關(guān)于PCB芯片散熱焊盤設(shè)計(jì)方案

前言?

工作中的電路板有許多發(fā)熱比較大的元器件，比如MOS管、LED、三極管，尤其在滿載的情況下更為嚴(yán)重，散熱通孔是眾所周知的一種通過電路板表面貼裝元件的散熱方法。

在結(jié)構(gòu)上，板上開有一個(gè)通孔，如果該板是單層雙面板，則使銅箔連接電路板的頂面和底面，以增加用于散熱的面積和體積，降低熱阻。 ? 在多層板的情況下，熱通孔可以連接多個(gè)層，或者可以僅限于層的部分連接，但是在所有情況下，基本原理都是相同的。 ? 將貼片元件的散熱焊盤貼片安裝在PCB上，可以降低熱阻。熱阻取決于用于散熱的PCB上銅箔的面積和厚度，以及板的厚度和材料。本質(zhì)上，這些材料越寬越厚，散熱效果就越大。 ? 但銅箔的厚度通常需要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，且不能過厚。此外，由于微型化仍然是基本設(shè)計(jì)要求，因此PCB的面積應(yīng)依照實(shí)際需求設(shè)計(jì)，實(shí)際的銅箔的厚度也不能做的得非常大，因此當(dāng)PCB超過一定的單面散熱面積時(shí)，單面電路板散熱效果會(huì)大打折扣。FR-4的導(dǎo)熱系數(shù)非常低。 ? 解決這些問題的一種措施是使用熱通孔，通孔是通過鉆孔和鍍銅而形成的，與PTH或通孔用于層之間的電氣互連的方法相同。為了有效地使用散熱孔，散熱孔應(yīng)靠近加熱元件放置。 ? 如下圖所示，利用了熱平衡的影響，因此很明顯將具有較大溫差的區(qū)域連接起來效果會(huì)很不錯(cuò)。

空心過孔與填充過孔影響

空心式通孔相比填充式通孔相比，空心式通孔將導(dǎo)致更高的熱阻。對于直徑為0.6mm的通孔，使用35 um(1 oz.)鍍銅，垂直于熱焊盤的面積僅為0.06 mm2，而焊料填充通孔的面積為0.28 mm2，導(dǎo)致熱阻為64°C/W，而填充了焊料則為42°C/W，如果完全填充銅則為14°C/W。

與填充SnAgCu焊料的通孔相比，實(shí)心(銅)填充通孔的能力可進(jìn)一步降低熱阻。

在PCB生產(chǎn)過程中增加電鍍厚度會(huì)改善通孔的熱阻。在上面的示例中，將電鍍厚度增加到70 um(2 oz.)，會(huì)使每個(gè)通孔的熱阻降低到34°C/W。但是PCB生產(chǎn)的費(fèi)用會(huì)提高。

除了在PCB生產(chǎn)的電鍍過程中創(chuàng)建實(shí)心過孔之外，另一種選擇是在PCB生產(chǎn)過程中用銅（或其他一些導(dǎo)熱材料，例如導(dǎo)電環(huán)氧樹脂）填充過孔。

然而，這增加了PCB的制造的額外步驟從而可能增加板的成本。

如果有空心的大孔且經(jīng)過回流焊，未填充的通孔可能會(huì)被焊料填充。但是，這樣會(huì)被很多因素干擾，產(chǎn)生焊錫芯吸從而導(dǎo)焊盤連接積變小引起可靠性問題，如果無法可靠接地填充通孔將會(huì)影響熱導(dǎo)率。

圖下左顯示了回流后未填充通孔的示例，下右顯示了芯片下方的焊料空隙的示例（紅色表示）可通過X光檢查焊接情況。

空隙增加了熱界面的熱阻。同樣，焊料過多可能會(huì)導(dǎo)致板子底部填滿凸起，從而影響板子和散熱器之間的接觸面積。

可以通過兩個(gè)方法限制焊錫芯吸量。

一種方法是保持通孔直徑小于0.3毫米。對于較小的通孔，通孔內(nèi)部的液態(tài)焊料的表面張力更好地能夠抵抗重力作用在焊料上。

如果按照上面的指導(dǎo)原則構(gòu)造通孔結(jié)構(gòu)，將內(nèi)部通孔直徑保持在0.25mm-0.3mm左右，則可以實(shí)現(xiàn)最小的焊料芯吸。

