Al igual que el diodo emisor de luz (LED), que durante décadas sirvió exclusivamente como indicador luminoso, la PCB también ha dejado atrás su ambigüedad y se ha convertido rápidamente en un elemento multifuncional dentro de un sistema electrónico. Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología de integración, la densidad de potencia total de los componentes electrónicos sigue aumentando. Sin embargo, el tamaño físico de los componentes y dispositivos electrónicos está diseñado para ser cada vez más pequeño, lo que provocaría un aumento de la densidad de flujo térmico alrededor del dispositivo, lo que afectaría su rendimiento. Por lo tanto, es necesario encontrar una forma más eficiente de gestionar la conductividad térmica. En este blog, nos centraremos en la conductividad térmica FR4, una de las más utilizadas. Materiales de PCB.
¿Qué es la conductividad térmica?
La conductividad térmica de un material como el FR4 se refiere a su eficacia para transferir energía térmica por conducción. Se cuantifica mediante la velocidad del flujo de calor a través de un espesor específico del material para un gradiente de temperatura dado. La unidad utilizada para medir la conductividad térmica es el vatio por metro (Kelvin) (W/mK). Los materiales con valores más altos conducen el calor con mayor facilidad que los aislantes con menor conductividad térmica. Los metales tienden a tener la conductividad térmica más alta, mientras que los plásticos y la cerámica se encuentran en el extremo inferior de la escala. Para que el calor se conduzca desde una fuente de calor hasta un disipador de calor, el material entre ellos debe tener suficiente conductividad térmica. La cantidad de energía térmica que fluye entre dos objetos está determinada tanto por el gradiente de temperatura como por las propiedades conductoras particulares de esos materiales. El calor fluye espontáneamente de la materia más caliente a la más fría. Cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto, la energía térmica se difunde del más caliente al más frío. Esta transferencia de calor continúa hasta que la diferencia de temperatura disminuye y se alcanza el equilibrio térmico. Gestionar esta conducción de calor es crucial en electrónica para evitar el calentamiento excesivo de los componentes y garantizar un rendimiento adecuado. La combinación de trazas conductoras térmicas y sustrato aislante es una consideración fundamental en Diseño de PCB.
Características técnicas de la conductividad térmica FR4
El PCB FR4 La conductividad térmica es relativamente baja y varía según el grado y el fabricante. A continuación, se presentan algunas características técnicas generales de la conductividad térmica de la PCB FR4:
- Valor de conductividad térmica
La conductividad térmica del FR4 suele oscilar entre 0.3 y 0.4 W/m·K (vatios por metro kelvin). Esta es una cifra relativamente baja en comparación con materiales como el aluminio o el cobre, que presentan conductividades térmicas mucho mayores.
- Conductividad anisotrópica
El FR4 es anisotrópico, lo que significa que presenta diferentes valores de conductividad térmica en distintas direcciones. La conductividad térmica es mayor en el plano de la PCB (en el plano) que a través del espesor (fuera del plano).
- Dependencia de la temperatura
La conductividad térmica del FR4 también depende de la temperatura. El FR4 presenta una conductividad térmica que disminuye a medida que aumenta su temperatura. Esta reducción en la transferencia de calor conductivo a temperaturas más altas puede afectar la capacidad del FR4 para dispersar y disipar el exceso de calor.
- El espesor importa
El grosor de la PCB FR4 puede influir en su rendimiento térmico. Las PCB más gruesas tendrán mayor resistencia térmica debido a la mayor distancia de conducción del calor a través del material. ¿Quieres saber cómo elegir el grosor de la PCB? Consulta nuestro otro blog: https://www.mokotechnology.com/pcb-thickness/
- Grado FR4
Existen diferentes grados de FR4 disponibles, y la conductividad térmica puede variar ligeramente entre ellos. Por ejemplo, alta Tg (lentes de transición Los materiales FR4 pueden tener propiedades térmicas ligeramente diferentes en comparación con el FR4 estándar.
- Limitaciones
Debido a su conductividad térmica relativamente baja, el FR4 puede no ser adecuado para aplicaciones de alta potencia o temperaturas elevadas, donde la disipación eficiente del calor es fundamental. En tales casos, se pueden preferir materiales alternativos con mayor conductividad térmica, como PCB con núcleo metálico o sustratos cerámicos.
ENCUENTRA EL FR4 MEJOR DISEÑADO
¿Qué factores afectan la conductividad térmica de la PCB FR4?
La conductividad térmica de PCB requiere mucha atención por parte de los fabricantes, ya que determina cómo se... Placa PCB Puede transferir calor a otros componentes. Como todos sabemos, una placa de circuito impreso consta de componentes electrónicos, aislantes y materiales conductores, y cada componente y material tiene diferente conductividad térmica. Además, existen muchos factores que pueden afectar la conductividad térmica de la PCB FR4:
Vias termales
Las vías térmicas son orificios ubicados en las placas de circuito impreso y desempeñan un papel vital en la disipación del calor. En general, un mayor número de vías térmicas en una placa de circuito puede mejorar la conductividad térmica, ya que proporcionan más espacio para disipar el calor de las placas. Componentes de PCB.
