PCB Bolg - FR4 PCB熱導率特點及管理

隨著集成技術的發展，PCB也迅速發展成為電子系統中的多功能元件，並且電子元件的總功率密度不斷增加，但電子元件和電子設備的物理尺寸被設計得越來越小，這將導致設備周圍的熱流密度增加，這會影響電子元件的性能，因此PCB熱導率在其中的作用越來越明顯。

一、FR4 PCB 熱導率具有以下特點：

熱傳導係數相對較低：FR4 的熱傳導係數通常在 0.3-0.4 W/m・K左右。這一數值與金屬材料如鋁、銅等相比是非常低的。金屬具有較高的熱傳導能力，能夠快速地將熱量傳遞出去，而 FR4 在這方面的性能則較弱。所以在對散熱要求較高的電子設備中，如果單純使用 FR4 材料，可能會導致熱量在局部積聚，影響設備的性能和壽命。

各向異性：FR4 具有各向異性的特點，即其在不同方向上的熱傳導係數是不同的。在平面方向（in-plane）上的熱傳導係數相對較高，而在垂直於平面的方向（through-plane）上的熱傳導係數則較低。這是因為 FR4 材料中玻璃纖維布的結構和排列方式導致了熱量在不同方向上的傳遞能力存在差異。這種各向異性在設計和製造電子設備時需要加以考慮，例如在佈置發熱元件和散熱路徑時，要根據 FR4 的熱傳導方向特性進行優化，以提高散熱效果。

FR4 PCB熱導率

二、影響FR4 PCB熱導率的因素：

散熱孔

散熱孔是放置在印刷電路板上的孔，對散熱起著至關重要的作用。一般來說，電路板中的散熱過孔越多，導熱性能越好，因為這些過孔提供了更多的空間來釋放PCB和元件的熱量。

PCB鋪銅

鋪銅是影響熱導率的另一個重要因素。導熱性能實際上取決於鋪銅是否完整，即是否從一端連接到另一端。如果鋪銅密度越大，導熱係數會很高，如果鋪銅密度越小，導熱係數會很低。

內層

內層是影響電路板散熱的一個因素。如果有許多內層，導熱係數會降低，反之亦然。

三、FR4 PCB熱導率管理

熱導率管理對於FR4 PCB至關重要，會影響其性能、可靠性和壽命。如果沒有熱管理，印刷電路板可能會出現分層、損壞或設備故障等問題。導熱性是設計PCB時必須考慮的一個因素，以下是更好的PCB設計的一些提示：

首先，在設計印刷電路板時，最好將大功率和信號導體分開。我們可以沿著散熱路徑插入更多的散熱孔。散熱孔既可以鍍層也可以不鍍層，這樣可以實現空氣流通和散熱。此外，合理的散熱過孔陣列對於降低熱阻，提升散熱性能也很有説明。

第二，建議增加器件之間的距離，使各層的熱量分佈更加均勻，從而降低產生熱點的風險。但我們應該注意到，這種方法不適用於小尺寸的PCB電路板。

第三，器件的幾何形狀也是設計時需要考慮的重要因素。連接元器件的走線儘量短而寬，流過大電流的走線要用厚厚的銅。如果器件太小，則電子元件可能會發生故障。

第四，眾所周知，當使用高導熱率的材料時，熱傳導的效率會更高。銅具有極強的導電性，可以提供高達400W/mK的導熱係數，埋銅技術指在PCB表面或內部嵌入一塊固態銅塊，銅塊的位置通常在需要散熱冷卻的器件下方。與過孔導熱技術相比，埋銅塊能夠提供大約兩倍于過孔導熱的冷卻效果。同時，銅塊可以直接連接發熱元器墊和散熱器，而不需通過其他導熱材料。銅的導熱係數比導熱PP平均高30-200倍。埋銅技術適用於有少量或特定器件產生大部分熱量的PCB，在PCB的局部埋銅既提供了最佳的熱傳導解決方案，也不影響PCB的層數或材料。這個技術是將銅塊嵌入到發熱區域下方一個預先製作好的切口中，器件產生的熱量可以通過切口中的銅塊傳導至散熱器， 而不再依賴PCB的基材如PP等。銅塊被嵌入PCB中，以不同的形式和配置組合在一起，設計者最終選擇的配置反映了佈線、功率要求和銅塊與發熱器件的距離之間的平衡。

FR4 是PCB 製造的常用材料，因為它既經濟又具有可用于不同應用的出色特性。但與其他材料相比，它的導熱性能較差。因此有必要瞭解FR4的導熱特性並學會如何管理它，這不僅可以降低成本，還可以提高產品品質。