PCB 設計對電子組件散熱性能之影響 劉君愷
PCB,熱設計
摘要:在電子組件及系統技術中PCB 扮演的角色越來越重要，隨著系統體積縮小的趨勢，IC 制程及封裝技術不斷向更細更小的連接及體積發展，作為組件及系統連接角色的PCB 也朝向連接細微化的高密度PCB 發展。另一方面，隨著電子產品發熱密度的不斷提升，對于PCB 層級散熱設計的需求也越來越受到重視。本文中將介紹PCB 的發展趨勢、材質及結構之熱傳特性、組件布局的散熱影響以及內藏式基板的發熱問題等，供設計之參考。
一、介紹
由于電子裝置的性能提升、模塊化、計算機速度高速化的結果，對于PCB 的種類造成很大的改變。PCB 的發展趨勢如圖一所示，發展主流由30 年前的單面板到20 年前的雙面板到十年前的多層板的開發，并由多層板朝高層板化（三層＞四層＞六層＞八層＞十層…＞二十層＞…＞…五十層＞..）。除了高層數的趨勢之外，也朝向薄板化發展，一般PCB 的板厚標準為1.6mm，然而隨著裝置體積的縮減，開始采用更薄的PCB（1.6mm>1.0mm>0.6mm>…..）。此外，隨著封裝設計的內部連接間距越來越小，數據傳輸速率的提升要求越來越高，基板和電路相互的連接也越來越精細，由傳統的玻璃/環氧基樹脂制程到新的技術如ALIVH及雷射鉆孔等技術的發展，使得繞線和空間的設計由1996 年的100μm降到2000年的50μm。
在封裝的發展趨勢中，功能提升及縮小化造成發熱密度越來越高，一些高頻通訊產品，只靠封裝設計已無法散去足夠的熱，必須藉由PCB 的設計來加強散熱功能。目前最新的內藏式機板的設計技術把被動組件如電阻、電感及電容等埋在PCB 中，如此可將表面的組件密度提升。而技術更高的目標則是結合光通訊組件以及內藏式機板的整合型光機板(EOCB)，如圖二所示。其溫度的控制將非常嚴苛，更將使機板設計的困難度提升。在高密度、多層化、低板厚的基本要求以及高頻電性、內藏組件及光特性等不同應用下，如何選擇PCB 材料并做適當之散熱設計已成為目前基板設計的一大挑戰。
電路板大致可分成六種不同的制程技術，包括印刷電路板(PCB)、陶瓷板（Ceramic board）、芯片直接承載的基板(Direct Chip Attach Substrate)以及多芯片模塊(Multichip Modules)、可撓性電路板（Flexible-Circuit Board）、金屬芯板（Metal-Core Boards）以及射出成形電路板（Molded Circuit Boards）【1】。印刷電路板（PCB）和PWB（Printed Writing Board）是相同的意義，常使用之PCB材料為有機之玻璃布基材環氧樹脂銅箔積層板（GE）及紙基材苯酚樹脂銅箔基層板（PP），是用途最廣的機板制程，由計算器用的薄板到電視、計算機等用的厚板等，是利用照相印刷（photoprint）以及鉆孔等方式來做組件間電路的連接，適合量產。陶瓷板的材質則是陶瓷材料如Al2O3、SiC、AIN 等，利用篩選（screening）及沖壓（punch）等方式來做電路的連接，亦可以（低溫共燒）cofired的方式制作出多層的復雜線路。芯片直接承載的基板則是作為芯片直接承載如COB、FCOB 及DCA 等之用，特性是I/O 數目高，連接密度高。可撓性電路板比PCB 更薄， 只有一層Poiymide 或Polyester ， 將銅箔以光刻法（Photolithographically）制成線路。射出成形電路板則是以射出成形的方式將熱塑性材料如Polysulfon、Ployetherimide 等射入模中成形，再以電鍍的方式將電路設置在板上，價格低，適合量產。金屬芯板則是以壓合的方式將金屬板和有機板材質結合，主要的目的是散熱增強，對于機械強度也有幫助，在本文中將有詳細的介紹。
二、PCB 基板材料之熱傳特性
PCB 是由絕緣基板及導電材料所組成，而PCB 的性能及可靠度主要是由絕緣材料所決定，設計者需依照機器裝置選擇適合之材料，并以圖面指定之。GE材質的電性及機械性能較好，但是價格較貴，而PP 的特性較差，但價格便宜，一般產業機械用（多為兩層板）GE 材質，民生機器用（多為單層板）PP 材質。
