PCB的導熱係數是其傳導熱量的能力. 具有較低熱導率的材料允許較低的熱傳遞率. 另一方面, 具有高導熱性的材料允許更高的熱傳遞率. 例如, 金屬在導熱方面非常有效,因為它們具有高導熱性. 這就是為什麼我們經常在需要散熱的應用中使用它們. 然而, 導熱係數低的材料適用於需要隔熱的應用. 在本文中, 我們將看看 PCB 的導熱性以及它如何影響它們的性能.
各種材料的PCB熱導率
在這個部分, 我們將看看各種材料的導熱係數 線路板材料.
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環氧樹脂和眼鏡 (FR4, 聚四氟乙烯, 和聚酰亞胺)
我們主要使用FR4進行PCB的批量生產. 然而, 在這種情況下, 與替代材料相比,PCB 熱導率非常低. 所以, 大多數製造商必須使用多種熱管理技術和方法來將 PCB 及其有源組件的溫度保持在安全的操作範圍內.
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陶瓷 (氧化鋁, 氮化鋁, 和氧化鈹)
陶瓷比環氧樹脂和玻璃具有更高的導熱性. 然而, 這種更高的導熱性伴隨著更高的製造成本. 這是因為陶瓷具有機械韌性,因此很難通過機械或激光對其進行鑽孔. 所以, 陶瓷PCB的多層製造變得困難.
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金屬 (銅和鋁)
我們主要使用鋁來製作金屬芯PCB. 金屬比環氧樹脂具有更高的導熱性 & 眼鏡,他們有合理的製造成本. 所以, 它們對於需要暴露於熱循環和需要散熱的應用非常有效. 金屬芯本身就可以實現高效的散熱和散熱,因此我們不需要額外的工藝和機制. 所以, 製造成本趨於下降.
材料 | 導熱係數 (W /(米·K)) | |
環氧樹脂和玻璃 | FR4 | 0.3 |
聚四氟乙烯 | 0.25 | |
聚酰亞胺 | 0.12 | |
陶瓷 | 氧化鋁 | 28-35 |
氮化鋁 | 140-180 | |
氧化鈹 | 170-280 | |
金屬 | 鋁 | 205 |
銅 | 385 |
具有高導熱性的 PCB 與傳統 PCB
- 與低熱導率材料(如 FR4)相比,具有高熱導率的材料(如陶瓷和金屬)可實現更好的散熱.
- 導熱係數低的材料需要通孔和通板孔來散熱.
- 所以, 在 PCB 導熱率低的材料的情況下,製造步驟往往會增加.
- 所以, 製造過程變得複雜,成本趨於增加.
- 另一方面, 具有高 PCB 熱導率的材料不需要額外的工藝和機制來散熱或散熱.
- 因此, PCB熱導率低的材料的製造步驟和成本往往會降低.
- 具有高 PCB 熱導率的材料不允許定位熱應力. 這是因為熱量很容易通過它們,壓力無法集中在一處.
- 所以, 結構是熱穩定的,這些板往往有更長的壽命.
- 相比下, PCB 熱導率低的材料會阻礙熱量的流動,因此它們允許應力局部化.
- 所以, 它們的熱穩定性低,因此壽命較短.
- 由於高導熱材料不需要過孔,因此有更多的空間來安裝組件.
- 因此, 高導熱PCB更緻密,體積更小.
- 這使我們能夠製造更小、更高效的 PCB.
- 已確定的事實是,具有高導熱性的材料也具有高導電性. 所以, 使用PCB熱導率高的材料更有利.
- 具有高導熱性的材料也具有穩定的 CTE. 這意味著它們顯示出理想的熱膨脹特性. 這使我們能夠製造熱穩定性和尺寸穩定的 PCB.
- 由於具有高導熱性的材料具有熱穩定性,因此我們可以在極端應用中使用它們,因為我們確信它們不會發生熱降解.
通過 PCB 導熱係數散熱
我們生活在一個可以進行微電子封裝和集成技術的時代. 所以, 電子設備整體功率密度穩步上升. 然而, 電子設備和電子元件的物理尺寸正在穩步減小. 所以, 產生的熱量瞬間被隔離,導致整個電子系統解離或解體.
然而, 電子設備的熱流密度也在增加, 高溫環境也會影響電子設備的性能. 因此, 我們需要一個更有效的計劃來建立熱控制, 我們需要正面解決散熱問題,才能開闢新的途徑 PCB製造.
解決方案
工程師提出了一些解決熱管理問題的策略. 這些包括,
- 增加PCB的導熱性以改善散熱
- 使用能夠承受更高工作溫度的材料. 我們可以通過提高熱分解溫度來做到這一點.
- 提高材料對其環境和熱循環的熱適應能力. 我們可以通過提高 CTE 來做到這一點.
其中最有效的策略是使用具有高導熱性的材料來對抗散熱. 這是因為這些材料可以實現平穩的熱傳遞,並且熱量永遠不會聚集在一個地方. 因此, 熱量一產生就離開系統,不會損壞電路板. 只有當熱量流動受到阻礙並開始累積時才會出現問題. 在這種情況下, 它會導致熱應力並損壞 PCB. 這就是為什麼不建議在高端應用中使用低 PCB 熱導率的材料的原因.
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