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铜基板的导热系数是怎么算的?

2025
06/25
本篇文章来自
捷多邦

铜基板的标称导热系数398W/(m·K)常被直接引用,但实际有效导热性能往往大打折扣。理解这一差异需要从材料微观结构到宏观热阻网络进行系统分析。

 

体材料导热系数的物理本质

纯铜的398W/(m·K)源自其自由电子气模型。铜晶体中约1.4×1023个自由电子/cm3形成高效热传导通道,其热导率与电导率遵循魏德曼-弗朗兹定律。但需注意,该数值仅适用于99.99%纯度的退火铜,实际PCB用压延铜箔(RA铜)因晶界缺陷和冷加工残余应力,导热系数会降低至350-380W/(m·K)

 

多层结构的等效导热计算

铜基板的真实导热性能需按热阻网络模型计算。典型三明治结构的等效导热系数(K_eff)计算公式为:

K_eff = (t1+t2+t3)/(t1/K1 + t2/K2 + t3/K3)

其中t为各层厚度,K为材料导热系数。以1.6mm厚铜基板为例(1oz铜箔35μm+100μm绝缘层+1.465mm铜基板),当绝缘层导热系数为2W/(m·K)时,整体等效导热系数骤降至约45W/(m·K)。实践中发现,绝缘层厚度增加10%,整体热阻上升幅度可达15-20%

 

界面热阻的隐形损耗

材料接触界面存在接触热阻(Thermal Contact Resistance),实测数据显示铜箔与绝缘层间的界面热阻可达0.5-2cmK/W。在多层堆叠结构中,这类界面损耗可能占总热阻的30%以上。我们曾遇到某大功率LED项目,标称K=3W/(m·K)的绝缘层因界面处理不良,实测有效导热仅1.8W/(m·K)

 

温度依赖性的工程影响

铜的导热系数随温度升高而下降,在100℃时约降低12%。这对持续大电流工作的电力电子器件影响显著。某3kW逆变器项目中,铜基板在常温下测得热阻为1.2K/W,但在85℃环境温度下升至1.5K/W,直接导致IGBT结温超标。

 

测量方法的认知误区

常见的激光闪射法(LFA)测量存在两大陷阱:一是默认各向同性材料,而铜基板在XY方向(沿铜层)与Z方向(穿透绝缘层)导热系数差异可达100倍;二是测试样品尺寸效应,当样品直径<10mm时,边界散射会导致测量值偏低5-8%

 

实用建议

供应商数据验证:要求提供实测的Z轴导热系数数据,而非单纯标称值

厚度优化原则:在绝缘层耐压允许下,每减少25μm厚度相当于提升整体导热性能8-10%

老化测试必要:进行至少100次温度循环(-40~125℃)后复测热阻,评估材料退化

 

铜基板的导热性能评估本质上是系统级工程问题,需要同时考虑材料本征特性、结构工艺和实际工况。工程师应建立"有效导热系数"的概念,避免将理想参数直接代入设计。


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