張興望 李會霞 夏國偉 李 波

（勝宏科技（惠州）股份有限公司，廣東 惠州 516211）

0 引言

目前電力電源系統(tǒng)中，金屬-氧化物半導體場效應晶體管（metal-oxide-semiconductor，MOS）和絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）為電路系統(tǒng)的核心器件，其在電路系統(tǒng)工作過程中，會因為飽和壓降及開關頻率產生大量的熱。有研究表明，溫度每上升1 ℃，器件壽命降低5%［1］，相關的MOS、IGBT 模組必須設計制定相應的散熱措施，以保證器件正常工作。模組的整體散熱性能受功率器件本身、印制電路板（printed circuit boards，PCB）、散熱器及各組件連接材料的限制，其中PCB 除具有傳統(tǒng)的電氣信號傳輸和元器件承載功能外，散熱能力也是整個模組散熱體系中不可或缺的一環(huán)。

1 不同基材PCB 結構介紹與導熱分析

PCB 行業(yè)市場常見的環(huán)氧玻璃布層壓板（FR4）材料未考慮散熱需求，材料的導熱率一般為＜0.2 W/（m·K），導熱性能有限。對于功率器件的散熱需求必須從PCB 結構、材料選擇等多方面考慮，以滿足模組的散熱需求。目前，市場常見的PCB導熱設計有：散熱孔設計、導熱FR4材料、金屬基板、覆銅陶瓷基板、嵌埋導熱通道多層FR4和設計凸臺的金屬基板［2-4］。

1.1 散熱孔設計

利用PCB 本身的過電孔和接地孔導熱，在功率器件區(qū)域設計過電孔矩陣用于散熱，如圖1所示。

圖1 散熱孔設計結構

1.2 導熱FR-4材料設計

目前市場用的導熱FR-4 材料，為提高其導熱效果，主要在樹脂體系中加入導熱填料，其導熱率一般在1～2 W/m·K。導熱FR4 材料一般可以與散熱孔設計復合使用。

1.3 金屬基板設計

金屬基板是目前應用最廣泛的散熱材料，主要以銅基和鋁基為主。絕緣層采用導熱FR-4 材料，為控制絕緣層厚度保證散熱效果，導熱金屬基板主流為單面板設計，如圖2所示。

圖2 金屬基板結構

1.4 雙面鍍銅陶瓷板設計

在導熱陶瓷（主要是氮化鋁ALN 和氧化鋁AL2O3）表面燒結銅，陶瓷具備良好導熱率和絕緣效果，表面銅可以制作線路，是大功率器件的良好載體。

1.5 嵌埋導熱通道FR4

在大功率器件安裝部位設計導熱通道，其他部分保持常規(guī)的多層FR4 設計，導熱通道通過嵌埋導熱良好的銅、陶瓷等材料實現(xiàn)快速導熱，如圖3所示。

圖3 金屬基板MHE?901結構

1.6 熱電分離結構設計

結合金屬基板和嵌埋導熱通道的設計，在功率器件安裝部分將金屬基設計凸臺，使之直接與器件接觸，避免絕緣層導熱率的限制，提升導熱效果，如圖4所示。

圖4 熱電分離結構

2 熱仿真分析

2.1 仿真測試PCB設計方案

（1）嵌埋導熱通道FR4：導熱通道使用氧化鋁（AIN）陶瓷，其中AIN尺寸為10 mm×10 mm、板厚為1.60 mm，層數(shù)為2。

（2）散熱孔設計：在功率器件區(qū)域設計金屬化電孔矩陣，孔徑為0.20 mm、節(jié)距為0.65 mm、孔銅厚度設計為25.00 μm、陣列大小為16 mm×16 mm、板厚為1.6 mm，層數(shù)為2。

2.2 仿真測試PCB設計模型

仿真模型如圖5所示。基于以下條件展開對比和極限條件評估。

圖5 仿真模型

（1）對稱設計，取3D模組1/4結構。

（2）材料特性各向同性。

（3）穩(wěn)態(tài)控制。

（4）負載設定：10 W（熱源）；芯片尺寸3 mm×3 mm。

（5）散熱片：150 W/（m·K）（導熱率），25 °C（溫度設定）。

2.3 熱仿真測試結果

熱仿真結果中ΔT（基板溫度與露點之差）是表征PCB 底層與頂層的溫度差，直接反應不同PCB 的導熱能力，溫度差越小表示該PCB 導熱能力越好，反之越差。熱仿真結果如圖6所示，顏色越深代表溫度越高，ΔT代表模組的散熱能力，數(shù)值越大代表散熱能力越差。由圖可知，2種結構的ΔTPCB分別為68.2 ℃和7.3 ℃，相差近10倍，即表明嵌埋導熱通道FR4 導熱能力約為帶散熱孔設計FR4的10倍。

