Tout comme la diode électroluminescente, qui a servi exclusivement de voyant lumineux pendant des décennies, le circuit imprimé a quitté son existence obscure pour devenir rapidement un élément multifonctionnel au sein d'un système électronique. Cependant, avec le développement des technologies d'intégration, la densité de puissance totale des composants électroniques continue d'augmenter. Or, la taille des composants et des appareils électroniques est de plus en plus réduite, ce qui entraîne une augmentation de la densité de flux thermique autour de l'appareil, ce qui affecte ses performances. Il est donc nécessaire de trouver une solution plus efficace pour gérer la conductivité thermique. Dans cet article, nous nous concentrerons sur la conductivité thermique du FR4, l'un des matériaux les plus utilisés. Matériaux PCB.
Qu'est-ce que la conductivité thermique ?
La conductivité thermique d'un matériau comme le FR4 désigne son efficacité à transférer l'énergie thermique par conduction. Elle est quantifiée par le flux de chaleur à travers une épaisseur donnée du matériau pour un gradient de température donné. L'unité de mesure de la conductivité thermique est le watt par mètre-kelvin (W/mK). Les matériaux présentant une conductivité thermique élevée conduisent mieux la chaleur que les isolants à faible conductivité. Les métaux ont généralement la conductivité thermique la plus élevée, tandis que les plastiques et les céramiques se situent dans la partie inférieure de l'échelle. Pour que la chaleur se propage d'une source chaude à un dissipateur thermique, le matériau qui les sépare doit avoir une conductivité thermique suffisante. La quantité d'énergie thermique circulant entre deux objets est déterminée à la fois par le gradient de température et par les propriétés conductrices des matériaux. La chaleur se propage spontanément des corps chauds vers les corps froids. Lorsque deux objets à températures différentes entrent en contact, l'énergie thermique se diffuse du plus chaud vers le plus froid. Ce transfert de chaleur se poursuit jusqu'à ce que la différence de température diminue et que l'équilibre thermique soit atteint. La maîtrise de cette conduction thermique est cruciale en électronique pour éviter la surchauffe des composants et garantir leur bon fonctionnement. La combinaison de pistes thermoconductrices et d'un substrat isolant est une considération fondamentale dans Conception de PCB.
Voici l'équation de la conductivité thermique :
K = (Q × L) / (A × ΔT)
Où? :
| Symbole | Sens | Unité |
| K | Conductivité thermique du matériau | W / m · K |
| Q | Flux thermique à travers le matériau | Watts (W) |
| L | Épaisseur du matériau | Mètres (m) |
| A | Section transversale à travers laquelle la chaleur circule | m² |
| ΔT | Chute de température à travers le matériau | Kelvin (K) |
Caractéristiques techniques de la conductivité thermique du FR4
Le PCB FR4 La conductivité thermique est relativement faible et varie selon la nuance et le fabricant. Voici quelques caractéristiques techniques générales de la conductivité thermique des PCB FR4 :
- Valeur de conductivité thermique
La conductivité thermique du FR4 est généralement comprise entre 0.3 et 0.4 W/m·K (watts par mètre-kelvin). Ce chiffre est relativement faible par rapport à des matériaux comme l'aluminium ou le cuivre, dont la conductivité thermique est bien supérieure.
- Conductivité anisotrope
Le FR4 est anisotrope, ce qui signifie qu'il possède des valeurs de conductivité thermique différentes selon les directions.
Conduction dans le plan (axe X–Y): La chaleur se propage le long de fibres de verre relativement continues, permettant ainsi une conduction plus efficace.
Conduction à travers le plan (axe Z): La chaleur doit traverser plusieurs couches de résine et d'interfaces résine-fibre. Chaque couche génère une résistance thermique qui entrave considérablement le flux de chaleur.
Il s'agit d'une caractéristique importante qui requiert une attention particulière lors de la conception thermique des circuits imprimés, car les méthodes de gestion thermique efficaces doivent contourner le goulot d'étranglement de la conduction à travers le plan. Par exemple, en raccourcissant le trajet de transfert de chaleur, ce qui implique de réduire l'épaisseur du circuit imprimé. Ou encore, en proposant un canal à faible résistance, tel que des vias thermiques.
- Dépendance de la température
La conductivité thermique du FR4 dépend également de la température. La conductivité thermique du FR4 diminue avec l'augmentation de la température. Cette réduction du transfert thermique par conduction à haute température peut altérer la capacité du FR4 à diffuser et à évacuer l'excès de chaleur.
