Assim como o diodo emissor de luz (LED), que serviu exclusivamente como lâmpada indicadora por décadas, o PCB também deixou sua existência obscura e rapidamente evoluiu para um elemento multifuncional dentro de um sistema eletrônico. No entanto, juntamente com o desenvolvimento da tecnologia de integração, a densidade de potência total dos componentes eletrônicos continua a aumentar, mas o tamanho físico dos componentes e dispositivos eletrônicos é projetado para ser cada vez menor, o que causaria o aumento da densidade do fluxo de calor ao redor do dispositivo, o que afetaria o desempenho dos componentes eletrônicos. Portanto, é necessário encontrar uma maneira mais eficiente de gerenciar a condutividade térmica. Neste blog, vamos nos concentrar na condutividade térmica do FR4, pois é um dos mais amplamente utilizados. Materiais PCB.
O que é Condutividade Térmica?
A condutividade térmica de um material como o FR4 refere-se à eficiência com que ele transfere energia térmica por condução. Ela é quantificada pela taxa de fluxo de calor através de uma espessura específica do material para um determinado gradiente de temperatura. As unidades usadas para medir a condutividade térmica são Watts por metro-Kelvin (W/mK). Materiais com valores mais altos conduzem calor mais facilmente do que isolantes com condutividade térmica mais baixa. Os metais tendem a ter a maior condutividade térmica, enquanto plásticos e cerâmicas ficam na extremidade inferior da escala. Para que o calor seja conduzido de uma fonte de calor para um dissipador de calor, o material entre eles deve ter condutividade térmica suficiente. A quantidade de energia térmica que flui entre dois objetos é determinada tanto pelo gradiente de temperatura quanto pelas propriedades condutoras específicas desses materiais. O calor flui espontaneamente da matéria mais quente para a matéria mais fria. Quando dois objetos em temperaturas diferentes entram em contato, a energia térmica se difunde do mais quente para o mais frio. Essa transferência de calor continua até que a diferença de temperatura diminua e o equilíbrio térmico seja atingido. Controlar essa condução de calor é crucial em eletrônica para evitar o superaquecimento dos componentes e garantir o desempenho adequado. A combinação de trilhas termicamente condutoras e substrato isolante é uma consideração fundamental em Design PCB.
Eis a equação da condutividade térmica:
K = (Q × L) / (A × ΔT)
Onde:
| Símbolo | Significado | Unidade |
| K | Condutividade térmica do material | W / m · K |
| Q | Taxa de fluxo de calor através do material | Watts (W) |
| L | Espessura do material | Metros (m) |
| A | Área da seção transversal através da qual o calor flui. | m² |
| ΔT | queda de temperatura ao longo do material | Kelvin (K) |
Características técnicas da condutividade térmica do FR4
O processo de PCB FR4 A condutividade térmica é relativamente baixa e varia dependendo do grau específico e do fabricante. Aqui estão algumas características técnicas gerais da condutividade térmica da PCB FR4:
- Valor de condutividade térmica
A condutividade térmica do FR4 normalmente varia de 0.3 a 0.4 W/m·K (watts por metro-kelvin). Isso é relativamente baixo em comparação com materiais como alumínio ou cobre, que têm condutividades térmicas muito maiores.
- Condutividade anisotrópica
O FR4 é anisotrópico, o que significa que possui diferentes valores de condutividade térmica em diferentes direções.
Condução no plano (eixo X-Y): O calor flui ao longo de trajetórias relativamente contínuas de fibra de vidro, alcançando assim uma condução mais eficiente.
Condução através do plano (eixo Z): O calor precisa atravessar múltiplas camadas de resina e interfaces resina-fibra. Cada camada gera resistência térmica, o que dificulta severamente o fluxo de calor.
É uma característica importante que requer atenção especial durante o processo de projeto térmico da placa de circuito impresso (PCB), pois métodos eficazes de gerenciamento térmico devem contornar o gargalo da condução através do plano. Por exemplo, encurtando o caminho de transferência de calor, o que está relacionado à redução da espessura da placa. Ou, oferecendo um canal de baixa resistência, como vias térmicas.
- Dependência de Temperatura
A condutividade térmica do FR4 também depende da temperatura. O FR4 apresenta uma condutividade térmica que diminui à medida que sua temperatura aumenta. Essa redução na transferência de calor condutivo sob condições de temperaturas mais altas pode prejudicar a capacidade do FR4 de dissipar e dissipar o excesso de calor.
