銅幣電路板：散熱解決方案
1 分鐘
- 什麼是嵌入式銅技術？
- 什麼是銅幣 PCB？
- 為何散熱是一個關鍵問題
- 為何在 PCB 中使用銅幣？
- 銅幣嵌入式 PCB 如何運作
- 銅幣嵌入式 PCB 製造方法：
- PCB 中使用的銅幣結構與類型
- 銅幣嵌入式 PCB 的優勢與應用
- 設計考量
- 結論：
在快速發展的電子產業中，裝置變得越來越小、越來越快、越來越強大，同時也擁有緊湊的尺寸。電力不再是問題，但將裝置封裝到更小的外形尺寸中則帶來了嚴峻的挑戰。無論我們正在開發電源轉換器、 LED 照明模組、汽車 ECU 還是 5G 通訊裝置，過多的熱量都會降低效能。它會縮短元件壽命。這就是銅幣嵌入式 PCB 成為一種智慧、現代的散熱解決方案的原因。將固態銅塊直接嵌入 PCB 中，可作為散熱器，將熱通量從關鍵元件迅速轉移出去。在本次討論中，我們將探討什麼是銅幣外露板、它們的功能、製造流程，以及其優勢與應用。
什麼是嵌入式銅技術？
銅鑲嵌是一種冷卻 PCB 銅幣或晶片的方法，其中會構建一個凸起部分。大多數 PCB 材料，例如 FR4，都是散熱用的低導熱率材料。加入銅提供了一條短而低電阻的路徑，讓熱量傳遞到外層或散熱器。這降低了元件溫度並延長了產品生命週期。它非常適合緊湊、高功率和對熱敏感的電子設計。
什麼是銅幣 PCB？
銅幣嵌入式 PCB 是一種印刷線路板，其中在發熱元件處將一枚銅（幣或塊）整合到板中。這枚銅幣將實現與 PCB 另一側（或散熱器）的直接熱耦合，提供快速、低損耗的熱傳遞。
對於傳統的 PCB，熱擴散是透過銅層和導熱孔來促進的。問題在於 FR4 的導熱性不佳（約 0.3 W/m·K），而銅的導熱率可達 401 W/m·K。這種顯著的對比使得銅幣對於熱成像非常有用。
為何散熱是一個關鍵問題
因為每個裝置都有轉換效率，如果轉換效率為 90%，則有 10% 的能量會以熱的形式散發。這就是為什麼 MOSFET 和 IGBT 摸起來很燙，甚至 BGA 處理器或電源 IC 也會變得很熱！它們需要一個主動冷卻單元來更快地散熱。電路微型化意味著在更小的空間內有更多元件，從而在 PCB 內部產生熱量。如果電路板無法快速散發這些熱量：
- 元件會超過安全操作溫度。
- 裝置效能變得不穩定。
- 焊點會隨著時間而弱化。
- 產品可靠性和壽命顯著下降
這使得更智慧的熱管理成為必要，而非選項。
為何在 PCB 中使用銅幣？
隨著電子產品不斷追求更高的功率密度，熱控制變得越來越重要。選擇銅幣是因為它們能最大化熱傳遞效率，在無需大型外部散熱器的情況下保持 PCB 尺寸非常小，並且非常適合精準運行高功率和高頻裝置。銅幣提供的垂直熱傳導路徑遠優於傳統的 PCB 散熱技術。
銅幣嵌入式 PCB 如何運作
這是一個簡單的概念，只需將銅塊放在需要熱擴散的元件（電源 IC、MOSFET、LED 和 BGA）下方。保持銅幣與表面齊平，或使其凸起以接觸附近的散熱器或機殼本身。
工作原理分解：
| 特點 | 功能 |
|---|---|
| 與元件焊盤直接接觸 | 熱量從元件傳遞到銅幣 |
| 銅的高導熱率 | 使熱量能夠快速在 PCB 中移動 |
| 熱量傳遞到空氣或散熱器 | 將元件溫度維持在安全範圍內 |
這提供了一條直接路徑，降低了熱阻，並允許在極端負載下提高效能。
銅幣嵌入式 PCB 製造方法：
製造銅幣 PCB 需要高精度的銑削和受控的接合。此流程通常包括：
1. 電路板預處理： 準備內層，為銅幣預留一個空腔位置。
2. 空腔銑削： 以嚴格的公差銑削出一個槽或凹槽，以實現精確的銅幣配合。
