Proprio come il diodo a emissione luminosa, che per decenni è stato utilizzato esclusivamente come spia luminosa, anche il PCB ha abbandonato la sua esistenza oscura e si è rapidamente evoluto in un elemento multifunzionale all'interno di un sistema elettronico. Tuttavia, parallelamente allo sviluppo della tecnologia di integrazione, la densità di potenza totale dei componenti elettronici continua ad aumentare, ma le dimensioni fisiche dei componenti e dei dispositivi elettronici sono progettate per essere sempre più piccole, il che causerebbe un aumento della densità del flusso termico attorno al dispositivo, con conseguente impatto sulle prestazioni dei componenti elettronici. È quindi necessario trovare un modo più efficiente per gestire la conduttività termica. In questo articolo, ci concentreremo sulla conduttività termica del FR4, uno dei materiali più utilizzati. Materiali PCB.
Cos'è la conducibilità termica?
La conducibilità termica di un materiale come l'FR4 si riferisce all'efficacia con cui esso trasferisce energia termica per conduzione. Viene quantificata dalla velocità del flusso di calore attraverso uno specifico spessore del materiale per un dato gradiente di temperatura. L'unità di misura utilizzata per la conducibilità termica è Watt per metro-Kelvin (W/mK). I materiali con valori più elevati conducono il calore più facilmente rispetto agli isolanti con una conducibilità termica inferiore. I metalli tendono ad avere la conducibilità termica più alta, mentre le plastiche e le ceramiche si trovano all'estremità inferiore della scala. Affinché il calore si conduca da una sorgente di calore a un dissipatore di calore, il materiale interposto tra di essi deve avere una conducibilità termica sufficiente. La quantità di energia termica che fluisce tra due oggetti è determinata sia dal gradiente di temperatura sia dalle specifiche proprietà di conduzione di tali materiali. Il calore fluisce spontaneamente dalla materia più calda a quella più fredda. Quando due oggetti a temperature diverse entrano in contatto, l'energia termica si diffonde da quello più caldo a quello più freddo. Questo trasferimento di calore continua finché la differenza di temperatura non diminuisce e viene raggiunto l'equilibrio termico. Gestire questa conduzione del calore è fondamentale nell'elettronica per prevenire il surriscaldamento eccessivo dei componenti e garantire prestazioni adeguate. La combinazione di tracce termicamente conduttive e substrato isolante è una considerazione fondamentale in Progettazione PCB.
Ecco l'equazione della conducibilità termica:
K = (Q × L) / (A × ΔT)
Dove:
| Simbolo | Significato | Unità |
| K | Conduttività termica del materiale | W/m·K |
| Q | Velocità del flusso di calore attraverso il materiale | Watt (W) |
| L | Spessore del materiale | Metri (m) |
| A | Area della sezione trasversale attraverso cui fluisce il calore | m² |
| AT | Diminuzione di temperatura attraverso il materiale | Kelvin (K) |
Caratteristiche tecniche della conduttività termica FR4
Migliori PCB FR4 La conduttività termica è relativamente bassa e varia a seconda del grado e del produttore. Ecco alcune caratteristiche tecniche generali della conduttività termica dei PCB FR4:
- Valore di conduttività termica
La conduttività termica del FR4 varia tipicamente da 0.3 a 0.4 W/m·K (watt per metro Kelvin). È un valore relativamente basso rispetto a materiali come l'alluminio o il rame, che hanno conduttività termiche molto più elevate.
- Conduttività anisotropica
FR4 è anisotropo, ovvero presenta valori di conduttività termica differenti a seconda della direzione.
Conduzione sul piano (asse X-Y): Il calore fluisce lungo percorsi di fibre di vetro relativamente continui, ottenendo così una conduzione più efficiente.
Conduzione attraverso il piano (asse Z): Il calore deve attraversare più strati di resina e interfacce resina-fibra. Ogni strato genera resistenza termica, che ostacola notevolmente il flusso di calore.
Si tratta di una caratteristica importante che richiede particolare attenzione durante il processo di progettazione termica dei PCB, poiché metodi di gestione termica efficaci devono superare il collo di bottiglia della conduzione attraverso il piano. Ad esempio, accorciando il percorso di trasferimento del calore, il che è correlato alla riduzione dello spessore del circuito stampato. Oppure, offrendo un canale a bassa resistenza, come i via termici.
- Dipendenza dalla temperatura
Anche la conduttività termica dell'FR4 dipende dalla temperatura. L'FR4 presenta una conduttività termica che diminuisce all'aumentare della temperatura. Questa riduzione del trasferimento di calore conduttivo in condizioni di temperatura più elevate può compromettere la capacità dell'FR4 di diffondere e dissipare il calore in eccesso.