- A espessura é importante
A espessura da placa de circuito impresso FR4 pode influenciar seu desempenho térmico. Placas de circuito impresso mais espessas apresentam maior resistência térmica devido ao caminho de condução de calor mais longo através do material. Quer saber como escolher a espessura da placa de circuito impresso? Confira nosso outro blog: https://www.testpcbas.com/pcb-thickness/
- Grau FR4
Existem diferentes graus de FR4 disponíveis, e a condutividade térmica pode variar ligeiramente entre eles. Por exemplo, alta Tg (transição de vidro (temperatura) Os materiais FR4 podem ter propriedades térmicas ligeiramente diferentes em comparação ao FR4 padrão.
ENCONTRE O MELHOR FR4 ARTESANAL
6 métodos comprovados para melhorar o gerenciamento térmico de placas de circuito impresso FR4
O FR4 possui baixa condutividade térmica, portanto o substrato em si não conduz o calor de forma eficiente. Aqui estão seis métodos eficazes para melhorar o gerenciamento térmico de PCBs de FR4.
Método 1: Vias térmicas
É uma das maneiras mais eficazes de gerenciar o calor em placas de circuito impresso FR-4. Os furos térmicos são pequenos orifícios revestidos de cobre. O calor pode ser transferido verticalmente através das camadas da placa por meio desses furos. Esses furos funcionam como túneis térmicos diretos, reduzindo significativamente a temperatura em áreas críticas e sensíveis, para até 10-20 °C.
Essas vias térmicas têm diâmetros que variam de 0.3 a 0.5 mm e um espaçamento de 1 a 1.5 mm. Quando dispostas em uma grade, são mais eficazes no gerenciamento de calor do que vias isoladas. Os orifícios podem ser preenchidos com epóxi condutor ou cobre, o que aumenta sua condutividade térmica. As vias térmicas são posicionadas diretamente abaixo ou nas proximidades de componentes de alta potência, como transistores de potência ou circuitos integrados.
Método 2: Vazamento de cobre e aplainamento.
No projeto térmico de PCBs, grandes áreas de cobre, ou planos de alimentação/terra, podem atuar como dissipadores de calor eficientes. O cobre possui alta condutividade térmica, aproximadamente 400 W/mK, em contraste com o FR-4, que varia entre 0.3 e 0.8 W/mK.
PCB componentes O calor gerado é transportado através da placa de circuito impresso (PCB) até a camada de cobre, e se difunde rapidamente por toda a superfície. Essa redistribuição dos pontos quentes localizados em uma região mais ampla, na prática, minimiza o fluxo de calor. Em projetos reais, o gerenciamento térmico de PCBs FR4 é normalmente alcançado pela implantação de planos de aterramento ou de alimentação contínuos e de grande área, combinados com o projeto de vias térmicas.
Forma 3Materiais de interface térmica
Os Materiais de Interface Térmica (TIMs) são materiais acessíveis utilizados para melhorar a condutividade térmica das interfaces de contato. As superfícies de contato de duas peças podem parecer planas à primeira vista. Na realidade, existem minúsculas fissuras ou poros. O ar ocupa esses espaços e é um mau condutor de calor. O TIM utiliza uma substância com condutividade térmica superior à do ar para preencher os espaços entre as superfícies de contato.
Os TIMs estão disponíveis no mercado em diversos tipos. Os tipos mais comuns incluem:
- Fitas térmicas
- Pastas/graxas térmicas
- Termogéis/adesivos
- Almofadas térmicas
Método 4: Incorporar fio de cobre em placa de circuito impresso FR4
A TestPcbas adota uma abordagem diferente com o »HSMtec«. A tecnologia, qualificada de acordo com as normas DINEN 60068-2-14 e JEDECA 101-A e auditada para aviação e automotivo, é seletiva: cobre espesso é utilizado apenas onde altas correntes devem fluir pela placa de circuito impresso.
DESCUBRA COMO SELECIONAR O CONJUNTO DE PCB CERTO PARA SEU PROJETO
Atualmente, perfis de 500 µm de altura com larguras de 2.0 mm a 12 mm estão disponíveis em comprimentos variáveis, com fios com diâmetro de 500 µm já consolidados. Os elementos de cobre sólido, firmemente unidos aos padrões condutores, podem ser aplicados diretamente ao cobre base usando tecnologia de conexão ultrassônica e integrados a qualquer camada de uma multicamada usando material base FR4. Há vários motivos pelos quais o cobre é utilizado: ele tem o dobro da condutividade térmica em comparação ao alumínio e, portanto, garante uma rápida dissipação de calor sem camadas intermediárias isolantes sob a almofada térmica do LED.
