Al igual que el diodo emisor de luz (LED), que durante décadas sirvió exclusivamente como indicador luminoso, la PCB también ha dejado atrás su ambigüedad y se ha convertido rápidamente en un elemento multifuncional dentro de un sistema electrónico. Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología de integración, la densidad de potencia total de los componentes electrónicos sigue aumentando. Sin embargo, el tamaño físico de los componentes y dispositivos electrónicos está diseñado para ser cada vez más pequeño, lo que provocaría un aumento de la densidad de flujo térmico alrededor del dispositivo, lo que afectaría su rendimiento. Por lo tanto, es necesario encontrar una forma más eficiente de gestionar la conductividad térmica. En este blog, nos centraremos en la conductividad térmica FR4, una de las más utilizadas. Materiales de PCB.
¿Qué es la conductividad térmica?
La conductividad térmica de un material como el FR4 se refiere a la eficacia con la que transfiere energía térmica por conducción. Se cuantifica mediante la tasa de flujo de calor a través de un espesor específico del material para un gradiente de temperatura determinado. Las unidades utilizadas para medir la conductividad térmica son vatios por metro-kelvin (W/mK). Los materiales con valores más altos conducen el calor con mayor facilidad que los aislantes con menor conductividad térmica. Los metales tienden a tener la mayor conductividad térmica, mientras que los plásticos y las cerámicas se encuentran en el extremo inferior de la escala. Para que el calor se conduzca desde una fuente de calor a un disipador de calor, el material entre ellos debe tener una conductividad térmica suficiente. La cantidad de energía térmica que fluye entre dos objetos está determinada tanto por el gradiente de temperatura como por las propiedades conductoras particulares de esos materiales. El calor fluye espontáneamente de la materia más caliente a la más fría. Cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto, la energía térmica se difunde del más caliente al más frío. Esta transferencia de calor continúa hasta que la diferencia de temperatura disminuye y se alcanza el equilibrio térmico. Gestionar esta conducción de calor es crucial en la electrónica para evitar el calentamiento excesivo de los componentes y garantizar un rendimiento adecuado. La combinación de pistas térmicamente conductoras y sustrato aislante es una consideración fundamental en Diseño de PCB.
Aquí está la ecuación de conductividad térmica:
K = (Q × L) / (A × ΔT)
Lugar:
| Símbolo | Significado | Unidad |
| K | Conductividad térmica del material | W / m · K |
| Q | Tasa de flujo de calor a través del material | Vatios (W) |
| L | Espesor del material | Metros (m) |
| A | Área de la sección transversal a través de la cual fluye el calor. | m² |
| ΔT | Caída de temperatura a través del material | Kelvin (K) |
Características técnicas de la conductividad térmica FR4
La PCB FR4 La conductividad térmica es relativamente baja y varía según el grado y el fabricante. A continuación, se presentan algunas características técnicas generales de la conductividad térmica de la PCB FR4:
- Valor de conductividad térmica
La conductividad térmica del FR4 suele oscilar entre 0.3 y 0.4 W/m·K (vatios por metro kelvin). Esta es una cifra relativamente baja en comparación con materiales como el aluminio o el cobre, que presentan conductividades térmicas mucho mayores.
- Conductividad anisotrópica
El FR4 es anisotrópico, lo que significa que tiene diferentes valores de conductividad térmica en diferentes direcciones.
Conducción en el plano (eje X–Y): El calor fluye a lo largo de trayectorias de fibra de vidrio relativamente continuas, logrando así una conducción más eficiente.
Conducción a través del plano (eje Z): El calor debe atravesar múltiples capas de resina e interfaces resina-fibra. Cada capa genera resistencia térmica, lo que dificulta considerablemente el flujo de calor.
Se trata de una característica importante que requiere especial atención durante el proceso de diseño térmico de la PCB, ya que los métodos eficaces de gestión térmica deben evitar el cuello de botella de la conducción a través del plano. Por ejemplo, acortando la trayectoria de transferencia de calor, lo que implica reducir el grosor de la placa. O bien, ofreciendo un canal de baja resistencia, como las vías térmicas.
- Dependencia de la temperatura
La conductividad térmica del FR4 también depende de la temperatura. El FR4 presenta una conductividad térmica que disminuye a medida que aumenta su temperatura. Esta reducción en la transferencia de calor conductivo a temperaturas más altas puede afectar la capacidad del FR4 para dispersar y disipar el exceso de calor.