- Lo spessore conta
Lo spessore del PCB FR4 può influenzarne le prestazioni termiche. I PCB più spessi avranno una maggiore resistenza termica grazie al percorso di conduzione del calore più lungo attraverso il materiale. Vuoi sapere come scegliere lo spessore del PCB? Dai un'occhiata al nostro altro blog: https://www.testpcbas.com/pcb-thickness/
- Grado FR4
Sono disponibili diversi gradi di FR4 e la conduttività termica può variare leggermente tra loro. Ad esempio, ad alta Tg (transizione vetrosa temperatura) I materiali FR4 possono avere proprietà termiche leggermente diverse rispetto al FR4 standard.
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6 metodi collaudati per migliorare la gestione termica dei PCB FR4
Il FR4 ha una bassa conduttività termica, quindi il substrato stesso non è in grado di condurre il calore in modo efficiente. Ecco sei metodi efficaci per migliorare la gestione termica dei PCB in FR4.
Metodo 1: Vie termiche
È uno dei metodi più efficaci per gestire il calore nei PCB in FR-4. I fori termici sono piccoli fori placcati in rame. Il calore può essere trasferito verticalmente attraverso gli strati del PCB tramite questi fori. Questi fori fungono da tunnel termici diretti, riducendo drasticamente la temperatura delle aree critiche e sensibili, fino a 10-20 °C.
Questi fori termici hanno diametri compresi tra 0.3 e 0.5 mm e un passo tra 1 e 1.5 mm. Se disposti a griglia, risultano più efficaci nella gestione del calore rispetto ai fori isolati. Possono essere riempiti con resina epossidica conduttiva o rame, migliorandone la conduttività termica. I fori termici vengono posizionati direttamente sotto o in prossimità di componenti ad alta potenza, come transistor di potenza o circuiti integrati.
Metodo 2: Colata di rame e pialle
Nella progettazione termica dei PCB, le ampie superfici di rame, o piani di alimentazione/massa, possono fungere da efficienti dissipatori di calore. Il rame ha un'elevata conduttività termica, pari a circa 400 W/mK, a differenza dell'FR-4, che ha una conduttività compresa tra 0.3 e 0.8 W/mK.
PCB componenti Il calore generato attraversa il PCB e si propaga rapidamente attraverso il substrato di rame, diffondendosi in tutta la superficie. Questa ridistribuzione dei punti caldi localizzati in un'area più ampia minimizza, di fatto, il flusso di calore. Nella progettazione reale, la gestione termica dei PCB in FR4 si ottiene tipicamente realizzando piani di massa o di alimentazione continui e di grandi dimensioni, combinati con la progettazione di vie termiche.
Metodo 3: Materiali per l'interfaccia termica
I materiali per l'interfaccia termica (TIM) sono materiali economici impiegati per migliorare la conduttività termica delle interfacce di contatto. Le superfici di contatto di due parti possono apparire piatte a prima vista. In realtà, presentano minuscole crepe o pori. L'aria occupa questi spazi ed è un cattivo conduttore di calore. I TIM utilizzano una sostanza con una conduttività termica superiore a quella dell'aria per riempire gli spazi tra le superfici di contatto.
I materiali di interfaccia termica (TIM) sono disponibili sul mercato in diverse tipologie. I tipi più comuni includono:
- Nastri termici
- grassi/paste termiche
- Gel termici/adesivi
- Imbottiture termiche
Metodo 4: Incorporare un filo di rame in un PCB FR4
TestPcbas adotta un approccio diverso con »HSMtec«. La tecnologia, certificata secondo DINEN60068-2-14 e JEDECA101-A e certificata per l'industria aeronautica e automobilistica, è selettiva: il rame spesso viene utilizzato solo nei punti in cui è previsto il passaggio di correnti elevate attraverso il circuito stampato.
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Attualmente, sono disponibili profili alti 500 µm con larghezze da 2.0 mm a 12 mm in lunghezze variabili, con fili con diametro di 500 µm ormai consolidato. Gli elementi in rame massiccio, saldamente legati ai conduttori, possono essere applicati direttamente al rame di base utilizzando la tecnologia di connessione a ultrasuoni e integrati in qualsiasi strato di un multistrato con materiale di base FR4. Il rame viene utilizzato per diversi motivi: ha una conduttività termica doppia rispetto all'alluminio e garantisce quindi una rapida dissipazione del calore senza strati intermedi isolanti sotto il pad riscaldante del LED.
