料的熱膨脹系數(shù)（X-Y 方向）之比較【6】，目前PCB 的材質(zhì)開發(fā)著重于和組裝組件材料（硅或氧化鋁）的熱膨脹系數(shù)相近的材質(zhì)，陶瓷PCB 的熱膨脹系數(shù)則比有機(jī)材質(zhì)的要低很多，因此可靠性較高。
三、金屬材料制PCB
由于發(fā)熱問題越來越嚴(yán)重，金屬基板在高效率的封裝制程如CMOS 及bipolar 芯片中將越來越重要，比起其它的PCB 可提供更好的散熱特性。金屬基板的基本散熱性能約為80mW/mm2，由于金屬的熱擴(kuò)散性很好，因此也取代了許多需要散熱片的應(yīng)用場(chǎng)合。金屬基板也提供了大塊的金屬面積，可作為接地及屏蔽之用，對(duì)于高頻的應(yīng)用也很重要。此外，高金屬也提供了線路板機(jī)械上的強(qiáng)度需求。應(yīng)用于金屬基板的金屬材料除了銅之外，其它像是鋁、合金以及金屬數(shù)組復(fù)合材料也可應(yīng)用。金屬基板構(gòu)造上可分為單面及雙面兩種，單面金屬板只有一面有電路，另一面為金屬，應(yīng)用表面黏著（SMT）的方式組裝組件，基本構(gòu)造如圖八所示，其熱阻值僅有約0.8℃/W，是鋪銅層FR4 的PCB 的1/6。而雙面金屬板則是兩面有線路，金屬夾于中間，也稱為金屬芯基板，上下兩層透過通道（via）相互連接，提升組裝密度，最近新技術(shù)利用將有機(jī)絕緣材料以及導(dǎo)體以連續(xù)沉積(sequential deposition)的方式制造于金屬板上，可以擴(kuò)展到更多層的金屬基板，如圖九所示。多層金屬基板的熱阻值大約只有傳統(tǒng)板的1/2，散熱功能十分優(yōu)越四、組件在PCB 上布局的影響PCB 上組件的配置對(duì)于散熱有很大的影響，相同的組件及發(fā)熱狀況安裝在不同的位置會(huì)有不同的溫度結(jié)果，這主要是受到PCB 的幾何形狀及環(huán)境條件的影響。在PCB 上適當(dāng)?shù)慕M件布局可以有效的降低組件溫度，考慮的幾個(gè)重點(diǎn)是。
1. 基本原則
(1) 板的放置方向
在自然對(duì)流時(shí)PCB 水平放置的效果較垂直放置的效果要差，這是因?yàn)榇怪狈胖脮r(shí)，氣流可有效流過組件表面，而水平放置時(shí)，氣流只從組件表面向上流動(dòng)。在強(qiáng)制對(duì)流時(shí)由于風(fēng)量大，因此放置方向的效果較不明顯。
(2) 組件的發(fā)熱影響
當(dāng)發(fā)熱量高的組件很接近時(shí)，彼此的發(fā)熱會(huì)有加成的效果，因此造成組件溫度上升，對(duì)可靠度會(huì)有不良的影響。一般對(duì)發(fā)熱量高的組件而言，PCB上有較大的空間以利熱傳，因此置于中間位置的IC 組件散熱效果較好。
2. 在PCB 上配置發(fā)熱特性不同的組件
當(dāng)PCB 上安裝耐熱性不同的組件時(shí)散熱方面應(yīng)考慮于下風(fēng)側(cè)裝置怕熱的組件（IC、晶體管、電容器等），而于上風(fēng)處裝置耐熱及發(fā)熱的組件（如電阻、變壓器），這是因?yàn)槿魧⑴聼峤M件安裝于發(fā)熱組件的發(fā)熱路徑之上，會(huì)使得溫度變得更高。在實(shí)際情況不允許的時(shí)候，可考慮在組件之間加裝文件熱板。
3. 在PCB 上配置發(fā)熱特性不同的IC 時(shí)需注意事項(xiàng)
在這種狀況之下，要求的重點(diǎn)是考慮如何將其配置為均勻溫度分布，基本上式發(fā)熱量大的組件安裝于上風(fēng)側(cè)，而將發(fā)熱量低的組件裝于下風(fēng)側(cè)，如此發(fā)熱量大的IC，其溫度可以不會(huì)上升得太高。實(shí)際上的IC 溫度可由數(shù)值仿真軟件來做預(yù)測(cè)及仿真。
4. 組件配置需配合散熱方式
在自然對(duì)流時(shí)，由于通風(fēng)來自溫差引起的浮力，因此要注意避免妨礙通風(fēng)的凸起物，因此圖十b 的溫度較低。在強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，由于可以得到強(qiáng)大的通風(fēng)力，因此設(shè)計(jì)重點(diǎn)則是提高零件到表面的熱傳系數(shù)，加速空氣的混合，圖十a(chǎn) 的擺設(shè)方式雖然造成阻礙，但是如果風(fēng)量足夠，擾流所引起的熱傳系數(shù)增加所造成的冷卻效果較大。
5. 組件配置配合系統(tǒng)設(shè)計(jì)
應(yīng)將發(fā)熱量高的原件安裝于系統(tǒng)中方便通風(fēng)的地方，例如通風(fēng)口旁或接近風(fēng)扇的地方，尤其是空間小的電子裝置如筆記型計(jì)算機(jī)等。如此可縮短散熱路徑，
也不會(huì)加熱到其它的裝置或組件。
五、結(jié)論
隨著電子產(chǎn)品發(fā)熱密度的不斷提升，PCB 的散熱需求也越來越受到重視，良好的組件散熱設(shè)計(jì)將可使組件的熱有效散去而使過熱問題的發(fā)生機(jī)會(huì)降低
【8】。當(dāng)組件散熱無法滿足需求時(shí)，PCB 的散熱就成為很重要的設(shè)計(jì)方向。有了良好的PCB 散熱考慮，就可避免因額外于系統(tǒng)中加裝散熱裝置所產(chǎn)生空間、
成本及噪音等問題。良好的基板必須具備高熱傳導(dǎo)性及低熱膨脹系數(shù)，同時(shí)也應(yīng)注意焊接線路對(duì)散熱的影響，此外一些特殊設(shè)計(jì)如金屬基板的設(shè)計(jì)都可以協(xié)助
PCB 散熱。最后在PCB 上IC 的布局及系統(tǒng)空氣流向等設(shè)計(jì)問題也會(huì)影響散熱，是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的。
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熱設(shè)計(jì)論文下載：PCB設(shè)計(jì)對(duì)電子元件散熱能力影響.pdf
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