這種方法的缺點(diǎn)是較小的開口會(huì)導(dǎo)致較高的整體熱阻。

限制焊錫芯吸的另一種方法涉及使用阻焊層來限制焊錫從PCB頂部到底部外面，稱為底部過孔蓋油塞油，使用阻焊層來防止焊料進(jìn)入或離開導(dǎo)熱通孔，具體取決于阻焊層所在的板的面（有的蓋不好）。

也可以在頂側(cè)通孔帳蓋油，將小面積的阻焊膜放在PCB頂側(cè)的熱過孔上方，以防止焊料從板的頂側(cè)流入通孔。

下圖左側(cè)的小孔帶有完整的LPI阻焊層，可保護(hù)通孔。下圖右側(cè)的過孔有一個(gè)較大破裂的阻焊孔，這是由于LPI阻焊層的液體性質(zhì)，并且試圖覆蓋太大跨度的孔，從而導(dǎo)致漏錫。

下圖填充不同電導(dǎo)率材料的FR-4通孔的熱阻分析結(jié)果表示填充了固態(tài)銅過孔會(huì)導(dǎo)致較低的熱阻，而未填充的過孔會(huì)提供較高的熱阻。填充有導(dǎo)電環(huán)氧樹脂的過孔的性能僅比未填充的過孔好。

PCB孔直徑和通孔數(shù)量影響

通過上一節(jié)說明，實(shí)心孔越大熱阻就越低，但是我們并不一定做實(shí)心鍍銅塞孔那些費(fèi)錢的活，我們還有其他辦法解決這個(gè)問題，就是增加通孔的數(shù)量也顯示出相當(dāng)大的改進(jìn)。

下圖仿真表示了通孔直徑對應(yīng)熱阻關(guān)系

下一種情況考慮了改變散熱通孔數(shù)量的影響，如下圖所示。這些通孔是實(shí)心鍍銅，直徑為10mil，中心間距25mil，選擇該尺寸是因?yàn)榭梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)的電鍍技術(shù)來填充通孔而無需額外的處理。（14個(gè)via是LED器件散熱焊盤最大面積）

下圖中顯示的結(jié)果表明，增加14個(gè)以上的通孔數(shù)量幾乎沒有改善（這是垂直于LED散熱焊盤的最大可實(shí)現(xiàn)密度）

鑒于散熱通孔的總可用面積通常是固定的，則可使用大量較小的通孔以填充該面積的較大部分。0.3mm孔是比較合理大小。

PCB散熱面積影響

下圖是FR-4 PCB，有14個(gè)直徑為0.254-mm的鍍銅通孔，其散熱銅箔寬度別為（3.3、4.0、6.0、10.0、14.0、20.0mm）

下圖仿真結(jié)果可見隨著底部導(dǎo)熱墊寬度的增加，熱阻存在一個(gè)小的差異，對于厚度為1.6mm的板，將寬度增加到12mm以上幾乎沒有改善，而對于厚度為0.8mm的板，則該改進(jìn)在寬度超過16mm時(shí)逐漸減小。

熱模擬的總結(jié)結(jié)果

模擬的結(jié)果表明，要使FR-4板的熱阻達(dá)到最低，應(yīng)將電介質(zhì)厚度減小至0.8mm。使用大量通孔盡管會(huì)降低熱阻，但還需要考慮制造板的成本。較大的未填充通孔會(huì)導(dǎo)致在焊接過程中通孔部分填充的可能性。較小的實(shí)心填充通孔是更好的解決方案。 ? 最后，由于熱擴(kuò)散阻力，增加額外的通孔并增加銅箔面積的寬度超過特定點(diǎn)會(huì)降低效益。建議創(chuàng)建10mil也可0.3mm（省錢）的通孔區(qū)域。選擇該參數(shù)的原因是性能和可制造性的結(jié)合。根據(jù)幾家PCB制造商的說法，與2oz一起使用時(shí)，10mil的孔和25mil的間距是合理且可重復(fù)的生產(chǎn)選擇。 ? 在板電鍍過程中，可以可靠地將固態(tài)銅填充到電鍍液中。在PCB孔直徑和通孔數(shù)量影響最后一部中的仿真顯示，在0.8毫米FR-4 PCB上，10密耳通孔可以達(dá)到4°C/W（過孔實(shí)心銅）。

編輯：黃飛

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