| Material | Condutividade térmica λ [W / mk] |
| Cobre RA | 300 |
| Liga de alumínio | 150 |
| solda | 51 |
| Cerâmica (LED) | 24 |
| FR4 | 0.25 |
| Ar (repouso) | 0.026 |
Tabela 1: Condutividade térmica dos materiais envolvidos
Outra vantagem do cobre e do material de base da placa de circuito FR4 são as propriedades de expansão térmica (Tabela 2): Especialmente em conexão com LEDs de cerâmica, placas de circuito baseadas em cobre ou FR4 têm alta resistência a tensões térmicas, que dependem de condições ambientais ou operacionais e outros ciclos de temperatura, como para controles de iluminação “inteligentes”.
| Material | Coeficiente de expansão [ppm / K] |
| alumínio | 24 |
| solda | aprox. 22 |
| cobre | 16 |
| FR4 | 13-17 |
| Al2O3 (LED) | 7 |
| AlN (LED) | 4 |
Tabela 2: Coeficiente de dilatação térmica na direção X/Y
Dessa forma, a vida útil e a confiabilidade de toda a unidade de iluminação podem ser significativamente aumentadas em comparação ao PCB de núcleo metálico convencional baseado em alumínio.
Forma 5: Ativo Técnicas de resfriamento
Os ventiladores podem aumentar a circulação de ar sobre o Placa PCB e melhoram a transferência de calor por convecção. Na prática, um pequeno ventilador pode reduzir a temperatura dos componentes em cerca de 20 a 30 °C. Os sistemas de refrigeração líquida funcionam melhor com equipamentos de alta potência.
Forma 6: Mudando para um nível alto Térmico Substrato de condutividade
Às vezes, a abordagem correta não é tentar contornar as limitações térmicas do FR4, mas sim substituí-lo. O FR4 padrão tem baixa condutividade térmica, enquanto o FR4 de alta Tg possui condutividade térmica relativamente maior e maior resistência ao estresse por ciclos térmicos.
Além do FR4, é possível escolher outros materiais com alta condutividade térmica. Saber o momento certo para essa escolha é tão importante quanto em qualquer técnica de projeto. Uma tabela básica é fornecida abaixo.
| Material | Condutividade Térmica | Custo relativo |
| FR4 padrão | 0.3 – 0.4 W/m·K | Baixo |
| FR4 de alta Tg | Até 0.8 W/m·K | Baixo–Médio |
| Alumínio: | 150 – 230 W/m·K | Suporte: |
| Cobre | 400 W / m · K | Médio-Alto |
| Alumina (Al₂O₃) | 24 – 30 W/m·K | Alto |
| Nitreto de alumínio (AlN) | 170 – 250 W/m·K | Muito alto |
| Rogers laminados | 0.7 – 1.7 W/m·K | Alto |
Perguntas frequentes
O que é a sessão ccoeficiente de thermal eExpansão (CTE) do FR4?
O coeficiente de expansão térmica (CTE) do FR4 não é o mesmo nas direções XY e Z, sendo o seguinte:
Direção XY: ~14–18 ppm/°C
Direção Z: ~70–100 ppm/°C
Qual é a condutividade térmica do cobre em placas de circuito impresso?
Em comparação com o FR4, o cobre possui uma condutividade térmica muito maior, em torno de 400 W/m·K.
Quais são as principais propriedades mecânicas do FR4?
As propriedades mecânicas essenciais incluem resistência à tração, resistência à flexão e excelente estabilidade dimensional.
O quê estão localizadas FR-4 PCBs?
As placas de circuito impresso FR4 são fabricadas com laminado epóxi reforçado com fibra de vidro retardante de chamas. Elas oferecem isolamento elétrico, resistência mecânica e custo-benefício.
Quais são os diferentes tipos de materiais FR4?
Os materiais FR4 estão disponíveis em diversos tipos, incluindo FR4 livre de halogênio, FR4 padrão e FR4 de alta Tg.
Conclusão
O FR4 é um material comumente utilizado na fabricação de PCBs, pois é econômico e possui excelentes propriedades que podem ser utilizadas em diferentes aplicações. No entanto, em comparação com outros materiais, apresenta desempenho inferior em termos de condutividade térmica. Portanto, é necessário que os fabricantes entendam as características de condutividade térmica do FR4 e aprendam a gerenciá-lo, o que pode não apenas ajudá-los a reduzir custos, mas também a melhorar a qualidade de seus produtos. Se você ainda tiver dúvidas sobre o gerenciamento térmico de PCBs com FR4, acesse Tecnologia MOKO para obter a resposta.
