Так же, как светодиод, который десятилетиями служил исключительно в качестве индикаторной лампы, печатная плата также покинула свое теневое существование и быстро превратилась в многофункциональный элемент в электронной системе. Однако, вместе с развитием технологии интеграции, общая плотность мощности электронных компонентов продолжает расти, но физические размеры электронных компонентов и электронных устройств разрабатываются так, чтобы быть все меньше и меньше, что приведет к увеличению плотности теплового потока вокруг устройства, что повлияет на производительность электронных компонентов, поэтому необходимо найти более эффективный способ управления теплопроводностью. В этом блоге мы сосредоточимся на теплопроводности FR4, поскольку она является одной из наиболее широко используемых Материалы для печатных плат.
Что такое теплопроводность?
Теплопроводность материала, такого как FR4, показывает, насколько эффективно он может передавать тепловую энергию путем проводимости. Она определяется скоростью теплового потока через определенную толщину материала при заданном температурном градиенте. Единицы измерения теплопроводности — ватты на метр-Кельвин (Вт/мК). Материалы с более высокими значениями проводят тепло легче, чем изоляторы с более низкой теплопроводностью. Металлы, как правило, имеют самую высокую теплопроводность, в то время как пластмассы и керамика находятся в нижней части шкалы. Для того чтобы тепло передавалось от источника тепла к теплоотводу, материал между ними должен обладать достаточной теплопроводностью. Количество тепловой энергии, перетекающей между двумя объектами, определяется как температурным градиентом, так и конкретными проводящими свойствами этих материалов. Тепло самопроизвольно перетекает от более горячего вещества к более холодному. Когда два объекта с разными температурами соприкасаются, тепловая энергия диффундирует от более горячего к более холодному. Этот теплообмен продолжается до тех пор, пока разница температур не уменьшится и не будет достигнуто тепловое равновесие. Управление этой теплопроводностью имеет решающее значение в электронике для предотвращения чрезмерного нагрева компонентов и обеспечения надлежащей работы. Сочетание теплопроводящих дорожек и изолирующей подложки является основополагающим фактором при проектировании. Дизайн печатной платы.
Вот уравнение теплопроводности:
K = (Q × L) / (A × ΔT)
Где:
| Символ | Смысл | Ед. |
| K | Теплопроводность материала | Вт / м · К |
| Q | Скорость теплового потока через материал | Вт (Вт) |
| L | Толщина материала | Метры (м) |
| A | Площадь поперечного сечения, через которую протекает тепло. | m² |
| Delta; t | Падение температуры по всему материалу | Кельвин (K) |
Технические характеристики теплопроводности FR4
FR4 PCB Теплопроводность относительно низкая и варьируется в зависимости от конкретного сорта и производителя. Вот некоторые общие технические характеристики теплопроводности печатных плат FR4:
- Значение теплопроводности
Теплопроводность FR4 обычно составляет от 0.3 до 0.4 Вт/м·К (ватт на метр-кельвин). Это относительно мало по сравнению с такими материалами, как алюминий или медь, которые имеют гораздо более высокую теплопроводность.
- Анизотропная проводимость
Материал FR4 является анизотропным, то есть имеет разные значения теплопроводности в разных направлениях.
Проводимость в плоскости (ось X–Y): Тепло передается по относительно непрерывным путям стекловолокна, что обеспечивает более эффективную теплопроводность.
Проводимость в плоскости, перпендикулярной плоскости (ось Z): Тепло должно пройти через множество слоев смолы и границ раздела смола-волокно. Каждый слой создает термическое сопротивление, которое существенно затрудняет тепловой поток.
Это важная характеристика, требующая особого внимания в процессе проектирования тепловых характеристик печатной платы, поскольку эффективные методы управления тепловым режимом должны преодолевать узкое место сквозной теплопроводности. Например, сокращение пути теплопередачи, что связано с уменьшением толщины платы. Или использование низкоомных каналов, таких как тепловые переходные отверстия.
- Температурная зависимость
Теплопроводность FR4 также зависит от температуры. FR4 демонстрирует теплопроводность, которая уменьшается с ростом температуры. Это снижение кондуктивной теплопередачи в условиях более высоких температур может ухудшить способность FR4 распространять и отводить избыточное тепло.
