過去数日間、発光ダイオードはインジケーターランプの一般的な部品でした。 技術が進歩するにつれて、PCB はエレクトロニクス分野の何千もの消費者にサービスを提供しました。 さらに、技術の変化に伴い、製造されるエレクトロニクスの出力密度はより高くなっています。

これらの電子機器のサイズは小さいため、特定の電子デバイスを通過する磁束が増加します。 したがって、熱伝導率を調整するには実行可能な解決策が重要です。 デバイスを損傷から保護するのにも役立ちます。

このソリューションの好例は、同じように機能する FR4 PCB です。 この説明では、これらの PCB のバリエーションを詳細に調査し、熱伝導率を調整するために基本的にどのように機能するかを確認します。

 

FR4の熱伝導率の特性

FR4は熱伝導率の調整に重要な特殊な材料です。 熱伝導率に応じて性能を安定させる必要がある電子機器は、この物質の恩恵を受けることができます。 この素材には、他の素材とは異なる特別な特性がいくつかあります。 以下で調べてみましょう。

1. 難燃剤

さて、この材料は難燃性に適しています。 この理由により、この物質は PCB の火災に容易に耐えることができ、最終的には電子機器がさらなる損傷を受けるのを防ぐことができます。 このような物質は調整が容易であり、多目的に使用できます。

2. 低吸湿性

FR4はその中でも吸湿性に優れています。 吸湿能力が最小限に抑えられているため、PCB の性能が向上するため、PCB の製造中に使用すると有益です。

3. 良好な電気的特性

FR4 のような上質な材料は、優れた電気特性を提供します。 インピーダンスを大幅に調整および制御します。 その目的は、PCB の完璧な性能を保証するために、電荷の数を一定の範囲内に維持することです。

4. 熱伝導率

熱伝導率とは、PCB の熱い部分から冷たい部分への熱の移動を意味します。 FR4 より優れた熱伝導体はありません。 これにより、PCB のさまざまな部分内で熱が干渉することなく確実に伝達されます。

5. 耐放射線性

耐放射線性は、電気通信分野における PCB の重要な概念です。 放射線耐性に使用される FR4 が便利です。

それだけでなく、電子機器を熱変動から保護することもできます。 常に放射線に接触している電子機器には、ほとんどの場合この物質が含まれています。

6. ガラス転移温度（Tg）

ポリマー物質のガラス温度は CTE に直接関係します。 ガラス温度がその限界を超えると、CTEも増加します。 多くの PCB は、その温度がガラス温度を下回る最適な環境でのみ機能します。 温度の変動により、PCB 全体が損傷する可能性があります。

FR4の熱伝導率に影響を与える要因

PCB メーカーは、製造プロセス中に熱伝導率を無視してはなりません。 これは、PCB がコンポーネントに熱をどれだけ効率的に伝えることができるかを決定します。 PCB にはさまざまなコンポーネントがあり、それぞれの熱伝導率が異なることに注意してください。

FR4 の熱伝導率に影響を与えるいくつかの要因を以下に示します。

· サーマルビア

サーマルビアは、PCB 内の穴のような構造です。 その目的は、スムーズな熱放散を可能にすることです。 PCB に多数のサーマル ビアがある場合、その熱伝導率はサーマル ビアの数が少ない PCB よりも大きくなります。

· PCB 内の銅の痕跡

銅トレースも熱伝導率に影響を与える可能性があります。 PCB に完全なトレースがある場合、熱伝導率は高くなります。 銅配線の目的は、PCB の異なる部分間のブリッジとして機能することです。

いずれにしても、トレースが破損すると熱伝導性が維持できなくなり、性能不良が発生します。

・内部層

内層は放熱に関係します。 熱伝導率を高めるためには、内層を少なくする必要があります。

・FR4の熱伝導率の管理

プリント基板にFR4を使用する場合、熱伝導率の管理を無視することはできません。 それは、PCB 全体のパフォーマンスを左右する可能性があります。

TCM に注意を払わないと、PCB は適切に機能しません。

TCM が不十分なために PCB が苦しむ可能性がある問題は次のとおりです。

層間剥離が発生している
摩耗による機械的損傷
デバイスの完全な故障
電気的不具合
過度の電力損失
上記の問題から PCB を守るために、正確な TCM を確保するための実行可能な方法がいくつかあります。 このセクションでは、それらを 1 つずつ見ていきましょう。

· PCB をより良く設計する

PCB を設計するときは、高電力導体と信号導体を必ず絶縁してください。 これで、熱パス上にさらにサーマル ビアを追加できるようになりました。 メッキされたサーマル ビアまたはメッキされていないサーマル ビアを使用できます。

PCB の性能をまったく損なうことはありません。 これらのサーマルビアの目的は、完全な熱放散を可能にし、同時に空気流を循環させることです。 これらのビアの配置が正確であれば、最終的には熱放散が向上します。

適切な熱放散を確保するために、トラック間のスペースを増やすこともできます。 損傷を引き起こす可能性のある余分な領域の作成を防ぎます。 ただし、PCB が小さい場合はこの方法に頼ることができないという問題が 1 つあります。

