PCB散热技术分析

上海交通大学
硕士学位论文
PCB散热技术分析
姓名：吉仕福
申请学位级别：硕士专业：制冷与低温工程指导教师：王文
20060201
申请上海交通大学硕士学位论文
摘要
随着微电子技术的迅速发展，电子器件的微型化、芯片主频不断提高，功能日益增强，单个芯片的功耗逐渐增大，这些都导致热流密度的急剧提高。

而研究表明,超过55 %的电子设备的失效形式是由温度过高引起的,因此电子器件的热可靠性设计在电子器件发展中具有举足轻重的作用。

由于电子元器件的小型化和集成化,这种散热手段要求具有紧凑性、可靠性、灵活性、高散热效率、不需要维修等特点,从而为现代传热技术在电子冷却领域的应用提出了新的课题。

本文从板级热设计出发，通过优化设计热流通道，降低设备与散热环境之间的热阻，并提供一个温度比较低的散热器，以较少的冷却代价把设备内部有害的热量尽可能释放掉，使设备在其所处环境条件下，保持在可靠性要求所规定的温度范围之内，确保器件安全、可靠的工作。

本文结合封装的特点，改善器件与PCB之间的传热路径，对PCB互连结构进行优化设计，提高器件散热性能及PCB可靠性。

具体内容可细化为：
（1）从热阻计算出发，进行分析研究内层铜皮厚度对PCB的平面导热系数以及器件结点温度的影响。

计算仿真表明，增大内层铜皮厚度能有效降低
平面方向的温度梯度；在JEDEC标准下仿真结果表明，当其小于1OZ
时，其厚度对器件结温影响明显，但随后对结温的影响逐渐减小。

热过
孔与热引脚之间的连接方式由走线改为铺铜连接、增大铺铜面积或在一
定程度上增加热过孔的个数，器件结温都有所降低。

用d/p、t/p来描述
热过孔参数对热阻的影响比用单个d、t、p来描述更合理。

热过孔的合
理设计区域为d/p>25%、t/p>2%。

（2）肋片模型简便描述了走线载流能力的影响因素；走线的载流能力与其所处的位置有关，中心走线载流能力最大，边缘走线的载流能力最小。

PCB
平面导热系数，对载流能力的影响较大。

PCB尺寸和对流换热系数的增大
都会使载流能力提高，但在增大到一定程度后其影响逐渐减小。

当PCB
材料全为FR-4时（无任何铜箔），理论计算结果与IPC提供的内层走线
的载流能力数据相当吻合；当环境对流换热系数较小时，内热源能引起
很大的温升，限制走线载流能力的提高；多根并行走线的载流能力与走
- I -
摘要
线宽度和间距密切相关
（3）机壳内温度控制设计中，PCB布局方面，在兼顾信号质量的基础上，各功率器件尽可能交叉布置；在散热器顶部加装导热垫，使之与壳体连接，可在较大程度上降低器件的结温；且挡风板的设计需结合机壳内的气流方向。