- Толщина имеет значение
Толщина печатной платы FR4 может влиять на ее тепловые характеристики. Более толстые печатные платы будут иметь более высокое тепловое сопротивление из-за более длинного пути теплопроводности через материал. Хотите узнать, как выбрать толщину печатной платы? Посетите наш другой блог: https://www.testpcbas.com/pcb-thickness/
- Класс FR4
Существуют различные марки FR4, теплопроводность которых может немного различаться. Например, высокотемпературный (стеклование температура) Материалы FR4 могут иметь несколько иные тепловые свойства по сравнению со стандартными FR4.
НАЙДИТЕ ЛУЧШИЙ FR4
6 проверенных методов улучшения теплоотвода печатных плат FR4
Материал FR4 обладает низкой теплопроводностью, поэтому сама подложка не может эффективно проводить тепло. Вот шесть эффективных методов улучшения теплоотвода печатных плат из материала FR4.
Метод 1: Термопереходные отверстия
Это один из наиболее эффективных способов управления теплоотводом на печатной плате FR-4. Тепловые переходные отверстия представляют собой небольшие отверстия с медным покрытием. Тепло может передаваться вертикально по слоям печатной платы через эти отверстия. Эти переходные отверстия являются прямыми тепловыми туннелями, значительно снижая температуру критически важных и чувствительных зон до 10-20 °C.
Эти теплоотводящие переходные отверстия имеют диаметр от 0.3 до 0.5 мм и шаг от 1 до 1.5 мм. Если они расположены в виде сетки, то более эффективны для отвода тепла, чем изолированные переходные отверстия. Отверстия можно заполнить проводящей эпоксидной смолой или медью, что повышает их теплопроводность. Теплоотводящие переходные отверстия располагаются непосредственно под или вблизи мощных компонентов, таких как силовые транзисторы или интегральные схемы.
Метод 2: Заливка и выравнивание меди.
В тепловых схемах печатных плат крупные медные заливки или силовые/заземляющие плоскости могут эффективно рассеивать тепло. Медь обладает высокой теплопроводностью, составляющей приблизительно 400 Вт/мК, в отличие от FR-4, теплопроводность которого находится в диапазоне от 0.3 до 0.8 Вт/мК.
печатная плата components Тепло выделяется, передается через печатную плату в медный слой и быстро рассеивается по всей плоскости. Такое перераспределение локализованных горячих точек в более широкую область, по сути, минимизирует тепловой поток. В реальных условиях проектирования теплоотвод для печатных плат FR4 обычно достигается путем нанесения сплошных, больших по площади заземляющих или силовых слоев в сочетании с проектированием теплоотводящих переходных отверстий.
Способ доставки 3: Теплопроводящие материалы
Термоинтерфейсные материалы (ТИМ) — это доступные по цене материалы, используемые для повышения теплопроводности контактных поверхностей. Контактные поверхности двух деталей на первый взгляд могут казаться плоскими. На самом деле, на них присутствуют мельчайшие трещины или поры. Воздух заполняет эти пространства и является плохим проводником тепла. В ТИМ используется вещество с более высокой теплопроводностью, чем воздух, для заполнения зазоров между контактными поверхностями.
Термоинтерконструкционные материалы (ТИМ) представлены на рынке в различных вариантах. К наиболее распространенным типам относятся:
- Термоленты
- Термопасты/смазки
- Термогели/клеи
- Термопрокладки
Метод 4: Встраивание медной проволоки в печатную плату из материала FR4.
TestPcbas использует другой подход с »HSMtec«. Технология, которая квалифицирована в соответствии с DINEN60068-2-14 и JEDECA101-A и проверена для авиации и автомобилестроения, является избирательной: только там, где через печатную плату должны проходить высокие токи, используется толстая медь.
УЗНАЙТЕ, КАК ВЫБРАТЬ ПРАВИЛЬНУЮ СБОРКУ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ДЛЯ ВАШЕГО ПРОЕКТА
В настоящее время доступны профили высотой 500 мкм с шириной от 2.0 мм до 12 мм различной длины, при этом диаметр проводов 500 мкм стал общепринятым. Твердые медные элементы, которые прочно соединены с проводниками, могут быть нанесены непосредственно на базовую медь с помощью технологии ультразвукового соединения и интегрированы в любой слой многослойного материала с использованием базового материала FR4. Существует несколько причин, по которым используется медь: она имеет в два раза большую теплопроводность по сравнению с алюминием и, таким образом, обеспечивает быстрое рассеивание тепла без изолирующих промежуточных слоев под светодиодной нагревательной подкладкой.
