Conduttività termica del PCB e la sua importanza

La conduttività termica dei PCB è la loro capacità di condurre il calore. I materiali con una conduttività termica inferiore consentono una velocità di trasferimento del calore inferiore. D'altra parte, i materiali con un'elevata conduttività termica consentono una velocità di trasferimento del calore maggiore. Ad esempio, i metalli sono molto efficaci nel condurre il calore perché hanno un'elevata conduttività termica. Ecco perché li utilizziamo frequentemente in applicazioni che richiedono dissipazione del calore. Tuttavia, i materiali con bassa conduttività termica sono adatti per applicazioni che richiedono isolamento termico. In questo articolo, analizzeremo la conduttività termica dei PCB e come influisce sulle loro prestazioni.

Conduttività termica dei PCB di vari materiali

In questa sezione daremo un'occhiata alla conduttività termica di vari Materiali PCB.

1. Epossidici e vetri (FR4, PTFE e poliimmide)

Utilizziamo principalmente FR4 per la produzione in serie di PCB. Tuttavia, in questo caso, la conduttività termica dei PCB è molto bassa rispetto ai materiali alternativi. Pertanto, la maggior parte dei produttori deve utilizzare diverse tecniche e metodi di gestione termica per mantenere la temperatura dei PCB e dei loro componenti attivi entro un intervallo operativo sicuro.

2. Ceramica (allumina, nitruro di alluminio e ossido di berillio)

Le ceramiche offrono una conduttività termica molto più elevata rispetto alle resine epossidiche e ai vetri. Tuttavia, questa maggiore conduttività termica comporta costi di produzione più elevati. Questo perché le ceramiche sono meccanicamente resistenti e quindi è difficile forarle meccanicamente o tramite laser. Di conseguenza, la fabbricazione multistrato di PCB ceramici diventa complessa.

3. Metalli (rame e alluminio)

Utilizziamo principalmente l'alluminio per realizzare PCB con nucleo metallico. I metalli hanno una conduttività termica superiore a quella delle resine epossidiche e del vetro e hanno un costo di produzione ragionevole. Pertanto, sono piuttosto efficaci per applicazioni che richiedono l'esposizione a cicli termici e la dissipazione del calore. Il nucleo metallico consente di per sé un efficiente scarico termico e una dissipazione del calore efficiente, eliminando quindi la necessità di processi e meccanismi aggiuntivi. Di conseguenza, i costi di produzione tendono a diminuire.

PCB con elevata conduttività termica rispetto ai PCB convenzionali

• I materiali con elevata conduttività termica, come la ceramica e i metalli, consentono una migliore dissipazione del calore rispetto ai materiali con bassa conduttività termica, come FR4.
• I materiali con bassa conduttività termica necessitano di fori passanti e vie per la rimozione del calore.
• Pertanto, nel caso di materiali con bassa conduttività termica del PCB, le fasi di produzione tendono ad aumentare.
• Quindi il processo di produzione diventa complesso e i costi tendono ad aumentare.
• D'altro canto, i materiali con elevata conduttività termica dei PCB non necessitano di processi e meccanismi aggiuntivi per il sollievo termico o la dissipazione del calore.
• Pertanto, le fasi di produzione e i costi tendono a diminuire per i materiali con bassa conduttività termica del PCB.
• I materiali con elevata conduttività termica dei PCB non consentono la localizzazione delle sollecitazioni termiche. Questo perché il calore li attraversa facilmente e le sollecitazioni non riescono a segregarsi in un unico punto.
• Pertanto la struttura è termicamente stabile e queste schede tendono ad avere una durata maggiore.
• Al contrario, i materiali con bassa conduttività termica del PCB ostacolano il flusso di calore e quindi consentono la localizzazione dello stress.
• Hanno quindi una bassa stabilità termica e quindi una durata di vita più breve.
• Poiché il materiale con elevata conduttività termica non necessita di fori passanti, c'è più spazio per il montaggio dei componenti.
• Pertanto, i PCB con elevata conduttività termica sono più densi e più piccoli.
• Ciò ci consente di realizzare PCB più piccoli e più efficienti.
• È un dato di fatto che i materiali ad alta conduttività termica hanno anche un'elevata conduttività elettrica. Pertanto, è più vantaggioso utilizzare materiali con elevata conduttività termica per PCB.
• I materiali ad alta conduttività termica hanno anche un CTE stabile. Ciò significa che mostrano proprietà di espansione termica ottimali. Questo ci permette di realizzare PCB stabili sia termicamente che dimensionalmente.
• Poiché i materiali con elevata conduttività termica sono termicamente stabili, possiamo utilizzarli in applicazioni estreme perché siamo certi che non si verificherà alcuna degradazione termica.

Dissipazione del calore tramite conduttività termica del PCB

Viviamo in un'epoca in cui è possibile realizzare packaging microelettronici e la tecnologia di integrazione è facilmente disponibile. Pertanto, la densità di potenza complessiva dei dispositivi elettronici è in costante aumento. Tuttavia, le dimensioni fisiche dei dispositivi e dei componenti elettronici sono in costante diminuzione. Di conseguenza, il calore generato viene immediatamente segregato, portando alla dissociazione o disintegrazione dell'intero sistema elettronico.

Tuttavia, anche la densità del flusso termico dei dispositivi elettronici è in aumento e l'ambiente ad alta temperatura influisce anche sulle prestazioni dei dispositivi elettronici. Pertanto, abbiamo bisogno di un piano più efficiente per stabilire il controllo termico e dobbiamo affrontare il problema della dissipazione del calore direttamente per aprire nuove strade. Produzione di PCB.

La Soluzione

Gli ingegneri hanno elaborato alcune strategie per risolvere questi problemi con la gestione termica. Tra queste,

• Aumentare la conduttività termica del PCB per migliorare la dissipazione del calore
• Utilizzando materiali in grado di resistere a temperature di esercizio più elevate, possiamo farlo migliorando la temperatura di decomposizione termica.
• Migliorare l'adattamento termico del materiale all'ambiente e ai cicli termici. Possiamo farlo migliorando il CTE.

La strategia più efficiente tra queste è quella di utilizzare materiali ad alta conduttività termica per contrastare la dissipazione del calore. Questo perché questi materiali consentono un trasferimento di calore fluido e non si accumulano mai in un unico punto. Di conseguenza, il calore abbandona il sistema non appena viene generato e non danneggia la scheda. Il problema si verifica solo quando il flusso di calore è ostacolato e inizia ad accumularsi. In questo caso, si verificano stress termici e il PCB viene danneggiato. Per questo motivo, si sconsiglia l'utilizzo di materiali con bassa conduttività termica per PCB in applicazioni di fascia alta.

Se riscontri problemi di dissipazione del calore nelle tue schede, sei nel posto giusto. Tecnologia MOKO vanta una consolidata esperienza nella progettazione e nello sviluppo di PCB ad alta conduttività termica. Possiamo realizzare PCB ad alta conduttività termica personalizzati per soddisfare le vostre esigenze e consentire un'efficiente dissipazione del calore. Non esitate a contattarci per qualsiasi domanda.