PCB Blog - FR4 PCB熱伝導率の特徴と管理

集積技術の発展に伴い、PCBも急速に電子システムにおける多機能素子に発展し、電子素子の総電力密度は増加しているが、電子素子と電子装置の物理サイズはますます小さく設計されており、これにより装置周辺の熱流密度が増加し、電子素子の性能に影響を与えるため、FR4 PCB熱伝導率の役割はますます明らかになっている。

一、FR4 PCB熱伝導率は以下の特徴がある：

熱伝導率は相対的に低い：FR 4の熱伝導率は通常0.3-0.4 W/m・K程度である。この値は、アルミニウム、銅などの金属材料に比べて非常に低い。金属は高い熱伝導能力を持ち、急速に熱を伝達することができ、FR 4はこの点での性能が弱い。そのため、放熱に対する要求が高い電子機器では、FR 4材料を単純に使用すると、局所的に熱が蓄積し、機器の性能と寿命に影響を与える可能性がある。

異方性：FR 4は異方性の特徴、すなわち異なる方向における熱伝導係数が異なる。平面方向（in−plane）における熱伝導係数は比較的高く、平面に垂直な方向（through−plane）における熱伝導係数は低い。これは、FR 4材料中のガラス繊維布の構造と配置方式により、異なる方向における熱の伝達能力に差があるためである。この異方性は、例えば発熱素子や放熱経路を配置する際に、FR 4の熱伝導方向特性に応じて最適化して放熱効果を高めるなど、電子機器の設計や製造に際して考慮する必要がある。

二、FR4 PCB熱伝導率に影響する要素：

放熱孔

放熱孔はプリント基板に載置される孔であり、放熱に重要な役割を果たす。一般的に、基板内の放熱ビアが多ければ多いほど、熱伝導性が高くなります。なぜなら、これらのビアはPCBと素子の熱を放出するためのより多くの空間を提供するからです。

PCB銅敷き

銅を敷くことは熱伝導率に影響するもう一つの重要な要素である。熱伝導性能は実際には銅を敷くのが完全かどうか、つまり端から端に接続するかどうかにかかっている。銅を敷く密度が大きいほど熱伝導率が高くなり、銅を敷く密度が小さいほど熱伝導率が低くなります。

ないそう

内層は回路基板の放熱に影響する要素の1つである。多くの内層があれば、熱伝導率は低下し、逆も同様である。

三、FR4 PCB熱伝導率管理

熱伝導率管理はFR 4 PCBにとって重要であり、その性能、信頼性、寿命に影響を与える。熱管理が行われていない場合は、プリント配線基板の階層化、破損、機器の故障などの問題が発生する可能性があります。熱伝導性はPCBを設計する際に考慮しなければならない要素の1つであり、以下はより良いPCB設計のいくつかのヒントである：

まず、プリント配線基板を設計する際には、大電力と信号導体を分離することが好ましい。放熱経路に沿ってより多くの放熱孔を挿入することができます。放熱孔はめっきしてもめっきしなくてもよく、これにより空気の流通と放熱を実現することができる。また、合理的な放熱ビア配列は熱抵抗を低減し、放熱性能を向上させることについても説明がある。

第二に、デバイス間の距離を増やし、各層の熱分布をより均一にし、それによってホットスポットを発生するリスクを低減することを提案する。しかし、この方法は小さいサイズのPCBには適用されないことに注意しなければならない。

第三に、デバイスの幾何形状も設計時に考慮すべき重要な要素である。接続部品の引き廻し線はできるだけ短くて広く、大電流を流す引き廻し線は厚い銅を用いなければならない。デバイスが小さすぎると、電子部品が故障する可能性があります。

第四に、熱伝導率の高い材料を使用すると、熱伝導の効率が高くなることが知られている。銅は極めて強い導電性を持ち、400 W/mKまでの熱伝導率を提供することができ、埋設銅技術はPCB表面または内部に固体銅ブロックを埋め込むことを指し、銅ブロックの位置は通常放熱冷却が必要なデバイスの下にある。埋設銅ブロックは、ビア伝熱技術に比べて、ビア伝熱の約2倍の冷却効果を提供することができる。同時に、銅ブロックは、他の熱伝導性材料を通過することなく、発熱体マットとヒートシンクを直接接続することができる。銅の熱伝導率は熱伝導PPの平均より30〜200倍高い。埋設銅技術は少量または特定のデバイスで大部分の熱を発生するPCBに適用され、PCBの局所埋設銅は最適な熱伝導ソリューションを提供するだけでなく、PCBの層数や材料にも影響しない。この技術は、PCBの基材、例えばPPなどに依存することなく、切欠き中の銅ブロックを介して放熱器に伝導することができる、発熱領域の下に予め作られた切欠きに銅ブロックを埋め込むことである。銅ブロックはPCBに埋め込まれ、異なる形式と配置で組み合わされ、設計者が最終的に選択した配置は配線、電力要件と銅ブロックと発熱デバイスの距離のバランスを反映している。

FR 4はPCB製の一般的な材料であり、経済的でありながら異なる用途に使用できる優れた特性を持っているためである。しかし、他の材料に比べて熱伝導性が悪い。そのため、FR4 PCB熱伝導率特性を理解し、それを管理する方法を学ぶ必要があり、これはコストを削減するだけでなく、製品の品質を高めることができる。