3. 銅幣插入： 謹慎地將一枚平坦或階梯狀的銅幣放入空腔中。
4. 接合/填充： 使用樹脂、焊料或壓入式封裝來固定銅幣並消除氣隙。
5. 表面處理： ENIG、OSP 或 HASL 表面處理，以增強可焊性和抗氧化性。
6. 測試： X 光和熱效能測試確保接合完整性與熱傳導。
此圖片可以最有效地放置在流程描述之後，以便為使用者釐清含義。
PCB 中使用的銅幣結構與類型
在 PCB 製造過程中，銅幣被插入到電路板內精密加工的槽中，並直接放置在高功率元件下方，以創建一條高效、低熱阻的熱傳導路徑。銅幣整合通常分為兩種配置：
- 嵌入式銅幣 PCB： 在這種方法中，銅被放入銑削出的空腔中，並在 PCB 層壓 期間層壓到位。銅幣以強大的機械黏著力和極低的熱阻與 PCB 堆疊接合。當結構強度和熱效能要求都很高時，這是一種受歡迎的技術。
- 埋入式銅幣 PCB： 在這種配置中，銅幣被放入銑削出的凹槽中，並在層壓週期中使用半固化片層進行封裝。銅幣保持完全封閉在 PCB 結構內。雖然它提供類似的散熱優勢，但通常是在銅必須保持於內部且不暴露於外表面時選用。
銅幣可以製造成多種幾何形狀，例如 T 形、L 形、階梯形或其他客製化輪廓，以增加熱傳遞接觸面積並在空間受限的 PCB 佈局中最佳化效能。
銅幣嵌入式 PCB 的優勢與應用
銅幣 PCB 提供更好的熱傳遞以及抗電壓降低功能，並能帶來獨特的溫度降幅（5-10°C），同時保證抗破損特性，從而延長產品壽命。它們在 PCB 表面外部構建的熱路徑有助於避免使用笨重的 散熱器，保留了設計靈活性和更涼爽的工作環境，並且對於空間、氣流或噪音有顧慮的裝置也能節省成本。它們也可以用作固態金屬芯 PCB 的更經濟替代方案。
由於這些優勢，銅幣技術已被應用於高功率 LED、汽車 ECU、馬達驅動器、5G 電信硬體、電源電子、工業控制系統、GPU/BGA 板以及射頻/微波裝置。
設計考量
在開發銅幣 PCB 時，工程師需要考慮以下事項：
- 正確的銅幣尺寸，包括直徑、形狀和厚度
- 與高速訊號走線的適當絕緣距離
- 銅幣材料鍍層以減少氧化
- 避免氣隙以獲得最佳導熱性
- 平整度控制以確保元件焊接品質
強烈建議在流程的早期階段就諮詢 PCB 製造商。
結論：
隨著更高的效能被整合到更小的佔位面積中，散熱已成為電子系統的主要設計問題。銅幣嵌入式 PCB 在 PCB 層級提供了一種智慧、可靠且高效的散熱解決方案。它們能直接從熱源實現快速熱傳遞。透過最小化熱阻並防止元件相互傳導熱量，此技術延長了產品壽命、提高了系統效率，並確保了可靠的操作。憑藉在製造銅幣 PCB 方面的先進能力，JLCPCB 為工程師提供了一個可靠且經濟實惠的解決方案，以增強電路板層級的散熱效果。
Q: 什麼是銅幣 PCB？
A: 銅幣 PCB 將固態銅塊（銅幣）直接嵌入電路板中，為高功率元件提供一條高效率、低熱阻的散熱路徑。
Q: 與傳統散熱管理相比，銅幣 PCB 有哪些優勢？
A: 銅的導熱率（401 W/m·K）遠優於 FR4，能在無需笨重外部散熱器的情況下，迅速將元件溫度降低 5–10°C，節省空間和成本。
Q: 銅幣 PCB 的製造流程複雜嗎？
A: 此流程涉及空腔銑削、精確的銅幣插入、樹脂/壓入式接合、表面處理和熱測試。它需要高精度，但使用的是成熟、可靠的技術。
Q: 銅幣 PCB 適用於哪些應用？
A: 非常適合高功率 LED、汽車 ECU、5G 設備、電源電子、馬達驅動器、GPU/BGA 板以及其他高熱密度場景。
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