Proprio come il diodo a emissione luminosa, che per decenni è stato utilizzato esclusivamente come spia luminosa, anche il PCB ha abbandonato la sua esistenza oscura e si è rapidamente evoluto in un elemento multifunzionale all'interno di un sistema elettronico. Tuttavia, parallelamente allo sviluppo della tecnologia di integrazione, la densità di potenza totale dei componenti elettronici continua ad aumentare, ma le dimensioni fisiche dei componenti e dei dispositivi elettronici sono progettate per essere sempre più piccole, il che causerebbe un aumento della densità del flusso termico attorno al dispositivo, con conseguente impatto sulle prestazioni dei componenti elettronici. È quindi necessario trovare un modo più efficiente per gestire la conduttività termica. In questo articolo, ci concentreremo sulla conduttività termica del FR4, uno dei materiali più utilizzati. Materiali PCB.
Cos'è la conducibilità termica?
La conduttività termica di un materiale come FR4 si riferisce all'efficacia con cui riesce a trasferire energia termica per conduzione. È quantificata dalla velocità del flusso di calore attraverso uno spessore specifico del materiale per un dato gradiente di temperatura. Le unità di misura utilizzate per misurare la conduttività termica sono i Watt per metro Kelvin (W/mK). I materiali con valori più elevati conducono il calore più facilmente rispetto agli isolanti con conduttività termica inferiore. I metalli tendono ad avere la conduttività termica più elevata, mentre la plastica e la ceramica si collocano all'estremità inferiore della scala. Affinché il calore venga trasmesso da una sorgente di calore a un dissipatore di calore, il materiale tra di essi deve avere una conduttività termica sufficiente. La quantità di energia termica che fluisce tra due oggetti è determinata sia dal gradiente di temperatura che dalle specifiche qualità conduttive di quei materiali. Il calore fluisce spontaneamente da una materia più calda a una materia più fredda. Quando due oggetti a temperature diverse entrano in contatto, l'energia termica si diffonde da quello più caldo a quello più freddo. Questo trasferimento di calore continua finché la differenza di temperatura non diminuisce e non si raggiunge l'equilibrio termico. Gestire questa conduzione termica è fondamentale nell'elettronica per prevenire un riscaldamento eccessivo dei componenti e garantirne il corretto funzionamento. La combinazione di tracce termicamente conduttive e substrato isolante è una considerazione fondamentale in Progettazione PCB.
Caratteristiche tecniche della conduttività termica FR4
. PCB FR4 La conduttività termica è relativamente bassa e varia a seconda del grado e del produttore. Ecco alcune caratteristiche tecniche generali della conduttività termica dei PCB FR4:
- Valore di conduttività termica
La conduttività termica del FR4 varia tipicamente da 0.3 a 0.4 W/m·K (watt per metro Kelvin). È un valore relativamente basso rispetto a materiali come l'alluminio o il rame, che hanno conduttività termiche molto più elevate.
- Conduttività anisotropica
FR4 è anisotropico, ovvero presenta valori di conduttività termica diversi in diverse direzioni. La conduttività termica è maggiore nel piano del PCB (nel piano) rispetto allo spessore (fuori dal piano).
- Dipendenza dalla temperatura
Anche la conduttività termica dell'FR4 dipende dalla temperatura. L'FR4 presenta una conduttività termica che diminuisce all'aumentare della temperatura. Questa riduzione del trasferimento di calore conduttivo in condizioni di temperatura più elevate può compromettere la capacità dell'FR4 di diffondere e dissipare il calore in eccesso.
- Lo spessore conta
Lo spessore del PCB FR4 può influenzarne le prestazioni termiche. I PCB più spessi avranno una maggiore resistenza termica grazie al percorso di conduzione del calore più lungo attraverso il materiale. Vuoi sapere come scegliere lo spessore del PCB? Dai un'occhiata al nostro altro blog: https://www.mokotechnology.com/pcb-thickness/
- Grado FR4
Sono disponibili diversi gradi di FR4 e la conduttività termica può variare leggermente tra loro. Ad esempio, ad alta Tg (transizione vetrosa temperatura) I materiali FR4 possono avere proprietà termiche leggermente diverse rispetto al FR4 standard.
- Limiti
A causa della sua conduttività termica relativamente bassa, l'FR4 potrebbe non essere adatto ad applicazioni ad alta potenza o a temperature elevate, dove un'efficiente dissipazione del calore è di fondamentale importanza. In questi casi, potrebbero essere preferibili materiali alternativi con una conduttività termica più elevata, come i PCB con nucleo metallico o i substrati ceramici.
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Quali fattori influiscono sulla conduttività termica dei PCB FR4?
La conduttività termica dei PCB richiede molta attenzione da parte dei produttori, poiché determina come il PCB bordo Può trasferire calore ad altri componenti. Come tutti sappiamo, un circuito stampato è composto da componenti elettronici, isolanti e materiali conduttivi, e diversi componenti e materiali hanno diverse prestazioni di conduttività termica. Inoltre, molti fattori possono influenzare la conduttività termica del PCB FR4:
Via Termale
I fori di via termica sono fori presenti sui circuiti stampati, che svolgono un ruolo fondamentale nella dissipazione del calore. In generale, un maggior numero di fori di via termica in un circuito stampato può migliorare le prestazioni di conduttività termica, poiché questi fori offrono più spazi per scaricare il calore dei circuiti stampati. Componenti PCB.
