使用绝缘金属pcb或金属包覆pcb的热管理设计

编者注:本文摘自电子书《印刷电路设计师指南》的第二章。热Management: A Fabricator's Perspective" authored by Anaya Vardya, CEO, American Standard Circuits, and published on iConnect007在这里．

绝缘金属pcb (IMPCB)或金属包覆pcb (MCPCB)是一种热管理设计，它利用一层固体金属来散发pcb上各种组件产生的热量。当金属连接到PCB上时，键合材料可以是热传导但电隔离的(impcb或mcpcb)，或者在射频/微波电路的情况下，键合材料可以是导电和导热的。射频设计人员通常使用导热和导电性的键合材料的原因是，他们不仅将其用作散热片，还将其用作接地层的一部分。对于这些不同的应用程序，设计考虑因素有很大的不同。

本章将重点介绍IMPCB设计考虑因素，第4章将重点介绍射频热管理。我们将重点讨论设计师应该与PCB供应商讨论的问题，以确保可制造性和成功的产品发布。由于选择、选项和决策可能非常复杂，因此尽早参与并与PCB制造商就特定设计进行合作，以确保最具成本效益的解决方案至关重要。

一些的的更多的常见的应用程序的IMPCBs包括:

权力转换:热覆层提供多种热性能，与机械紧固件兼容，并且高度可靠

led灯:使用热包覆pcb可确保最低的工作温度和最大的亮度，颜色和寿命

光伏能源:可再生能源为电信、军营、住宅和商业建筑以及电池充电站供电

马达驱动器:热覆介质的选择提供所需的电气隔离，以满足操作参数和安全机构的测试要求

固态继电器:热覆层提供了一个非常热效率和机械坚固的基板

汽车:汽车行业使用热覆板，因为它们需要在高工作温度下的长期可靠性，以及有效利用空间的要求

IMPCB好处

• 出色的表面贴装冷却
• 高电隔离、绝缘、散热性
• 低成本
• 强大的热性能
• 电介质的导热系数在0.6 ~ 8w /mK范围内
• 可制造性(与标准PCB加工集成)

热性能说明

为了能够根据热条件设计合适的IMPCB解决方案，包括热导率、热阻抗和热阻，需要彻底了解许多不同的热性能。

热导率

测量物质的导热能力(W/mK)

一种材料属性，意思是当材料的尺寸改变时，它不会改变，只要它是均匀的。例如，1cm3黄金的热导率与100m3黄金的热导率完全相同

一般在行业中获得使用两种测试之一:D-5470测试，或E-1461标准ASTM测试

D-5470测试以Kcm2/W为单位测量样品的热阻抗，并通过以下关系式确定导热系数:

导热系数=热扩散系数*比热容*密度

热阻抗

• 这与导热性相反。它是测量材料对抗热流的能力，所以从PCB的角度来看，我们希望这个值很低。热阻抗越低，热量流过PCB和散热片的速度越快
• 它的值取决于材料的导热性及其厚度;换句话说，这不是一个材料属性，而是一个对象属性，因为改变材料的厚度会改变这个值。然而，改变材料的面积不会改变这个值(只要厚度保持不变)
• 例如，层压板片的热阻抗与层压板切割块的热阻抗相同，例如1平方厘米。而1毫米厚的金片的热阻抗与2毫米厚的金片的热阻抗是不同的
• 这通常使用上述D-5470测试获得，并通过以下关系与导热系数相关:

热阻抗=厚度/导热系数

热阻

• 热阻(单位:K/W)与热阻抗基本相同。不同之处在于它考虑了样品的面积以及厚度和电导率
• 改变材料的厚度或面积都会改变热阻的相关值，如下所示:

热阻=厚度/(导热系数*试样面积)

单面IMPCBs

在它的简单的形式,一个IMPCB是一个一块的铜箔那是保税来导热介质和金属衬底(图2-1)。Typi -通常，PCB供应商可以购买压在母材上的铜箔来自几个不同的层压板制造商。层压板选择器指南是提供在附录B。

需要考虑的一些关键设计因素包括以下几点。

铜的厚度

通常范围从1 - 6盎司，1和2盎司是最常用的。铜越厚，PCB的成本就越贵。

导热预浸料

这是这种结构中最重要的元素之一，也是区分不同供应商的典型因素。这种物质既能在电上隔离铜电路和主金属，又能帮助两者之间快速传递热量。它可以确保部件产生的热量尽可能快地分散到母材(散热器)上。该预浸料通常是一种带有陶瓷填料的有机树脂，以增加导热性。填料的类型、尺寸、形状和百分比是决定导热性能的一些因素。常用的陶瓷填料有Al2O3、AlN、BN等。

