李 瑛 陳苑明 何 為

（電子科技大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系，四川 成都 610054）

黃云鐘 張 佳

（重慶方正高密電子有限公司，四川 重慶 401332）趙 麗 付紅志 劉 哲

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 18057）

印制電路板（PCB，Printed Circuit Board）高密度化與內(nèi)埋有源、無源元器件促使電子產(chǎn)品小型化與多功能化，同時(shí)封裝體積縮小與組裝密度增加容易造成電子產(chǎn)品熱量聚集，PCB散熱不良將造成元器件電氣性能的下降甚至損毀[1]-[3]。PCB電路設(shè)計(jì)常通過沿空氣流動(dòng)方向均勻分布元器件、分散大功能元件[4][5]，或者將發(fā)熱器件與散熱器緊密連接[6]等途徑提高元器件的散熱性能。但電路散熱設(shè)計(jì)完善至一定程度后，PCB制造材料與工藝便成為決定電子產(chǎn)品整體散熱效果的重要因素。

高頻PCB可以實(shí)現(xiàn)電路的高頻高速性能，但是為了節(jié)省制造成本，高頻PCB的制造方法是在環(huán)氧樹脂玻纖布多層電路板的外層芯板嵌入一小塊高頻板，經(jīng)過半固化片壓合成型。這種由高頻子板與多層母板混壓制作而成的高頻PCB稱為高頻混壓多層板。高頻混壓多層板的熱量主要集中于高頻子板區(qū)域，因此本文綜述了高頻混壓多層板的散熱局限與改善方法。

1 高頻混壓多層板的熱問題

電子封裝向多端子數(shù)、窄節(jié)距、薄厚度、多層三維立體封裝方向發(fā)展，芯片的三維堆疊封裝受散熱空間的限制，散熱通道急劇擁擠[7][8]；高頻混壓多層板表面安裝大功率元器件后，高頻子板長(zhǎng)期保持高溫狀態(tài)，導(dǎo)致元器件內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)與粒子遷移加速，元器件失效率大大提高，直接影響電子產(chǎn)品的可靠性。

高溫對(duì)高頻混壓多層板的影響主要有介電材料電性能下降、焊接失效、熱應(yīng)力效應(yīng)與熱膨脹問題等。當(dāng)溫度過高遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過介電材料玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg）值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致介電材料熱老化、變脆、斷裂甚至燃燒，致使PCB絕緣性能迅速下降[9]。元器件與PCB組裝依靠焊料金屬間化學(xué)化合物（IMC，Inter-metallic Compound）連接，焊點(diǎn)及表面處理區(qū)受高溫條件影響，IMC的結(jié)構(gòu)易因熱疲勞而產(chǎn)生微觀組織變化，化學(xué)穩(wěn)定性降低[10]。而且隨著溫度的迅速升高，IMC發(fā)生熱膨脹效應(yīng)而導(dǎo)致IMC厚度顯著增加，當(dāng)IMC厚度超過焊點(diǎn)可忍受的范圍時(shí)，IMC層脆性增加造成焊接機(jī)械強(qiáng)度的下降[11]。熱環(huán)境下PCB材料與芯片熱膨脹系數(shù)差異大，由于熱不匹配產(chǎn)生溫度應(yīng)力，PCB發(fā)生不可恢復(fù)形變導(dǎo)致焊接界面破壞[12]-[14]。

2 高頻混壓多層板散熱局限與改善

PCB散熱的途徑主要有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。傳導(dǎo)是指熱量通過直接接觸的物體從高溫段傳向低溫段，它是固體物質(zhì)與固體物質(zhì)間傳導(dǎo)的有效途徑之一。對(duì)流是指在發(fā)熱體附近的熱空氣與其周圍的冷空氣之間，由于溫度差而形成的氣體流動(dòng)，其實(shí)質(zhì)就是通過流動(dòng)的氣體或液體將熱導(dǎo)體表面的溫度帶走。而輻射是指導(dǎo)熱體依靠射線傳遞熱量，低溫時(shí)輻射傳熱很小，導(dǎo)熱體與周圍環(huán)境溫差較大時(shí)部分熱量通過交換輻射進(jìn)行熱疏導(dǎo)。高頻混壓多層板主要散熱途徑是傳導(dǎo)散熱。

2.1 橫向散熱局限與改善

發(fā)熱體系發(fā)生橫向散熱時(shí)，其散熱效果主要是由其組成材料的導(dǎo)熱系數(shù)決定的。以下是PCB等效導(dǎo)熱系數(shù)λeq如（1）式，其中，λeq為PCB總的導(dǎo)熱系數(shù)，λi為i層的導(dǎo)熱系數(shù)，hi為i層的厚度，Ai為i層導(dǎo)體圖形的剩余率（對(duì)絕緣體剩余率為1），H為PCB總厚度。導(dǎo)熱系數(shù)越大，銅層越厚，導(dǎo)體圖形剩余率越大，總板厚度越薄，則PCB整個(gè)的導(dǎo)熱系數(shù)就越高，散熱效果就越好。