- L’épaisseur compte
L'épaisseur du PCB FR4 peut influencer ses performances thermiques. Les PCB plus épais auront une résistance thermique plus élevée grâce à un chemin de conduction thermique plus long à travers le matériau. Vous souhaitez savoir comment choisir l'épaisseur de votre PCB ? Consultez notre autre blog : https://www.testpcbas.com/pcb-thickness/
- Grade FR4
Il existe différentes qualités de FR4, et leur conductivité thermique peut varier légèrement. Par exemple, les modèles à Tg élevée (transition vitreuse Les matériaux FR4 peuvent avoir des propriétés thermiques légèrement différentes de celles du FR4 standard.
TROUVEZ LE FR4 LE PLUS ARTISANAL
6 méthodes éprouvées pour améliorer la gestion thermique des circuits imprimés FR4
Le FR4 possède une faible conductivité thermique, ce qui limite son efficacité de conduction thermique. Voici six méthodes efficaces pour améliorer la gestion thermique des circuits imprimés en FR4.
Méthode 1 : Vias thermiques
C'est l'une des méthodes les plus efficaces pour gérer la chaleur dans les circuits imprimés FR-4. Les vias thermiques sont de petits trous cuivrés. La chaleur peut être transférée verticalement à travers les couches du circuit imprimé grâce à ces vias. Ces vias constituent des tunnels thermiques directs, réduisant considérablement la température des zones critiques et sensibles, jusqu'à 10-20 °C.
Ces vias thermiques ont un diamètre compris entre 0.3 et 0.5 mm et un pas de 1 à 1.5 mm. Disposées en grille, elles permettent une meilleure dissipation thermique que les vias isolées. Leur remplissage avec de la résine époxy conductrice ou du cuivre améliore leur conductivité thermique. Les vias thermiques sont positionnées directement sous ou à proximité de composants de puissance, tels que des transistors de puissance ou des circuits intégrés.
Méthode 2 : Coulée de cuivre et rabotage
En conception thermique de circuits imprimés, les larges zones de cuivre, ou plans de masse/alimentation, peuvent servir de dissipateurs thermiques efficaces. Le cuivre possède une conductivité thermique élevée, d'environ 400 W/mK, contrairement au FR-4, dont la conductivité se situe entre 0.3 et 0.8 W/mK.
PCB composantes La chaleur générée traverse le circuit imprimé et se propage dans le plan de cuivre, puis se diffuse rapidement. Cette redistribution des points chauds localisés sur une zone plus étendue minimise le flux thermique. En pratique, la gestion thermique des circuits imprimés FR4 est généralement assurée par la mise en place de plans de masse ou d'alimentation continus et de grande surface, associés à la conception de vias thermiques.
Méthode 3Matériaux d'interface thermique
Les matériaux d'interface thermique (TIM) sont des matériaux abordables utilisés pour améliorer la conductivité thermique des interfaces de contact. À première vue, les surfaces de contact de deux pièces peuvent sembler planes. En réalité, elles présentent de minuscules fissures ou pores. L'air, mauvais conducteur de chaleur, occupe ces espaces. Le TIM utilise une substance dont la conductivité thermique est supérieure à celle de l'air pour remplir ces espaces entre les surfaces de contact.
Les pâtes thermiques (TIM) sont disponibles sur le marché sous différentes formes. Les types courants comprennent :
- Bandes thermiques
- Pâtes/graisses thermiques
- thermogels/adhésifs
- Coussinets thermiques
Méthode 4 : Incorporer un fil de cuivre dans un circuit imprimé FR4
TestPcbas adopte une approche différente avec « HSMtec ». Cette technologie, qualifiée selon les normes DINEN60068-2-14 et JEDECA101-A et auditée pour l'aéronautique et l'automobile, est sélective : le cuivre épais n'est utilisé que là où des courants élevés doivent traverser le circuit imprimé.
DÉCOUVREZ COMMENT CHOISIR LE BON ASSEMBLAGE PCB POUR VOTRE PROJET
Actuellement, des profilés de 500 µm de haut et de 2.0 à 12 mm de large sont disponibles en différentes longueurs, avec des fils de 500 µm de diamètre désormais standard. Les éléments en cuivre massif, solidement fixés aux motifs conducteurs, peuvent être appliqués directement sur le cuivre de base grâce à la technologie de connexion par ultrasons et intégrés à n'importe quelle couche d'un matériau multicouche FR4. L'utilisation du cuivre est justifiée par plusieurs raisons : sa conductivité thermique est deux fois supérieure à celle de l'aluminium et assure ainsi une dissipation thermique rapide sans nécessiter de couches intermédiaires isolantes sous le coussin chauffant LED.
