設(shè)計(jì)期間要考慮的FR4熱特性

您所有的電子設(shè)備都需要保持涼爽，以防止組件故障，甚至在運(yùn)行期間導(dǎo)通孔/導(dǎo)體故障。許多不在高溫或極端惡劣環(huán)境下運(yùn)行的板極有可能將FR4用作PCB基板。這種廉價(jià)的剛性基板材料（或更確切地說(shuō)，是其品種之一）是在各種環(huán)境中部署的大多數(shù)PCB的基礎(chǔ)。

在這種情況下，設(shè)計(jì)要在某些環(huán)境中部署的PCB疊層時(shí)應(yīng)考慮FR4的熱性能。FR4板的結(jié)構(gòu)將決定許多性能方面，而熱性能只是設(shè)計(jì)新PCB時(shí)要考慮的方面之一。在某些情況下，鑒于FR4提供的各種PCB材料屬性，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)其他PCB襯底材料是更好的選擇。如果您打算使用通用的FR4級(jí)基材，請(qǐng)繼續(xù)閱讀以了解哪種FR4熱性能對(duì)于不同的設(shè)計(jì)最重要。

重要的FR4熱性能

在考慮重要的FR4熱性能時(shí)要記住的重要一點(diǎn)是：FR4只是NEMA等級(jí)的材料，不是特定的基材材料。FR4級(jí)材料的電氣，機(jī)械和熱性能取決于樹(shù)脂含量，玻璃編織樣式，玻璃編織厚度以及用于構(gòu)建FR4基材的材料類型。簡(jiǎn)而言之，來(lái)自不同制造商的許多等級(jí)的FR4材料的熱和電性能略有不同。一些公司（例如Isola）生產(chǎn)具有各種電損耗，熱性能，標(biāo)準(zhǔn)厚度和玻璃編織樣式的FR4級(jí)材料。

如此說(shuō)來(lái)，您將無(wú)法在所有熱，電和機(jī)械性能之間找到完美的折衷方案。但是，通過(guò)專注于少數(shù)支配性能的重要材料特性，您通常可以非常接近滿足所有設(shè)計(jì)要求。

如果要將PCB放在高功率系統(tǒng)或高溫環(huán)境中，則需要注意這些重要的FR4熱性能。

導(dǎo)熱系數(shù)和比熱

FR4的導(dǎo)熱率定義了熱量從系統(tǒng)中的高溫區(qū)域轉(zhuǎn)移到低溫區(qū)域的速率。比熱定義將材料的溫度升高1度（攝氏度/開(kāi)爾文或華氏度）所需的熱量。這些值共同決定了PCB中的熱常數(shù)（以及組件封裝和導(dǎo)體的值），這是3D場(chǎng)求解器封裝進(jìn)行熱仿真的基礎(chǔ)輸入。然后，這些值將確定PCB達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間以及特定的平衡溫度分布。

熱膨脹系數(shù)

熱膨脹系數(shù)（CTE）衡量電路板沿不同方向膨脹的速率。當(dāng)材料接觸但它們以不同的速率膨脹時(shí)，會(huì)在其中一種材料上產(chǎn)生應(yīng)力，這在重復(fù)循環(huán)后可能導(dǎo)致疲勞并最終斷裂。這是許多大功率板（例如LED板）的主要故障根源，僅是由于無(wú)法快速將熱量從熱的組件中移走（即低導(dǎo)熱率）。

玻璃化溫度

熱固性聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）與它的CTE值有關(guān)。一旦材料的溫度超過(guò)Tg，CTE值就會(huì)突然增加。因此，只能在工作溫度低于Tg的環(huán)境中運(yùn)行PCB。請(qǐng)注意，Tg也是與機(jī)械量相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)楫?dāng)溫度高于Tg時(shí)，材料將變成橡膠狀，并且將變得更加柔軟（即模量增加）。

哪個(gè)熱屬性很重要？

在上面的討論和表格中需要注意的一點(diǎn)是：由于PCB層壓板（包括FR4級(jí)層壓板）使用的玻璃編織樣式，除比熱容外，所有FR4的熱性能都是各向異性的。這意味著FR4基板中沿不同軸的傳熱和熱膨脹是不同的。由于基材中的玻璃編織與表面平行，并且編織是交叉陰影線，因此沿x和y方向的這些熱特性的值實(shí)際上相同，但沿z方向卻不同。

就哪種熱性能最重要而言，它實(shí)際上取決于應(yīng)用程序。以下是一些簡(jiǎn)單的準(zhǔn)則：

l CTE：如果要部署的板將在兩個(gè)極端溫度之間快速熱循環(huán)，則確實(shí)需要最小化導(dǎo)體和FR4之間的CTE值差異，以防止過(guò)孔破裂。頸部（微孔）和通孔針筒（高深寬比通孔）中的斷裂最常見(jiàn)，其次是焊球頂部的斷裂。

l 導(dǎo)熱系數(shù)：如果您知道將要從一組組件中產(chǎn)生大量熱量，并且需要盡快將熱量從這些組件中移走，請(qǐng)選擇盡可能高的導(dǎo)熱率。對(duì)于特殊的汽車或航空航天應(yīng)用，出于這個(gè)原因，有時(shí)會(huì)使用陶瓷或金屬芯基板。

l Tg ：除非您的板將在低溫下運(yùn)行，否則您應(yīng)始終嘗試選擇最高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。