Assim como o diodo emissor de luz (LED), que serviu exclusivamente como lâmpada indicadora por décadas, o PCB também deixou sua existência obscura e rapidamente evoluiu para um elemento multifuncional dentro de um sistema eletrônico. No entanto, juntamente com o desenvolvimento da tecnologia de integração, a densidade de potência total dos componentes eletrônicos continua a aumentar, mas o tamanho físico dos componentes e dispositivos eletrônicos é projetado para ser cada vez menor, o que causaria o aumento da densidade do fluxo de calor ao redor do dispositivo, o que afetaria o desempenho dos componentes eletrônicos. Portanto, é necessário encontrar uma maneira mais eficiente de gerenciar a condutividade térmica. Neste blog, vamos nos concentrar na condutividade térmica do FR4, pois é um dos mais amplamente utilizados. Materiais PCB.
O que é Condutividade Térmica?
A condutividade térmica de um material como o FR4 refere-se à eficácia com que ele transfere energia térmica por condução. Ela é quantificada pela taxa de fluxo de calor através de uma espessura específica do material para um determinado gradiente de temperatura. As unidades usadas para medir a condutividade térmica são Watts por metro-Kelvin (W/mK). Materiais com valores mais altos conduzem calor mais facilmente do que isolantes com menor condutividade térmica. Metais tendem a ter a maior condutividade térmica, enquanto plásticos e cerâmicas estão na extremidade inferior da escala. Para que o calor seja conduzido de uma fonte de calor para um dissipador de calor, o material entre eles deve ter condutividade térmica suficiente. A quantidade de energia térmica que flui entre dois objetos é determinada tanto pelo gradiente de temperatura quanto pelas qualidades condutivas específicas desses materiais. O calor flui espontaneamente da matéria mais quente para a matéria mais fria. Quando dois objetos em temperaturas diferentes entram em contato, a energia térmica se difunde do mais quente para o mais frio. Essa transferência de calor continua até que a diferença de temperatura diminua e o equilíbrio térmico seja alcançado. O gerenciamento dessa condução de calor é crucial em eletrônica para evitar o aquecimento excessivo dos componentes e garantir o desempenho adequado. A combinação de traços termicamente condutores e substrato isolante é uma consideração fundamental em Design PCB.
Características técnicas da condutividade térmica do FR4
A PCB FR4 A condutividade térmica é relativamente baixa e varia dependendo do grau específico e do fabricante. Aqui estão algumas características técnicas gerais da condutividade térmica da PCB FR4:
- Valor de condutividade térmica
A condutividade térmica do FR4 normalmente varia de 0.3 a 0.4 W/m·K (watts por metro-kelvin). Isso é relativamente baixo em comparação com materiais como alumínio ou cobre, que têm condutividades térmicas muito maiores.
- Condutividade anisotrópica
O FR4 é anisotrópico, o que significa que possui diferentes valores de condutividade térmica em diferentes direções. A condutividade térmica é maior no plano da placa de circuito impresso (no plano) do que através da espessura (fora do plano).
- Dependência de Temperatura
A condutividade térmica do FR4 também depende da temperatura. O FR4 apresenta uma condutividade térmica que diminui à medida que sua temperatura aumenta. Essa redução na transferência de calor condutivo sob condições de temperaturas mais altas pode prejudicar a capacidade do FR4 de dissipar e dissipar o excesso de calor.
- A espessura é importante
A espessura da placa de circuito impresso FR4 pode influenciar seu desempenho térmico. Placas de circuito impresso mais espessas apresentam maior resistência térmica devido ao caminho de condução de calor mais longo através do material. Quer saber como escolher a espessura da placa de circuito impresso? Confira nosso outro blog: https://www.mokotechnology.com/pcb-thickness/
- Grau FR4
Existem diferentes graus de FR4 disponíveis, e a condutividade térmica pode variar ligeiramente entre eles. Por exemplo, alta Tg (transição de vidro (temperatura) Os materiais FR4 podem ter propriedades térmicas ligeiramente diferentes em comparação ao FR4 padrão.
- Limitações
Devido à sua condutividade térmica relativamente baixa, o FR4 pode não ser adequado para aplicações com alta potência ou temperaturas elevadas, onde a dissipação eficiente de calor é de extrema importância. Nesses casos, materiais alternativos com maior condutividade térmica, como PCBs com núcleo metálico ou substratos cerâmicos, podem ser preferíveis.
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Quais fatores afetam a condutividade térmica do PCB FR4?
A condutividade térmica do PCB requer muita atenção dos fabricantes, pois decide como o Placa PCB pode transferir calor para outros componentes. Como todos sabemos, uma placa de circuito impresso é composta por componentes eletrônicos, isolantes e materiais condutores, e diferentes componentes e materiais apresentam diferentes desempenhos de condutividade térmica. Além disso, existem muitos fatores que afetam a condutividade térmica da PCB FR4:
Vias Térmicas
Vias térmicas são orifícios colocados em placas de circuito impresso que desempenham um papel vital na dissipação de calor. De modo geral, mais vias térmicas em uma placa de circuito podem melhorar o desempenho de condução térmica, pois oferecem mais espaço para dissipar o calor das placas de circuito e Componentes PCB.