約十年前，價格在GE 及PP 之間的玻璃布紙基材苯酚樹脂銅箔基層板（CPE）及玻璃布玻璃不織布復合基材苯酚樹脂銅箔基層板（CGE）的開發使PCB 的價格降低，順應電子機器低價格的趨勢。陶瓷材料PCB 的應用目前也有增加的趨勢，和前者相比，其熱傳導性更高、熱膨脹系數(TEC)和芯片比較兼容以及密封性更好，但是價格高是其缺點。以下將先就熱傳導性做討論。
(一)熱傳導性之影響
1. 有機材料之PCB
以往PCB 所適用的材料重視電的絕緣性要求，使得熱傳導性小的材質受到重視，現在常用之玻璃布基材環氧樹脂積層板（GE）及紙基材苯酚樹脂基層板（PP）和其它材料相比幾乎是不導熱的材料。然而隨著零件發熱密度升高，使得單靠組件表面散熱的方式更為困難，增加PCB 的熱傳導性將有助于組件的散熱，因此需開發能同時滿足電性的絕緣性及熱傳導性的材料。樹脂材料使用時，可增加熱傳導率高之銅箔以增加等效熱傳導性，在GE 材料制之PCB，可由單層PCB＞雙層PCB＞多層PCB 的順序以增加平面方向的熱傳導性，如圖三所示，而垂直方向的熱傳導性則可靠通孔(via)的設計來增進，這在芯片直接承載的基板設計中尤其重要。
通孔一般用作電性的垂直傳輸，如圖四所示，但適當設計后之通孔也可增加PCB 在垂直方向的熱傳導性，對于芯片直接承載的基板的散熱有顯著的影響，如圖五所示。通孔外層是銅，由于鍍銅有限制，因此當孔徑較大時無法將銅鍍滿，因此中間則一般是膠。為了增加熱傳導性，可填充傳導性高的銀膠等，計算時需將銅含量估算進去，而以如上之等效方式計算傳導性，散熱通孔之影響如圖六所示，當通孔數量越多，孔徑越大，且越集中在發熱組件下方，散熱效果會越好。
2. 陶瓷材料制PCB
陶瓷制PCB 常用純度92~96%的氧化鋁（Al2O3），陶瓷材料之傳導性一般比金屬低，但比但比樹脂材料高兩位數，表二為陶瓷材料之熱傳導性【4,5】。此外在電性、機械、物理上的特性也優異，常用于高發熱密度之PCB，例如多芯片模塊（multichip module）以及高頻組件之基板或光電模塊等，如圖四所示【4】。
BeO 為熱傳導性優異的陶瓷材料，堪與鋁制材質比美，且有優異的電性絕緣特性，但因其有毒性，使用時需特別注意。最近以無毒性新開發之SiC 及AIN 之材料來替代BeO。
（二）熱膨脹系數之影響
PCB 所使用的絕緣基板材料是用玻璃布等纖維補強的基層板，因玻璃之熱膨脹系數比樹脂材料的小，平面方向的膨脹量受到限制，只有厚度方向的膨脹量有增加的趨勢。又因當溫度大于玻璃轉換溫度Tg 時，Z 方向的膨脹系數將急速增加，因而會造成在可靠性測試中溫度循環試驗時產生破壞的主因。在表面組裝時，絕緣基板在平面方向的熱膨脹系數則是重要的問題，由于組裝時會在接合部分產生熱應力，而產生在產品內部回路斷裂的危險。圖七為各種材料的熱膨脹系數（X-Y 方向）之比較【6】，目前PCB 的材質開發著重于和組裝組件材料（硅或氧化鋁）的熱膨脹系數相近的材質，陶瓷PCB 的熱膨脹系數則比有機材質的要低很多，因此可靠性較高。
三、金屬材料制PCB
由于發熱問題越來越嚴重，金屬基板在高效率的封裝制程如CMOS 及bipolar 芯片中將越來越重要，比起其它的PCB 可提供更好的散熱特性。金屬基板的基本散熱性能約為80mW/mm2，由于金屬的熱擴散性很好，因此也取代了許多需要散熱片的應用場合。金屬基板也提供了大塊的金屬面積，可作為接地及屏蔽之用，對于高頻的應用也很重要。此外，高金屬也提供了線路板機械上的強度需求。應用于金屬基板的金屬材料除了銅之外，其它像是鋁、合金以及金屬數組復合材料也可應用。金屬基板構造上可分為單面及雙面兩種，單面金屬板只有一面有電路，另一面為金屬，應用表面黏著（SMT）的方式組裝組件，基本構造如圖八所示，其熱阻值僅有約0.8℃/W，是鋪銅層FR4 的PCB 的1/6。而雙面金屬板則是兩面有線路，金屬夾于中間，也稱為金屬芯基板，上下兩層透過通道（via）相互連接，提升組裝密度，最近新技術利用將有機絕緣材料以及導體以連續沉積(sequential deposition)的方式制造于金屬板上，可以擴展到更多層的金屬基板，如圖九所示。多層金屬基板的熱阻值大約只有傳統板的1/2，散熱功能十分優越四、組件在PCB 上布局的影響PCB 上組件的配置對于散熱有很大的影響，相同的組件及發熱狀況安裝在不同的位置會有不同的溫度結果，這主要是受到PCB 的幾何形狀及環境條件的影響。在PCB 上適當的組件布局可以有效的降低組件溫度，考慮的幾個重點是。