- El espesor importa
El grosor de la PCB FR4 puede influir en su rendimiento térmico. Las PCB más gruesas tendrán mayor resistencia térmica debido a la mayor distancia de conducción del calor a través del material. ¿Quieres saber cómo elegir el grosor de la PCB? Consulta nuestro otro blog: https://www.testpcbas.com/pcb-thickness/
- Grado FR4
Existen diferentes grados de FR4 disponibles, y la conductividad térmica puede variar ligeramente entre ellos. Por ejemplo, alta Tg (lentes de transición Los materiales FR4 pueden tener propiedades térmicas ligeramente diferentes en comparación con el FR4 estándar.
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6 métodos probados para mejorar la gestión térmica de las placas de circuito impreso FR4
El FR4 tiene baja conductividad térmica, por lo que el sustrato en sí no puede conducir el calor de manera eficiente. A continuación, se presentan seis métodos eficaces para mejorar la gestión térmica de las placas de circuito impreso FR4.
Método 1: Vías térmicas
Es una de las formas más útiles de gestionar el calor en la placa de circuito impreso FR-4. Las vías térmicas son pequeños orificios recubiertos de cobre. El calor se puede transferir verticalmente a través de las capas de la placa mediante estas vías. Estas vías actúan como túneles térmicos directos, reduciendo considerablemente la temperatura de las zonas críticas y sensibles, hasta 10-20 °C.
Estas vías térmicas tienen diámetros que oscilan entre 0.3 y 0.5 mm y un paso de 1 a 1.5 mm. Si se disponen en forma de cuadrícula, son más eficaces que las vías aisladas para gestionar el calor. Se pueden rellenar los orificios con epoxi conductor o cobre, lo que mejora su conductividad térmica. Las vías térmicas se colocan directamente debajo o cerca de componentes de alta potencia, como transistores de potencia o circuitos integrados.
Método 2: Vertido de cobre y planos
En el diseño térmico de PCB, las grandes zonas de cobre, o planos de alimentación/tierra, pueden actuar como disipadores de calor eficientes. El cobre tiene una alta conductividad térmica, de aproximadamente 400 W/mK, a diferencia del FR-4, cuya conductividad oscila entre 0.3 y 0.8 W/mK.
PCB cOMPONENTES Se genera calor, que se transmite a través de la PCB hacia el cobre y se difunde rápidamente por todo el plano. Esta redistribución de los puntos calientes localizados en una región más amplia minimiza, en efecto, el flujo de calor. En el diseño práctico, la gestión térmica de las PCB FR4 se logra normalmente mediante la colocación de planos de tierra o de alimentación continuos y de gran superficie, combinados con el diseño de vías térmicas.
Método 3Materiales de interfaz térmica
Los materiales de interfaz térmica (TIM, por sus siglas en inglés) son materiales económicos que se emplean para mejorar la conductividad térmica de las superficies de contacto. A primera vista, las superficies de contacto de dos piezas pueden parecer planas. Sin embargo, presentan pequeñas grietas o poros. El aire ocupa estos espacios y es un mal conductor del calor. Los TIM utilizan una sustancia con mayor conductividad térmica que el aire para rellenar los espacios entre las superficies de contacto.
Los TIM están disponibles en el mercado en varios tipos. Los tipos comunes incluyen:
- Cintas térmicas
- Pastas/grasas térmicas
- Geles térmicos/adhesivos
- Almohadillas térmicas
Método 4: Incrustar cable de cobre en PCB FR4
TestPcbas adopta un enfoque diferente con «HSMtec». Esta tecnología, certificada según DINEN 60068-2-14 y JEDECA 101-A y auditada para aviación y automoción, es selectiva: solo se utiliza cobre grueso donde se espera que circulen altas corrientes a través de la placa de circuito impreso.
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Actualmente, se ofrecen perfiles de 500 µm de alto con anchos de 2.0 mm a 12 mm en longitudes variables, y los cables de 500 µm de diámetro se han consolidado. Los elementos de cobre sólido, firmemente adheridos a los patrones conductores, pueden aplicarse directamente al cobre base mediante tecnología de conexión por ultrasonidos e integrarse en cualquier capa de un material base FR4 multicapa. El cobre se utiliza por varias razones: tiene el doble de conductividad térmica que el aluminio, lo que garantiza una rápida disipación del calor sin necesidad de capas intermedias aislantes debajo de la almohadilla térmica LED.
