FR4の熱伝導率に関する包括的なガイド

数十年にわたり表示灯としてのみ機能していた発光ダイオードと同様に、PCBもかつての影の存在から脱却し、電子システム内の多機能素子へと急速に進化しました。しかし、集積技術の発展に伴い、電子部品の総電力密度は増加し続けていますが、電子部品や電子機器の物理的サイズはますます小型化しており、デバイス周辺の熱流束密度が増加し、電子部品の性能に影響を与えるため、熱伝導率をより効率的に管理する方法を見つける必要があります。このブログでは、最も広く使用されているFR4の熱伝導率に焦点を当てます。 PCB材料.

熱伝導率とは？

FR4などの材料の熱伝導率は、伝導によって熱エネルギーをどれだけ効率的に伝達できるかを示します。これは、特定の温度勾配における材料の特定の厚さを通過する熱流の速度によって定量化されます。熱伝導率の測定に使用される単位は、ワット毎メートルケルビン（W/mK）です。値が高い材料は、熱伝導率が低い絶縁体よりも熱を伝導しやすくなっています。金属は一般的に最も高い熱伝導率を持ち、プラスチックやセラミックは低い方です。熱源からヒートシンクに熱が伝導するためには、両者の間の材料が十分な熱伝導率を持っている必要があります。2つの物体間を流れる熱エネルギーの量は、温度勾配とそれらの材料の特定の伝導特性の両方によって決まります。熱は、より高温の物質からより低温の物質へと自然に流れます。温度の異なる2つの物体が接触すると、熱エネルギーは高温の物体から低温の物体へと拡散します。この熱伝達は、温度差が小さくなり、熱平衡に達するまで続きます。電子機器では、部品の過熱を防ぎ、適切な性能を確保するために、この熱伝導を管理することが非常に重要です。熱伝導性配線と絶縁性基板の組み合わせは、 PCB設計.

熱伝導率の式は以下のとおりです。

K = (Q × L) / (A × ΔT)

どこ：

FR4の熱伝導率の技術的特性

その FR4 基板 熱伝導率は比較的低く、グレードやメーカーによって異なります。FR4 PCBの熱伝導率に関する一般的な技術的特性は以下のとおりです。

• 熱伝導率値

FR4の熱伝導率は通常0.3～0.4 W/m·K（ワット/メートル・ケルビン）です。これは、アルミニウムや銅などのはるかに高い熱伝導率を持つ材料と比較すると、比較的低い値です。

• 異方性導電率

FR4は異方性材料であり、方向によって熱伝導率が異なる。

面内伝導（X-Y軸）: 熱は比較的連続したガラス繊維の経路に沿って流れるため、より効率的な伝導が実現される。

面内伝導（Z軸）: 熱は複数の樹脂層と樹脂と繊維の界面を通過する必要がある。各層は熱抵抗を生み出し、熱の流れを著しく阻害する。

これは、PCBの熱設計プロセスにおいて特に注意を要する重要な特性です。効果的な熱管理手法は、基板貫通伝導のボトルネックを回避する必要があるからです。例えば、熱伝達経路を短縮することで基板の厚さを減らすこと、あるいは、サーマルビアのような低抵抗チャネルを設けることなどが挙げられます。

• 温度依存性

FR4の熱伝導率も温度に依存します。FR4の熱伝導率は、温度が上昇するにつれて低下します。高温条件下では伝導熱伝達が低下するため、FR4の余分な熱を拡散・放出する能力が低下する可能性があります。

• 厚さが重要

FR4基板の厚さは、その熱性能に影響を与える可能性があります。基板が厚いほど、材料を介した熱伝導経路が長くなるため、熱抵抗が高くなります。基板の厚さの選び方について詳しく知りたい場合は、こちらのブログをご覧ください。 https://www.testpcbas.com/pcb-thickness/

• FR4グレード

FR4には様々なグレードがあり、熱伝導率はグレードによって若干異なります。例えば、高Tg（ガラス転移 FR4 材料は、標準 FR4 と比べて熱特性が若干異なる場合があります (温度)

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FR4基板の熱管理を改善するための6つの実証済み方法

FR4は熱伝導率が低いため、基板自体が効率的に熱を伝導できません。ここでは、FR4基板の熱管理を改善するための6つの効果的な方法を紹介します。

方法1：熱ビア

これはFR-4基板の熱管理において最も効果的な方法の一つです。サーマルビアは銅メッキされた小さな穴です。これらのビアを通して、熱は基板の各層に垂直方向に伝達されます。これらのビアは直接的な熱伝導路として機能し、重要かつ敏感な領域の温度を10～20℃まで大幅に低減します。

これらのサーマルビアは、直径が0.3～0.5mm、ピッチが1～1.5mmです。格子状に配置すると、個別のビアよりも効果的に熱を制御できます。ビアの穴には導電性エポキシ樹脂や銅を充填することができ、これにより熱伝導率が向上します。サーマルビアは、パワートランジスタや集積回路などの高出力部品の真下または近傍に配置されます。