自然对流散热产品中，辐射换热不可忽视。

关键词：热设计，PCB，热过孔，载流能力，结点温度
- II -
申请上海交通大学硕士学位论文
ABSTRACT
With the development of microelectronics technology, electronic components become more and more compacted, and functions of chip become more complicated, and frequency of chip has been improved, heat dissipation of single chip has been increased. All these factors induce that heat flux increases seriously. Investigations show that faults of electronic components, more than 55% of these are caused by high running temperature. So, thermal reliability plays an important role in the development of electronic components. Because of the miniaturization and integration of electronic components, the compaction, reliability, flexibility, high efficiency and no maintenance of heat dissipation technologies are required. All these requirements have become the new domains of electronic cooling technology. This paper is based on board level thermal design. And reducing the thermal resistance between surrounding and equipment through the optimization of heat flow pass design, providing a relative low temperature heat sink to dissipate internal heat of components in low cost. And finally ensuring that the components are running safely and reliably under required temperature range in surrounding.
In order to improve thermal performance of components and the reliability of PCB, optimizations of PCB interconnection and heat transfer pass between component and PCB are necessary, and all these combine with the package characteristic. Detail work can divided into:
(1) Base on thermal resistance computation, analyzing the influence of the thickness of
internal copper layers on PCB planar thermal conductivity and component junction temperature. Simulation result indicates that increasing the thickness of internal copper layer can reduce planar temperature gradient effectively. And under JEDEC standard, simulation result shows that when the thickness of internal copper layer is less than 1 OZ, the thickness influences component junction temperature seriously. Changing the connection pattern between thermal via and thermal bump from tracing pattern to thermal landing, increasing thermal land area or increasing the number of thermal vias to some extent can reduce component junction temperature. Using d/p and t/p to describe the influence of thermal via parameters on thermal resistance is more reasonable than using d, t, p. Recommendable parameters designing range are d/p >25% and d/p >2%.
(2) Fin model describes trace current carrying capacity more directly. Trace current
- III -
摘要
carrying capacity is related to its position, and when the trace is located on the center and edge, the current carrying capacity is the largest and lowest, respectively. PCB planar conductivity coefficient plays an important role on trace current carrying capacity. When increasing the PCB dimension and convective heat transfer coefficient, current carrying capacity can be improved. But the influence of these parameters decrease gradually when they increase to some extent. When the material of PCB is pure FR_4 (no copper at all), theoretical result and the data of internal trace current carrying capacity provided by IPC are almost consistent. When surrounding convective heat transfer condition is restricted, the internal heat source of PCB can result in big temperature increasing, and limit current carrying capacity. Current carrying capacity of multi parallel traces is depending on trace width and trace pitch. (3) During box temperature control, PCB layout should be considered. Combined with
signal quality, heat dissipation components should distribute to some distance between each other. Adding thermal material on the top of heat sink to connect heat sink and shape can reduce component junction temperature effectively. And when designing air isolation board, the flow direction in box should be considered. In natural convection, the radiation heat transfer cannot be neglected.
KEY WORDS:thermal design, PCB, thermal via, current carrying capacity, junction temperature
- IV -
申请上海交通大学硕士学位论文
-Ⅶ-
符号表
英文字母：
W PCB 长度(m)
L PCB 宽度(m)
D PCB 厚度(m)
W 0 PCB 中心热源尺寸(m)
R 热阻(K/W)
A 面积(m 2)
T 温度(K)
I 电流(Ampere)
T ∆ 温升(K)
Q 热流量(W)
P 肋片截面周长(m)
Ac 肋片横截面积(m 2)
M 并行走线的根数
L 0 走线位置(m)
T b PCB 温度(℃)
T c 壳体温度(℃)
T J 结点温度(℃)
k 导热系数(W/(m K)) p 间距(m) d 过孔直接(m) t 镀铜厚度(m) q x 热流量(W/m 2) w 半走线宽度 (m) 0•q 走线热流密度(W/m 2) l q • PCB 热流密度(W/m 2) e ρ 电阻温度变化常数(m Ω) e 走线相对位置 h 表面对流换热系数 (W/(m 2 K))
希腊字母：
λ 塞孔率
ν 体积百分比
下标：
i 与i 层相关
parallel 与并列相关
∞ 与环境相关
x 与x 轴方向有关 y 与y 轴方向有关 cu 与铜相关
上海交通大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：吉仕福
日期： 2006年 02 月 15 日
上海交通大学
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□，在年解密后适用本授权书。

本学位论文属于
不保密□。

（请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名：吉仕福指导教师签名：王文
日期： 2006 年 02 月 15日日期： 2006年 02月 15 日
申请上海交通大学硕士学位论文
第一章绪论
§1.1研究背景及意义
在普通的数字电路的设计中，很少考虑到集成电路的散热，因为低速芯片的功耗一般很小，在自然散热的情况下，芯片的温升不会太大。

