GAReth Parry

Draig Technol­ogies Inc 总裁，该公司提供电子、PCB 和设计行业的技术咨询服务。

PCB基板对导热介质的需求量和应用在稳步增长，尤其是随着LED照明不断发展，导热介质的使用量出现了激增。

很多导热介质有着和标准FR-4介质非常相似的特性：用玻璃织物增强的环氧树脂（或聚酰亚胺），其中添加了导电填料，其填料的类型、体积、几何形状及浓度决定了导热介质的散热性能/机械性能。导热介质的导热系数一般介于1.0 W/m·k~3.2 W/m·k之间，相比之下，标准FR-4的导热系数为0.3 W/m·K；铜的导热系数为398 W/m·K。

为什么需要使用导热介质？

答案很简单，因为系统的散热管理需要。安装在PCB或IMS上的元件需要通电运行，而副产品就是产生热能。电流通过铜导体时会因为铜电阻的存在而产生热量。电阻越大，需要散去的热能也就越多。随着导体温度升高，电阻值也会增大。在未加控制的设计中会出现这样一种失控情况——温度升高导致电阻值增大，随之温度继续升高，形成恶性循环，最终导致电路损毁。在大多数情况下并非如此，但对于大功率应用和高速信号而言，散热管理是真正值得考虑的问题。

LED通常不会产生大量热量，而且触摸时温度较低。但为什么对导热介质的需求却在不断增加呢？可以从这个角度来理解——100瓦的白炽灯泡所消耗的电能大约会转换为12%的热量、83%的IR和5%的可视光。普通的低瓦数LED大约产出15%的可视光和85%的热量[1]。但在使用大功率LED（>1瓦）时，就有必要采用高效的散热管理。如果散热效果不佳，LED的内部温度就会升高，从而导致LED的属性产生变化。随着LED的结点温度升高，流明（亮度）输出会降低。输出波长同样也会随着结点温度的变化而改变。被动解决这种散热问题的最佳方式就是使用具有较高导热系数的材料，将热量从结点位置尽快散去。介质在横向（X和Y方向）以及穿过器件主体的纵向都应该具有高导热性。

大多数LED的电路布线都十分简单，只需要一层布线。单面IMS包括一个埋嵌在铜箔和铝散热片中间的薄导热介质。介质有助于将铜电路中的热能传导到铝散热片中，然后通过空气对流将热能散去，或是通过机械安装系统导出。更复杂的设计会在散热片上安装多层铜电路。在层压前，元件可以通过布线的方式安装到铝的两侧。铝散热片很少用于电路电气接地。如果设计要求与铝形成电气连接，那么制造连接铝的电镀通孔会是一个复杂的过程。铝会对化学镀铜溶液产生相反的作用，虽然这种方式可行，但很少有PCB工厂提供这种工艺。更简单的方法是使用铜散热片，而不用铝散热片。

图1：标准IMS结构

铜是非常好的导热体（~400W/m·K），但由于成本和重量的原因，大多数应用更倾向于使用铝散热片。

表1:铝与铜的属性对比

出自InfoMine 价格周报07/17

如上所述，铝会对化学镀铜产生相反的作用。一些表面处理也是如此，例如化学镀镍/浸金（ENIG）。如果浸金溶液接触到铝会产生不良反应。改善措施是用光致聚合物和/或胶带遮盖住暴露在外面的铝。大部分制造商都不希望保护性材料上出现划痕或针孔，而且会避免给IMS产品提供ENIG或ENEPIG表面处理。无铅喷锡（HAL）是最普遍使用的表面处理，但设计师需要和工厂确认他们选择的表面涂层是安全的。

大多数层压板的导热系数也就是独立介质的导热系数。一些技术指标文件会提供层压板（铜+介质+铝）的导热系数，但这有一定的误导性。作为系统的整体性能评估方式，设计师可能更需要把重点放在热阻抗而不是导热系数上。热阻抗（或热电阻）是导热系数的倒数乘以材料厚度。因此，介质越薄、热阻抗越低。对于整个系统或某个特定接点而言，热阻抗可通过以下方式计算得出：

从导热系数为3.2 W/m·K的5 mil介质变成导热系数为2 W/m·K的1.5 mil介质，介质的热阻抗会降低2倍。介质越薄、热阻抗越低。如果设计规定要用更薄的介质，那么介质的耐电压能力就成为了更重要的考虑因素。为了确保质量和可靠性，建议CCL制造商在发货前对IMS层压板进行100%的耐压测试。这可以确保薄层压板上不存在小孔或异物而导致高压失效。

一般情况下，PCB设计中使用的导热介质需要高电流负载。主要应用于电机控制、电源供给、AC/DC 转换器和固态继电器等产品。如上文所述，LED行业在过去十年中是这种应用不断发展的驱动因素。

最近，在完整建构的多层PCB中使用导热介质的解决方案引起广泛兴趣。相比昂贵的风扇、导热管和液体浸泡冷却的方法，这种方法可以更有效地管理PCB中元件的热能输出。在与Advanced Micro Devices Graphic Card Division、Lazer-Tech PCB和Cartel Electronics公司合作过程中，我们在整个叠层结构中使用了导热系数为2.2 W/m·K和3.2 W/m·K的导热介质系统生产了6层和12层结构、HDI以及阻抗可控式PCB。与用FR-4相比，用导热介质PCB的热阻抗降低了16%。此方法可长期改善成本问题。

我们还需要做更多的工作才能让这些材料在完整构建的复杂PCB中充分发挥优点。随着技术不断发展，PCB设计对散热管理方案的需求也会不断增加。