關于PCB芯片散熱焊盤設計方案

前言?

工作中的電路板有許多發熱比較大的元器件，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。

在結構上，板上開有一個通孔，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準規格，且不能過厚。此外，由于微型化仍然是基本設計要求，因此PCB的面積應依照實際需求設計，實際的銅箔的厚度也不能做的得非常大，因此當PCB超過一定的單面散熱面積時，單面電路板散熱效果會大打折扣。FR-4的導熱系數非常低。 ? 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域連接起來效果會很不錯。

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，實心(銅)填充通孔的能力可進一步降低熱阻。

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

除了在PCB生產的電鍍過程中創建實心過孔之外，另一種選擇是在PCB生產過程中用銅（或其他一些導熱材料，例如導電環氧樹脂）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過回流焊，未填充的通孔可能會被焊料填充。但是，這樣會被很多因素干擾，產生焊錫芯吸從而導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影響熱導率。

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，焊料過多可能會導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，通孔內部的液態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原則構造通孔結構，將內部通孔直徑保持在0.25mm-0.3mm左右，則可以實現最小的焊料芯吸。

這種方法的缺點是較小的開口會導致較高的整體熱阻。

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入或離開導熱通孔，具體取決于阻焊層所在的板的面（有的蓋不好）。

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

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

下圖填充不同電導率材料的FR-4通孔的熱阻分析結果表示填充了固態銅過孔會導致較低的熱阻，而未填充的過孔會提供較高的熱阻。填充有導電環氧樹脂的過孔的性能僅比未填充的過孔好。

PCB孔直徑和通孔數量影響

通過上一節說明，實心孔越大熱阻就越低，但是我們并不一定做實心鍍銅塞孔那些費錢的活，我們還有其他辦法解決這個問題，就是增加通孔的數量也顯示出相當大的改進。

下圖仿真表示了通孔直徑對應熱阻關系

下一種情況考慮了改變散熱通孔數量的影響，如下圖所示。這些通孔是實心鍍銅，直徑為10mil，中心間距25mil，選擇該尺寸是因為可以使用標準的電鍍技術來填充通孔而無需額外的處理。（14個via是LED器件散熱焊盤最大面積）

下圖中顯示的結果表明，增加14個以上的通孔數量幾乎沒有改善（這是垂直于LED散熱焊盤的最大可實現密度）

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）

下圖仿真結果可見隨著底部導熱墊寬度的增加，熱阻存在一個小的差異，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，則該改進在寬度超過16mm時逐漸減小。

熱模擬的總結結果

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

編輯：黃飛

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