随着微电子技术的迅速发展，电子器件的微型化(例如,微处理器的特征尺寸在1990 年到2000 年内从0. 35μm 减小到0. 18μm[1])、芯片主频不断提高，功能日益增强，单个芯片的功耗逐渐增大，这些都导致热流密度的急剧提高。

1980 ～ 1999 年之间,电子器件的散热热流密度增加了12 倍[2]。

研究表明[3-5] ,超过55 %的电子设备的失效形式是由温度过高引起的,因此电子器件的热可靠性设计在电子器件发展中具有举足轻重的作用。

电子设备的高效散热一直是现代传热技术的主要应用之一[6-7]。

电子器件正常的工作温度范围一般为- 5 ～ + 65 ℃,超过这个范围,元件性能将显著下降,不能稳定工作,因而也势必影响系统运行的可靠性。

研究和实际应用表明,单个半导体元件的温度在70～80℃水平上每升高1 ℃,系统的可靠性将降低5 %[8]，因此电子技术的发展需要有良好的散热手段来保证。

由于电子元器件的小型化和集成化,这种散热手段要求具有紧凑性、可靠性、灵活性、高散热效率、不需要维修等特点,从而为现代传热技术在电子冷却领域的应用提出了新的课题。

随着电子电路集成化程度和各种大功率电子器件容量的增加,加上电子器件或装置体积尺寸越来越小,散热装置本身必须完成的散热要求也越来越高。

同时,散热结构的布置和设计遇到的约束也越来越严重。

进行热设计的目的就是利用热传递特性，在充分掌握各种设备热失效参数的前提下，通过优化设计热流通道，降低设备与散热环境之间的热阻，并提供一个温度比较低的散热器，以较少的冷却代价把设备内部有害的热量尽可能释放掉，使设备在其所处环境条件下，保持在可靠性要求所规定的温度范围之内。

确保设备可靠、安全的工作。

电子设备的热设计一般分为3个层次，即:系统级热设计，板级热设计，封装级热设计。

系统级热设计——就是对设备机箱、框架及容器等系统级别的热设计。

其主要任务是在保证设备承受外界各种环境、机械应力的前提下，充分保证与外界换热通
- 1 -
第一章绪论
道的畅通；研究内容是电子设备所处环境的温度对其影响，因为环境温度是板级热分析的重要边界条件，其热设计就是采取各种措施来控制环境温度，使电子设备工作在适宜的环境温度下。

在系统级热设计中，可安装风扇进行强制对流，也可以进行液体冷却等措施。

板级热设计—就是对电子模块、散热器、PCB板的热设计。

主要任务是有效地把印制板上的热引导到外部。

在考虑热引导的问题上，可以考虑采用高导热率的PCB 基材，或利用板上的印制电路线来进行热传导和散热；其中PCB基材的选择是电子设备封装级设计的重要内容，必须考虑材料的强度、绝缘和导热性能，目前常用的材料有环氧玻璃布、聚酞亚胺等。

