金屬基PCB的散熱性能研究

彭 軍 宋關強 劉延祺（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518053）

金屬基PCB的散熱性能研究

Paper Code: S-098

彭 軍 宋關強 劉延祺
（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518053）

隨著電子產品向輕、薄、小、高密度、多功能化發展,印制板上元件組裝密度和集成度越來越高,功率消耗越來越大,對PCB基板的散熱性要求越來越高。高散熱金屬PCB基板因其良好的散熱性能得到廣泛的應用。與此同時，業界對金屬基的散熱能力的評估提出了更高的需求，終端等設計者希望知道金屬基尺寸與散熱能力之間的定量關系，來指導他們的設計，本文就此問題做了一些基礎研究。

金屬基；熱阻；散熱

隨著電子系統集成化程度越來越高，電子的熱可靠性設計變得越來越重要。眾所周知，在PCB中功放區域埋置金屬塊是一種很好的散熱方式，近年來此類產品在功放和電源等模塊應用越來越多，由于理論和實際總是存在差別，終端設計者最為關心的一個問題是金屬基的尺寸和其埋入PCB后的實際散熱能力之間的定量關系，他們希望PCB廠家出一個定量的關系和設計文件來指導他們的設計,今年本人就此疑問與90769客戶、我司研發管理部等合作，對此問題作了以下兩方面的基本研究。

（1）對在尺寸相同板件中埋入不同尺寸的金屬銅基的散熱進行了仿真和實測，并對仿真結果和實測結果進行了比較分析，得出了銅基尺寸與熱阻的關系。

（2）對銅基的形狀和銅基之間的間距進行了仿真分析，定性的分析了銅基形狀和間距與熱阻之間的關系。

1 不同銅基尺寸散熱能力的仿真與實測

為了更好的理解金屬基尺寸的真實散熱能力，PCB尺寸為60 mm*60 mm，銅基尺寸為10 mm*10 mm，20 mm*20 mm，30 mm*30 mm，40 mm*40 mm，仿真初始條件和實測的環境設置如下：

仿真：仿真軟件：ANSYS Workbench Static Thermal analysis;

表面換熱系數設置為10W/(m2*℃)；IC功率為0.5 W、1.25 W、2 W、3.125 W、4.5 W；

實測：

發熱芯片為ATC大功率電阻器件，型號為CT12525T00500J01，阻值為50歐姆。測試設備為紅外熱像儀FLUCK TI55；測試地點在研發實驗室高速實驗室，環境溫度21.7℃，濕度63.9%RH

（1）建模圖形及參數

圖1 熱仿真建模示意圖

表1 建模參數設置

（2）不同銅基尺寸的散熱能力仿真與實測

為了得到在相同功率下，銅基尺寸與其散熱能力的關系，對不同銅基尺寸上的芯片溫度進行仿真和實測，表2和表3分別是4.5 W下的不同銅基尺寸上芯片的仿真和實測的溫度云圖和相同銅基尺寸下不同功率的芯片仿真和實測溫度。

從表2和表3可以看出：①所有的仿真結果和實測結果比較吻合，說明建模成功可靠。②所有芯片下的銅基是溫度集中點，由銅基向板件的四周擴散，銅基尺寸越大，散熱越好。③在相同的銅基尺寸下，隨著功率的增大，芯片的溫度不斷升高，在銅基尺寸為10 mm*10 mm時，4.5W的功率下的芯片溫度達到150 ℃左右，相比0.5 w下的芯片溫度高了114℃。④在相同的功率下，芯片溫度隨著銅基尺寸的增大，銅基上芯片的溫度逐漸降低，4.5 W的功率下，當銅基尺寸由10 mm*10 mm時變為40 mm*40 mm時，芯片溫度由150 ℃降低到了70 ℃左右，這說明 了銅基尺寸的增大對芯片的散熱有著非常明顯的效果。⑤芯片到空氣的熱阻隨著銅基尺寸改變而顯著變化，當銅基尺寸增大16倍時，芯片到空氣的熱阻降低了58%。

表2 4.5w下不同銅基尺寸的芯片仿真和實測溫度云圖

表3 不同功率和不同銅基尺寸的芯片仿真和實測溫度

圖2 芯片至空氣熱阻仿真曲線圖

圖3 芯片至空氣熱阻仿真曲線圖

從圖2和圖3可以看出，不論是仿真還是實測，不同的功率下，芯片到空氣的熱阻隨銅基尺寸的變化趨勢一致，芯片到空氣的熱阻與銅基的面積成一個非線性關系，銅基面積與熱阻究竟成何種關系，以4.5w為例，對曲線進行擬合，如圖4所示：

