為什么局部厚銅設(shè)計需要特別關(guān)注熱膨脹匹配？

在現(xiàn)代功率電子、汽車電子和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，PCB板不再只是低電流信號傳輸?shù)拿浇椤Ｋ絹碓蕉嗟爻袚?dān)高電流傳導(dǎo)和熱能釋放的任務(wù)。因此，**“局部厚銅”**工藝成為解決這些高功率需求的重要技術(shù)方式。

所謂“局部厚銅”，是指在PCB局部區(qū)域使用超常規(guī)厚度的銅箔（如4oz、6oz甚至10oz），以降低導(dǎo)體電阻、提高散熱能力，滿足大電流器件如MOS管、電感、電源芯片的工作要求。它具有顯著優(yōu)勢：

• 電流通過能力強(qiáng)；

• 局部導(dǎo)熱性能好；

• 電氣性能穩(wěn)定；

• 可靠性提升明顯。

但問題在于：厚銅的熱膨脹特性與周邊常規(guī)材料（如FR-4基材、樹脂、銅箔）存在明顯差異。當(dāng)PCB工作時，熱量在厚銅區(qū)域迅速集中，使得材料受熱不均、熱應(yīng)力不一致，容易引發(fā)如下問題：

• 材料分層、鼓包；

• 局部翹曲、變形；

• 導(dǎo)電層剝離；

• 焊盤開裂、微裂紋形成；

• 長期疲勞老化，加速失效。

因此，如何實現(xiàn)局部厚銅與其周邊材料在熱膨脹系數(shù)上的有效匹配，成為高可靠性PCB熱設(shè)計中的重要課題。

材料熱膨脹的基本原理

什么是熱膨脹系數(shù)

材料受熱后，尺寸會隨溫度升高而發(fā)生膨脹，這種性質(zhì)用**線性熱膨脹系數(shù)（CTE）**來表示，單位為 ppm/°C（每升高1°C，材料每米長度變化的微米數(shù)）。

不同材料的CTE值不同：

厚銅由于銅層較厚，且散熱快，溫度變化快，容易與周圍CTE值差異較大的材料形成熱應(yīng)力差異，從而產(chǎn)生機(jī)械破壞風(fēng)險。

局部厚銅熱膨脹匹配中的典型問題表現(xiàn)

1. 接觸界面處脫層

厚銅與介質(zhì)層之間由于CTE差異大，在反復(fù)加熱冷卻中出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，形成微縫隙，進(jìn)而導(dǎo)致氣泡、鼓包、分層。

2. 表面翹曲與板翹

局部厚銅受熱快、膨脹大，而周邊常規(guī)材料受熱慢，板面出現(xiàn)形變量不一致，導(dǎo)致PCB整體翹曲甚至變形超限，影響貼裝精度。

3. 穿孔附近應(yīng)力集中

如VIA孔或通孔位于厚銅邊緣區(qū)域，熱應(yīng)力沿銅層傳播，易在孔壁和環(huán)繞焊盤區(qū)域產(chǎn)生微裂紋，長期使用后會引發(fā)失效。

4. 焊接工藝中溫差收縮導(dǎo)致開裂

回流焊時，局部區(qū)域升溫過快而其它區(qū)域溫度變化滯后，在冷卻過程中，因CTE差異引發(fā)焊盤、器件接腳與銅層之間的力不平衡，導(dǎo)致開裂。

解決熱膨脹匹配問題的工程方法

一、優(yōu)化厚銅與常規(guī)銅的過渡結(jié)構(gòu)