| Materiale | Conduttività termica λ [W / mk] |
| Rame RA | 300 |
| Lega di alluminio | 150 |
| saldare | 51 |
| Ceramica (LED) | 24 |
| FR4 | 0.25 |
| Aria (a riposo) | 0.026 |
Tabella 1: Conduttività termica dei materiali coinvolti
Un altro vantaggio del rame e del materiale di base del circuito stampato FR4 sono le proprietà di dilatazione termica (tabella 2): soprattutto in combinazione con i LED ceramici, i circuiti stampati in rame o FR4 presentano un'elevata resistenza alle sollecitazioni termiche, che dipendono dalle condizioni ambientali o operative e da altri cicli di temperatura, come ad esempio per i controlli di illuminazione "intelligenti".
| Materiale | Coefficiente di espansione [ppm / K] |
| alluminio | 24 |
| saldare | circa. 22 |
| rame | 16 |
| FR4 | 13-17 |
| Al2O3 (LED) | 7 |
| AlN (LED) | 4 |
Tabella 2: Coefficiente di dilatazione termica nella direzione X/Y
In questo modo è possibile aumentare significativamente la durata e l'affidabilità dell'intera unità di illuminazione rispetto ai tradizionali PCB con nucleo metallico in alluminio.
Metodo 5: Attivo Tecniche di raffreddamento
I ventilatori possono migliorare il movimento dell'aria sopra il PCB bordo e migliorano il trasferimento di calore convettivo. In pratica, una piccola ventola può abbassare la temperatura dei componenti di circa 20-30 °C. I sistemi di raffreddamento a liquido funzionano meglio con apparecchiature ad alta potenza.
Metodo 6: Passaggio ad un Alto Termico Substrato conduttivo
A volte, l'approccio corretto non è quello di cercare di aggirare i limiti termici dell'FR4, ma piuttosto di sostituirlo. L'FR4 standard ha una bassa conduttività termica, mentre l'FR4 ad alta Tg ha una conduttività termica relativamente maggiore e una maggiore resistenza alle sollecitazioni dovute ai cicli termici.
Oltre all'FR4, è possibile scegliere anche altri materiali ad alta conducibilità termica. Sapere quando optare per questa soluzione è tanto importante quanto qualsiasi altra tecnica di progettazione. Di seguito è riportata una tabella riassuntiva.
| Materiale | Conduttività Termica | Costo relativo |
| Standard FR4 Standard | 0.3 – 0.4 W/m·K | Basso |
| FR4 ad alta Tg | Fino a 0.8 W/m·K | Basso-Medio |
| Alluminio | 150 – 230 W/m·K | Medio |
| Rame | 400 W/m·K | Medio-Alto |
| Allumina (Al₂O₃) | 24 – 30 W/m·K | Alto |
| Nitruro di alluminio (AlN) | 170 – 250 W/m·K | Molto alto |
| Laminati Rogers | 0.7 – 1.7 W/m·K | Alto |
Domande frequenti
Qual è la cefficiente di termico eespansione (CTE) di FR4?
Il coefficiente di dilatazione termica (CTE) del FR4 non è lo stesso nelle direzioni XY e Z ed è il seguente:
Direzione XY: ~14–18 ppm/°C
Direzione Z: ~70–100 ppm/°C
Qual è la conduttività termica del rame nei circuiti stampati?
Rispetto all'FR4, il rame ha una conduttività termica molto più elevata, pari a circa 400 W/m·K.
Quali sono le principali proprietà meccaniche dell'FR4?
Le proprietà meccaniche essenziali includono la resistenza alla trazione, la resistenza alla flessione e un'eccellente stabilità dimensionale.
Che sono FR-4 circuiti stampatis?
I PCB FR4 sono realizzati in laminato epossidico rinforzato con fibra di vetro ignifugo. Offrono isolamento elettrico, resistenza meccanica ed economicità.
Quali sono i diversi tipi di materiali FR4?
I materiali FR4 sono disponibili in diverse tipologie, tra cui FR4 senza alogeni, FR4 standard e FR4 ad alta Tg.
Conclusione
FR4 è un materiale comunemente utilizzato per la produzione di PCB, in quanto economico e dotato di ottime proprietà che ne consentono l'impiego in diverse applicazioni. Tuttavia, rispetto ad altri materiali, presenta prestazioni inferiori in termini di conduttività termica. Pertanto, è fondamentale che i produttori comprendano le caratteristiche di conduttività termica di FR4 e imparino a gestirle, il che non solo può contribuire a ridurre i costi, ma anche a migliorare la qualità dei prodotti. Per ulteriori domande sulla gestione termica dei PCB in FR4, consultare il sito Tecnologia MOKO per ottenere la risposta.