| Material | Conductividad térmica λ [W/mk] |
| Cobre RA | 300 |
| aleación de aluminio | 150 |
| soldar | 51 |
| Cerámica (LED) | 24 |
| FR4 | 0.25 |
| Aire (en reposo) | 0.026 |
Tabla 1: Conductividad térmica de los materiales involucrados
Otra ventaja del cobre y del material base de la placa de circuito FR4 son las propiedades de expansión térmica (Tabla 2): Especialmente en conexión con los LED de cerámica, las placas de circuito basadas en cobre o FR4 tienen una alta resistencia a las tensiones térmicas, que dependen de las condiciones ambientales o de funcionamiento y otros ciclos de temperatura, como por ejemplo para controles de iluminación "inteligentes".
| Material | Coeficiente de expansión [ppm/K] |
| aluminio | 24 |
| soldar | aprox. 22 |
| cobre | 16 |
| FR4 | 13-17 |
| Al2O3 (LED) | 7 |
| AlN (LED) | 4 |
Tabla 2: Coeficiente de expansión térmica en la dirección X/Y
De esta manera, se puede aumentar significativamente la vida útil y la confiabilidad de toda la unidad de iluminación en comparación con las PCB con núcleo metálico convencionales basadas en aluminio.
Método 5: Activo(s) Técnicas de enfriamiento
Los ventiladores pueden mejorar el movimiento del aire sobre el Placa PCB y mejoran la transferencia de calor por convección. En la práctica, un ventilador pequeño puede reducir la temperatura de los componentes entre 20 y 30 °C. Los sistemas de refrigeración líquida funcionan mejor con equipos de alta potencia.
Método 6: Cambiar a un nivel alto Rodillera Sustrato de conductividad
En ocasiones, la solución adecuada no consiste en intentar sortear las limitaciones térmicas del FR4, sino en sustituirlo. El FR4 estándar tiene baja conductividad térmica, mientras que el FR4 con alta Tg presenta una conductividad térmica y una resistencia a los ciclos térmicos relativamente mayores.
Además del FR4, también es posible elegir otros materiales de alta conductividad térmica. Saber cuándo tomar esa decisión es tan importante como cualquier técnica de diseño. A continuación se presenta una tabla básica.
| Material | Conductividad Térmica | Coste relativo |
| Estándar FR4 | 0.3 – 0.4 W/m·K | Bajo |
| FR4 de alta Tg | Hasta 0.8 W/m·K | Bajo-medio |
| Aluminio: | 150 – 230 W/m·K | Media |
| Cobre | 400 W / m · K | Medio-alto |
| Alúmina (Al₂O₃) | 24 – 30 W/m·K | Alto |
| Nitruro de aluminio (AlN) | 170 – 250 W/m·K | Muy Alta |
| Laminados Rogers | 0.7 – 1.7 W/m·K | Alto |
Preguntas Frecuentes
¿Qué es el coeficiente de thermal e¿Expansión (CTE) de FR4?
El coeficiente de dilatación térmica (CTE) del FR4 no es el mismo en las direcciones XY y Z y es el siguiente:
Dirección XY: ~14–18 ppm/°C
Dirección Z: ~70–100 ppm/°C
¿Cuál es la conductividad térmica del cobre en las placas de circuito impreso?
En comparación con el FR4, el cobre tiene una conductividad térmica mucho mayor, de aproximadamente 400 W/m·K.
¿Cuáles son las principales propiedades mecánicas del FR4?
Las propiedades mecánicas esenciales incluyen resistencia a la tracción, resistencia a la flexión y una excelente estabilidad dimensional.
Lo que son FR–4 placa de circuito impresos?
Las placas de circuito impreso FR4 están fabricadas con laminado epoxi reforzado con fibra de vidrio ignífugo. Ofrecen aislamiento eléctrico, resistencia mecánica y rentabilidad.
¿Cuáles son los diferentes tipos de materiales FR4?
Los materiales FR4 se presentan en una variedad de tipos, incluyendo FR4 libre de halógenos, FR4 estándar y FR4 de alta Tg.
Conclusión
El FR4 es un material comúnmente utilizado en la fabricación de PCB, ya que es económico y posee excelentes propiedades que permiten su uso en diversas aplicaciones. Sin embargo, en comparación con otros materiales, su conductividad térmica es menor. Por lo tanto, es fundamental que los fabricantes comprendan las características de conductividad térmica del FR4 y aprendan a gestionarla, lo que no solo les ayudará a reducir costos, sino también a mejorar la calidad de sus productos. Si aún tiene preguntas sobre la gestión térmica de PCB con FR4, puede consultar Tecnología MOKO para obtener la respuesta.
