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局部厚銅設(shè)計(jì)規(guī)范在熱管理中的應(yīng)用要點(diǎn)

  • 2025-06-18 09:31:00
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電子設(shè)備功率密度持續(xù)攀升的今天,整板使用厚銅層常面臨成本高、工藝復(fù)雜的問題。局部厚銅設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生——它只在芯片底部、電源模塊周邊等熱關(guān)鍵區(qū)域增加銅厚(通常3-8盎司),既保留散熱優(yōu)勢,又避免材料浪費(fèi)。這種設(shè)計(jì)就像在電路板上“精準(zhǔn)植入散熱鎧甲”,讓熱量通過加厚的銅層快速導(dǎo)出,防止局部高溫引發(fā)失效。

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一、局部厚銅設(shè)計(jì)的核心價(jià)值

  1. 解決“熱島效應(yīng)”的利器
    高功率器件如MOSFET、IGBT工作時(shí),芯片下方溫度常比周圍區(qū)域高30℃以上。局部加厚銅層(如從2盎司增至6盎司)可使該區(qū)域熱阻降低40%以上,熱量橫向擴(kuò)散速度提升2倍。某電動(dòng)汽車控制器案例中,局部厚銅設(shè)計(jì)使MOSFET結(jié)溫從112℃降至89℃,壽命延長3倍。

  2. 成本與性能的平衡點(diǎn)
    相比整板厚銅,局部設(shè)計(jì)節(jié)省銅材用量30%-50%,降低蝕刻難度。例如,僅在高功率芯片下方設(shè)置10×10mm2的6盎司銅塊,制造成本比整板6盎司方案低62%。


二、三大關(guān)鍵設(shè)計(jì)規(guī)范

  1. 熱源匹配:給發(fā)熱大戶“定制鎧甲”
    設(shè)計(jì)人員需根據(jù)熱源形狀精確規(guī)劃銅層邊界。例如:

  • 矩形芯片:銅層邊緣超出芯片外緣至少3mm,避免熱量在邊界堆積;

  • 多引腳模塊:銅層需避開信號引腳,通過熱過孔連接底層散熱區(qū)。
    某服務(wù)器電源模塊中,局部銅層超出GPU芯片邊緣5mm,使散熱面積增加40%,芯片溫差縮小至8℃。

  1. 階梯過渡:緩解材料“拉扯”問題
    銅厚突變區(qū)域易因熱膨脹系數(shù)差異(銅17ppm/℃ vs FR4基板13-50ppm/℃)產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。優(yōu)化方案包括:

  • 梯度過渡區(qū):在厚銅區(qū)與薄銅區(qū)之間設(shè)置寬度≥2mm的斜坡銅層(如6oz→4oz→2oz);

  • 緩沖開槽:在過渡帶加工0.2mm寬環(huán)形槽,填充柔性硅膠吸收應(yīng)力。
    實(shí)測表明,斜坡過渡設(shè)計(jì)可使熱循環(huán)壽命提升至2000次以上。

  1. 散熱強(qiáng)化:構(gòu)建立體導(dǎo)熱帶
    局部厚銅需結(jié)合輔助散熱結(jié)構(gòu):

  • 微孔陣列:在芯片底部打0.3mm孔徑熱孔,密度≥50孔/cm2,導(dǎo)熱效率提升40%;

  • 銅基島:高功率區(qū)采用分層銅結(jié)構(gòu)(核心區(qū)4oz銅層+過渡區(qū)2oz銅層),搭配導(dǎo)熱膠填充隔離帶;

  • 強(qiáng)制風(fēng)冷接口:厚銅區(qū)域預(yù)留散熱鰭片安裝孔,方便加裝主動(dòng)散熱器。


三、典型場景應(yīng)用

  1. 電動(dòng)汽車電機(jī)控制器
    在IGBT模塊下方設(shè)置局部8盎司銅層,配合底部水冷板:

  • 銅層開窗露出基板,直接焊接水冷板銅管;

  • 過渡區(qū)填充5W/(m·K)導(dǎo)熱硅膠緩沖振動(dòng)應(yīng)力。
    該方案使峰值工作溫度穩(wěn)定在95℃以下,滿足車規(guī)級耐久要求。

  1. 5G基站功率放大器
    射頻芯片局部厚銅設(shè)計(jì)要點(diǎn):

  • 采用蜂窩狀銅層(六邊形網(wǎng)格),比矩形布局增加15%有效散熱面積;

  • 銅層表面沉鎳金處理,降低高頻信號損耗。
    實(shí)測顯示,蜂窩設(shè)計(jì)使功放溫度比傳統(tǒng)布局低12℃,信號失真率下降30%。

  1. 工業(yè)變頻器模塊
    針對MOSFET陣列的局部厚銅方案:

  • 每顆MOSFET設(shè)置獨(dú)立銅島,避免熱耦合;

  • 銅島之間用2mm寬絕緣槽分隔,填充氧化鋁導(dǎo)熱膠。
    此設(shè)計(jì)使模塊功率密度提升至50W/cm3,同時(shí)保持熱點(diǎn)溫差<15℃。


四、設(shè)計(jì)驗(yàn)證與制造落地

  1. 仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)迭代
    使用ANSYS Icepak進(jìn)行多物理場驗(yàn)證:

  • 在模型中標(biāo)注局部厚銅區(qū)導(dǎo)熱路徑;

  • 識別銅層邊緣>5℃/mm的熱梯度突變區(qū);

  • 調(diào)整過渡帶寬度直至應(yīng)力值<15MPa。某儲能逆變器經(jīng)3輪仿真優(yōu)化,銅層應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)減少90%。

  1. 制造工藝關(guān)鍵控制點(diǎn)
    與PCB廠商協(xié)同確保設(shè)計(jì)可行:

  • 蝕刻補(bǔ)償:6oz銅厚區(qū)域線寬需增加0.4mm,防止側(cè)蝕導(dǎo)致短路;

  • 層壓參數(shù):局部厚銅區(qū)壓合溫度降低10℃,避免樹脂流動(dòng)不均;

  • 表面處理:厚銅區(qū)域優(yōu)先選擇沉金工藝,增強(qiáng)焊接可靠性。