Trazas de cobre en PCB
Las trazas de cobre son otro factor importante que influye en la conductividad térmica. El rendimiento de la conductividad térmica depende de si las trazas están completas, es decir, si se conectan de un extremo a otro. La conductividad térmica sería alta si las trazas están completas y baja si son discontinuas.
Capas internas
La capa interna es un factor que afecta la disipación térmica de las placas de circuito. La conductividad térmica disminuye si hay muchas capas internas y viceversa.
Gestión de la conductividad térmica de PCB FR4
La gestión de la conductividad térmica es crucial para las PCB FR4, lo que afectaría su rendimiento, fiabilidad y longevidad. Sin gestión térmica, las placas de circuito impreso pueden presentar problemas de delaminación, daños o fallos. Afortunadamente, existen varios métodos para gestionar la conductividad térmica eficazmente. En este blog, los explicaremos en dos aspectos:
Diseñar mejor la PCB
La conductividad térmica es un factor a tener en cuenta al diseñar una PCB, a continuación se presentan algunos consejos para un mejor diseño de PCB:
En primer lugar, al diseñar una placa de circuito impreso, conviene separar los conductores de alta potencia y de señal. Además, podemos insertar más vías térmicas a lo largo del circuito. Estas vías pueden estar revestidas o no, lo que permite la circulación del aire y la disipación del calor. Además, una disposición adecuada de vías térmicas es muy útil para reducir la resistencia térmica y mejorar la disipación térmica.
En segundo lugar, sugerimos aumentar la distancia entre pistas para lograr una distribución del calor más uniforme en las capas, lo que puede reducir el riesgo de generar puntos calientes. Sin embargo, cabe destacar que este método no es adecuado para PCB de tamaño pequeño.
En tercer lugar, la geometría de las pistas también es un factor importante que debe considerarse durante el diseño. Las pistas que conectan los componentes deben ser lo más cortas y anchas posible, y las pistas que transmiten altas corrientes deben ser de cobre con una gran altura. Si las pistas son demasiado pequeñas, existe la posibilidad de que los componentes electrónicos fallen.
Incruste un cable de cobre en la placa de circuito impreso FR4
Moko Technology adopta un enfoque diferente con «HSMtec». Esta tecnología, certificada según DINEN 60068-2-14 y JEDECA 101-A y auditada para aviación y automoción, es selectiva: solo se utiliza cobre grueso donde se espera que circulen altas corrientes a través de la placa de circuito impreso.
DESCUBRE CÓMO SELECCIONAR EL CONJUNTO DE PCB ADECUADO PARA TU PROYECTO
Actualmente, se ofrecen perfiles de 500 µm de alto con anchos de 2.0 mm a 12 mm en longitudes variables, y los cables de 500 µm de diámetro se han consolidado. Los elementos de cobre sólido, firmemente adheridos a los patrones conductores, pueden aplicarse directamente al cobre base mediante tecnología de conexión por ultrasonidos e integrarse en cualquier capa de un material base FR4 multicapa. El cobre se utiliza por varias razones: tiene el doble de conductividad térmica que el aluminio, lo que garantiza una rápida disipación del calor sin necesidad de capas intermedias aislantes debajo de la almohadilla térmica LED.
| Material | Conductividad térmica λ [W/mk] |
| Cobre RA | 300 |
| aleación de aluminio | 150 |
| soldar | 51 |
| Cerámica (LED) | 24 |
| FR4 | 0.25 |
| Aire (en reposo) | 0.026 |
Tabla 1: Conductividad térmica de los materiales involucrados
Otra ventaja del cobre y del material base de la placa de circuito FR4 son las propiedades de expansión térmica (Tabla 2): Especialmente en conexión con los LED de cerámica, las placas de circuito basadas en cobre o FR4 tienen una alta resistencia a las tensiones térmicas, que dependen de las condiciones ambientales o de funcionamiento y otros ciclos de temperatura, como por ejemplo para controles de iluminación "inteligentes".
| Material | Coeficiente de expansión [ppm/K] |
| aluminio | 24 |
| soldar | aprox. 22 |
| cobre | 16 |
| FR4 | 13 - 17 |
| Al2O3 (LED) | 7 |
| AlN (LED) | 4 |
Tabla 2: Coeficiente de expansión térmica en la dirección X/Y
De esta manera, se puede aumentar significativamente la vida útil y la confiabilidad de toda la unidad de iluminación en comparación con las PCB con núcleo metálico convencionales basadas en aluminio.
Conclusión
El FR4 es un material comúnmente utilizado en la fabricación de PCB, ya que es económico y posee excelentes propiedades que permiten su uso en diversas aplicaciones. Sin embargo, en comparación con otros materiales, su conductividad térmica es menor. Por lo tanto, es fundamental que los fabricantes comprendan las características de conductividad térmica del FR4 y aprendan a gestionarla, lo que no solo les ayudará a reducir costos, sino también a mejorar la calidad de sus productos. Si aún tiene preguntas sobre la gestión térmica de PCB con FR4, puede consultar Tecnología MOKO para obtener la respuesta.