| Материал | Теплопроводность λ [Вт/мК] |
| Медь РА | 300 |
| алюминиевый сплав | 150 |
| припой | 51 |
| Керамика (светодиод) | 24 |
| FR4 | 0.25 |
| Воздух (отдых) | 0.026 |
Таблица 1: Теплопроводность используемых материалов
Еще одним преимуществом меди и основного материала печатной платы FR4 являются свойства теплового расширения (таблица 2): Особенно в сочетании с керамическими светодиодами печатные платы на основе меди или FR4 обладают высокой устойчивостью к термическим напряжениям, которые зависят от условий окружающей среды или эксплуатации, а также других температурных циклов, например, для «интеллектуального» управления освещением.
| Материал | Коэффициент расширения [ppm/K] |
| алюминий | 24 |
| припой | ок. 22 |
| медь | 16 |
| FR4 | 13-17 |
| Al2O3 (светодиод) | 7 |
| Алюминий (светодиод) | 4 |
Таблица 2: Коэффициент теплового расширения в направлении X/Y
Таким образом, срок службы и надежность всего осветительного прибора могут быть значительно увеличены по сравнению с традиционными печатными платами с металлическим сердечником на основе алюминия.
Способ доставки 5: Активных Методы охлаждения
Вентиляторы могут усиливать движение воздуха над Печатной платы и усиливают конвективную теплопередачу. На практике небольшой вентилятор может снизить температуру компонентов примерно на 20–30 °C. Системы жидкостного охлаждения лучше работают с мощным оборудованием.
Способ доставки 6Переключение на высокий уровень Тепловой Проводимость подложки
Иногда правильный подход заключается не в попытке обойти тепловые ограничения FR4, а в его замене. Стандартный FR4 имеет низкую теплопроводность, а FR4 с высокой температурой стеклования (Tg) обладает относительно более высокой теплопроводностью и устойчивостью к термическим циклам.
Помимо FR4, можно выбрать и другие материалы с высокой теплопроводностью. Знание того, когда следует сделать такой выбор, так же важно, как и любой другой метод проектирования. Ниже приведена базовая таблица.
| Материал | Теплопроводность | Относительная стоимость |
| Стандартный FR4 | 0.3 – 0.4 Вт/м·К | Низкий |
| Высокий Tg FR4 | До 0.8 Вт/м·К | Низкий–Средний |
| Алюминий: | 150–230 Вт/м·К | Средний |
| Медь | 400 Вт / м · К | Средний–Высокий |
| Глинозем (Al₂O₃) | 24–30 Вт/м·К | Высокий |
| Нитрид алюминия (AlN) | 170 – 250 Вт/м·К | Очень высоко |
| Роджерс Ламинатс | 0.7 – 1.7 Вт/м·К | Высокий |
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
В чём cкоэффициент tHermal eРасширение (КТР) FR4?
Коэффициент теплового расширения (КТР) материала FR4 не одинаков в направлениях XY и Z и имеет следующий вид:
Направление XY: ~14–18 ppm/°C
Направление Z: ~70–100 ppm/°C
Какова теплопроводность меди в печатных платах?
По сравнению с FR4, медь обладает гораздо более высокой теплопроводностью, составляющей около 400 Вт/м·К.
Каковы основные механические свойства материала FR4?
К основным механическим свойствам относятся прочность на растяжение, прочность на изгиб и превосходная стабильность размеров.
Что FR–4 печатной платыs?
Печатные платы FR4 изготавливаются из огнестойкого эпоксидного ламината, армированного стекловолокном. Они обеспечивают электрическую изоляцию, механическую прочность и экономичность.
Какие существуют типы материалов FR4?
Материалы FR4 выпускаются в различных вариантах, включая безгалогенный FR4, стандартный FR4 и FR4 с высокой температурой стеклования (Tg).
Заключение
FR4 — это широко используемый материал для производства печатных плат, поскольку он экономичен и обладает прекрасными свойствами, которые можно использовать в различных приложениях. Но по сравнению с другими материалами он имеет худшие показатели теплопроводности. Таким образом, производителям необходимо понимать особенности теплопроводности FR4 и научиться управлять ею, что может не только помочь им снизить стоимость, но и улучшить качество их продукции. Если у вас все еще есть вопросы о тепловом управлении печатными платами FR4, вы можете перейти на МОКО Технология чтобы получить ответ.