1. 基本原則
(1) 板的放置方向
在自然對流時PCB 水平放置的效果較垂直放置的效果要差，這是因為垂直放置時，氣流可有效流過組件表面，而水平放置時，氣流只從組件表面向上流動。在強制對流時由于風量大，因此放置方向的效果較不明顯。
(2) 組件的發熱影響
當發熱量高的組件很接近時，彼此的發熱會有加成的效果，因此造成組件溫度上升，對可靠度會有不良的影響。一般對發熱量高的組件而言，PCB上有較大的空間以利熱傳，因此置于中間位置的IC 組件散熱效果較好。
2. 在PCB 上配置發熱特性不同的組件
當PCB 上安裝耐熱性不同的組件時散熱方面應考慮于下風側裝置怕熱的組件（IC、晶體管、電容器等），而于上風處裝置耐熱及發熱的組件（如電阻、變壓器），這是因為若將怕熱組件安裝于發熱組件的發熱路徑之上，會使得溫度變得更高。在實際情況不允許的時候，可考慮在組件之間加裝文件熱板。
3. 在PCB 上配置發熱特性不同的IC 時需注意事項
在這種狀況之下，要求的重點是考慮如何將其配置為均勻溫度分布，基本上式發熱量大的組件安裝于上風側，而將發熱量低的組件裝于下風側，如此發熱量大的IC，其溫度可以不會上升得太高。實際上的IC 溫度可由數值仿真軟件來做預測及仿真。
4. 組件配置需配合散熱方式
在自然對流時，由于通風來自溫差引起的浮力，因此要注意避免妨礙通風的凸起物，因此圖十b 的溫度較低。在強制對流時，由于可以得到強大的通風力，因此設計重點則是提高零件到表面的熱傳系數，加速空氣的混合，圖十a 的擺設方式雖然造成阻礙，但是如果風量足夠，擾流所引起的熱傳系數增加所造成的冷卻效果較大。
5. 組件配置配合系統設計
應將發熱量高的原件安裝于系統中方便通風的地方，例如通風口旁或接近風扇的地方，尤其是空間小的電子裝置如筆記型計算機等。如此可縮短散熱路徑，
也不會加熱到其它的裝置或組件。
五、結論
隨著電子產品發熱密度的不斷提升，PCB 的散熱需求也越來越受到重視，良好的組件散熱設計將可使組件的熱有效散去而使過熱問題的發生機會降低
【8】。當組件散熱無法滿足需求時，PCB 的散熱就成為很重要的設計方向。有了良好的PCB 散熱考慮，就可避免因額外于系統中加裝散熱裝置所產生空間、
成本及噪音等問題。良好的基板必須具備高熱傳導性及低熱膨脹系數，同時也應注意焊接線路對散熱的影響，此外一些特殊設計如金屬基板的設計都可以協助
PCB 散熱。最后在PCB 上IC 的布局及系統空氣流向等設計問題也會影響散熱，是設計時應注意的。
參考文獻
1.R. R. Tummala, et al., ”Microelectronics Packaging Handbook, Part 3”, chapter 17,ITP Press, 1997.
2.B. M. Guenin, “Convection and Radiation heat loss from a printed circuit board”,electronics Cooling, 4:1998.
3. J. E. Graebner, “Technical Brier: Thermal Conductivity of Printed Writing Boards,”Electronic Cooling, 1(2):27, 1995.
4. Clemens J.M. Lasance, “The thermal conductivity of ceramics”, Electronic Cooling（3）, 1995
5. J. Sergent and A. Krum, “Thermal managementment
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