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正本清源 PCB散热要从设计端做起
热传与布线应充分协作

【作者: 籃貫銘】2020年09月07日 星期一

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在一个完整电子系统里,印刷电路板(PCB)可能是最传统的一项元件,它的功能很单纯,就是涂布规划好的电路设计,以及放置所需的零组件。因为功能简单,所以其技术的进展就十分缓慢,但在应用上却已相当的成熟。然而,随着5G与AI的来临,PCB板也面临了新的挑战。其中,散热就是一个必须克服瓶颈。


只要是牵涉到电路,就势必会面临热与杂讯的处理问题,PCB板也同样如此。在过去,由於电子系统功能相对较为简单,而且在体积与尺寸上的要求较低,因此PCB板本身在散热的问题上着墨不多。但由於装置对轻薄短小的要求提升,同时电子系统的功能也更复杂,因此其内搭载的元件性能也越来越强,两者相加,就造成了装置本身的热处理问题浮上台面,PCB板也跟着要有所应变。


PCB技术成熟 散热手段传统且有限

面对热,PCB板本身能够采取的对策其实不多,而且都是相当传统的方式。例如钻孔,改善热对流的效率;再者,就是加厚铜,因为铜的导热系数高,使用厚铜也有助於改善热的传导;第三,是使用散热片和铜块,藉此增加散热的面积。


但是这些传统的方法对PCB散热效能的改善,其实十分有限。国立清华大学动力机械工程系博士後研究员张雅竹博士就指出,一个系统要有良好的散热能力,不能只从PCB着手,若只看PCB的散热性能,并不能解除系统的热问题。



图一 : PCB已是很成熟的技术,处理热的技术也很有限,用镀铜是其中一项。
图一 : PCB已是很成熟的技术,处理热的技术也很有限,用镀铜是其中一项。

张雅竹表示,目前PCB已是很成熟的技术,用来处理热的技术也很有限,都是使用基本的散热观念,例如用镀铜、钻孔、使用散热片等。但这些都不是最隹的解决方案。


他指出,PCB要有良好的散热能力,必须从源头着手,也就是从布线端就要有热管理的思惟,透过对热分配有良好的布局之後,进而设计出热处理最隹化的电路布线。但在目前产业界的电子设计流程里,布线的工程师并不会去考虑热管理的问题;而热传工程师也不会叁与电路的设计,因此在实务上存在着执行的矛盾。


善用模拟验证工具 找出PCB电路热源区

针对这个问题,目前市场上已有PCB设计的模拟验证工具,例如安矽思(Ansys),就提供了专门给PCB设计的热流分析软体,只要把PCB的电路设计带入,系统就能自动分析出热源的集中处,让工程师再进行修正。


但张雅竹也提醒,虽然有模拟软体可以协助分析热源,但装置的实际热流动状况,仍与模拟的情境会有误差。重点在於电路设计就与热传设计如何一同协作,这是改善PCB散热的关键因素。



图二 : Ansys提供PCB的热模拟工具,能协助找出热源。(source: Ansys)
图二 : Ansys提供PCB的热模拟工具,能协助找出热源。(source: Ansys)

过去因为缺乏强大的改良诱因,因此PCB在散热技术上并没有太多的改良,但随着5G和AI世代的来临,更多高频、高性能的运算元件将被运用在PCB中,而在装置体积相对更小的前提下,PCB也面临了寻求创新散热技术的需求。


迎向5G与AI世代 新材料是关键

「我认为突破点是材料本身。」张雅竹说道。


他指出,传统的导热方式是以无法满足大型运算机的散热需求,尤其在空间有限下的情况下,只用气冷的方式势必无法解热,因此部分强调高性能的系统才会采取水冷的散热方案。所以思考新的材料会是PCB产业的未来趋势。


张雅竹举国际期刊Advanced Science News的研究论文为例,他表示,石墨烯就是一种新兴的PCB材料,这种复合式材料的导热系数高,而且性质稳定,能被用以取代传统的胶膜。而该篇论文就揭露了一种夹层石墨烯复合板的技术,能用在5G天线的无旒合剂柔性PCB中。


该论文研发出一种透过热加压机在真空环境下制造大规模,无旒合剂的柔性石墨烯薄膜基板(Graphene Clad Laminate,GCL)的方法,以取代金属基板的制程。这个方法不仅实现了良好的电器性能,而且有极隹的互连性,对於5G通讯的装置十分有帮助。


这个创新的石墨烯薄膜基板是由高导电性的石墨烯装膜为顶层和底层,作为导电层和介电基层的三明治结构。而在实际的5G毫米波天线阵列应用测试范例中,使用GCL天线阵列的反射系数为20.98 dB,实际增益为11.05 dBi,足以媲美金属材质的天线阵列相。证明具备柔性与轻薄的GCL,可以用作新一代电子设备和5G射频装置的PCB元件。


而面对正急速崛起的5G和AI趋势,张雅竹表示,未来PCB的散热技术趋势,除了基於现有技术进行组合和运用,例如散热片、金属基板和陶瓷基板的使用外,新材料的运用将是扮演着突破的关键。



图三 : 印制电路板(PCB)为电子设备与元件的基础体,广泛应用在电路、射频和其它电子领域。传统PCB的导体层为金属铜,但是随着电子产品需求量的增加,随着5G通信电子产品对於轻量化、可穿戴性、小型化、亲肤性、化学稳定性等提出了更好的要求。石墨烯薄膜材料相比於金属材料具备轻质、散热快、柔性好、机械和化学稳定性高的优势,将其应用於PCB制程并加工电子元件,可以满足新一代移动通信设备的需求。(文字说明:张雅竹)
图三 : 印制电路板(PCB)为电子设备与元件的基础体,广泛应用在电路、射频和其它电子领域。传统PCB的导体层为金属铜,但是随着电子产品需求量的增加,随着5G通信电子产品对於轻量化、可穿戴性、小型化、亲肤性、化学稳定性等提出了更好的要求。石墨烯薄膜材料相比於金属材料具备轻质、散热快、柔性好、机械和化学稳定性高的优势,将其应用於PCB制程并加工电子元件,可以满足新一代移动通信设备的需求。(文字说明:张雅竹)

热传与布线携手共进 散热才能真正克服

他也认为,PCB虽是科技产业里的传统产业,但它一定不会消失。但由於生产成本的考量,让这个产业的变化有限,但随着5G或者更高速的传输时代的来临,现有的技术一定无法满足,并会对PCB技术带来改变。


另一方面,热管理的重要性,这几年已越来越受重视。张雅竹也透露,目前主要的科技大厂都投入了相当的资金在热管理上的布局,无论是人才的数量和薪资等都较过去有所提升。他更认为,只有在热传工程师与电路工程师进行共同进行研发,才把真正的把热的问题从源头处就解决。


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