高頻混壓多層板除了局部嵌埋的高頻子板需要用到特殊基材外，制作母板結(jié)構(gòu)主要由環(huán)氧樹脂纖維布與銅箔覆合組成。通過增加導(dǎo)體圖形的剩余率提高散熱效果，即增加線寬從而提高橫向散熱效果，這必然使PCB空間尺寸增大，造成內(nèi)部阻抗不匹配，信號(hào)反射增加，從而影響到信號(hào)傳輸?shù)耐暾訹15]。因此通過線寬提高散熱的方法看似合理卻不實(shí)際。通過減小PCB總厚度來提高散熱效果對(duì)于有高密布線及大功率器件的PCB來說，當(dāng)介層厚度小于一定值時(shí)很容易出現(xiàn)介質(zhì)擊穿、漏電、短路等問題。電子產(chǎn)品的小型化促使PCB設(shè)計(jì)銅箔厚度最薄化與導(dǎo)體圖形剩余率最大化，高頻混壓多層板依然需要通過環(huán)氧樹脂、玻璃纖維布來實(shí)現(xiàn)熱量向外傳輸，而玻璃纖維布導(dǎo)熱效果很難提高，因此通過樹脂改性來增大樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)，從而提高散熱效果。在介電材料填充高導(dǎo)熱系數(shù)的無機(jī)填料可以提高高頻混壓多層板的有效導(dǎo)熱系數(shù)，已有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，在環(huán)氧樹脂加入Al2O3

[16]、BN[17]、AlN[18]、ZnO[19]等高導(dǎo)熱系數(shù)的無機(jī)填料，可以很大程度提高其導(dǎo)熱性能?；宀牧蠈?dǎo)熱改性是改善高頻混壓多層板橫向散熱性能的有效途徑。

2.2 縱向散熱局限與改善

高頻混壓多層板縱向設(shè)計(jì)的導(dǎo)通孔可以實(shí)現(xiàn)不同層間的電路導(dǎo)通，同時(shí)具有縱向傳熱的效果。導(dǎo)通孔的導(dǎo)熱效果受通孔的數(shù)量、大小、孔壁厚度影響。除導(dǎo)通孔外，在電子元器件安裝處周圍專門設(shè)計(jì)散熱孔來進(jìn)行熱量傳輸[20]，這種散熱孔的數(shù)量、大小、鍍銅厚度、塞孔百分率及塞孔樹脂類型等因素都影響到局部散熱的效果。散熱孔設(shè)計(jì)雖然提高了高頻混壓多層板的縱向散熱效果，但是散熱孔設(shè)計(jì)往往使得PCB工序復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。當(dāng)散熱孔發(fā)生塞孔質(zhì)量不佳時(shí)，容易產(chǎn)生藏錫珠、氣泡、爆孔等諸多品質(zhì)問題，在高溫焊接時(shí)容易產(chǎn)生失效，對(duì)后工序有很大的隱患。過多的散熱孔設(shè)計(jì)會(huì)影響PCB布線，不利于高頻微波板的線路設(shè)計(jì)。高頻布線要求盡量不使用直角走線，盡量縮短信號(hào)傳輸路線，過多散熱孔會(huì)影響到布線的優(yōu)化，導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)乃俾氏陆岛桶l(fā)生信號(hào)完整性問題。在高頻傳輸線中，除了由電介質(zhì)損耗造成的傳輸延時(shí)，設(shè)計(jì)散熱孔、過孔及其他背鉆孔也會(huì)造成信號(hào)延時(shí)及損耗，影響到信號(hào)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

3 其他改善措施

3.1 金屬基覆銅板散熱技術(shù)

金屬基PCB是一種專門用來解決散熱問題的特種PCB，是由金屬導(dǎo)熱層、高導(dǎo)熱絕緣介質(zhì)層和線路銅層組成的[20]。如圖1為金屬導(dǎo)熱層都被夾心埋在兩介電中間形成金屬芯板PCB，而圖2所示為金屬導(dǎo)熱層粘覆在PCB底層形成金屬基PCB。金屬基板采用這種設(shè)計(jì)，并且通過導(dǎo)通孔傳輸熱量到金屬基層，從而將PCB內(nèi)部熱量帶到外部環(huán)境。金屬基PCB粘覆了增重的散熱金屬，雖然很好地提高了散熱效果，卻難以迎合電子產(chǎn)品輕巧便攜的要求，但針對(duì)通信電源、汽車、電動(dòng)機(jī)等大型終端產(chǎn)品應(yīng)用的高頻混壓多層板，其局部散熱效果可以得到最大程度的改善。

圖1 鋁基雙面板結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鋁基多層板結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 局部埋銅散熱技術(shù)