Traços de cobre em PCB
Traços de cobre são outro fator importante que influencia a condutividade térmica. O desempenho da condutividade térmica depende, na verdade, da integridade dos traços, ou seja, da conexão de uma extremidade à outra. A condutividade térmica seria alta se os traços estivessem completos e baixa se fossem interrompidos.
Camadas Internas
A camada interna é um fator que afeta a dissipação de calor das placas de circuito. A condutividade térmica diminuiria se houvesse muitas camadas internas e vice-versa.
Gerenciamento de condutividade térmica do PCB FR4
O gerenciamento da condutividade térmica é crucial para PCBs FR4, afetando seu desempenho, confiabilidade e longevidade. Sem gerenciamento de calor, as placas de circuito impresso podem apresentar problemas de delaminação, danos ou falha do dispositivo. Felizmente, existem vários métodos para gerenciar a condutividade térmica de forma eficaz. Neste blog, explicaremos dois aspectos:
Projetar PCB melhor
A condutividade térmica é um fator que deve ser considerado ao projetar uma PCB. Abaixo estão algumas dicas para um melhor design de PCB:
Em primeiro lugar, ao projetar uma placa de circuito impresso, seria melhor separar os condutores de alta potência e de sinal. Podemos inserir mais vias térmicas ao longo do caminho térmico. As vias térmicas podem ser revestidas ou não, o que permite a circulação de ar e a dissipação de calor. Além disso, um conjunto razoável de vias térmicas é muito útil para reduzir a resistência térmica e melhorar o desempenho da dissipação térmica.
Em segundo lugar, sugerimos aumentar a distância entre as trilhas para obter uma distribuição de calor mais uniforme nas camadas, o que pode reduzir o risco de geração de pontos quentes. No entanto, devemos observar que esse método não é adequado para PCBs de tamanhos pequenos.
Em terceiro lugar, a geometria das trilhas também é um fator importante a ser considerado durante o projeto. As trilhas que conectam os componentes devem ser tão curtas e largas quanto possível, e as trilhas que transmitem altas correntes devem usar cobre com espessuras espessas. Se as trilhas forem muito pequenas, existe a possibilidade de falha dos componentes eletrônicos.
Incorpore fio de cobre na placa de circuito impresso FR4
A Moko Technology adota uma abordagem diferente com o »HSMtec«. A tecnologia, qualificada de acordo com as normas DINEN 60068-2-14 e JEDECA 101-A e auditada para aviação e automotivo, é seletiva: cobre espesso é utilizado apenas onde altas correntes devem fluir pela placa de circuito impresso.
DESCUBRA COMO SELECIONAR O CONJUNTO DE PCB CERTO PARA SEU PROJETO
Atualmente, perfis de 500 µm de altura com larguras de 2.0 mm a 12 mm estão disponíveis em comprimentos variáveis, com fios com diâmetro de 500 µm já consolidados. Os elementos de cobre sólido, firmemente unidos aos padrões condutores, podem ser aplicados diretamente ao cobre base usando tecnologia de conexão ultrassônica e integrados a qualquer camada de uma multicamada usando material base FR4. Há vários motivos pelos quais o cobre é utilizado: ele tem o dobro da condutividade térmica em comparação ao alumínio e, portanto, garante uma rápida dissipação de calor sem camadas intermediárias isolantes sob a almofada térmica do LED.
| Materiais | Condutividade térmica λ [W / mk] |
| Cobre RA | 300 |
| Liga de alumínio | 150 |
| solda | 51 |
| Cerâmica (LED) | 24 |
| FR4 | 0.25 |
| Ar (repouso) | 0.026 |
Tabela 1: Condutividade térmica dos materiais envolvidos
Outra vantagem do cobre e do material de base da placa de circuito FR4 são as propriedades de expansão térmica (Tabela 2): Especialmente em conexão com LEDs de cerâmica, placas de circuito baseadas em cobre ou FR4 têm alta resistência a tensões térmicas, que dependem de condições ambientais ou operacionais e outros ciclos de temperatura, como para controles de iluminação “inteligentes”.
| Materiais | Coeficiente de expansão [ppm / K] |
| alumínio | 24 |
| solda | aprox. 22 |
| cobre | 16 |
| FR4 | 13-17 |
| Al2O3 (LED) | 7 |
| AlN (LED) | 4 |
Tabela 2: Coeficiente de dilatação térmica na direção X/Y
Dessa forma, a vida útil e a confiabilidade de toda a unidade de iluminação podem ser significativamente aumentadas em comparação ao PCB de núcleo metálico convencional baseado em alumínio.
Conclusão
O FR4 é um material comumente utilizado na fabricação de PCBs, pois é econômico e possui excelentes propriedades que podem ser utilizadas em diferentes aplicações. No entanto, em comparação com outros materiais, apresenta desempenho inferior em termos de condutividade térmica. Portanto, é necessário que os fabricantes entendam as características de condutividade térmica do FR4 e aprendam a gerenciá-lo, o que pode não apenas ajudá-los a reduzir custos, mas também a melhorar a qualidade de seus produtos. Se você ainda tiver dúvidas sobre o gerenciamento térmico de PCBs com FR4, acesse Tecnologia MOKO para obter a resposta.
