为什么局部厚铜设计需要特别关注热膨胀匹配？

在现代功率电子、汽车电子和电源转换系统中，PCB板不再只是低电流信号传输的媒介。它越来越多地承担高电流传导和热能释放的任务。因此，**“局部厚铜”**工艺成为解决这些高功率需求的重要技术方式。

所谓“局部厚铜”，是指在PCB局部区域使用超常规厚度的铜箔（如4oz、6oz甚至10oz），以降低导体电阻、提高散热能力，满足大电流器件如MOS管、电感、电源芯片的工作要求。它具有显著优势：

• 电流通过能力强；

• 局部导热性能好；

• 电气性能稳定；

• 可靠性提升明显。

但问题在于：厚铜的热膨胀特性与周边常规材料（如FR-4基材、树脂、铜箔）存在明显差异。当PCB工作时，热量在厚铜区域迅速集中，使得材料受热不均、热应力不一致，容易引发如下问题：

• 材料分层、鼓包；

• 局部翘曲、变形；

• 导电层剥离；

• 焊盘开裂、微裂纹形成；

• 长期疲劳老化，加速失效。

因此，如何实现局部厚铜与其周边材料在热膨胀系数上的有效匹配，成为高可靠性PCB热设计中的重要课题。

材料热膨胀的基本原理

什么是热膨胀系数

材料受热后，尺寸会随温度升高而发生膨胀，这种性质用**线性热膨胀系数（CTE）**来表示，单位为 ppm/°C（每升高1°C，材料每米长度变化的微米数）。

不同材料的CTE值不同：

厚铜由于铜层较厚，且散热快，温度变化快，容易与周围CTE值差异较大的材料形成热应力差异，从而产生机械破坏风险。

局部厚铜热膨胀匹配中的典型问题表现

1. 接触界面处脱层

厚铜与介质层之间由于CTE差异大，在反复加热冷却中出现剥离现象，形成微缝隙，进而导致气泡、鼓包、分层。

2. 表面翘曲与板翘

局部厚铜受热快、膨胀大，而周边常规材料受热慢，板面出现形变量不一致，导致PCB整体翘曲甚至变形超限，影响贴装精度。

3. 穿孔附近应力集中

如VIA孔或通孔位于厚铜边缘区域，热应力沿铜层传播，易在孔壁和环绕焊盘区域产生微裂纹，长期使用后会引发失效。

4. 焊接工艺中温差收缩导致开裂

回流焊时，局部区域升温过快而其它区域温度变化滞后，在冷却过程中，因CTE差异引发焊盘、器件接脚与铜层之间的力不平衡，导致开裂。

解决热膨胀匹配问题的工程方法

一、优化厚铜与常规铜的过渡结构

避免厚铜区域与普通铜箔间形成“断崖式”厚度差，可以通过阶梯式设计或渐变铜厚分布实现过渡过渡。具体做法如下：

• 分层设计中采用2oz → 4oz → 6oz等多层递进过渡；

• 减小厚铜边界处的面积差异，避免应力集中；

• 通过引入缓冲图形结构降低局部热梯度。

二、选择低CTE基材或陶瓷填料复合材料

对厚铜区域，优先选择与铜CTE相近的陶瓷增强材料，例如：

• 陶瓷填充FR-4（CTE可降至15–20 ppm/°C）；

• 高填充氮化铝或氮化硼改性基材；

• PI/陶瓷复合材料用于柔性/刚性结合板。

这样可以减少铜层与基材之间的CTE差异，提高热循环寿命。

三、采用分区结构设计

将厚铜区域设计为功能分区隔离块，在该区域周围增加过渡带（例如预留热缓冲间隙、增加热孔、预留绝缘空槽），实现力学缓冲。

这种设计可以：

• 降低局部应力传导；

• 让热量更均匀扩散；

• 降低冷缩应力集中的几率。

四、改进压合工艺和铜层粘接方式

采用多次压合或“厚铜单独处理+局部拼接压合”方式，可以更好控制铜层与绝缘层之间的结合力。

同时，在铜箔与基材界面可采用粗化处理、黑化处理、等离子活化等工艺，增强附着力，从源头提高热循环可靠性。

五、进行热模拟与热应力仿真优化

在布局阶段引入热机械仿真分析工具（如ANSYS、COMSOL），可以提前预测以下问题：

• 厚铜区域的热膨胀趋势；

• 周边应力分布曲线；

• 板翘风险区域；

• 多次热循环后的疲劳寿命。

通过仿真指导设计，可显著降低实物试错成本。

实际案例分析与应用建议

案例一：电源母线厚铜区域引发板翘

在某6oz厚铜电源板中，电源母线采用大面积敷铜设计。回流焊后出现严重板翘，分析发现厚铜区域升温过快，与FR-4基材CTE差异明显。解决方法：

• 更换为陶瓷填料增强型基材；

• 在厚铜周围设计“热缓冲网格”；

• 控制焊接升温速率；

• 板边区域设置辅助对称铜层平衡应力。

处理后产品合格率提升至98%以上。

案例二：LED模组厚铜板热疲劳裂纹

在某LED散热板中，采用局部厚铜设计（6oz），长时间使用后出现发热点。显微切片发现铜与介质层剥离，铜层间出现疲劳裂纹。

优化方案包括：

• 更换为氮化铝填料板材；

• 增加铜层预处理粗化深度；

• 调整结构布局使发热元件靠近铜层中心。

最终产品通过1000小时热循环测试无失效。

厚铜结构可显著提升PCB的电流承载力和热扩散能力，是现代高功率电子系统不可或缺的一项技术。但它带来的材料不匹配问题必须引起高度重视。

只有在设计初期就全面考虑热膨胀系数差异，通过材料选择、结构过渡、工艺优化、仿真验证等手段控制热应力，才能实现厚铜区域与周边材料的长期可靠配合。