导（散）热印制板

林金堵

本刊名誉主编

吴梅珠

（江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083）

随着电子产品“轻、薄、短、小”化发展与进步，把大量强大功能集成到更小的组件中，驱使印制板走向高密度化，同时信号传输高频化或高速数字化的发展，这两大因素驱使着印制板的工作温度急剧地上升着[1][2]！传统的印制板的工作温升大多数在70 ℃左右，而高密度化或大功率的印制板的工作温升已经达到110 ℃左右，甚至可超过130 ℃。大量试验和统计数据表明，电子元器件（最佳工作温度后）的温升2 ℃其可靠性便下降10%，温升50 ℃的使用寿命只有温升25 ℃的1/6[3]！因此，印制板工作温度已成为影响可靠性和使用寿命的最重要的因素，降低印制板的温升已成为印制电路板的设计者和制造者的突出课题。

减少印制板温升是印制板设计和制造的重要课题，设计者应该优化和控制散热的方式和技术，如：优化不同发热量的元器件散热位置；选用低发热量的元器件；采用厚铜箔形成的线路；优化线路提高电源效率；最重要的是采用高导热的印制板材料和结构（金属芯或金属基）等措施，形成新型的散（导）热印制板。

散（导）热印制板是指能够把印制板内部产生的热量通过其内的导热材料（导热系数大的金属、树脂等）把热量迅速传递（导）到板面再散发出去，使印制板能够在较低温度（或允许的工作温度）下进行可靠和保证使用寿命的工作。

1 散（导）热印制板的提出

开发和发展散（导）热印制板这个问题早在20世纪70年代就提出来并在航天航空中得到了应用，而工业上和民用产品上还是近10年来的事。主要是通讯（特别是移动或便携电子）产品的快速发展与进步，目前和今后，散（导）热印制板将会有更迫切的要求和提速！

1.1 PCB高密度化带来大功耗化

电子产品或PCB产品的高密度（小型）化，使其尺寸急剧地减小下来（图1），尽管其功率也相对下降起来，但是，由于元器件的减少是以尺寸平方的关系而减小的，而功率的减小是单值地下降着，所以其下降程度远小于尺寸的减少。如图1所示的由安装面积2025 mm2下降到144 mm2，面积降低了13倍（为原来的1/14），而功率下降要小得多，其结果是应用（或单位面积或单位体积）的功率幅度却明显增加了，这些应用功率的明显增加必然带来功耗明显的增加，因此印制板的温升便急剧地增加了，正如前面指出的高密度印制板的工作（或运行）温升已经由传统的70 ℃上升到100 ℃以上、甚至超过130 ℃！目前，高密度印制板（如封装基板）的线宽/间距（L/S）已经缩小到20μm左右（L/S＝20μm/20μm），由于元组件的功率减小远不如面积缩小得快，仍将带来印制板的温升更加明显[1]。加上21世纪迅速发展起来的LED照明产品仅为传统白炽灯10%能量，但寿命长40倍，然而LED照明，只有在≤90 ℃下，才能维持这个功率和长的寿命，因此，散（导）热的印制板的提出和急剧要求便成为PCB设计和生产的突出的课题。

1.2 信号传输高频化或高速数字化

电子产品的信号传输越来越高频化和高速数字化。在50年前，超过300兆的传输频率便认为是高频化了，现在300 G（1 G=1000 M）、1000 G或更高的频率都在应用（特别是在国防与军事上）了。正是PCB的电子信号传输高频化（或高速数字化）使单位时间内的功耗随信号高频化程度增加而增加了，从而带来更大的功率消耗和温升。同样的，这些更高功耗而带来的温升也威胁着电子产品使用的可靠性和寿命，必须通过散（导）热（或热设计）方法加强散（导）热而使温度降低下来！

1.3 发光二极管（LED）散热与应用问题

LED（发光二极管）是半导体的一种，出现于20世纪60年代初，通过50多年来的发展，采用不同的半导体材料，可获得各种各样的颜色或波长的光，广泛应用于各个行业，其中最突出的是照明方面。

