一起和小北聊聊电路板的 FR4 导热性

内容

FR4 PCB导热技术特性

哪些因素会影响 FR4 PCB 的热导率？

FR4 PCB 热导率管理

结论

就像几十年来专门用作指示灯的发光二极管一样，PCB 也摆脱了阴影，迅速发展成为电子系统中的多功能元件。然而，随着集成技术的发展，电子元件的总功率密度不断增加，但电子元件和电子设备的物理尺寸被设计得越来越小，这将导致设备周围的热流密度增加，这会影响电子元件的性能，因此有必要找到一种更有效的方法来管理热导率。下面小北将重点介绍 FR4 PCB 导热性，因为它是使用最广泛的 PCB 之一。

FR4 PCB导热技术特性 

在介绍FR4导热系数的技术特性之前，最好弄清楚一些基础问题。首先，我们应该了解FR4的一些特点：材料稳定、绝缘可靠、介电性能可用、成本可以接受、工艺成熟、耐热性可以接受。其衍生物本质上是通过对环氧树脂基体进行改性而产生的。在转向无铅电子产品 (~ RoHS) 之后，用矿物填料代替部分树脂体积已变得很普遍。这会延迟与温度相关的电路板 Z 轴膨胀增加（参数 CTE (z) =“热膨胀系数”）。

另一个问题：什么是导热系数？热导率（κ、λ 或 κ）是 PCB 测量中的一个物理量，可以定义为热量从热源传递到 PCB 较冷区域的速率。说到这里，我们需要知道另一个术语“Tg”，它总是被误译为“玻璃化转变温度”。然而，这实际上意味着一旦达到 Tg 值，环氧树脂结构就会变得柔软和有弹性，从而导致 Z 轴膨胀显着增加。FR4 的标准 Tg 值在 130-140° 之间，更高的 Tg 值为 150° 或 175°，具体取决于材料制造商。这里有一点需要注意，即使较高的Tg值并不会提高模块的连续工作温度，但是采用FR4材料的模块的连续工作温度不应超过95至100摄氏度。另一个参数是 Td 值。“Td”代表“分解时间”，描述了材料因脱气/蒸发而失去 5% 质量时的温度值。

找到最好的 FR4

哪些因素会影响 FR4 PCB 的热导率？

PCB导热系数需要制造商高度关注，因为它决定了电路板如何将热量传递给其他组件。众所周知，印刷电路板由电子元件、绝缘体和导电材料组成，不同的元件和材料具有不同的导热性能。此外，影响FR4 PCB热导率的因素还有很多：

散热孔

散热孔是放置在印刷电路板上的孔，对散热起着至关重要的作用。一般来说，电路板中的散热过孔越多，导热性能越好，因为这些过孔提供了更多的空间来释放 PCB 和组件的热量。

PCB 铺铜

铺铜是影响热导率的另一个重要因素。导热性能实际上取决于铺铜是否完整，即是否从一端连接到另一端。如果铺铜密度越大，导热系数会很高，如果铺铜密度越小，导热系数会很低。

内层

内层是影响电路板散热的一个因素。如果有许多内层，导热系数会降低，反之亦然。

FR4 PCB 热导率管理

热导率管理对于 FR4 PCB 至关重要，会影响其性能、可靠性和寿命。如果没有热管理，印刷电路板可能会出现分层、损坏或设备故障等问题。幸运的是，有几种方法可以有效地管理热导率。在这篇博客中，我们将从两个方面来解释它们：

更好地设计 PCB

导热性是设计 PCB 时必须考虑的一个因素，以下是更好的 PCB 设计的一些提示：

首先，在设计印刷电路板时，最好将大功率和信号导体分开。我们可以沿着散热路径插入更多的散热孔。散热孔既可以镀层也可以不镀层，这样可以实现空气流通和散热。此外，合理的散热过孔阵列对于降低热阻，提升散热性能也很有帮助。

其次，我们建议增加器件之间的距离，使各层的热量分布更加均匀，从而降低产生热点的风险。但我们应该注意到，这种方法不适用于小尺寸的PCB。

第三，器件的几何形状也是设计时需要考虑的重要因素。连接元器件的走线尽量短而宽，流过大电流的走线要用厚厚的铜。如果器件太小，则电子元件可能会发生故障。

将铜线嵌入 FR4 PCB

Moko Technology 采用不同的方法 » HSMtec «。该技术符合 DINEN60068-2-14 和 JEDECA101-A 标准并经过航空和汽车审核，具有选择性：只有大电流应该流过印刷电路板的地方才会使用厚铜。

了解如何为您的项目选择正确的 PCB 组件

目前，宽度从 2.0 毫米到 12 毫米不等的 500 µm 高型材有多种长度可供选择，直径为 500 µm 的线材已经成熟。牢固结合到导体图案的实心铜元素可以使用超声波连接技术直接应用于基础铜，并集成到使用 FR4 基础材料的多层中的任何层中。使用铜有几个原因：它的导热性是铝的两倍，因此可确保快速散热，而无需在 LED 散热垫下方设置绝缘中间层。

表 1：所涉及材料的导热性

铜和电路板基材 FR4 的另一个优势是热膨胀特性（表 2）：特别是与陶瓷 LED 相关时，基于铜或 FR4 的电路板具有高耐热性压力，这取决于环境或操作条件和其他温度循环，例如“智能”照明控制。

表 2：X/Y 方向的热膨胀系数

这样，与传统的基于铝的金属芯 PCB 相比，整个照明单元的使用寿命和可靠性可以显着提高。

FR4 PCB 与嵌入式铜的优势

与直接放置在热垫下方的热导孔相比，这种方法可以毫无问题地焊接填充的微导孔。与替代解决方案相比，HSMtec 的主要优势是除了在标准制造工艺中制造之外，还使用廉价的标准 FR4 材料。也可以使用此工艺来构建带有铜线的自支撑、多维印刷电路板。

借助在预定弯曲点处进行的铣槽，可以通过任意调整倾斜角度将各个部分置于所需的方向。与型材和电线集成的厚铜可承受高达 500 A 的电流。这是一种明智的替代方案，可替代提供高达 500 µm 厚的全面积铜层的电路板解决方案，或替代使用大量铝芯的成本密集型 IMS 解决方案作为热载体而不是通常的基础材料展开。

这种 FR4 表面的热导率将增加到 30 W/mK。它的导热性是普通 RF4 的 100 倍，甚至比最好的导热基板高 10 倍。此外，这项技术使用标准的FR4材料，可以通过标准的制造工艺来实现，而且它允许FR4在组装和焊接过程中进一步加工。总之，这是一种可以有效提高FR4 PCB导热性能的节约成本的方法。

结论

FR4 是 PCB 制造的常用材料，因为它既经济又具有可用于不同应用的出色特性。但与其他材料相比，它的导热性能较差。因此，制造商有必要了解FR4的导热特性并学会如何管理它，这不仅可以帮助他们降低成本，还可以提高产品质量。如果您对FR4 PCB热管理还有疑问，可以到小北PCB外包设计获取答案。