封装级热设计—就是对元器件级别的热设计。

其主要内容是减小元器件的发热量，合理的散发元器件的热量，避免热量局部积蓄，降低元器件的温升。

在进行元器件安装的时候应该注意元器件的安装方式和布局，根据不同元器件的主要散热方式合理进行元件安装。

封装发展的趋势从早期PCB穿孔的安装方式到目前以表面粘着的型式，PCB上可以安装更多更密的IC，使得组装的密度增高，散热的问题也更为严重。

针对于IC 封装层级的散热问题，最基本的方式就是从组件本身的构造来做散热增强的设计。

而采用多层板设计等方式，对PCB层级的散热也有明显的帮助，而当发热密度更大时，则需要近一步的系统层级的散热设计如散热片或风扇的安装等，才能解决散热问题。

就成本的角度来看，各层级所需的费用是递增的，因此板级和IC封装层级的散热问题特别重要。

当自然条件的散热已经不能使芯片的温升控制在要求的指标之下时，就需要使用适当的散热措施来加快芯片表面热的释放，使芯片工作在正常的温度范围之内。

而很多情况下，由于结构的限制，没有足够的空间安装散热器、风扇等散热装置来降低芯片温度。

对于该类芯片，只能采用自然对流和导热方式来解决热问题。

研究和实验表明，大约有50%－70%的热量是通过PCB板导出，PCB的结构对散热影响很大。

因此，对PCB铜皮、热过孔等技术点进行分析研究，进行PCB 互连设计对散热影响的分析是很必要的。

同时，器件封装对本身的散热也有很大影响，不同类型封装通过PCB散热的百分比有很大区别。

为了找出散热的主要途径，重点分析研究散热的瓶颈，分析比较不同封装对PCB散热的依赖性也很有意义。

- 2 -
申请上海交通大学硕士学位论文
§1.2研究现状
器件产生的热量，可以通过封装的上表面或通过与其焊接在一起PCB传递出去。

总的来说，改善电子元器件的散热性能可以从以上两个方向着手。

一：改善器件表面的散热条件，在器件表面安装散热器、扩大散热面积、安装热管、风扇等，强化散热，从而降低器件结点温度；二：通过改善器件与PCB之间的散热途径，通过PCB 互连使热量从器件顺畅的传递到PCB上，把PCB作为扩展散热器，从而有效的控制器件的工作温度。

目前比较成熟技术包括：自然冷却技术、强迫空气冷却技术、相变冷却技术、半导体冷却技术等。

这些技术的共同特点是，散热结构安装在器件顶面，通过导热材料与器件有效的连接。

芯片产生的热量，通过封装传递到器件表面，然后再通过导热材料传递到散热结构（散热器）上，散热结构再配合风扇等达到强化散热的目的。

对风冷散热器的研究主要集中在它的两大部件上，即：风扇与翅片。

冷却电子元器件的气流通常由轴流风扇或贯流风机提供，这种风扇能够使翅片周围的空气形成紊流，增大翅片与周围空气的换热系数。

另外，为了有效地进行热传导，使热量尽可能地从一个部件传到另一个部件上，有效地减小散热器与封装之间的接触热阻是必要的，为此在散热器与电子元器件之间填充导热材料以减小热阻。

以前填充材料常以硅胶和云母垫片来充当，现在填充材料已经被新型材料所代替[9]。

还有采用自循环液体冷却装置[10]，其散热装置热阻也比较小。

热管式散热器则充分利用热管中液体的相变换热，极大的提高了导热性能，将热量从密集部位传递开，结合常规的散热器，能较好的解决高功耗器件的散热问题，成为笔记本电脑CPU散热的首选方案。

对于微小型热管，热管本身的热阻很小，整个系统的优化重点在与热管相连的其他部件[11-12]，如翅片。

Plesch等人[13] 1991报道的小型热管，其导热能力达到60W/cm2，Groll[14]等人总结比较各种形状、尺寸热管的散热效果。

通过改善热管结构，使热管蒸发段的液体能及时得到补充，从而提高传热效率，者中热管适于大功率、高频器件散热[15-17]。

Z. J. Zuo等人[18]提出简化方法对热管建模，能较准确得计算热管的储液量。

硅片材料的热管[19]，散热量可达110W/cm2,还有其他高散热量的热管在文献[20]中有报道，但散热量的增加，热阻也随之增加。

半导体制冷是在帕尔帖效应基础之上的一种冷却方式。

帕尔帖效应就是当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时结点将产生吸热或放热的现象。

它的优点是无噪声和震动，体积小，结构
- 3 -
第一章绪论
紧凑，操作和维护方便，不需要制冷剂，制冷量和制冷速度可以通过控制电流大小来调节，它在恒温和热流密度大的地方应用较广[21]。

