PCB散热设计(学习总结供参考).doc

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) 其它部分传来的热。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 的基板材料必须有高的绝缘电阻、高稳定性、高热导率、与芯片相近的热膨胀系数以及平整性和一定的机械强度。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成。绝缘介质层一般采用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。 (1)PCB种类 LED常见基板通常有四类：传统且非常成熟的PCB、发展中的金属基板(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表面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散热基板主要采用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(metal 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。 另一类是采用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，可减少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产品采用，但目前价格仍贵，约为金属基板的2～3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，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行封装。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、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，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（AlN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4.0×10－6/℃（与硅的热膨胀系数3.2×10－6/℃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: 美国UOE公司制作的Norlux系列功率LED封装基板。其结构是在不锈钢板表面烧结一层搪瓷（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) 、热导率仍然较低。 美国TT公司的Anotherm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公司采用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精确而且致密的单层生瓷带，在生瓷带上利用打孔、微孔注浆、精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。其缺点是成本高、耗能大、工艺复杂且难于控制。 中国电子科技集团公司第十三研究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、成本高、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。优点是结构简单、易于后期加工、机械强度高、耗能较低。但是设备工艺复杂、散热性能一般，特别是高低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