裸板級散熱管理需要考慮的因素
Jim Barry
PCB Technologies Ltd（以色列）公司解決方案架構師，負責北美市場。他在PCB/PCBA行業的工程、製造和應用領域有近40年的從業經驗。
如今，PCB/PCBA (CCA)設計師要比他們的前輩面臨更加艱巨的任務。為了滿足我們的需求，設計師需要跳出傳統電路布局模式來設計電路。隨著封裝尺寸不斷縮小、元件複雜度和速度不斷提高，散熱性能成了設計中的一個主要因素。在過去，CAD布局設計工程師幾乎不需要對元件級的散熱要求多加考慮，但現在，元器件的散熱不僅會直接影響到特定器件的性能表現，還可能在以後引起嚴重故障。所以設計師目前面臨的問題是：如何在不過多增加電路板組件尺寸或重量的前提下去除熱量？我們是否可以找到方法，在把熱量轉移到裸PCB板中的同時，既不影響產品的尺寸、重量、性能表現，也不影響成本和產能？
PCB散熱有很多種創新方法，即使是在特定的元件位置也是如此。一般情況下，散熱在元件級已經完成——會在特定元件位置放置散熱片。但這種方式會造成設計的體積過大且笨重，並且/或者需要在總裝時完成一些富有想像力的設計工程。第二種常見方法是在整個PCB粘附一塊金屬板，再將其與底盤連接，以便散熱。這兩種常用方法的缺點是它們會增加組件的尺寸和重量，尤其是在電子封裝不斷縮小的今天，額外的體積或重量會帶來一些問題。像夜視鏡、無人機（UAV）和軍用技術等產品要求封裝的體積和重量越小越好。
本文將針對每種方法給出簡要介紹，如圖1。
典型的散熱方法包括：
材料
銅層厚度
散熱通孔
外部散熱片
內部散熱片
Coin技術
圖1：散熱方法選擇對比圖
材料
最簡單也是最常用到的方法之一就是謹慎選擇合適的材料，而材料從元器件中散熱的功能卻常常被人們忽視。在CAD級設計裸板的時候，我們常常會根據介質性質、阻抗或信號速度等需求來選擇材料，而忽視了對散熱性能的需求。通常情況下，當PCB要在高溫環境下運行時，我們會考慮使用聚醯亞胺，這是一種非常不錯的耐熱材料，比FR-4的導熱速率快很多。但其他材料的優點則更多。
如今，有很多材料既可以保證信號速度，又可以滿足導熱性需求，如圖2和圖3所示。你可以從這些圖表中看到，使用其他材料時導熱性能明顯增強。問題就在於如何平衡設計的電氣、環境及性能需求。
圖2：材料熱容量對比
圖3：材料對比
銅層厚度
銅層厚度是另一種控制和/或將熱量從元器件傳遞到PCB中，以增強性能的常見方法。內部平面層銅厚通常為2~4盎司，或更厚。隨著銅重量的增加，設計師想在同一個平面上設計更細的布線寬度，問題就開始出現了，推薦設計師可以在其他層上布置這些更細的布線，就可避免出現這種情況。
之前有一個案例就是設計與銅的重量增加有關。這個產品是用於超慢動作檢測的高速照相機（8層剛撓設計）。裡面有很多元件會在板的兩面產生大量熱量。為了解決這個問題，就在外層的底部額外增加了2 oz的平面層，把它做成了10層的設計。這種做法將散熱能力提高了10倍，光學性能也有了大幅提升。
這種方法在設計時也要考慮到一些因素。在使用這種較厚的銅層時，回填可能會出現問題。一定要考慮到沒有銅區域的樹脂填充。但樹脂含量太高會嚴重影響Z軸上的移動。所以要再次強調，在使用厚銅內層時，要仔細考慮導熱性與填充要求和布線寬度之間的平衡。採用內部散熱片是替代厚覆銅材料的方法之一。
熱通孔
散熱通孔也是將熱量從一個特定位置或器件傳遞到電路板中的好方法。散熱通孔是一種應用普遍的導熱方式，已被證實不會對成本產生很大影響。在結合使用散熱通孔和厚銅平面層或內部散熱片的時，會形成一種Z軸熱量高速通道。這種方法的優點之一就是可以用於某個特定出問題的位置或元件，而不是必須大面積使用。設計師可以在特定位置下方創建一個通孔區域，只需要電鍍上比一般銅層厚的銅層、用銅來填充或電鍍封閉疊層通孔就可以散去熱量。
