Так же, как светодиод, который десятилетиями служил исключительно в качестве индикаторной лампы, печатная плата также покинула свое теневое существование и быстро превратилась в многофункциональный элемент в электронной системе. Однако, вместе с развитием технологии интеграции, общая плотность мощности электронных компонентов продолжает расти, но физические размеры электронных компонентов и электронных устройств разрабатываются так, чтобы быть все меньше и меньше, что приведет к увеличению плотности теплового потока вокруг устройства, что повлияет на производительность электронных компонентов, поэтому необходимо найти более эффективный способ управления теплопроводностью. В этом блоге мы сосредоточимся на теплопроводности FR4, поскольку она является одной из наиболее широко используемых Материалы для печатных плат.
Что такое теплопроводность?
Теплопроводность материала, такого как FR4, относится к тому, насколько эффективно он может передавать тепловую энергию посредством теплопроводности. Она количественно определяется скоростью теплового потока через определенную толщину материала при заданном градиенте температуры. Единицами измерения теплопроводности являются ватты на метр-кельвин (Вт/мК). Материалы с более высокими значениями проводят тепло лучше, чем изоляторы с более низкой теплопроводностью. Металлы, как правило, имеют самую высокую теплопроводность, в то время как пластик и керамика находятся на нижнем конце шкалы. Чтобы тепло проводилось от источника тепла к радиатору, материал между ними должен иметь достаточную теплопроводность. Количество тепловой энергии, протекающей между двумя объектами, определяется как градиентом температуры, так и особыми проводящими свойствами этих материалов. Тепло самопроизвольно перетекает от более горячего вещества к более холодному. Когда два объекта с разной температурой соприкасаются, тепловая энергия диффундирует от более горячего к более холодному. Эта передача тепла продолжается до тех пор, пока разница температур не уменьшится и не будет достигнуто тепловое равновесие. Управление этой теплопроводностью имеет решающее значение в электронике для предотвращения чрезмерного нагрева компонентов и обеспечения надлежащей производительности. Сочетание теплопроводящих трасс и изолирующей подложки является основополагающим фактором в Дизайн печатной платы.
Технические характеристики теплопроводности FR4
FR4 PCB Теплопроводность относительно низкая и варьируется в зависимости от конкретного сорта и производителя. Вот некоторые общие технические характеристики теплопроводности печатных плат FR4:
- Значение теплопроводности
Теплопроводность FR4 обычно составляет от 0.3 до 0.4 Вт/м·К (ватт на метр-кельвин). Это относительно мало по сравнению с такими материалами, как алюминий или медь, которые имеют гораздо более высокую теплопроводность.
- Анизотропная проводимость
FR4 анизотропен, то есть имеет разные значения теплопроводности в разных направлениях. Теплопроводность выше в плоскости печатной платы (in-plane), чем по толщине (out-of-plane).
- Температурная зависимость
Теплопроводность FR4 также зависит от температуры. FR4 демонстрирует теплопроводность, которая уменьшается с ростом температуры. Это снижение кондуктивной теплопередачи в условиях более высоких температур может ухудшить способность FR4 распространять и отводить избыточное тепло.
- Толщина имеет значение
Толщина печатной платы FR4 может влиять на ее тепловые характеристики. Более толстые печатные платы будут иметь более высокое тепловое сопротивление из-за более длинного пути теплопроводности через материал. Хотите узнать, как выбрать толщину печатной платы? Посетите наш другой блог: https://www.mokotechnology.com/pcb-thickness/
- Класс FR4
Существуют различные марки FR4, теплопроводность которых может немного различаться. Например, высокотемпературный (стеклование температура) Материалы FR4 могут иметь несколько иные тепловые свойства по сравнению со стандартными FR4.
- ограничения
Из-за своей относительно низкой теплопроводности FR4 может не подходить для приложений с высокой мощностью или повышенными температурами, где эффективное рассеивание тепла имеет первостепенное значение. В таких случаях могут быть предпочтительны альтернативные материалы с более высокой теплопроводностью, такие как печатные платы с металлическим сердечником или керамические подложки.
НАЙДИТЕ ЛУЧШИЙ FR4
Какие факторы влияют на теплопроводность печатных плат FR4?
Теплопроводность печатной платы требует большого внимания со стороны производителей, поскольку она определяет, как Печатной платы может передавать тепло другим компонентам. Как мы все знаем, печатная плата состоит из электронных компонентов, изоляторов и проводящих материалов, а различные компоненты и материалы имеют разные показатели теплопроводности. Кроме того, существует множество факторов, которые могут повлиять на теплопроводность печатной платы FR4:
Термальные переходы
Тепловые переходные отверстия — это отверстия, которые размещаются на печатных платах и играют важную роль в рассеивании тепла. В общем, большее количество тепловых переходных отверстий на плате может улучшить теплопроводность, поскольку эти переходные отверстия обеспечивают больше пространства для отвода тепла от плат и Компоненты печатной платы.