各种预浸料的性能是通过热测试来测量的电导率(W/mK)和热阻抗(Km2/W)。越高热电导率,的更好的的热转让、和的较低的的热阻抗越高，传热效果越好。然而，同样重要的是理解那的更好的的热转移相关的与的半固化片,的更大的的成本。因此，不要过度设计是至关重要的。从这个角度来看，FR-4的导热系数约为0.2 - 0.4W/mK，而目前市场上可用的导热预浸料范围为1-7 W/mK。除了导热性之外，电介质的厚度也很关键。通常，电介质的厚度范围在2-6密尔之间，最常见的是3密尔的电介质。

基地金属

铝是最常用的贱金属。最常见的两种型号是5052H32和6061T6。5052H32通常比6061T6更便宜，更容易获得。铝的厚度通常在40 - 120密耳之间，但40和60密耳是最常见的厚度。

表格2-1：属性的各种各样的基地金属。

也有铜被用作贱金属的情况。铜有时用于更好的导热性，机械强度和CTE匹配较厚的铜箔。在大多数应用中，铜基板的热优势是微不足道的，因为母材的热阻相对于介电层和元件的热阻较小。这是一种成本高得多的解决方案，而且重量也大得多。表2-1对各种贱金属作了简要比较。

最高工作温度

与您的PCB制造商和原材料供应商合作，确保所选材料满足您的MOT要求。

击穿电压

确保你了解材料电介质将击穿并使电路短路的电压。一般来说，电介质越薄，这个值就越低。

面板利用率

IMPCB层压板材料比fr材料贵得多。一般来说，0.062英寸的IMPCB材料可能比0.062英寸的FR-4材料贵三倍。因此，了解电路板/阵列设计如何利用生产面板非常重要。这是另一个与PCB供应商早期接触很重要的领域。这些材料上最流行的工作面板尺寸往往是18“x 24”。由于许多pcb是作为阵列处理的，因此确保阵列设计使面板利用率最大化是至关重要的。由于材料的刚性，许多大型pcb可能在装配操作中没有导轨。这可以极大地帮助提高面板利用率。

加工/制造

对正方形或矩形进行评分是最常用的方法。评分的优点是，它有助于最大限度地利用材料，因为零间距零件之间需要评分。相比之下，布线是最昂贵的过程，因为它速度较慢，需要零件之间的间距，并且可能会降低材料利用率。确保PCB制造商有一个专门为铝板刻痕设计的刻痕系统。刻痕机应配备润滑系统。在处理铝贱金属时，建议使用涂金刚石的刻痕刀片和切削钻头。

焊接掩模

有许多单面IMPCB设计用于LED照明应用。这些应用中的大多数都需要白色阻焊。因此，解决这个问题是很重要的，因为并非所有的白色阻焊板都是平等的。许多LED客户都在寻找白色阻焊板颜色的一致性。今天的市场上有几种不同的阻焊板作为LED阻焊板销售。

图2-2:两种不同类型阻焊片的不同颜色。

问题是，当你把它们放在一起时，它们在视觉上看起来是不同的。一些阻焊膜具有“蓝色”色调，而另一些具有“黄色”色调(图2-2)。此外，一层和两层阻焊膜的颜色看起来不同，所以这是需要做出的另一个决定。另一个需要考虑的问题是，在组装过程中，表面光洁度、阻焊和随后的热处理步骤之间可能存在相互作用。一些焊料掩膜往往改变颜色比其他额外的热量。

数字2 - 3:焊料面具“褐变”与多个回流。

具有无铅热空气焊料流平(HASL)的板往往会变得“变黄”，因为它们受到的热量越多。我们已经停止使用无铅HASL返工电路板(只允许一次返工)。图2-3显示了经过两次组装回流循环的电路板与经过无铅HASL后的相同阻焊膜。

经过阻焊处理的ENIG板可能会在随后的回流中变成“粉红色”。其原因是，ENIG工艺中的“脏”漂洗液与金渣在阻焊膜中与钛颜料形成复合物，然后在高温组装过程中将阻焊膜变成紫色。因此，对于PCB供应商来说，非常仔细地管理ENIG槽上的冲洗是很重要的(图2-4)。

数字2 - 4:“锯齿”焊料面具在一个ENIG董事会与多个回流周期。

制造业过程为单面IMPCB

的制造业过程为单面IMPCBs是说明在数字2 - 5。

数字2 - 5:单面IMPCB过程流程图。

基座技术

对于具有严格传热要求的LED应用，集成光栅底座技术可能是最佳解决方案。金属芯PCB上的基座结构允许设计人员在LED(热源)和PCB的金属芯之间获得直接路径。典型的LED被焊接到铜衬垫上，热量必须通过PCB介电材料传递才能到达金属芯。