Tracce di rame nel PCB
Le tracce di rame sono un altro fattore importante che influenza la conduttività termica. Le prestazioni di conduttività termica dipendono in realtà dal fatto che le tracce siano complete, ovvero che si colleghino da un'estremità all'altra. La conduttività termica sarà elevata se le tracce sono complete, mentre sarà bassa se le tracce sono interrotte.
Strati interni
Lo strato interno è un fattore che influenza la dissipazione del calore dei circuiti stampati. La conduttività termica diminuisce se ci sono molti strati interni e viceversa.
Gestione della conduttività termica del PCB FR4
La gestione della conduttività termica è fondamentale per i PCB FR4, in quanto ne comprometterebbe le prestazioni, l'affidabilità e la longevità. Senza una gestione ottimale del calore, i circuiti stampati potrebbero presentare problemi di delaminazione, danneggiamento o guasto dei dispositivi. Fortunatamente, esistono diversi metodi per gestire efficacemente la conduttività termica. In questo articolo, li illustreremo in due aspetti:
Progettare PCB meglio
La conduttività termica è un fattore che deve essere preso in considerazione durante la progettazione di un PCB. Di seguito sono riportati alcuni suggerimenti per una migliore progettazione del PCB:
Innanzitutto, quando si progetta un circuito stampato, sarebbe meglio separare i conduttori ad alta potenza da quelli di segnale. Inoltre, è possibile inserire più vie termiche lungo il percorso termico. Le vie termiche possono essere placcate o meno, il che consente la circolazione dell'aria e la dissipazione del calore. Inoltre, una disposizione razionale delle vie termiche è molto utile per ridurre la resistenza termica e migliorare le prestazioni di dissipazione termica.
In secondo luogo, suggeriamo di aumentare la distanza tra le tracce per ottenere una distribuzione del calore più uniforme tra gli strati, riducendo così il rischio di generare punti caldi. Tuttavia, è importante notare che questo metodo non è adatto a PCB di piccole dimensioni.
In terzo luogo, anche la geometria delle piste è un fattore importante da considerare in fase di progettazione. Le piste che collegano i componenti dovrebbero essere il più corte e larghe possibile, e le piste che convogliano correnti elevate dovrebbero utilizzare rame con spessori elevati. Se le piste sono troppo piccole, c'è il rischio che i componenti elettronici si guastino.
Incorporare il filo di rame nel PCB FR4
Moko Technology adotta un approccio diverso con »HSMtec«. La tecnologia, certificata secondo DINEN60068-2-14 e JEDECA101-A e certificata per l'industria aeronautica e automobilistica, è selettiva: il rame spesso viene utilizzato solo nei punti in cui è previsto il passaggio di correnti elevate attraverso il circuito stampato.
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Attualmente, sono disponibili profili alti 500 µm con larghezze da 2.0 mm a 12 mm in lunghezze variabili, con fili con diametro di 500 µm ormai consolidato. Gli elementi in rame massiccio, saldamente legati ai conduttori, possono essere applicati direttamente al rame di base utilizzando la tecnologia di connessione a ultrasuoni e integrati in qualsiasi strato di un multistrato con materiale di base FR4. Il rame viene utilizzato per diversi motivi: ha una conduttività termica doppia rispetto all'alluminio e garantisce quindi una rapida dissipazione del calore senza strati intermedi isolanti sotto il pad riscaldante del LED.
| Materiali | Conduttività termica λ [W / mk] |
| Rame RA | 300 |
| Lega di alluminio | 150 |
| saldare | 51 |
| Ceramica (LED) | 24 |
| FR4 | 0.25 |
| Aria (a riposo) | 0.026 |
Tabella 1: Conduttività termica dei materiali coinvolti
Un altro vantaggio del rame e del materiale di base del circuito stampato FR4 sono le proprietà di dilatazione termica (tabella 2): soprattutto in combinazione con i LED ceramici, i circuiti stampati in rame o FR4 presentano un'elevata resistenza alle sollecitazioni termiche, che dipendono dalle condizioni ambientali o operative e da altri cicli di temperatura, come ad esempio per i controlli di illuminazione "intelligenti".
| Materiali | Coefficiente di espansione [ppm / K] |
| alluminio | 24 |
| saldare | circa. 22 |
| rame | 16 |
| FR4 | 13-17 |
| Al2O3 (LED) | 7 |
| AlN (LED) | 4 |
Tabella 2: Coefficiente di dilatazione termica nella direzione X/Y
In questo modo è possibile aumentare significativamente la durata e l'affidabilità dell'intera unità di illuminazione rispetto ai tradizionali PCB con nucleo metallico in alluminio.
Conclusione
FR4 è un materiale comunemente utilizzato per la produzione di PCB, in quanto economico e dotato di ottime proprietà che ne consentono l'impiego in diverse applicazioni. Tuttavia, rispetto ad altri materiali, presenta prestazioni inferiori in termini di conduttività termica. Pertanto, è fondamentale che i produttori comprendano le caratteristiche di conduttività termica di FR4 e imparino a gestirle, il che non solo può contribuire a ridurre i costi, ma anche a migliorare la qualità dei prodotti. Per ulteriori domande sulla gestione termica dei PCB in FR4, consultare il sito Tecnologia MOKO per ottenere la risposta.
