PCB熱導率及其重要性

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內容
PCB熱導率及其重要性

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.

  1. 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.

  1. 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.

  1. 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 205
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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