1.3.1 LED “超级灯泡”的诞生

飞利浦发明的“超级灯泡”， 在2011年美国能源部举办的“照亮明天”照明竞赛奖中获得2011年大奖并获奖1000万美圆[4]。

（1）性能。大约10瓦功率的LED灯相当于60瓦的普通灯的亮度，而使用寿命可提高大约170倍，见表1。

（2）效果。现美国每年销售4.25亿个60瓦灯泡，如用”超极灯泡”取代，则可节省能源83%，每年节省能源费用39亿美圆，可避免2000万吨CO2排放。节省的能源可供现在华盛顿特区用电量三年，可为1800户家庭3年照明。

1.3.2 LED灯泡发热问题

表1 LED灯泡的优势

尽管采用LED照明产品，其功率仅为传统白炽灯10%，而寿命还可长40倍以上，然而只有在≤90 ℃下工作，才能维持这个功率和长的寿命！

大家知道，传统的照明灯，真正用来发光的功率（能源）只有百分之几而已，其余的功率都消耗在”加热”、”发热”上，而加在LED上的功率用于发光的只能达到15%～20%之间，其余的能量也是消耗在发热上。因此，用于在LED照明的印制板的散（导）热是极为重要的，一般都是采用金属基板才行（图3）。

1.3.3 LED的应用市场

LED的应用，不仅可用于各种各样的照明领域，而且还可用于显示/指示等功用，还可以用于激光加工等领域，其应用远景和潜力非常广泛而远大！

LED的应用和未来市场如图4所示。尽管LED的应用优势明显、市场广泛，但是LED的缺点是发热问题。因此在使用LED的场合，几乎必须解决散（导）热的热设计课题，才能保证在≤90 ℃下工作而发挥其特性！

从印制电路板的高密度化、信号传输高频化或高速数字化和LED开发应用等的发展和进步，要求印制电路板内部应有越来越好的耐热性和散（导）热性能才行。

2 散（导）热印制板的类型

电子产品和PCB都面临着散（导）热的热设计问题，一般是采用：（1）PCB基板外加散（导）热件（片）或材料，如图5中的a和b；（2）PCB基板本身（主要是内部）附加（或具有）导热功能，如图5的c和d等所示。而PCB基板本身（主要是内部）附加（或具有）导热功能将是主要发展方向。

由于PCB面临着发热（温升）越来越大的问题，而传统的电子产品散热方法有：（1）风冷技术，利用风扇把热带走而散热；（2）涂覆散热物质技术，如安装散热片、涂覆散热硅胶等方法；（3）液冷技术，利用冷却水或液氮等循环把热带走；（4）增加铜的厚度和导体（线）的宽度，这显然是与高密度化相矛盾的，只有在有大电流的场合才不得不采用；（5）PCB本身耐热/散（导）热技术，如利用埋嵌金属芯（铜、铝等）、金属基板和采用高导热树脂的CCL方法。本文仅限于（5）的内容进行评述。

表2 各种基板的导热系数（率）[5][6]

散（导）热印制板的类型可以多种多样，按其出现时间（历史）和类型，主要的有三种（表2）：（1）金属芯印制板；（2）金属基印制板；（3）高导热树脂或填料的印制板。

2.1 印制电路板原辅材料的散（导）热性能

印制电路板原辅材料的散（导）热性能如表3所示[1]。

从表3中可看出，常规PCB的介质层材料的热导率很小，不能把PCB上由于焊接和使用过程产生的高热快速地传递（导）或释放（散发）出去，从而引起PCB内温升和可靠性问题。为了解决这个问题，我们可以采取下述三种有效措施来降低PCB的温升和高热（温）问题：（1）金属芯印制板；（2）金属基印制板；（3）高导热介质基印制板。

2.2 金属芯印制板

由于金属具有好的散（导）热性能（见表1 ）。如果把金属板（片）埋嵌到PCB介质层之内，则可把介质层内的热量通过金属板（片）快速传递出来而散发掉，使PCB内部温度降下来。达到可操作的温度范围之内。因此，在PCB内部的合适位置埋嵌入金属（如铜、铝等）板（片、块）便可达到降温目的。PCB年内埋嵌金属板（片）如图6所表示。