圖4 4.5W芯片至空氣熱阻擬合曲線圖

由此可以得出芯片至空氣的熱阻與銅基尺寸存在如下關系：R=12.48+29.25*(0.9948)S其中R為芯片到空氣的熱阻，S為銅基面積。

2 不同銅基形狀散熱能力的仿真

為了進一步驗證仿真結果的準確性，本小節研究了銅基形狀對于芯片散熱性能的影響，設計了5種面積相等不同形狀的銅基，即銅基與板件的接觸周長不同。

經過仿真后，結果如表4所示：

表4 銅基形狀與熱阻關系數據表

從表4可以看出，開槽邊的散熱性能最好，內部開槽散熱性能最差。不難看出，在相同面積下，隨著銅基與PCB接觸周長增大，芯片到到電路板的熱阻逐漸減小。值得說明的是，第五種銅基底部開槽方式，雖然表面上增加了銅基與空氣的接觸面積，但是對于散熱性能并沒有改善，反倒降低。分析其原因，是銅基用料減小，橫向導熱能力下降。

3 不同銅基間距散熱能力的仿真

由于實際電路板上可能含有不止一個大功率的芯片，其工作時芯片間的熱量會存在相互耦合，造成散熱能力下降。且距離越近，熱量耦合就越嚴重，越不利散熱。為了研究間距對于散熱的影響，本實驗建立多組模型來仿真不同銅基間距下芯片的溫升情況。在本模型中，PCB為100 mm*100 mm*2 mm，銅基10 mm*10 mm*2 mm。仿真數據如表5所示，很容易看出，隨著銅基間距的變大，芯片到空氣的熱阻變化非常明顯。當銅基間距小于20 mm時，芯片到空氣的熱阻隨銅基間距增大而減小，當芯片間距大于20 mm時，隨著間距增大，芯片至空氣的熱阻反而上升。如何解釋此現象呢？

表5 銅基間距與熱阻關系數據表

對應的芯片間距與熱阻關系曲線如下圖所示：

圖5 芯片至空氣的熱阻隨銅基間距的曲線圖

圖6 不同銅基間距的熱量分布圖

通過圖8可以看出端倪。當銅基間距很小時，兩個芯片產生的熱場就會耦合，間距越小，耦合度越大，散熱越不好；隨著間距的增大，熱耦合逐漸減小，當間距越來越大，芯片距離板邊的距離也越來越近，由于介質的不連續，芯片至向板邊方向的熱傳遞就會存在反射，熱量反向傳回給芯片導致芯片溫升。

因此在實際設計中，我們不僅需要考慮銅基的尺寸，還得考慮銅基間的間距，最好將大功率芯片間距設定在最佳間距的區間內，以達到最好的散熱效果。

當然，由于電路板的疊層不盡相同，橫向導熱系數不同，板子大小也不同，因此我們在設計間距時，要具體情況具體分析。

4 結論

本文通過仿真加部分實測的方式，對不同銅基尺寸的大小散熱能力進行了詳細的仿真和實測研究，通過仿真和實測可以發現，金屬基的散熱能力與其尺寸有著直接的聯系，隨著金屬基的尺寸增加，其與板件接觸周長增大，其散熱能力逐漸增大。但在PCB尺寸固定的情況下，埋入銅基的間距直接影響著其散熱能力，銅基的間距并不是越大越好，而是存在一個最佳區間，只有找到了這個最佳間距，才能更好的發揮銅基的散熱能力！因此我們做相關散熱設計時，不應只考慮銅基尺寸，而要考慮銅基與PCB接觸周長、銅基間的間距等諸多因素的影響。

[1] 楊世銘. 2010.傳熱學, 高等教育出版社.

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[4] Yun Ling, On Current Carrying Capacities of PCB Traces，2002 Electronic Components and Technology Conference.

[5] Johannes Adam, New Correlations Between Electrical Current and Temperature Rise in PCB Traces, 20th IEEE SEMI-THERM Symposium.

Research on heat dissipation performance of metal based PCB

PENG Jun SONG Guan-qiang LIU Yan-qi

Along with development of the electronic products , the heat dissipation of PCB demand is higher and higher. Today, the metal base PCB has got the very extensive application, in order to better solve the problem of heat dissipation. Designers want to know the relationship between the size of metal base and heat dissipation ability. This article did some basic research on the relationship between the size of metal base and heat dissipation.

Thermal Resistance; Metal Base; Heat Dissipation

TN41

A

1009-0096（2015）03-0197-06