采用CFD数值工具对PCB或封装进行热设计不但可以预测器件的工作温度，而且可以量化器件传热形式[22-24]，减少产品设计周期[25]；计算精度依赖于器件和PCB 的几何尺寸，以及材料物性参数的准确性。

尽管使用详细的数值建模方法，其器件工作温度计算误差一般比±3~5℃大[22-23]。

John Lohan等采用新的测量手段[26]，研究PCB表层走线铜箔以及内层铜皮对导热率的局部效应。

测量结果表明，导热率对表层走线铜箔以及内层铜皮很敏感，平面和法向的导热率平均值与半经验公式计算结果吻合非常好。

采用Computational Heat Transfer (CHT)方法，CGPA封装的相对误差大约为3.9%，导致4.6℃的温度误差，而对于BGA封装，相对误差上升到12.3%，温度误差约为6.2℃[27]。

文献[28-29] 采用compact热模型对板级热设计进行模拟，对单板导热率、拓扑结构和冷却环境变化的影响进行了研究。

其他人把die尺寸、热过孔、热凸台、边界条件、PCB热量以及散热器六个参数作为热分析变量[30]，对芯片封装稳态和过渡状态的热性能进行了分析。

其中辅助散热器对散热的影响最大占40%，其次是边界条件（自流对流或强制对流）和PCB发热量，die尺寸和PCB导热率影响约各占6%，热过孔的影响更小。

过渡状态的热负荷一般是稳态热负荷的几个数量级，研究了过渡状态的最大热负荷和过渡时间。

对TBGA封装进行详细建模表明，表面辐射约占整个散热的13%，忽略辐射时，模拟计算的结点温度将上升4.6℃[31]。

由于噪声、可靠性，轻便性以及板面高密度布局的限制，便携机内几乎没有空间来安装强制对流设备。

在被动冷却时却面临着大量的困难，机柜开孔影响电特性以及容易对内部器件造成损坏，而且还面临着美观和终端用户要求的限制。

结果是只能靠自然对流和导热把热量从热源传递到环境中去[32]。

Gebhart[33]等总结了在等温或等热流环境下，发热面二维自然对流的相关工作。

Smith等研究了三个PCB垂直安装在机箱内的导热、对流和辐射传热，在垂直方向上温度梯度较大时，辐射的影响很大[34]。

通过自然对流的三维流动的可视化、实验研究、压力场的研究表明[35-38]，忽略通过单板厚度方向热阻的一维简化模型分析结果与三维模拟以及实验结果基本一致。

电子系统可靠性的关键是保持IC的结点温度低于允许工作温度点[39]，因此发展了很多预测IC结点温度的分析方法，目前比较成熟的方法是基于数值传热求解问题的有限元和有限体积法，商业化热分析软件一般采用有限体积法。

值得一提的是Joshua C. Liu等人首次采用边界元法（BEM）计算电子封装系统的温度分布。

该方法首次将元件的基本传热微分方程转化为边界上的传热积分方程，然后离散化求解得出电子元件的温度分布。

BEM对于实际问题的建模提供了快速的方法，尤其是对
- 4 -
申请上海交通大学硕士学位论文
元件的三维模型，对某一设计参数的变化能够更加迅速地建立传热模型获得温度分布[40]。

美国Rome空军发展中心开发了计算电路板元件结点温度的专家系统,称之为个人计算机(PC)热分析器,大大地提高了元件结点温度的计算效率,为可靠性设计人员提供了进行电路板热分析的选择。