方法2：銅の注ぎ込みと平面加工

プリント基板の熱設計において、大きな銅箔パターンや電源／グランドプレーンは、効率的な放熱器として機能する可能性があります。銅は熱伝導率が高く、約400 W/mKであるのに対し、FR-4は0.3～0.8 W/mKです。

PCB components 発生した熱はPCBを通して銅箔層に伝わり、基板全体に急速に拡散します。このように局所的なホットスポットをより広い領域に再分配することで、熱流束は効果的に最小限に抑えられます。実際の設計では、FR4基板の熱管理は、通常、連続した大面積のグランドプレーンまたは電源プレーンを配置し、サーマルビア設計と組み合わせることで実現されます。

方法 3: 熱界面材料

熱界面材料（TIM）は、接触界面の熱伝導率を高めるために用いられる、手頃な価格の材料です。2つの部品の接触面は一見平坦に見えるかもしれませんが、実際には微細な亀裂や気孔が存在します。これらの隙間には空気が入り込んでおり、空気は熱伝導率が低い物質です。TIMは、空気よりも熱伝導率の高い物質を用いて、接触面間の隙間を埋めます。

TIM（熱伝導性グリス）は、市場に様々な種類が出回っています。一般的な種類としては、以下のようなものがあります。

• サーマルテープ
• 熱伝導グリース／ペースト
• 熱硬化性ゲル／接着剤
• サーマルパッド

方法4：FR4基板に銅線を埋め込む

TestPcbasは「HSMtec」で異なるアプローチを採用しています。DINEN60068-2-14およびJEDECA101-Aに準拠し、航空・自動車産業向けの監査も受けたこの技術は、選択性を重視しています。プリント基板に大電流が流れる箇所にのみ、厚手の銅箔が使用されています。

プロジェクトに最適な PCB アセンブリを選択する方法をご覧ください

現在、幅500mmから2.0mmまでの12µm高プロファイルが様々な長さで提供されており、直径500µmのワイヤが定着しています。導体パターンにしっかりと接合されたソリッド銅エレメントは、超音波接続技術を用いてベース銅に直接適用でき、FR4ベース材料を使用した多層配線の任意の層に組み込むことができます。銅が使用される理由はいくつかあります。銅はアルミニウムに比べて熱伝導率がXNUMX倍であるため、LEDヒートパッドの下に中間層を断熱することなく、迅速な放熱が可能です。

表1: 関係する材料の熱伝導率
銅と回路基板ベース材料 FR4 のもう 2 つの利点は、熱膨張特性です (表 4)。特にセラミック LED の場合、銅または FRXNUMX をベースにした回路基板は、環境条件や動作条件、その他の温度サイクル (「インテリジェント」照明制御など) に応じて変化する熱応力に対して高い耐性があります。

表2：X / Y方向の熱膨張係数
このようにして、従来のアルミニウムベースの金属コア PCB と比較して、照明ユニット全体の寿命と信頼性を大幅に向上させることができます。

方法 5: 有効 冷却技術

ファンは空気の流れを促進できます PCBボード そして対流熱伝達を促進します。実際には、小型ファンで部品の温度を約20～30℃下げることができます。液体冷却システムは、高出力機器でより効果を発揮します。

方法 6: 高い サーマル 導電性基板

場合によっては、FR4の熱的制約を回避しようとするのではなく、FR4自体を交換することが正しいアプローチとなる。標準的なFR4は熱伝導率が低いが、高Tg FR4は比較的高い熱伝導率と熱サイクルストレスに対する耐性を備えている。

FR4以外にも、熱伝導率の高い他の材料を選択することも可能です。どのような設計手法を用いるにしても、適切な判断を下すタイミングを知ることは非常に重要です。以下に基本的な表を示します。

よくある質問

何ですか c係数 tヘルマル eFR4の拡張（CTE）？

FR4の熱膨張係数（CTE）はXY方向とZ方向で異なり、以下のとおりです。

XY方向：約14～18 ppm/℃

Z方向：約70～100 ppm/℃

プリント基板における銅の熱伝導率はどれくらいですか？

FR4と比較すると、銅の熱伝導率は約400 W/m・Kと非常に高い。

FR4の主な機械的特性は何ですか？

重要な機械的特性としては、引張強度、曲げ強度、および優れた寸法安定性が挙げられる。

この試験は 　 FR–4PCBs?

FR4基板は、難燃性のガラス繊維強化エポキシ積層板で作られています。電気絶縁性、機械的強度、そしてコスト効率に優れています。

FR4材料にはどのような種類がありますか？

FR4材料には、ハロゲンフリーFR4、標準FR4、高Tg FR4など、さまざまな種類があります。

結論

FR4は、経済性と優れた特性を備え、様々な用途に活用できるため、PCB製造に広く使用されている材料です。しかし、他の材料と比較して熱伝導性が低いという欠点があります。そのため、メーカーはFR4の熱伝導特性を理解し、適切な管理方法を学ぶ必要があります。これは、コスト削減だけでなく、製品の品質向上にもつながります。FR4 PCBの熱管理についてご不明な点がございましたら、こちらをご覧ください。 MOKOテクノロジー 答えを得るために。