為了適應(yīng)電子產(chǎn)品小型化的特點(diǎn)，局部埋銅散熱技術(shù)是高頻混壓多層板提高散熱效果的另一途徑，這種技術(shù)是在電路板中直接壓接銅塊（Press Fit Coin）及埋嵌銅塊（Embed Coin），如圖3所示。散熱埋嵌金屬也逐步向小型化方向發(fā)展。所謂埋銅技術(shù)是指在高頻子板的背面縱向埋入局部銅塊再與母板一起混壓，從而實(shí)現(xiàn)局部散熱的一種方法，是散熱基板在結(jié)構(gòu)和功能上的創(chuàng)新成果。在高頻混壓板多層板中，為了提高傳輸速率，有射頻線的高頻子板一般都埋嵌在母板的外部層，這樣也便于高頻子板通過表面進(jìn)行對(duì)流散熱。再加上背面埋嵌銅基的縱向?qū)?，從而很好地?shí)現(xiàn)了高頻混壓板的快速散熱。

圖3 高頻混壓局部埋銅散熱簡(jiǎn)示圖

4 結(jié)論

與大功率元器件配合使用的高頻混壓多層板容易產(chǎn)生介電材料電性能下降、焊接失效、熱應(yīng)力效應(yīng)與熱膨脹問題。本文綜述傳統(tǒng)提高高頻混壓多層板的散熱性能的局限與改善措施，金屬基覆銅板散熱技術(shù)與局部埋銅散熱技術(shù)是高頻混壓多層板散熱的發(fā)展方向。

[1]蔡積慶. 印制板的技術(shù)動(dòng)向[J]. 印制電路信息,2007, 4:21～31.

[2]S.Jones, D. Pye, P. Jeal. Modern Materials Technologies in PCB Thermal Management[C]. IEE Colloquium on CAD (Computer Aided Design) Tools for Thermal Management, US: IEEE Press, 1993:1～9.

[3]曾理, 陳文媛, 謝詩(shī)文等. 集成電路封裝高密度化與散熱問題[J]. 電子與封裝, 2006, 6(9): 15～21.

[4]蔡建華. 高散熱印制電路板及其應(yīng)用[J]. 化工設(shè)計(jì)通訊, 2000, 26(4): 50～53.

[5]羅凌江, 王能. 印制電路板的熱設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)測(cè)量與控制, 2006, 25(2): 80～81.

[6]郝國(guó)欣, 郭華民, 高攀. 功率器件的散熱設(shè)計(jì)方法[J]. 電子工程師, 2005, 31(11): 17～18.

[7]F. Schindler-Saefkow, O. Wittler, D. May, et al.Thermal Management in a3D-PCB-Package with Water Cooling[C]. Electronics Systemintegration Technology Conference, US: IEEE Press, 2006: 107～110.

[8]J. H. Lau, T. G. Yue. Thermal management of 3D IC integration with TSV[C]. 59th Electronic Components and Technology Conference, US: IEEE Press, 2009: 635～640.

[9]S. Liu, X. Luo. LED Packaging for Lighting Applications: Design, Manufacturing and Testing[M]. US: Wiley Online Library, 2011.

[10]張群, 陳柳, 程波等. 倒裝焊Sn-Pb焊點(diǎn)的熱疲勞失效[N]. 金屬學(xué)報(bào), 2001, 37(7): 727～731.

[11]周繼承, 肖小清, 恩云飛等. 基于穩(wěn)健設(shè)計(jì)的PBGA 器件焊點(diǎn)熱機(jī)械疲勞可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)[N]. 電子學(xué)報(bào), 2007, 35(11): 2180～2183.

[12]J. H. Yu, W. Oepts, H. Konijn. PC Board Thermal Management of High Power LEDs[C]. Twentyfourth Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, US:IEEE Press, 2008: 63～67.

[13]周斌, 潘開林, 顏毅林. 無鉛 PCB 組件再流焊焊接工藝的熱變形仿真分析[N]. 上學(xué)交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007, 41(S): 111～115.

[14]C. Zweben. Advanced Composites and Other Advanced Materials for Electronic Packaging Thermal Management[C]. International Symposium on Advanced Packaging Materials: Processes, Properties and Interfaces, US: IEEE Press, 2001: 360～365.

[15]崔玉美. 高速電路PCB板的反射問題分析及仿真[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件, 2010, 27(11): 83～84.

[16]張曉輝, 徐傳驥. 新型電力電子器件封裝用導(dǎo)熱膠粘劑的研究[J]. 電力電子技術(shù), 1999, 5:61～62.

[17]K. C. Yung, H. Liem. Enhanced thermal conductivity of boron nitride epoxy-matrix composite through multi-modal particle size mixing[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2007, Vol.106,3587～3591.

[18]K. C. Yung, B. L. Zhu, J. Wu, et al. Effect of AlN content on the performance of brominated epoxy resin for printed circuit board substrate.Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics, 2007,Vol.45, 1662～1674.

[19]周柳, 熊傳溪, 董麗杰. 氧化鋅晶須/環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料的制備與性能[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2009, 25(5): 165～167.

[20]L.Coppola, R. Schmidt, D. Cottet. Investigation on Via Arrangements for the Thermal Management of High Current PCBs[C]. Twenty-Fourth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, US: IEEE Press, 2009: 485～490.

[21]R.Horng, J.Hong, Y. Tsai. Optimized Thermal Management From a Chip to a Heat Sink for High-Power GaN-Based Light-Emitting Diodes[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2010, 57(9):2203～2207.