2.3 金属基印制板

同理， 由于金属具有好的散（导）热性能（见表1），如果把印制线路等贴压在涂覆有导热而绝缘（如导热硅胶膜等）的金属基上，则印制板内的热量便可以通过导热胶膜（绝缘介质层）而迅速传递到金属基板而散发出去，从而降低印制板的温度。图7表示采用的铝基覆铜板及其形成的四层铝基印制板。

2.4 高导热树脂印制板

高导热树脂印制板是采用高导热树脂或添加有高导热材料（大都为陶瓷粉末，如SiO2等）的CCL（见表1所示）而制造的印制板。这些印制板的导热等级虽然比传统（常规）印制板要好，但比起金属芯印制板和金属基印制板还是差得很多，因此大多用于低等级的散（导）热的领域（高端的工业等用的电子产品），不适合于大功率LED和高可靠性要求（航空、航天、军事、医疗等）的领域。

以上三大类型的导热印制板是可以用来满足不同导（散）热等级需求的场合和领域，并从而可演变为各种各样结构类型和级别的导（散）热印制板。

3 散（导）热板的加工技术

表3 各种原、辅材料的导热等性能情况

关于散（导）热印制板的加工技术，可参见《现代印制电路先进技术（第三板）》一书的第六章进行了较详细的评述与介绍，在本节中仅作概要的介绍。

3.1 金属芯印制板

金属芯印制板是把散（导）热性金属板（片，如铝、铜、钢、碳素等）嵌入到印制（多层）板内部的介质层中，而嵌入的金属芯（板）可以是对称（离两个板面是对等的，如图6所示）的，也可以是不对称（如靠近发热多的板面）的，主要是根据印制板的发热程度（最大发热元组件位置）和内部结构等因素来决定。当然还要考虑到印制板PCB的翘曲度和热膨胀系数（CTE）等的因素。

由于金属芯主要是用于导热的而非用于导体的，因此必须加以绝缘（隔离）开来。所以在层压之前，金属芯板要进行预钻孔，其孔径一般要比导电的金属化孔径大0.5 mm左右（取决于印制板密度），然后按板的结构与内层芯片、半固化片等定（对）位叠合进行多层板层压形成，由于金属芯片很薄，其开孔的绝缘，一般可采用树脂含量高和流动度大的半固化片，在高温层压时被树脂所充填。接着在钻孔时，由于金属化的孔小于金属芯片的开孔尺寸，则金属芯被树脂隔离而绝缘开来（见图6所示）。

3.2 金属基印制板

一般是指在金属基板上的一个表面或双表面按印制板制造方法形成线路图形的产品。如果金属（铝、铜、钢等）基仅是传（导）热作用，则必须采用高导热的绝缘薄覆层而隔离开来。一般金属基材料供应商已经涂覆有这样的高导热的绝缘层。

如果是双面的金属基印制板，其制造方法主要是把金属基形成的通孔（尺寸要大些）用树脂隔离而绝缘开来（如金属芯印制板制造方法），实际上这种印制板也是金属芯印制板了。更详细的制造方法请见《现印制电路先进技术》（第三版上册）第六章第三节的叙述。

3.3 高导热树脂印制板。

这种印制板是指不采用金属材料来导热的，它的导（散）热主要是依靠基板材料（CCL）内介质层的高导热树脂或添加高导热填料（如陶瓷粉料），其导热率大多数在（0.4～1.0）W/m·K之间。因此，我们可以选购各种级别的高导热的覆铜箔层压板（CCL）基材，按传统（或现行）的印制板制造工艺和生产技术来完成各种各样需求的导热等级PCB产品。

参考资料

[1]林金堵,梁志立,邬宁彪等. 现印制电路先进技术(第三版)[M]. 上海:中国印制电路行业协会CPCA印制电路信息杂志社PCI, 2013. 上册23-24,312-320:下册173-175, 266-267.

[2]祝大同. 散热基板市场增大对PCB产业发展的驱动[J]. 印制电路信息, 2011(2):6-11.

[3]纪成光,高 斌,肖 璐等. 高导热板材PCB产品开发[J]. 印制电路信息,2013(8):24-31.

[4]全世界最高效的灯泡. 参考消息.2011,8,13.

[5]辜信实主编. 印制电路用覆铜箔层压板(第二版)[M]. 北京:化学工业出版社,2013,407-409；427-443.

[6]台资-腾辉电子集体的产品说明书. 2013.