Медные дорожки на печатной плате
Медные дорожки — еще один важный фактор, который может повлиять на теплопроводность. Теплопроводность на самом деле зависит от того, являются ли дорожки полными, то есть, соединяются ли дорожки от одного конца до другого. Теплопроводность будет высокой, если дорожки полные, и низкой, если дорожки прерываются.
Внутренние слои
Внутренний слой является фактором, который влияет на рассеивание тепла печатных плат. Теплопроводность будет снижена, если внутренних слоев много, и наоборот.
Управление теплопроводностью печатной платы FR4
Управление теплопроводностью имеет решающее значение для печатных плат FR4, что может повлиять на их производительность, надежность и долговечность. Без управления теплом печатные платы могут иметь проблемы с расслоением, повреждением или отказом устройства. К счастью, существует несколько методов эффективного управления теплопроводностью. В этом блоге мы объясним их в двух аспектах:
Проектирование печатной платы лучше
Теплопроводность — это фактор, который необходимо учитывать при проектировании печатной платы. Ниже приведены некоторые советы по улучшению проектирования печатной платы:
Во-первых, при проектировании печатной платы было бы лучше разделить силовые и сигнальные проводники. И мы можем вставить больше тепловых переходных отверстий вдоль теплового пути. Тепловые переходные отверстия могут быть как покрытыми, так и не покрытыми, что обеспечивает циркуляцию воздуха и рассеивание тепла. Кроме того, разумный массив тепловых переходных отверстий очень полезен для снижения теплового сопротивления и повышения эффективности рассеивания тепла.
Во-вторых, мы предлагаем увеличить расстояние между дорожками, чтобы получить более равномерное распределение тепла в слоях, что может снизить риск образования горячих точек. Но следует отметить, что этот метод не подходит для печатных плат с небольшими размерами.
В-третьих, геометрия дорожек также является важным фактором, который необходимо учитывать при проектировании. Дорожки, соединяющие компоненты, должны быть максимально короткими и широкими, а дорожки, по которым проходят высокие токи, должны использовать медь с большой высотой. Если дорожки слишком малы, то существует вероятность выхода из строя электронных компонентов.
Вставьте медный провод в печатную плату FR4
Moko Technology использует другой подход с »HSMtec«. Технология, которая квалифицирована в соответствии с DINEN60068-2-14 и JEDECA101-A и проверена для авиации и автомобилестроения, является избирательной: только там, где через печатную плату должны проходить высокие токи, используется толстая медь.
УЗНАЙТЕ, КАК ВЫБРАТЬ ПРАВИЛЬНУЮ СБОРКУ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ДЛЯ ВАШЕГО ПРОЕКТА
В настоящее время доступны профили высотой 500 мкм с шириной от 2.0 мм до 12 мм различной длины, при этом диаметр проводов 500 мкм стал общепринятым. Твердые медные элементы, которые прочно соединены с проводниками, могут быть нанесены непосредственно на базовую медь с помощью технологии ультразвукового соединения и интегрированы в любой слой многослойного материала с использованием базового материала FR4. Существует несколько причин, по которым используется медь: она имеет в два раза большую теплопроводность по сравнению с алюминием и, таким образом, обеспечивает быстрое рассеивание тепла без изолирующих промежуточных слоев под светодиодной нагревательной подкладкой.
| Материал | Теплопроводность λ [Вт/мК] |
| Медь РА | 300 |
| алюминиевый сплав | 150 |
| припой | 51 |
| Керамика (светодиод) | 24 |
| FR4 | 0.25 |
| Воздух (отдых) | 0.026 |
Таблица 1: Теплопроводность используемых материалов
Еще одним преимуществом меди и основного материала печатной платы FR4 являются свойства теплового расширения (таблица 2): Особенно в сочетании с керамическими светодиодами печатные платы на основе меди или FR4 обладают высокой устойчивостью к термическим напряжениям, которые зависят от условий окружающей среды или эксплуатации, а также других температурных циклов, например, для «интеллектуального» управления освещением.
| Материал | Коэффициент расширения [ppm/K] |
| алюминий | 24 |
| припой | ок. 22 |
| медь | 16 |
| FR4 | 13-17 |
| Al2O3 (светодиод) | 7 |
| Алюминий (светодиод) | 4 |
Таблица 2: Коэффициент теплового расширения в направлении X/Y
Таким образом, срок службы и надежность всего осветительного прибора могут быть значительно увеличены по сравнению с традиционными печатными платами с металлическим сердечником на основе алюминия.
Заключение
FR4 — это широко используемый материал для производства печатных плат, поскольку он экономичен и обладает прекрасными свойствами, которые можно использовать в различных приложениях. Но по сравнению с другими материалами он имеет худшие показатели теплопроводности. Таким образом, производителям необходимо понимать особенности теплопроводности FR4 и научиться управлять ею, что может не только помочь им снизить стоимость, но и улучшить качество их продукции. Если у вас все еще есть вопросы о тепловом управлении печатными платами FR4, вы можете перейти на МОКО Технология чтобы получить ответ.
