馮 立 張慶軍 李 銀

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000）

（四川省航電系統(tǒng)產品輕量化設計與制造工程實驗室，四川 綿陽 621000）

0 引言

隨著印制電路板（PCB）設計層數(shù)越來越高，元件安裝密度越來越大，PCB工作時產生的熱量也越來越多。在高溫高濕環(huán)境下，PCB長時間工作會使板內部出現(xiàn)離子遷移、連接孔內銅層斷裂、表面焊接點疲勞等現(xiàn)象[1]。以上原因均會造成電性能下降、噪聲增大，甚至嚴重損壞[2]。嵌埋式銅塊印制板散熱技術，是將銅塊嵌埋入到FR-4基板或高頻基板，銅的導熱系數(shù)遠大于PCB介質層，功率器件產生的熱量可以通過銅塊傳導至PCB和通過散熱器散發(fā)，在多層PCB內集成小塊高導熱金屬的嵌埋式技術，已成為當前PCB散熱處理的發(fā)展趨勢。不僅可以應用在小型化產品，大功率芯片器件產品，高散熱要求產品等，也在航天電子系統(tǒng)、無人機設備、數(shù)碼產品等方面有很大的市場需求[3]。

目前，PCB散熱研究主要集中在器件布局，結構導熱設計等方面[4][5]。文章針對PCB本身的散熱改善加以研究，通過對底部散熱QFN封裝類器件的PCB內部埋入散熱銅塊，構建嵌埋入銅塊PCB散熱模型，研究其散熱性能的影響趨勢。

1 QFN封裝嵌埋入銅塊印制板設計

1.1 QFN封裝特點

QFN（Quad Flat no-lead Package，方形扁平無引腳封裝）是一種體積小的新型表貼封裝技術。因為內部引腳間導線相對短，自感系數(shù)和封裝內走線的電阻低，所以能夠提供良好的電性能[6]。大多數(shù)QFN封裝芯片設置有底板散熱焊盤，如圖1所示，以通過底部腔體傳導改善QFN封裝芯片散熱性能。文章選用帶底板散熱焊盤的QFN封裝為研究對象，選用器件包括數(shù)模芯片等型號。

圖1 QFN器件封裝示意圖

1.2 嵌埋入銅塊設計

PCB金屬導體中的導熱主要靠自由電子的運動完成；非導電固體中的導熱是通過晶格結構的振動來實現(xiàn)；由于PCB的散熱主要依靠傳導進行，傳導效率與散熱路徑中接觸物體的導熱系數(shù)有關。PCB水平方向的總熱阻比垂直方向的總熱阻小很多，因此PCB垂直埋銅，散熱效果會更好。使器件下面的熱量能夠迅速傳導到PCB背面和四周，擴大散熱面積。普通PCB形成了三個主要散熱路徑方向，包括頂部腔體和印制板平面兩側如圖2（a）所示，為增加散熱路徑，本設計中嵌埋入銅塊PCB新增加了底部腔體印制板散熱路徑如圖2（b）所示。

圖2 印制板散熱路徑圖

導熱基本定律—傅里葉定律：單位時間內通過該層的導熱熱量與垂直于該截面方向的溫度變化率及平板面積A成正比[7]，見式（1）所示。

單位時間內通過單位面積的熱流量稱為熱流密度，見式（2）所示。

式中Q是熱流量，單位為W；k是導熱系數(shù)，單位為W/mk；A是垂直與熱流方向的橫截面面積，單位為m2；q是單位時間內通過單位面積的熱流量稱為熱流密度，單位為W/m2，在熱傳導的熱量傳遞方式中，從式（1）和式（2）可以得到，對于PCB設計，導熱系數(shù)k越大，導熱性能越好。

1.3 嵌埋入銅塊厚度確定

從給出的各層最終厚度（H）可以計算出理論板厚，文章設計銅塊埋入L1～L6層，因此L1～L6的理論板厚可以表示為式（3）所示，其中hi為i層基板的厚度，hj為j層基板的厚度，hk為k層黏結板的厚度，hl為l層銅箔的厚度。

由式（3）和圖3可以確定出備埋銅層理論厚度H。通過計算，本次印制板銅塊貫穿型（L1～L6）備埋銅層理論厚度H為1.677 mm。

圖3 印制板疊板結構及材料厚度圖

2 結果分析

2.1 熱仿真參數(shù)設置

文章選用6 SigmaET為熱仿真軟件，首先按照設定條件對多層印制板主要參數(shù)進行設計，然后應用6 SigmaET軟件對PCB的散熱性能進行仿真分析，為PCB的散熱設計提供了設計依據和參考，最后對仿真分析的結果進行了分析總結。本次QFN熱焊盤設計尺寸14.8 mm×14.8 mm，印制板板厚1.6 mm，印制板外形尺寸200 mm×300 mm，印制板層數(shù)為6層板，銅厚0.035 mm，殘銅率設定80%，QFN封裝芯片功耗設定為6W，設計仿真環(huán)境溫度25 ℃，設計銅塊尺寸包括無嵌入銅塊、4 mm×4 mm、6 mm×6 mm、8 mm×8 mm、10 mm×10 mm等5種類型。根據不同銅塊尺寸大小，對應進行熱仿真分析，以確認最優(yōu)的銅塊尺寸埋入設計。

2.2 熱仿真結果及分析

根據尺寸14.8 mm×14.8 mm的QFN封裝芯片，其他條件設置相同，對嵌埋入銅塊（4種尺寸）和無嵌埋入銅塊共5種PCB 進行熱仿真，結果見表1所示，由圖4、圖5為代表。

表1 嵌埋入銅塊的導熱性表

圖4 嵌埋入銅塊尺寸10×10 mm印制板芯片溫度仿真結果（66.1 ℃）圖

圖5 無嵌埋入銅塊印制板芯片溫度仿真結果（90.4 ℃）圖

從仿真結果可以看出，隨著嵌埋入銅塊尺寸的減小，嵌埋入PCB上芯片結溫增高，因此，在嵌埋入銅塊PCB銅塊尺寸越大，更有利于嵌埋入銅塊PCB散熱。主要是因為隨著埋入銅塊尺寸的越來越小，芯片底板熱盤接觸的PCB焊盤所含銅塊從頂層到底層越小，銅塊的導熱系數(shù)遠遠大于FR-4，銅塊的熱阻小于FR-4，這體現(xiàn)了PCB熱盤區(qū)域的熱阻越大，從而隨著銅塊尺寸的減小，嵌埋入PCB上芯片結溫增高。

3 結論

文章對QFN封裝芯片底部熱焊盤進行了散熱印制板設計，選取了5種不同尺寸的嵌埋入銅塊進行熱仿真分析，隨著嵌埋入銅塊尺寸的增大，嵌埋入PCB上芯片結溫減小，從分析結果可以看出，在嵌埋入銅塊PCB銅塊尺寸越大，更有利于嵌埋入銅塊PCB散熱。在嵌埋入銅塊后，PCB的散熱性能得到極大改善。