圖4展示了不同電鍍厚度和/或內部填充的散熱通孔，有些填充物是導電的，有些是非導電的。現在，大約有65%的設計使用了疊層或盲孔技術。這種方法可以讓設計師利用HDI電鍍封閉式疊層通孔來提高密度，同時還可以用來形成直接連接內部散熱片的散熱高速通道。
圖4：各種通孔結構
外部散熱片
外部散熱片可能是最常見、最普遍的散熱方法了。簡單來說就是一塊由銅或鋁製成的金屬板，放置在PCB的外邊。通常使用B階材料或某種導熱雙面膠將其粘附在PCB的一側。然後再將散熱片連接到底盤，熱量隨氣流排出。
如今，這種方法被人們廣泛使用，因為它既簡便、性價比又高。但你不是從特定位置傳遞熱量，而是穿過整個PCB板將熱量傳遞到另一側，這是一種通過質量來分散熱量的方法。雖然它不一定是效率最高、效果最好的散熱方法，但卻是行之有效的方法。
我們看到這種方式通常應用於總裝時，因為這時重量和/或尺寸不是什麼大問題。如上所述，外部散熱片可以用導熱性粘合劑粘接，也可以以一種3維的方式裹在組裝後的PCB板上。對於那些更加複雜的設計，我們見到過將外部散熱片當作中芯，像三明治一樣夾在兩塊相對的PCB中間。
內部散熱片
將散熱片嵌入在PCB里可以讓金屬塊離元器件更近，同時可以留出兩面用於貼裝元器件，但這種方法也有它的局限性。它可以讓散熱片更接近器件級別，但它卻是一種速度較慢、批量式散熱方法。
多年來，這種方法通常是通過使用CIC（銅/因鋼/銅）、實芯銅或鋁來完成的。但現在的問題是，製造商必須要對內部散熱片進行蝕刻和/或加工才不會導致與金屬內芯短路。一旦去除了金屬，通常會使用類似PCB構建材料的非導電樹脂來回填散熱片。
近幾年來，材料方面有了很大的發展，比如PCB中的碳素纖維。它也可以被用作熱量高速通道將熱量傳送到板中，然後排出到散熱連接源中，例如底盤。但還是要注意，PTH中存在過多樹脂也會導致一些問題出現。製造商一定要考慮使用一種穩定的樹脂系統，這樣一來Z軸膨脹才不會造成其它問題。要在層壓之前完成填充和平面化處理，以確保不會有氣孔進入。這種方法和外部散熱片一樣，都需要進行一些額外加工處理（圖5）。
圖5：外部散熱片和內部散熱片方法視圖
Coin技術
Coin技術正在成為內部散熱片的替代方法。RF/微波設計中會普遍應用這種方法進行元件的熱管理和散熱處理。雖然這種方法的成本可能是最貴的，但它也是特定位置散熱最有效、最直接的方法。設計師可以採用Coin技術將元件直接放在堅硬的「硬幣」上方或裡面，熱量會直接從器件里向下傳導到背面，背面就是散熱的位置（圖6）。並非所有的供應商都願意提供這種技術，但RF設計領域中常常會用到這種方法。
圖6：各種Coin技術結構剖視圖
結論
PCB級別的散熱冷卻是一種不錯的方法，因為器件上可以安裝各種配置的扇形或葉形散熱片，為特定位置散熱。打開任何一個桌面系統你都可以看到基板散熱仍在使用這種技術，但把熱量帶出PCB板的扇形散熱片需要較大的空間（重量也更重）。
本文主要介紹裸PCB板級別的散熱管理方法，還有很多其他方法也可以用來幫助器件、特定位置或PCB本身散熱。設計師在選擇散熱方法時，一定要考慮到所有的可行方法，或者也可以將不同的方法結合使用。
在製造散熱裸板時，一定要考慮到它對製造周期中組裝工藝有哪些影響。如果PCB的吸熱性較強，那就會影響到焊接工藝。例如，如果散熱區離熱敏器件太近，在焊接工藝中就會因為形成焊點增加的熱量可能會損壞器件。
有很多散熱方法可供PCB設計師選擇。很多設計都結合使用了兩種或以上的散熱方法。比如目前RF設計，就在同一個結構中使用了混合材料、孔腔和硬幣。
如今，我們的行業在創建很多新結構，為增強設計獨特性而添加了更多元素。這些新技術中有一種技術叫做「氣腔」，它可以滿足未來產品對散熱需求的更高要求。敬請期待我們以後的成果。
致謝
作者誠摯感謝PCB Technologies Ltd公司首席技術官Yaad Eliya和技術專家Shlomi Danino對本文提出的寶貴意見。
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