Jim Barry
PCB Technologies Ltd（以色列）公司解决方案架构师，负责北美市场。他在PCB/PCBA行业的工程、制造和应用领域有近40年的从业经验。
如今，PCB/PCBA (CCA)设计师要比他们的前辈面临更加艰巨的任务。为了满足我们的需求，设计师需要跳出传统电路布局模式来设计电路。随着封装尺寸不断缩小、元件复杂度和速度不断提高，散热性能成了设计中的一个主要因素。在过去，CAD布局设计工程师几乎不需要对元件级的散热要求多加考虑，但现在，元器件的散热不仅会直接影响到特定器件的性能表现，还可能在以后引起严重故障。所以设计师目前面临的问题是：如何在不过多增加电路板组件尺寸或重量的前提下去除热量？我们是否可以找到方法，在把热量转移到裸PCB板中的同时，既不影响产品的尺寸、重量、性能表现，也不影响成本和产能？
PCB散热有很多种创新方法，即使是在特定的元件位置也是如此。一般情况下，散热在元件级已经完成——会在特定元件位置放置散热片。但这种方式会造成设计的体积过大且笨重，并且/或者需要在总装时完成一些富有想象力的设计工程。第二种常见方法是在整个PCB粘附一块金属板，再将其与底盘连接，以便散热。这两种常用方法的缺点是它们会增加组件的尺寸和重量，尤其是在电子封装不断缩小的今天，额外的体积或重量会带来一些问题。像夜视镜、无人机（UAV）和军用技术等产品要求封装的体积和重量越小越好。
本文将针对每种方法给出简要介绍，如图1。
典型的散热方法包括：
材料 铜层厚度 散热通孔 外部散热片 内部散热片 Coin技术
图1：散热方法选择对比图
材料
最简单也是最常用到的方法之一就是谨慎选择合适的材料，而材料从元器件中散热的功能却常常被人们忽视。在CAD级设计裸板的时候，我们常常会根据介质性质、阻抗或信号速度等需求来选择材料，而忽视了对散热性能的需求。通常情况下，当PCB要在高温环境下运行时，我们会考虑使用聚酰亚胺，这是一种非常不错的耐热材料，比FR-4的导热速率快很多。但其他材料的优点则更多。
如今，有很多材料既可以保证信号速度，又可以满足导热性需求，如图2和图3所示。你可以从这些图表中看到，使用其他材料时导热性能明显增强。问题就在于如何平衡设计的电气、环境及性能需求。
图2：材料热容量对比
图3：材料对比
铜层厚度
铜层厚度是另一种控制和/或将热量从元器件传递到PCB中，以增强性能的常见方法。内部平面层铜厚通常为2~4盎司，或更厚。随着铜重量的增加，设计师想在同一个平面上设计更细的布线宽度，问题就开始出现了，推荐设计师可以在其他层上布置这些更细的布线，就可避免出现这种情况。
之前有一个案例就是设计与铜的重量增加有关。这个产品是用于超慢动作检测的高速照相机（8层刚挠设计）。里面有很多元件会在板的两面产生大量热量。为了解决这个问题，就在外层的底部额外增加了2 oz的平面层，把它做成了10层的设计。这种做法将散热能力提高了10倍，光学性能也有了大幅提升。
这种方法在设计时也要考虑到一些因素。在使用这种较厚的铜层时，回填可能会出现问题。一定要考虑到没有铜区域的树脂填充。但树脂含量太高会严重影响Z轴上的移动。所以要再次强调，在使用厚铜内层时，要仔细考虑导热性与填充要求和布线宽度之间的平衡。采用内部散热片是替代厚覆铜材料的方法之一。
热通孔
散热通孔也是将热量从一个特定位置或器件传递到电路板中的好方法。散热通孔是一种应用普遍的导热方式，已被证实不会对成本产生很大影响。在结合使用散热通孔和厚铜平面层或内部散热片的时，会形成一种Z轴热量高速通道。这种方法的优点之一就是可以用于某个特定出问题的位置或元件，而不是必须大面积使用。设计师可以在特定位置下方创建一个通孔区域，只需要电镀上比一般铜层厚的铜层、用铜来填充或电镀封闭叠层通孔就可以散去热量。
