PCBの熱伝導率とその重要性

PCBの熱伝導率とは、熱を伝導する能力のことです。熱伝導率の低い材料は熱伝達率が低くなります。一方、熱伝導率の高い材料は熱伝達率を高めます。例えば、金属は熱伝導率が高いため、熱伝導率が非常に高くなります。そのため、放熱が必要な用途では金属が多く使用されます。一方、熱伝導率の低い材料は断熱が必要な用途に適しています。この記事では、PCBの熱伝導率とそれが性能に及ぼす影響について解説します。

様々な材料のPCB熱伝導率

このセクションでは、様々な物質の熱伝導率について見ていきます。 PCB材料.

1. エポキシおよびガラス（FR4、PTFE、ポリイミド）

PCBの大量生産には主にFR4が使用されています。しかし、FRXNUMXの場合、PCBの熱伝導率は他の材料と比較して非常に低いため、多くのメーカーはPCBとそのアクティブコンポーネントの温度を安全な動作範囲内に維持するために、様々な熱管理技術と手法を駆使する必要があります。

2. セラミックス（アルミナ、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム）

セラミックはエポキシ樹脂やガラスよりもはるかに高い熱伝導率を有します。しかし、この高い熱伝導率は製造コストの上昇を招きます。これは、セラミックが機械的に強靭であるため、機械加工やレーザー加工が困難であるためです。そのため、セラミックPCBの多層化は困難になります。

3. 金属（銅とアルミニウム）

メタルコアPCBの製造には、主にアルミニウムを使用しています。金属はエポキシやガラスよりも熱伝導率が高く、製造コストも手頃です。そのため、熱サイクルにさらされ、放熱が必要となる用途に非常に効果的です。メタルコアはそれ自体で効率的な放熱と放熱を可能にするため、追加の工程や機構は不要です。そのため、製造コストは低くなる傾向があります。

高熱伝導率PCBと従来のPCBの比較

• セラミックや金属などの熱伝導率の高い材料は、FR4 などの熱伝導率の低い材料に比べて、熱放散が優れています。
• 熱伝導率の低い材料では、熱を除去するためにビアとスループレート穴が必要です。
• そのため、PCB の熱伝導率が低い材料の場合、製造工程が増加する傾向があります。
• そのため、製造工程が複雑になり、コストが増加する傾向があります。
• 一方、PCB の熱伝導率が高い材料では、熱を逃がしたり放熱したりするための追加のプロセスやメカニズムは必要ありません。
• したがって、PCB の熱伝導率が低い材料では、製造工程とコストが減少する傾向があります。
• PCBの熱伝導率が高い材料は、熱応力の局所化を防ぎます。これは、熱が容易に伝わり、応力が一箇所に集中しないためです。
• そのため、構造は熱的に安定しており、これらのボードは寿命が長くなる傾向があります。
• 比較すると、PCB の熱伝導率が低い材料は熱の流れを妨げ、したがって応力の局所化を招きます。
• そのため、熱安定性が低く、寿命が短くなります。
• 熱伝導率の高い材料はビアを必要としないため、部品を実装するためのスペースが増えます。
• したがって、熱伝導率の高い PCB は密度が高く、サイズも小さくなります。
• これにより、より小型で効率的な PCB を製造できるようになります。
• 熱伝導率の高い材料は電気伝導率も高いことは周知の事実です。したがって、PCBには熱伝導率の高い材料を使用する方が有利です。
• 熱伝導率の高い材料は、CTEも安定しています。つまり、望ましい熱膨張特性を示すということです。これにより、熱的にも寸法的にも安定したPCBを製造することができます。
• 熱伝導率の高い材料は熱的に安定しており、熱劣化が起こらないことが確実であるため、過酷な用途にも使用できます。

PCBの熱伝導率による放熱

私たちは、マイクロエレクトロニクスのパッケージングが可能で、集積化技術が容易に利用できる時代に生きています。そのため、電子機器全体の電力密度は着実に上昇しています。しかし、電子機器や電子部品の物理的寸法は着実に縮小しています。そのため、発生した熱は瞬時に分散し、電子システム全体の分離や崩壊につながります。

しかし、電子機器の熱流束密度も増加しており、高温環境は電子機器の性能にも影響を与えています。そのため、より効率的な熱制御の確立が必要であり、放熱の問題に真正面から取り組むことで、新たな可能性を切り開く必要があります。 PCB製造.

ソリューション

エンジニアたちは、熱管理に関するこれらの問題を解決するためのいくつかの戦略を考案しました。これには以下が含まれます。

• PCBの熱伝導率を高めて放熱性を向上させる
• より高い動作温度に耐えられる材料を使用する。これは、熱分解温度を向上させることで実現できます。
• 材料の環境および熱サイクルへの熱適応性を向上させます。これは、熱膨張係数（CTE）を向上させることで実現できます。

これらの中で最も効果的な戦略は、熱放散を抑えるために熱伝導率の高い材料を使用することです。これらの材料は熱伝達がスムーズで、熱が一箇所に蓄積されることがないため、発生した熱はすぐにシステムから放出され、基板に損傷を与えることはありません。問題は、熱の流れが阻害され、熱が蓄積し始めた場合にのみ発生します。この場合、熱応力が発生し、PCBに損傷を与える可能性があります。そのため、ハイエンドアプリケーションでは、熱伝導率の低いPCB材料の使用は推奨されません。

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