Tout comme la diode électroluminescente, qui a servi exclusivement de voyant lumineux pendant des décennies, le circuit imprimé a quitté son existence obscure pour devenir rapidement un élément multifonctionnel au sein d'un système électronique. Cependant, avec le développement des technologies d'intégration, la densité de puissance totale des composants électroniques continue d'augmenter. Or, la taille des composants et des appareils électroniques est de plus en plus réduite, ce qui entraîne une augmentation de la densité de flux thermique autour de l'appareil, ce qui affecte ses performances. Il est donc nécessaire de trouver une solution plus efficace pour gérer la conductivité thermique. Dans cet article, nous nous concentrerons sur la conductivité thermique du FR4, l'un des matériaux les plus utilisés. Matériaux PCB.
Qu'est-ce que la conductivité thermique ?
La conductivité thermique d'un matériau comme le FR4 désigne son efficacité à transférer l'énergie thermique par conduction. Elle est quantifiée par le débit de chaleur traversant une épaisseur spécifique du matériau pour un gradient de température donné. L'unité de mesure de la conductivité thermique est le watt par mètre-kelvin (W/mK). Les matériaux présentant des valeurs élevées conduisent mieux la chaleur que les isolants à faible conductivité thermique. Les métaux ont tendance à avoir la conductivité thermique la plus élevée, tandis que les plastiques et les céramiques se situent en bas de l'échelle. Pour que la chaleur soit transmise d'une source de chaleur à un dissipateur thermique, le matériau entre les deux doit avoir une conductivité thermique suffisante. La quantité d'énergie thermique circulant entre deux objets est déterminée à la fois par le gradient de température et par les qualités conductrices particulières de ces matériaux. La chaleur circule spontanément de la matière la plus chaude vers la matière la plus froide. Lorsque deux objets à des températures différentes entrent en contact, l'énergie thermique se diffuse de l'objet le plus chaud vers l'objet le plus froid. Ce transfert thermique se poursuit jusqu'à ce que la différence de température diminue et que l'équilibre thermique soit atteint. La gestion de cette conduction thermique est cruciale en électronique pour éviter un échauffement excessif des composants et garantir de bonnes performances. La combinaison de traces conductrices thermiquement et d'un substrat isolant est une considération fondamentale dans Conception de PCB.
Caractéristiques techniques de la conductivité thermique du FR4
PCB FR4 La conductivité thermique est relativement faible et varie selon la nuance et le fabricant. Voici quelques caractéristiques techniques générales de la conductivité thermique des PCB FR4 :
- Valeur de conductivité thermique
La conductivité thermique du FR4 est généralement comprise entre 0.3 et 0.4 W/m·K (watts par mètre-kelvin). Ce chiffre est relativement faible par rapport à des matériaux comme l'aluminium ou le cuivre, dont la conductivité thermique est bien supérieure.
- Conductivité anisotrope
Le FR4 est anisotrope, ce qui signifie que sa conductivité thermique varie selon les directions. La conductivité thermique est plus élevée dans le plan du PCB (dans le plan) que dans l'épaisseur (hors plan).
- Dépendance de la température
La conductivité thermique du FR4 dépend également de la température. La conductivité thermique du FR4 diminue avec l'augmentation de la température. Cette réduction du transfert thermique par conduction à haute température peut altérer la capacité du FR4 à diffuser et à évacuer l'excès de chaleur.
- L’épaisseur compte
L'épaisseur du PCB FR4 peut influencer ses performances thermiques. Les PCB plus épais auront une résistance thermique plus élevée grâce à un chemin de conduction thermique plus long à travers le matériau. Vous souhaitez savoir comment choisir l'épaisseur de votre PCB ? Consultez notre autre blog : https://www.mokotechnology.com/pcb-thickness/
- Grade FR4
Il existe différentes qualités de FR4, et leur conductivité thermique peut varier légèrement. Par exemple, les modèles à Tg élevée (transition vitreuse Les matériaux FR4 peuvent avoir des propriétés thermiques légèrement différentes de celles du FR4 standard.
- Limites
En raison de sa conductivité thermique relativement faible, le FR4 peut ne pas convenir aux applications à forte puissance ou à températures élevées, où une dissipation thermique efficace est primordiale. Dans ce cas, des matériaux alternatifs à conductivité thermique plus élevée, tels que les circuits imprimés à noyau métallique ou les substrats céramiques, peuvent être privilégiés.
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Quels facteurs affectent la conductivité thermique du PCB FR4 ?
La conductivité thermique des PCB nécessite une grande attention de la part des fabricants, car elle détermine la manière dont PCB bord Peut transférer la chaleur à d'autres composants. Comme chacun sait, un circuit imprimé est composé de composants électroniques, d'isolants et de matériaux conducteurs, et les performances de conductivité thermique varient selon les composants et matériaux. De plus, de nombreux facteurs peuvent influencer la conductivité thermique d'un circuit imprimé FR4 :
Vias thermiques
Les vias thermiques sont des trous placés sur les circuits imprimés et jouant un rôle essentiel dans la dissipation de la chaleur. En général, un plus grand nombre de vias thermiques sur un circuit imprimé peut améliorer la conductivité thermique, car ils offrent davantage d'espace pour évacuer la chaleur. Composants PCB.