图4展示了不同电镀厚度和/或内部填充的散热通孔，有些填充物是导电的，有些是非导电的。现在，大约有65%的设计使用了叠层或盲孔技术。这种方法可以让设计师利用HDI电镀封闭式叠层通孔来提高密度，同时还可以用来形成直接连接内部散热片的散热高速通道。
图4：各种通孔结构
外部散热片
外部散热片可能是最常见、最普遍的散热方法了。简单来说就是一块由铜或铝制成的金属板，放置在PCB的外边。通常使用B阶材料或某种导热双面胶将其粘附在PCB的一侧。然后再将散热片连接到底盘，热量随气流排出。
如今，这种方法被人们广泛使用，因为它既简便、性价比又高。但你不是从特定位置传递热量，而是穿过整个PCB板将热量传递到另一侧，这是一种通过质量来分散热量的方法。虽然它不一定是效率最高、效果最好的散热方法，但却是行之有效的方法。
我们看到这种方式通常应用于总装时，因为这时重量和/或尺寸不是什么大问题。如上所述，外部散热片可以用导热性粘合剂粘接，也可以以一种3维的方式裹在组装后的PCB板上。对于那些更加复杂的设计，我们见到过将外部散热片当作中芯，像三明治一样夹在两块相对的PCB中间。
内部散热片
将散热片嵌入在PCB里可以让金属块离元器件更近，同时可以留出两面用于贴装元器件，但这种方法也有它的局限性。它可以让散热片更接近器件级别，但它却是一种速度较慢、批量式散热方法。
多年来，这种方法通常是通过使用CIC（铜/因钢/铜）、实芯铜或铝来完成的。但现在的问题是，制造商必须要对内部散热片进行蚀刻和/或加工才不会导致与金属内芯短路。一旦去除了金属，通常会使用类似PCB构建材料的非导电树脂来回填散热片。
近几年来，材料方面有了很大的发展，比如PCB中的碳素纤维。它也可以被用作热量高速通道将热量传送到板中，然后排出到散热连接源中，例如底盘。但还是要注意，PTH中存在过多树脂也会导致一些问题出现。制造商一定要考虑使用一种稳定的树脂系统，这样一来Z轴膨胀才不会造成其它问题。要在层压之前完成填充和平面化处理，以确保不会有气孔进入。这种方法和外部散热片一样，都需要进行一些额外加工处理（图5）。
图5：外部散热片和内部散热片方法视图
Coin技术
Coin技术正在成为内部散热片的替代方法。RF/微波设计中会普遍应用这种方法进行元件的热管理和散热处理。虽然这种方法的成本可能是最贵的，但它也是特定位置散热最有效、最直接的方法。设计师可以采用Coin技术将元件直接放在坚硬的“硬币”上方或里面，热量会直接从器件里向下传导到背面，背面就是散热的位置（图6）。并非所有的供应商都愿意提供这种技术，但RF设计领域中常常会用到这种方法。
图6：各种Coin技术结构剖视图
结论
PCB级别的散热冷却是一种不错的方法，因为器件上可以安装各种配置的扇形或叶形散热片，为特定位置散热。打开任何一个桌面系统你都可以看到基板散热仍在使用这种技术，但把热量带出PCB板的扇形散热片需要较大的空间（重量也更重）。
本文主要介绍裸PCB板级别的散热管理方法，还有很多其他方法也可以用来帮助器件、特定位置或PCB本身散热。设计师在选择散热方法时，一定要考虑到所有的可行方法，或者也可以将不同的方法结合使用。
在制造散热裸板时，一定要考虑到它对制造周期中组装工艺有哪些影响。如果PCB的吸热性较强，那就会影响到焊接工艺。例如，如果散热区离热敏器件太近，在焊接工艺中就会因为形成焊点增加的热量可能会损坏器件。
有很多散热方法可供PCB设计师选择。很多设计都结合使用了两种或以上的散热方法。比如目前RF设计，就在同一个结构中使用了混合材料、孔腔和硬币。
如今，我们的行业在创建很多新结构，为增强设计独特性而添加了更多元素。这些新技术中有一种技术叫做“气腔”，它可以满足未来产品对散热需求的更高要求。敬请期待我们以后的成果。
致谢
作者诚挚感谢PCB Technologies Ltd公司首席技术官Yaad Eliya和技术专家Shlomi Danino对本文提出的宝贵意见。