| Source | Conductivité thermique λ [W / mk] |
| Cuivre RA | 300 |
| alliage d'aluminium | 150 |
| souder | 51 |
| Céramique (LED) | 24 |
| FR4 | 0.25 |
| Air (au repos) | 0.026 |
Tableau 1 : Conductivité thermique des matériaux impliqués
Un autre avantage du cuivre et du matériau de base du circuit imprimé FR4 sont les propriétés de dilatation thermique (tableau 2) : en particulier en relation avec les LED en céramique, les circuits imprimés à base de cuivre ou de FR4 ont une résistance élevée aux contraintes thermiques, qui dépendent des conditions environnementales ou de fonctionnement et d'autres cycles de température, comme pour les commandes d'éclairage « intelligentes ».
| Source | Coefficient de dilatation [ppm / K] |
| aluminium | 24 |
| souder | environ. 22 |
| capuchons de cuivre | 16 |
| FR4 | 13-17 |
| Al2O3 (LED) | 7 |
| AlN (LED) | 4 |
Tableau 2 : Coefficient de dilatation thermique dans la direction X/Y
De cette manière, la durée de vie et la fiabilité de l'ensemble de l'unité d'éclairage peuvent être considérablement augmentées par rapport aux circuits imprimés à noyau métallique conventionnels à base d'aluminium.
Méthode 5: Actif Techniques de refroidissement
Les ventilateurs peuvent améliorer la circulation de l'air au-dessus de PCB bord et améliorer le transfert de chaleur par convection. En pratique, un petit ventilateur peut abaisser la température des composants d'environ 20 à 30 °C. Les systèmes de refroidissement liquide sont plus performants avec les équipements à forte puissance.
Méthode 6Passer à un niveau élevé Thermique Substrat conducteur
Parfois, la meilleure solution n'est pas de contourner les limitations thermiques du FR4, mais plutôt de le remplacer. Le FR4 standard présente une faible conductivité thermique, tandis que le FR4 à haute température de transition vitreuse (Tg) offre une conductivité thermique et une résistance aux contraintes thermiques cycliques relativement supérieures.
Outre le FR4, d'autres matériaux à haute conductivité thermique peuvent être envisagés. Savoir quand faire ce choix est tout aussi important que pour toute autre technique de conception. Un tableau récapitulatif est fourni ci-dessous.
| Source | Conductivité thermique | Coût relatif |
| Norme FR4 | 0.3 – 0.4 W/m·K | Low |
| FR4 à haute Tg | Jusqu'à 0.8 W/m·K | Faible-moyen |
| Aluminium | 150 – 230 W/m·K | Moyenne |
| Copper | 400 W/m·K | Moyen-élevé |
| Alumine (Al₂O₃) | 24 – 30 W/m·K | Haute |
| Nitrure d'aluminium (AlN) | 170 – 250 W/m·K | Très élevé |
| Stratifiés Rogers | 0.7 – 1.7 W/m·K | Haute |
Questions fréquemment posées
Qu'est ce que le cefficacité de thermal eexpansion (CTE) de FR4 ?
Le coefficient de dilatation thermique (CTE) du FR4 n'est pas le même dans les directions XY et Z et est le suivant :
Direction XY : ~14–18 ppm/°C
Direction Z : ~70–100 ppm/°C
Quelle est la conductivité thermique du cuivre dans les circuits imprimés ?
Comparé au FR4, le cuivre a une conductivité thermique beaucoup plus élevée, d'environ 400 W/m·K.
Quelles sont les principales propriétés mécaniques du FR4 ?
Les propriétés mécaniques essentielles comprennent la résistance à la traction, la résistance à la flexion et une excellente stabilité dimensionnelle.
Organisateur Ce que Ces FR-4 circuit imprimés?
Les circuits imprimés FR4 sont fabriqués à partir d'un stratifié époxy renforcé de fibres de verre ignifugé. Ils offrent une isolation électrique, une résistance mécanique et un bon rapport coût-efficacité.
Quels sont les différents types de matériaux FR4 ?
Les matériaux FR4 se déclinent en plusieurs types, notamment le FR4 sans halogène, le FR4 standard et le FR4 à haute Tg.
Conclusion
Le FR4 est un matériau couramment utilisé pour la fabrication de circuits imprimés, car il est économique et possède d'excellentes propriétés qui le rendent utilisable dans diverses applications. Cependant, comparé à d'autres matériaux, sa conductivité thermique est inférieure. Il est donc essentiel pour les fabricants de comprendre les caractéristiques de conductivité thermique du FR4 et d'apprendre à la gérer, ce qui peut non seulement les aider à réduire leurs coûts, mais aussi à améliorer la qualité de leurs produits. Si vous avez des questions sur la gestion thermique des circuits imprimés FR4, vous pouvez consulter le site Technologie MOKO pour obtenir la réponse.