次に、ジオメトリ トラックの登場です。 これらは、PCB 部品が小さい場合にのみ冷却を担当します。

· FR4 PCBに銅線を埋め込む

FR4 PCB への銅線の埋め込みに関して、さまざまな見解を持つ企業が数多くあります。 ただし、このプロセスは航空および自動車の分野では役立ちます。 これは、これらのドメインで使用されるデバイスにはより多くの電流が流れるためです。 FR4 PCB の銅線は、システム内に大量の電流が流れる場合にのみ役立ちます。

· PCB の熱抵抗

PCB 部品を過熱したくない場合は、熱制御が重要です。 FR4 が設計に使用される代表的な PCB 基板であることは疑いの余地がありません。 熱伝導率が非常に低いです。 このため、熱がシステムから逃げることができず、コンポーネントが過熱する可能性があります。

このような部品が過熱すると、デバイスの完全な故障につながる可能性があります。 FR4 の代わりにヒートシンクを使用して、大量の熱が適切に放散されるようにすることもできます。 この物質の熱抵抗は、その熱伝導率に関係します。

FR4 のような基板は、システム内の熱伝達に優れています。 PCB のすべての部分は、熱の発生にばらつきがあります。 より多くの熱を発生するものと、より少ないものがあります。 PCB の合計熱抵抗を調べるには、まずすべての PCB コンポーネントの熱抵抗を取得します。

FR4 と銅の熱抵抗を組み合わせたものが PCB の熱伝導率となります。 PCB 内の銅部品は、PCB の熱抵抗を取得するのに役立ちます。

 

PCB における FR4 熱伝導率の制約

PCB に FR4 を使用する利点には、手頃な価格と完全な電気絶縁が含まれます。 この基板にもいくつかの欠点があります。 FR4 の大きな問題の 1 つは、その極端な熱伝導率です。 つまり、高速で動作する電子機器には使用できないということです。

以下に、PCB で FR4 を使用する場合の決定的な欠点をいくつか示します。

· コントロールされたインピーダンス

さて、この基板には、ペースの速いガジェットやデバイスに使用される他の基板とは異なり、固定の Dk 値がありません。 この基板の周波数が増加すると、Dk 値も増加します。 FR4のDkはある程度までの変化しか耐えられません。

これが頻繁に発生すると、明らかにインピーダンス値に悪影響を及ぼす可能性があります。 制御されたインピーダンスで機能するデバイスを製造したい場合は、FR4 基板に依存しないでください。

・温度安定性

デバイスが動作中に高温に耐える場合、FR4 は検討すべきオプションではありません。 この基板のもう 1 つの問題は、鉛フリーはんだ付けにうまく適合しないことです。 リフローはんだ付けは極端な温度になるため、FR4 の通常の機能が全体的に中断される可能性があります。

・絶縁安定性

議論されている基板は、高温での作業には信頼できません。 過度の熱により故障する可能性があるため。 しかし、FR4 の断熱能力は驚異的です。

· 信号損失

PCB を設計する場合、信号損失はよく発生します。 これは主に、デバイスが複雑な場合に発生します。 FR4は放熱能力が高いです。 現在、この物質の周波数は常に他の PCB 部品よりもはるかに高くなります。 この理由により、周波数が低くなると電力損失が発生します。

FR4 の熱伝導率を選択する際に考慮すべき要素

FR4 を扱う際には留意しなければならない要素がいくつかあります。 あらゆる面でその誘電特性を信頼できます。 これにとどまらず、樹脂の加工に使用される鉱物フィラーである FR4 も最近使用されています。 FR4 はこの点で樹脂の優れた代替品であることが証明されました。

以下は、毎回最適な FR4 基材を選択するのに役立ついくつかの要素です。

・厚み

FR4 の厚さは非常に重要です。 この厚さは、作業している PCB のタイプによって異なることに注意してください。 PCB の幅にも直接関係する可能性があります。 PCB が効率的に機能するためには、適切な厚さが重要です。 PCB が小さい場合は、薄い FR4 基板を使用してください。

・ 料金

基板 FR4 は手頃な価格のオプションです。 入手可能で予算内に収まるため、さまざまな PCB メーカーがこの材料を使用しています。 ハイペースのデバイスの微細な生産にも役立ちます。

・温度管理

FR4 を使用する場合、温度を無視することはできません。 温度調節により FR4 が最高の状態で機能します。 ただし、ハイペースのデバイスの製造に役立つため、ラミネートに置き換えることができます。

・動作環境

FR4 が正常に動作するためには、常に最適な環境が存在します。 FR4 にとって最適な環境は、湿度と熱が一定範囲にある環境です。 FR4 の代わりにラミネートを考慮すると、耐性、熱、湿気の点でこの物質よりもはるかに優れています。

結論

FR4 はその利点により、PCB メーカーにとって大きな資産となります。 ただし、FR4 には PCB の自然な機能を全体的に妨げる可能性のある制限がいくつかあります。 PCB の設計中に、この基板の欠点がその特性を無効にする場合があります。

温度調整のために FR4 の代わりに使用できるセラミックや金属などの他の材料があります。 PCB の温度を調整するためにそのような材料を使用する必要性は、そのような基板があるからこそ可能になります。 この投稿で FR4 について詳しく学んでいただければ幸いです。 これで、手間をかけずに他の材料を使用して FR4 を簡単に評価できるようになりました。