图2-6:LED底座构造。

另一种选择是使用热通孔，以获得更直接的转移到金属芯。这两种设计都适用于低热量应用，但可能不是高热量发电机的最佳选择。底座只是从金属芯到PCB表面的镀铜层。如果金属芯为铜，则可以使用底座技术实现高达400 W/mK的导热率。图2-6中的横断面视图在视觉上突出了这种结构的“基座”效果。

数字2 - 7日:双面IMPCB。

双面、多层IMPCB

PCB供应商制造双面或多层IMPCB，然后利用导热预浸料与金属粘合(图2-7)。粘合过程是在用于制造多层PCB的相同多层压机中完成的。在单面IMPCB部分中讨论的许多设计因素也适用于双面。需要考虑的其他事项包括以下内容。

铜在所有层上的重量

铜越厚，越昂贵，并记住，外层两层将得到额外的铜，因为过孔将需要镀。线条和空间应遵循PCB制造商基于每层铜重量的设计准则。

双面、多层建筑

重要的是要决定是否可以使用FR-4用于多层结构，或者如果您需要导热预浸料和芯。如果你需要导热芯和预浸料，有很多选择，但芯的厚度是有限的，所以最好与PCB制造商或层压板供应商合作，这将是有意义的结构。预浸料往往是低流量的，因此与了解需要使用的特种预浸料的压力周期和流动动力学的PCB制造商合作是很重要的。

导热预浸料

根据所需的导热性和铜电路的厚度，选择预浸料将PCB(双面或多层)粘合到金属上。从PCB制造的角度来看，在将PCB粘合到母材的过程中，需要考虑几个不同的因素:

• 确保PCB和金属之间没有分层。在层压过程中，有一些设计因素会影响这一点和工艺条件
• 是否有一种方法来控制预浸料通过镀通孔(PTHs)到顶部的流动，然后有一种方法来去除PCB顶部表面上的任何流动
• 此包中有许多不匹配的cte。从PCB的角度来看，尽可能多地平衡结构中的铜是很重要的，并且有一个最大限度地减少翘曲的按压周期

贱金属

铝是最常见的;然而，有许多应用也将使用铜作为基本金属。一般来说，对于这种结构，如果铝是选择的金属，我建议使用6061T6合金。

双面/多层IMPCB的制造工艺

双面和多层IMPCB的制造工艺如图2-8和2-9所示。这些过程类似于我们的《印刷电路板技术基础》一书中详细描述的双面和多层pcb(更多书籍在我们的进一步阅读部分列出)。

数字2 - 8:双面IMPCB过程流程图。

有两个主要区别。首先，当使用导热预浸料时，由于预浸料的低流动特性，需要明确的按压周期。其次，还有一个额外的按压周期，因为在板完成后，需要将PCB粘合到铝上。粘接前的铝准备和与粘接相关的压印循环是至关重要的。

IMPCB测试方法

对于impcb的测试，这是一个买方注意的警告，特别是当PCB制造商在中国或美国以外的时候。有几个因素需要考虑:

• 数据表提供了几种不同的方法，层压板供应商可以测试这些材料的导热性，到目前为止，还没有IPC标准。全面了解所使用的测试方法是必要的，因为所有宣传为2w /mK的材料可能不会产生类似的性能(附录A描述了各种测试方法)。开云体育store
• 一些层压板供应商100% HiPot测试他们的材料，如果你要求额外的费用，其他人会测试他们，许多人没有能力测试他们的材料
• 有许多供应商可以提供单面IMPCB材料，但对于具有高导热预浸料和可用于将多层pcb粘合到金属上的导热预浸料的多层芯，供应基础相当有限

数字2 - 9:多层IMPCB过程流程图。

IMPCB制作者选择注意事项

IMPCB供应商的供应基础相对较小，这使得供应商的选择成为一项关键任务。需要考虑的一些事情包括以下建议:

• 制造商制造IMPCB材料的经验
• 制造各种不同类型的impcb和来自各种材料供应商的材料的制造商
• 与该领域材料供应商有良好关系的制造商
• 当涉及到您的最终需求时，制造商愿意与您合作，保持开放的心态
• 如果UL对您的应用程序很重要，请确保制造商具有必要的UL清单。
• 一个有过程控制和纪律的制造商，以始终满足您的所有要求
• 如果您对多个地区感兴趣，请选择在世界所有地区都有支持结构的制造商(供应链简化)。
• 另一个重要因素可能是层压板供应商正在进行的研发工作，这可能会支持未来的技术。例如，有几家层压板供应商开发了特殊的层压板材料，其中铝可以弯曲/成型，而不会损害铜电路或介电层