在電子器件及系統(tǒng)技術中PCB扮演的角色越來越重要，隨著系統(tǒng)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(fā)展，作為器件及系統(tǒng)連接角色的PCB也朝向連接細微化的高密度PCB發(fā)展。另一方面，隨著電子產(chǎn)品發(fā)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(fā)展趨勢、材質(zhì)及結構之熱傳特性、器件布局的散熱影響以及內(nèi)藏式基板的發(fā)熱問題等，供設計之參考。

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(fā)展趨勢如圖一所示，發(fā)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(fā)，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(shù)的趨勢之外，也朝向薄板化發(fā)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(nèi)部連接間距越來越小，數(shù)據(jù)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(tǒng)的玻璃/環(huán)氧基樹脂制程到新的技術如ALIVH及雷射鉆孔等技術的發(fā)展，使得繞線和空間的設計由1996 年的100μm降到2000年50μm。

在封裝的發(fā)展趨勢中，功能提升及縮小化造成發(fā)熱密度越來越高，一些高頻通訊產(chǎn)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(nèi)藏式機板的設計技術把被動器件如電阻、電感及電容等埋在PCB中，如此可將表面的器件密度提升。而技術更高的目標則是結合光通訊器件以及內(nèi)藏式機板的集成型光機板(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(nèi)藏器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(zhàn)。

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(huán)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器件間電路的連接，適合批量供應。陶瓷板的材質(zhì)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(shù)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，適合批量供應。金屬芯板則是以壓合的方式將金屬板和有機板材質(zhì)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。

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(zhì)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(chǎn)業(yè)機械用（多為兩層板）GE 材質(zhì)，民生機器用（多為單層板）PP 材質(zhì)。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(fā)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(shù)(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(zhì)受到重視，現(xiàn)在常用之玻璃布基材環(huán)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(fā)熱密度升高，使得單靠元
件表面散熱的方式更為困難，增加PCB的熱傳導性將有助于器件的散熱，因此需開發(fā)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。

由于PCB是由各種不同材料所組成之復合材料，因此在計算PCB之熱傳導性時，可用等效熱傳導性來計算，
其中

ki ：第i 層之熱傳導性

ti ：第i 層之厚度

Pi：第I 層之導體所占之百分比

T：總厚度

而多層的PCB在板的平面方向及垂直方向的熱傳能力并不相同，因而模擬熱傳導性時需考慮非等向性的問題，在PCB的垂直及水平方向上所用的模型并不相同，垂直及水平方向的等向熱傳導性分別為

此經(jīng)驗式和實驗結果比較，誤差約在10%以內(nèi)【3】，表一為常用的各種無填充物的有機基板熱傳導性的整理，這些值在0~100℃的范圍內(nèi)變化在數(shù)個百分比之內(nèi)。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(shù)量越多，孔徑越大，且越集中在發(fā)熱器件下方，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(shù)，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(yōu)異，常用于高發(fā)熱密度之PCB，例如多晶片模塊（multichip module）以及高頻器件之基板或光電模塊等，如圖四所示【4】。BeO 為熱傳導性優(yōu)異的陶瓷材料，堪與鋁制材質(zhì)比美，且有優(yōu)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(fā)之SiC 及AIN 之材料來替代BeO。

（二）熱膨脹系數(shù)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(shù)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(zhuǎn)換溫度Tg 時，Z 方向的膨脹系數(shù)將急速增加，因而會造成在可靠性測試中溫度循環(huán)試驗時產(chǎn)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(shù)則是重要的問題，由于組裝時會在接合部分產(chǎn)生熱應力，而產(chǎn)生在產(chǎn)品內(nèi)部回路斷裂的危險。圖七為各種材料的熱膨脹系數(shù)（X-Y 方向）之比較【6】，目前PCB的材質(zhì)開發(fā)著重于和組裝器件材料（硅或氧化鋁）的熱膨脹系數(shù)相近的材質(zhì)，陶瓷PCB的熱膨脹系數(shù)則比有機材質(zhì)的要低很多，因此可靠度較高。

金屬材料制PCB

由于發(fā)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(shù)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，應用表面貼裝（SMT）的方式組裝器件，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，上下兩層透過溝道（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(xù)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(tǒng)板的1/2，散熱功能十分優(yōu)越

器件在PCB上布局的影響

PCB上器件的配置對于散熱有很大的影響，相同的器件及發(fā)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(huán)境條件的影響。在PCB上適當?shù)钠骷季挚梢杂行У慕档推骷囟龋紤]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，氣流可有效流過器件表面，而水平放置時，氣流只從器件表面向上流動。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) 器件的發(fā)熱影響

當發(fā)熱量高的器件很接近時，彼此的發(fā)熱會有加成的效果，因此造成元件溫度上升，對可靠度會有不良的影響。一般對發(fā)熱量高的器件而言，PCB上有較大的空間以利熱傳，因此置于中間位置的IC 器件散熱效果較好。

2. 在PCB上配置發(fā)熱特性不同的器件

當PCB上安裝耐熱性不同的器件時散熱方面應考慮于下風側(cè)裝置怕熱的器件（IC、晶體管、電容器等），而于上風處裝置耐熱及發(fā)熱的器件（如電阻、變壓器），這是因為若將怕熱器件安裝于發(fā)熱器件的發(fā)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，可考慮在器件之間加裝檔熱板。

3. 在PCB上配置發(fā)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(fā)熱量大的器件安裝于上風側(cè)，而將發(fā)熱量低的器件裝于下風側(cè)，如此發(fā)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(shù)值仿真軟件來做預測及仿真。

4. 器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(shù)，加速空氣的混合，圖十a(chǎn) 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(shù)增加所造成的冷卻效果較大。

5. 器件配置配合系統(tǒng)設計

應將發(fā)熱量高的原件安裝于系統(tǒng)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本電腦等。如此可縮短散熱路徑，也不會加熱到其它的裝置或器件。

結論

隨著電子產(chǎn)品發(fā)熱密度的不斷提升，PCB的散熱需求也越來越受到重視，良好的器件散熱設計將可使器件的熱有效散去而使過熱問題的發(fā)生機會降低【8】。當器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(tǒng)中加裝散熱裝置所產(chǎn)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(shù)，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(xié)助PCB散熱。最后在PCB上IC 的布局及系統(tǒng)空氣流向等設計問題也會影響散熱，是設計時應注意的。