Condutividade térmica do PCB e sua importância

A condutividade térmica de uma placa de circuito impresso (PCB) é sua capacidade de conduzir calor. Materiais com menor condutividade térmica permitem uma menor taxa de transferência de calor. Por outro lado, materiais com alta condutividade térmica permitem uma maior taxa de transferência de calor. Por exemplo, os metais são muito eficazes na condução de calor porque possuem alta condutividade térmica. É por isso que os utilizamos frequentemente em aplicações que exigem dissipação de calor. No entanto, materiais com baixa condutividade térmica são adequados para aplicações que exigem isolamento térmico. Neste artigo, analisaremos a condutividade térmica de uma placa de circuito impresso (PCB) e como ela afeta seu desempenho.

Condutividade térmica de PCB de vários materiais

Nesta seção, daremos uma olhada na condutividade térmica de vários Materiais PCB.

1. Epóxis e vidros (FR4, PTFE e poliimida)

Utilizamos principalmente o FR4 para a produção em massa de PCBs. No entanto, neste caso, a condutividade térmica do PCB é muito baixa em comparação com materiais alternativos. Portanto, a maioria dos fabricantes precisa utilizar diversas técnicas e métodos de gerenciamento térmico para manter a temperatura dos PCBs e seus componentes ativos em uma faixa operacional segura.

2. Cerâmicas (Alumina, Nitreto de Alumínio e Óxido de Berílio)

Cerâmicas oferecem condutividade térmica muito maior do que epóxis e vidros. No entanto, essa maior condutividade térmica acarreta custos de fabricação mais elevados. Isso ocorre porque as cerâmicas são mecanicamente resistentes e, portanto, é difícil perfurá-las mecanicamente ou por meio de lasers. Portanto, a fabricação multicamadas de PCBs cerâmicos se torna difícil.

3. Metais (cobre e alumínio)

Utilizamos principalmente alumínio para fabricar PCBs com núcleo metálico. Os metais têm maior condutividade térmica do que epóxis e vidros, além de apresentarem um custo de fabricação razoável. Portanto, são bastante eficazes para aplicações que exigem exposição a ciclos térmicos e precisam de dissipação de calor. O núcleo metálico permite alívio térmico e dissipação de calor eficientes por si só, dispensando processos e mecanismos adicionais. Assim, os custos de fabricação tendem a diminuir.

PCBs com alta condutividade térmica vs. PCB convencionais

• Materiais com alta condutividade térmica, como cerâmica e metais, permitem melhor dissipação de calor em comparação com materiais com baixa condutividade térmica, como FR4.
• Materiais com baixa condutividade térmica requerem vias e furos de placa passante para remoção de calor.
• Portanto, as etapas de fabricação tendem a aumentar no caso de materiais com baixa condutividade térmica de PCB.
• Assim, o processo de fabricação se torna complexo e os custos tendem a aumentar.
• Por outro lado, materiais com alta condutividade térmica de PCB não precisam de processos e mecanismos adicionais para alívio térmico ou dissipação de calor.
• Portanto, as etapas e os custos de fabricação tendem a diminuir para materiais com baixa condutividade térmica de PCB.
• Materiais com alta condutividade térmica de PCB não permitem a localização de tensões térmicas. Isso ocorre porque o calor se move através deles facilmente e as tensões não conseguem segregar em um único local.
• Portanto, a estrutura é termicamente estável e essas placas tendem a ter uma vida útil mais longa.
• Em comparação, materiais com baixa condutividade térmica de PCB dificultam o fluxo de calor e, portanto, permitem a localização do estresse.
• Portanto, eles têm baixa estabilidade térmica e, consequentemente, uma vida útil mais curta.
• Como materiais com alta condutividade térmica não precisam de vias, há mais espaço para montagem de componentes.
• Portanto, PCB com alta condutividade térmica é mais denso e menor em tamanho.
• Isso nos permite fabricar PCBs menores e mais eficientes.
• É um fato comprovado que materiais com alta condutividade térmica também apresentam alta condutividade elétrica. Portanto, é mais vantajoso usar materiais com alta condutividade térmica para PCBs.
• Materiais com alta condutividade térmica também apresentam um CTE estável. Isso significa que apresentam propriedades de expansão térmica desejáveis. Isso nos permite fabricar PCBs que são térmica e dimensionalmente estáveis.
• Como materiais com alta condutividade térmica são termicamente estáveis, podemos usá-los em aplicações extremas porque temos certeza de que sua degradação térmica não ocorrerá.

Dissipação de calor através da condutividade térmica do PCB

Vivemos em uma era em que é possível realizar encapsulamento microeletrônico e a tecnologia de integração está prontamente disponível. Portanto, a densidade de potência geral dos dispositivos eletrônicos está em constante aumento. No entanto, as dimensões físicas dos dispositivos e componentes eletrônicos estão diminuindo constantemente. Assim, o calor gerado é instantaneamente segregado, o que leva à dissociação ou desintegração de todo o sistema eletrônico.

No entanto, a densidade do fluxo de calor dos dispositivos eletrônicos também está aumentando, e o ambiente de alta temperatura também afeta o desempenho dos dispositivos. Portanto, precisamos de um plano mais eficiente para estabelecer o controle térmico e enfrentar o problema da dissipação de calor de frente para abrir novos caminhos. Fabricação de PCB.

A Solução

Os engenheiros desenvolveram algumas estratégias para resolver esses problemas com o gerenciamento térmico. Estas incluem:

• Aumentar a condutividade térmica do PCB para melhorar a dissipação de calor
• Utilizando materiais capazes de suportar temperaturas operacionais mais altas. Podemos fazer isso melhorando a Temperatura de Decomposição Térmica.
• Melhorar a adaptação térmica do material ao seu ambiente e o ciclo térmico. Podemos fazer isso melhorando o CTE.

A estratégia mais eficiente é usar materiais com alta condutividade térmica para combater a dissipação de calor. Isso ocorre porque esses materiais permitem uma transferência de calor suave e o calor nunca se acumula em um único local. Portanto, o calor sai do sistema assim que é gerado e não danifica a placa. O problema só surge quando há um obstáculo ao fluxo de calor e ele começa a se acumular. Nesse caso, isso levará a tensões térmicas e danos à PCB. Por isso, não é recomendado o uso de materiais com baixa condutividade térmica da PCB em aplicações de ponta.

Se você está enfrentando problemas com dissipação de calor em suas placas, então você está no lugar certo. Tecnologia MOKO possui vasta experiência em design e desenvolvimento de PCBs com alta condutividade térmica. Podemos fabricar PCBs personalizados com alta condutividade térmica para atender às suas necessidades e permitir uma dissipação de calor eficiente. Entre em contato conosco caso tenha alguma dúvida.