在电路板设计阶段,完成传统的热分析需要大量的时间和热分析的专业知识,而PC热分析器不需要热分析领域里的专业知识, 在设计阶段就可获得有价值的结果。

PC热分析器是两个技术领域热分析和专家系统结合的产物。

由于许多可靠性和电子设计工程师缺乏热分析的知识,基于规则的专家系统是较适合的补救办法。

将基本热分析的专家知识规则添加到专家系统框架,就形成了PC热分析器。

研究表明,PC热分析器比传统的有限差分的热分析方法计算速度快、精度高[41]。

半解析法预测印制电路板稳态温度是由JohnN.Funk等人提出的。

该方法对电路板及其上的元件分别建立传热方程,并有各自的解析解。

电路板温度的解析解是采用格林函数方法求解电路板的传热方程获得的;而芯片的解析解则是利用分离变量法求解其传热方程得到的。

半解析方法运算时间短,精度与有限元法相同[42],但是该方法适合于将电路板及其上的元器件简化为长方体的系统。

本论文采用电子热分析的主流软件Flotherm进行板级和封装级的热设计。

采用半解析方式，文献[43]对过孔热网络进行了分析，对叉排过孔建模分析，与数值计算结果基本吻合。

文献[44]介绍了LTCC基板上的热过孔设计，有效的减小热阻，降低器件结温。

当过孔面积与总面积之必小于25%时，法向热阻随之变化明显。

过孔与总面积比达到50%时，等效法向导热系数达到100W/(m K)。

在PBGA基板设计中热过孔与热引脚的优化设计以及过孔填充材料的影响，文献[45]给出了相关研究，认为填充材料的影响可以忽略。

Jason[46]用数值传热学的方法，编程计算热过孔的影响，与其他计算方法相比，其计算效率能大大提高，而精度相差不到1%。

通过热过孔参数的优化设计，其导热性能能提高10倍以上[47]。

基于焦耳热，文献[48]研究了逻辑电路中低介电常数/Cu材料对，温升与电流之间的关系。

IPC给出走线载流能力的设计图，其他学者也开展了相关工作。

从传热学基本公式出发，给出边界条件，忽略辐射的影响，计算出走线的载流能力。

数值模拟分析新材料下的载流能力[48-49]。

基本上，IEEE关于封装及PCB热分析的文章比较多，集中在数值模拟方面，分析对流环境、PCB导热系数、风道优化等。

国内开展电子热设计工作较晚。

- 5 -
第一章 绪论
- 6 -
§1.3 封装类别
所谓“封装”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术，也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，集成电路（IC ）封装已成为当今世界高速、高性能电子系统设计与开发的关键领域。

封装时主要考虑的因素有：为了提高封装效率，芯片面积与封装面积之比尽可能接近1：1；基于散热考虑，封装越薄越好；为了提高电性能，引脚尽量短以减小延时，间距尽量远以减小相互干扰。

电子器件封装热特性有很大差异，有的封装结构有利于热量从顶部传递，而有的则侧重于通过PCB 把热量传导出去。

因此，通过优化PCB 结构设计来改善器件散热性能，必须与电子器件封装本身的机构密切联系起来。

芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP （Dual In-line Package ）和SOP(Small Outline Package)、QFP （Quad Flat Package ）、PGA(Pin Grid Array Package)、BGA(Ball Grid Array Package)到CSP(Chip Size Package)再到MCM(Multi Chip Model)等，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。

下面介绍一下它们各自的特点。

§1.3.1 DIP 和SOP 封装器件
DIP 和SOP 是一种很常见的封装形式，在70、80年代比较流行。

DIP 封装适合于PCB 穿孔安装，绝大多数中小型集成电路（IC ）均采用这种封装形式，引脚数一般不超过100个，且封装体积比较大。

两种器件的封装效率都比较低。

本身热量密度不是很大，散热性能也不高。

其中SOP 封装的结点到环境的热阻值JA θ在60～100℃/W 之间，结点到壳体表明的热阻值JC θ在10～35℃/W 之间。

§1.3.2 QFP 封装器件及特性
封装芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大型集成电路采用这种封装形式，引脚数一般在100个以上。

这种形式封装的芯片必须采用SMD （表面安装设计技术）芯片与PCB 焊接起来。

适于高频使用，封装顶部的mold resin 具有。