避免厚銅區(qū)域與普通銅箔間形成“斷崖式”厚度差，可以通過階梯式設(shè)計或漸變銅厚分布實現(xiàn)過渡過渡。具體做法如下：

• 分層設(shè)計中采用2oz → 4oz → 6oz等多層遞進(jìn)過渡；

• 減小厚銅邊界處的面積差異，避免應(yīng)力集中；

• 通過引入緩沖圖形結(jié)構(gòu)降低局部熱梯度。

二、選擇低CTE基材或陶瓷填料復(fù)合材料

對厚銅區(qū)域，優(yōu)先選擇與銅CTE相近的陶瓷增強(qiáng)材料，例如：

• 陶瓷填充FR-4（CTE可降至15–20 ppm/°C）；

• 高填充氮化鋁或氮化硼改性基材；

• PI/陶瓷復(fù)合材料用于柔性/剛性結(jié)合板。

這樣可以減少銅層與基材之間的CTE差異，提高熱循環(huán)壽命。

三、采用分區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計

將厚銅區(qū)域設(shè)計為功能分區(qū)隔離塊，在該區(qū)域周圍增加過渡帶（例如預(yù)留熱緩沖間隙、增加熱孔、預(yù)留絕緣空槽），實現(xiàn)力學(xué)緩沖。

這種設(shè)計可以：

• 降低局部應(yīng)力傳導(dǎo)；

• 讓熱量更均勻擴(kuò)散；

• 降低冷縮應(yīng)力集中的幾率。

四、改進(jìn)壓合工藝和銅層粘接方式

采用多次壓合或“厚銅單獨處理+局部拼接壓合”方式，可以更好控制銅層與絕緣層之間的結(jié)合力。

同時，在銅箔與基材界面可采用粗化處理、黑化處理、等離子活化等工藝，增強(qiáng)附著力，從源頭提高熱循環(huán)可靠性。

五、進(jìn)行熱模擬與熱應(yīng)力仿真優(yōu)化

在布局階段引入熱機(jī)械仿真分析工具（如ANSYS、COMSOL），可以提前預(yù)測以下問題：

• 厚銅區(qū)域的熱膨脹趨勢；

• 周邊應(yīng)力分布曲線；

• 板翹風(fēng)險區(qū)域；

• 多次熱循環(huán)后的疲勞壽命。

通過仿真指導(dǎo)設(shè)計，可顯著降低實物試錯成本。

實際案例分析與應(yīng)用建議

案例一：電源母線厚銅區(qū)域引發(fā)板翹

在某6oz厚銅電源板中，電源母線采用大面積敷銅設(shè)計。回流焊后出現(xiàn)嚴(yán)重板翹，分析發(fā)現(xiàn)厚銅區(qū)域升溫過快，與FR-4基材CTE差異明顯。解決方法：

• 更換為陶瓷填料增強(qiáng)型基材；

• 在厚銅周圍設(shè)計“熱緩沖網(wǎng)格”；

• 控制焊接升溫速率；

• 板邊區(qū)域設(shè)置輔助對稱銅層平衡應(yīng)力。

處理后產(chǎn)品合格率提升至98%以上。

案例二：LED模組厚銅板熱疲勞裂紋

在某LED散熱板中，采用局部厚銅設(shè)計（6oz），長時間使用后出現(xiàn)發(fā)熱點。顯微切片發(fā)現(xiàn)銅與介質(zhì)層剝離，銅層間出現(xiàn)疲勞裂紋。

優(yōu)化方案包括：

• 更換為氮化鋁填料板材；

• 增加銅層預(yù)處理粗化深度；

• 調(diào)整結(jié)構(gòu)布局使發(fā)熱元件靠近銅層中心。

最終產(chǎn)品通過1000小時熱循環(huán)測試無失效。

厚銅結(jié)構(gòu)可顯著提升PCB的電流承載力和熱擴(kuò)散能力，是現(xiàn)代高功率電子系統(tǒng)不可或缺的一項技術(shù)。但它帶來的材料不匹配問題必須引起高度重視。

只有在設(shè)計初期就全面考慮熱膨脹系數(shù)差異，通過材料選擇、結(jié)構(gòu)過渡、工藝優(yōu)化、仿真驗證等手段控制熱應(yīng)力，才能實現(xiàn)厚銅區(qū)域與周邊材料的長期可靠配合。