圖6 熱仿真結果

3 不同PCB 散熱能力測試

3.1 散熱能力測試PCB設計

基于目前市場常見的散熱PCB 結構和材料，選擇7 種不同PCB 展開導熱能力測試，比較其導熱能力。

具體信息見表1。

表1 測試PCB基本信息

熱阻計算：以焊盤尺寸10 mm×10 mm 為基準（熱電分離焊盤5 mm×10 mm），只計算縱向的熱阻，忽略橫向的熱傳遞；其中散熱孔以孔徑為0.250 mm、節(jié)距為0.650 mm 和孔銅為0.025 mm計算。

PCB 圖形設計：所有PCB 原件面圖形設計一致，如圖7所示，用于焊接熱源，將雙面板底層設計為大銅皮，用于與散熱器接觸面散熱；將散熱孔設計為孔徑0.25 mm、節(jié)距0.65 mm 和矩陣16 mm×16 mm；嵌埋導熱通道FR4 陶瓷尺寸設計為10 mm×10 mm，熱電分離結構的凸臺尺寸設計為5 mm×10 mm。

圖7 PCB元件面圖形設計

3.2 熱源選擇

選擇功率為60 W的高功率LED作為熱源，燈珠熱密度為1.6 W/mm2（大功率LED，忽略光效影響，以實際功率近似代表熱功率）。

3.3 節(jié)溫測試

測試方法：采用正向電壓法測試LED 工作結溫，燈珠工作電流設定為4.5 A，測試電流為0.1 mA；模組組裝如圖8所示。所有PCB 同時進行表面貼裝技術制作（surface mount technology，SMT）制作，使用同一鋼網(wǎng)完成錫膏印刷，在相同的焊接條件下完成燈珠焊接，保證燈珠與PCB之間導熱介質一致。模組與散熱器連接使用同種導熱硅脂，采用同一設備和相同測試人員開展結溫測試，保證系統(tǒng)誤差的一致性；對不同模組依次測試，使用同種導熱硅脂和同一測試人員，將模組固定在相同的散熱器上；測試時散熱器設定為25 ℃；在燈珠點亮過程中，同時測量模組底部溫度；并通過壓降與定標曲線得出燈珠結溫。大功率LED 光效以20%計算，忽略熱輻射的影響，根據(jù)結溫與模組底部溫差，以及熱源功率計算出模組的熱阻。

圖8 散熱測試組裝

3.4 實驗測試數(shù)據(jù)分析

從結溫分析，結溫存在明顯差異，見表2。FR4 結構導熱能力太差，導致燈珠瞬間燒毀，無法工作，未列入表2。FR4+散熱孔結構雖能工作，但結溫高達288 ℃，遠超其他材料，散熱能力有限；散熱材料為金屬基板，結溫在150 ℃左右；最優(yōu)為熱電分離結構與嵌埋導熱通道FR4，節(jié)溫在100 ℃左右。

表2 不同結構PCB散熱測試結果

金屬基板中，銅基板散熱能力優(yōu)于鋁基板、高導熱率材料優(yōu)于低導熱材料、熱電分離結構優(yōu)于嵌埋導熱通道FR4。與表1理論的熱阻高低存在差異，主要是實際熱傳遞過程中，除縱向傳遞外，還有橫向傳遞［5］，在橫向傳遞過程中因銅的良好導熱率，實際散熱效果更好。

從熱阻分析，不同材料差異明顯，模組熱阻與結溫高低趨勢完全一致，模組的熱阻包括燈珠、焊料、PCB 及PCB 與散熱器之間的熱阻這3 個部分。在本次試驗中，除PCB 外，其他材料與工藝條件完全一致，其熱阻差異可代表不同PCB 結構的熱阻差異。熱電分離結構與嵌埋導熱通道FR4熱阻明顯低于金屬基板，金屬基板又明顯低于普通FR4 結構，試驗測試結果與熱仿真結果一致性高。

4 結論

（1）不同的PCB 結構導熱能力：熱電分離結構（嵌埋銅塊）、嵌埋導熱通道FR4（嵌埋ALN陶瓷）導熱能力強，其次為金屬基板，再次為FR4+散熱孔，普通FR4 導熱能力差；熱電分離結構的導熱能力是FR4+散熱孔結構的5～10倍。

（2）采用嵌埋銅塊和高導熱陶瓷可有效提高PCB 的散熱能力，且保持FR4 多層板的線路設計需求；根據(jù)器件是否絕緣選擇不同的散熱結構設計。