Traces de cuivre dans les PCB
Les pistes de cuivre constituent un autre facteur important influençant la conductivité thermique. La performance de conductivité thermique dépend en réalité de la continuité des pistes, c'est-à-dire de leur connexion d'une extrémité à l'autre. La conductivité thermique est élevée si les pistes sont continues, et faible si elles sont discontinues.
Couches internes
La couche interne est un facteur qui affecte la dissipation thermique des circuits imprimés. La conductivité thermique diminue en présence de nombreuses couches internes, et inversement.
Gestion de la conductivité thermique des PCB FR4
La gestion de la conductivité thermique est cruciale pour les circuits imprimés FR4, car elle affecte leurs performances, leur fiabilité et leur longévité. Sans gestion thermique, les circuits imprimés peuvent présenter des problèmes de délaminage, de dommages ou de défaillance. Heureusement, il existe plusieurs méthodes pour gérer efficacement la conductivité thermique. Dans cet article, nous les expliquons sous deux angles :
Concevoir un meilleur PCB
La conductivité thermique est un facteur qui doit être pris en compte lors de la conception d'un PCB. Voici quelques conseils pour une meilleure conception de PCB :
Tout d'abord, lors de la conception d'un circuit imprimé, il est préférable de séparer les conducteurs de puissance et de signal. Il est également possible d'insérer davantage de vias thermiques le long du chemin thermique. Ces vias peuvent être plaqués ou non, ce qui permet la circulation de l'air et la dissipation de la chaleur. De plus, un réseau de vias thermiques raisonnable est très utile pour réduire la résistance thermique et améliorer la dissipation thermique.
Deuxièmement, nous suggérons d'augmenter la distance entre les pistes afin d'obtenir une répartition plus uniforme de la chaleur entre les couches, ce qui peut réduire le risque de points chauds. Cependant, il est important de noter que cette méthode n'est pas adaptée aux circuits imprimés de petite taille.
Troisièmement, la géométrie des pistes est également un facteur important à prendre en compte lors de la conception. Les pistes reliant les composants doivent être aussi courtes et larges que possible, et celles transportant des courants élevés doivent être en cuivre épais. Des pistes trop petites peuvent entraîner une défaillance des composants électroniques.
Intégrer du fil de cuivre dans un PCB FR4
Moko Technology adopte une approche différente avec « HSMtec ». Cette technologie, qualifiée selon les normes DINEN60068-2-14 et JEDECA101-A et auditée pour l'aéronautique et l'automobile, est sélective : le cuivre épais n'est utilisé que là où des courants élevés doivent traverser le circuit imprimé.
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Actuellement, des profilés de 500 µm de haut et de 2.0 à 12 mm de large sont disponibles en différentes longueurs, avec des fils de 500 µm de diamètre désormais standard. Les éléments en cuivre massif, solidement fixés aux motifs conducteurs, peuvent être appliqués directement sur le cuivre de base grâce à la technologie de connexion par ultrasons et intégrés à n'importe quelle couche d'un matériau multicouche FR4. L'utilisation du cuivre est justifiée par plusieurs raisons : sa conductivité thermique est deux fois supérieure à celle de l'aluminium et assure ainsi une dissipation thermique rapide sans nécessiter de couches intermédiaires isolantes sous le coussin chauffant LED.
| Matériaux | Conductivité thermique λ [W / mk] |
| Cuivre RA | 300 |
| alliage d'aluminium | 150 |
| souder | 51 |
| Céramique (LED) | 24 |
| FR4 | 0.25 |
| Air (au repos) | 0.026 |
Tableau 1 : Conductivité thermique des matériaux impliqués
Un autre avantage du cuivre et du matériau de base du circuit imprimé FR4 sont les propriétés de dilatation thermique (tableau 2) : en particulier en relation avec les LED en céramique, les circuits imprimés à base de cuivre ou de FR4 ont une résistance élevée aux contraintes thermiques, qui dépendent des conditions environnementales ou de fonctionnement et d'autres cycles de température, comme pour les commandes d'éclairage « intelligentes ».
| Matériaux | Coefficient de dilatation [ppm / K] |
| aluminium | 24 |
| souder | environ. 22 |
| capuchons de cuivre | 16 |
| FR4 | 13-17 |
| Al2O3 (LED) | 7 |
| AlN (LED) | 4 |
Tableau 2 : Coefficient de dilatation thermique dans la direction X/Y
De cette manière, la durée de vie et la fiabilité de l'ensemble de l'unité d'éclairage peuvent être considérablement augmentées par rapport aux circuits imprimés à noyau métallique conventionnels à base d'aluminium.
Conclusion
Le FR4 est un matériau couramment utilisé pour la fabrication de circuits imprimés, car il est économique et possède d'excellentes propriétés qui le rendent utilisable dans diverses applications. Cependant, comparé à d'autres matériaux, sa conductivité thermique est inférieure. Il est donc essentiel pour les fabricants de comprendre les caractéristiques de conductivité thermique du FR4 et d'apprendre à la gérer, ce qui peut non seulement les aider à réduire leurs coûts, mais aussi à améliorer la qualité de leurs produits. Si vous avez des questions sur la gestion thermique des circuits imprimés FR4, vous pouvez consulter le site Technologie MOKO pour obtenir la réponse.
