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正本清源 PCB散熱要從設計端做起
熱傳與佈線應充分協作

【作者: 籃貫銘】   2020年09月07日 星期一

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在一個完整電子系統裡,印刷電路板(PCB)可能是最傳統的一項元件,它的功能很單純,就是塗佈規劃好的電路設計,以及放置所需的零組件。因為功能簡單,所以其技術的進展就十分緩慢,但在應用上卻已相當的成熟。然而,隨著5G與AI的來臨,PCB板也面臨了新的挑戰。其中,散熱就是一個必須克服瓶頸。


只要是牽涉到電路,就勢必會面臨熱與雜訊的處理問題,PCB板也同樣如此。在過去,由於電子系統功能相對較為簡單,而且在體積與尺寸上的要求較低,因此PCB板本身在散熱的問題上著墨不多。但由於裝置對輕薄短小的要求提升,同時電子系統的功能也更複雜,因此其內搭載的元件性能也越來越強,兩者相加,就造成了裝置本身的熱處理問題浮上檯面,PCB板也跟著要有所應變。


PCB技術成熟 散熱手段傳統且有限

面對熱,PCB板本身能夠採取的對策其實不多,而且都是相當傳統的方式。例如鑽孔,改善熱對流的效率;再者,就是加厚銅,因為銅的導熱係數高,使用厚銅也有助於改善熱的傳導;第三,是使用散熱片和銅塊,藉此增加散熱的面積。


但是這些傳統的方法對PCB散熱效能的改善,其實十分有限。國立清華大學動力機械工程系博士後研究員張雅竹博士就指出,一個系統要有良好的散熱能力,不能只從PCB著手,若只看PCB的散熱性能,並不能解除系統的熱問題。



圖一 : PCB已是很成熟的技術,處理熱的技術也很有限,用鍍銅是其中一項。
圖一 : PCB已是很成熟的技術,處理熱的技術也很有限,用鍍銅是其中一項。

張雅竹表示,目前PCB已是很成熟的技術,用來處理熱的技術也很有限,都是使用基本的散熱觀念,例如用鍍銅、鑽孔、使用散熱片等。但這些都不是最佳的解決方案。


他指出,PCB要有良好的散熱能力,必須從源頭著手,也就是從佈線端就要有熱管理的思惟,透過對熱分配有良好的布局之後,進而設計出熱處理最佳化的電路佈線。但在目前產業界的電子設計流程裡,佈線的工程師並不會去考慮熱管理的問題;而熱傳工程師也不會參與電路的設計,因此在實務上存在著執行的矛盾。


善用模擬驗證工具 找出PCB電路熱源區

針對這個問題,目前市場上已有PCB設計的模擬驗證工具,例如安矽思(Ansys),就提供了專門給PCB設計的熱流分析軟體,只要把PCB的電路設計帶入,系統就能自動分析出熱源的集中處,讓工程師再進行修正。


但張雅竹也提醒,雖然有模擬軟體可以協助分析熱源,但裝置的實際熱流動狀況,仍與模擬的情境會有誤差。重點在於電路設計就與熱傳設計如何一同協作,這是改善PCB散熱的關鍵因素。



圖二 : Ansys提供PCB的熱模擬工具,能協助找出熱源。(source: Ansys)
圖二 : Ansys提供PCB的熱模擬工具,能協助找出熱源。(source: Ansys)

過去因為缺乏強大的改良誘因,因此PCB在散熱技術上並沒有太多的改良,但隨著5G和AI世代的來臨,更多高頻、高性能的運算元件將被運用在PCB中,而在裝置體積相對更小的前提下,PCB也面臨了尋求創新散熱技術的需求。


迎向5G與AI世代 新材料是關鍵

「我認為突破點是材料本身。」張雅竹說道。


他指出,傳統的導熱方式是以無法滿足大型運算機的散熱需求,尤其在空間有限下的情況下,只用氣冷的方式勢必無法解熱,因此部分強調高性能的系統才會採取水冷的散熱方案。所以思考新的材料會是PCB產業的未來趨勢。


張雅竹舉國際期刊Advanced Science News的研究論文為例,他表示,石墨烯就是一種新興的PCB材料,這種複合式材料的導熱係數高,而且性質穩定,能被用以取代傳統的膠膜。而該篇論文就揭露了一種夾層石墨烯複合板的技術,能用在5G天線的無粘合劑柔性PCB中。


該論文研發出一種透過熱加壓機在真空環境下製造大規模,無粘合劑的柔性石墨烯薄膜基板(Graphene Clad Laminate,GCL)的方法,以取代金屬基板的製程。這個方法不僅實現了良好的電器性能,而且有極佳的互連性,對於5G通訊的裝置十分有幫助。


這個創新的石墨烯薄膜基板是由高導電性的石墨烯裝膜為頂層和底層,作為導電層和介電基層的三明治結構。而在實際的5G毫米波天線陣列應用測試範例中,使用GCL天線陣列的反射係數為20.98 dB,實際增益為11.05 dBi,足以媲美金屬材質的天線陣列相。證明具備柔性與輕薄的GCL,可以用作新一代電子設備和5G射頻裝置的PCB元件。


而面對正急速崛起的5G和AI趨勢,張雅竹表示,未來PCB的散熱技術趨勢,除了基於現有技術進行組合和運用,例如散熱片、金屬基板和陶瓷基板的使用外,新材料的運用將是扮演著突破的關鍵。



圖三 : 印製電路板(PCB)為電子設備與元件的基礎體,廣泛應用在電路、射頻和其它電子領域。傳統PCB的導體層為金屬銅,但是隨著電子產品需求量的增加,隨著5G通信電子產品對於輕量化、可穿戴性、小型化、親膚性、化學穩定性等提出了更好的要求。石墨烯薄膜材料相比於金屬材料具備輕質、散熱快、柔性好、機械和化學穩定性高的優勢,將其應用於PCB製程並加工電子元件,可以滿足新一代移動通信設備的需求。(文字說明:張雅竹)
圖三 : 印製電路板(PCB)為電子設備與元件的基礎體,廣泛應用在電路、射頻和其它電子領域。傳統PCB的導體層為金屬銅,但是隨著電子產品需求量的增加,隨著5G通信電子產品對於輕量化、可穿戴性、小型化、親膚性、化學穩定性等提出了更好的要求。石墨烯薄膜材料相比於金屬材料具備輕質、散熱快、柔性好、機械和化學穩定性高的優勢,將其應用於PCB製程並加工電子元件,可以滿足新一代移動通信設備的需求。(文字說明:張雅竹)

熱傳與佈線攜手共進 散熱才能真正克服

他也認為,PCB雖是科技產業裡的傳統產業,但它一定不會消失。但由於生產成本的考量,讓這個產業的變化有限,但隨著5G或者更高速的傳輸時代的來臨,現有的技術一定無法滿足,並會對PCB技術帶來改變。


另一方面,熱管理的重要性,這幾年已越來越受重視。張雅竹也透露,目前主要的科技大廠都投入了相當的資金在熱管理上的布局,無論是人才的數量和薪資等都較過去有所提升。他更認為,只有在熱傳工程師與電路工程師進行共同進行研發,才把真正的把熱的問題從源頭處就解決。


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