【选型】热增强线路板材料在功率电子技术设计中热管理应用(下)

2017-11-14 electronics-cooling(世强翻译)

关键的线路板板材参数

在为热管理的应用选择高导热增强线路板材料,设计师需要了解一些和温度相关的关键材料特性:


导热系数(TC)

导热系数是测量材料导热能力的直接方法。它是热增强型PCB线路板介质材料最重要的特性。导热系数是一个必要材料特性,当其他的热传导方式不再适用时(比如导热通孔,散热片,导热金属块,主动散热等),这需要将此特性最大化。

通过垂直于介质材料厚度上热流和材料的热阻成反比,如下面的方程式1和2所示

(1)

(2)

Q=热流(瓦), △T=温差(K), R=绝对热阻(K/W), L=厚度(m), A= 面积(M2)和K=导热系数(W/MK)


热传导的绝对热阻可以用与电路中的电流电阻相同的方式来看待,即用电力学观点来理解热力学。 图1和图2列出了两个最常见的线路电阻图形。


图1:电路中串联电阻构造

图2:电路中的并联电阻构造


下面的方程式3和4强调了解释节点材料热阻路径的两种最常用方法

Series串联:(3)

Parallel并联:(4)


下面的图3突出了方程3和4在实际模块构建选项中的实际应用。


图3:功率电子模块配置结构,其中左侧为串联,右侧为并联配置的热电阻路径


标准的PCB线路板材料的Z轴的导热系数在1W/M.K或更少。典型的FR-4线路材料导热系在0.3W/M.K。热增强的线路板材料Z轴方向导热系数在1.5W/M.K或更高。高性能的热增强线路板材料在平面(X,Y轴)的导热系数等于或高于在Z轴方面的数值。所以,热扩散不仅通过材料的X,Y轴的平面散热,而且还通过其厚度Z轴散热。这对当设计的镀通孔不能被放置在靠近热源或当从一个模块的边缘散热时尤为重要。介质材料在平面的导热系数为3.0W/M.K或者更高的时候是最优异的。


玻璃态转换温度(Tg)

玻璃态转化温度Tg是覆铜板介质材料热稳定性的一个可靠指标。高于Tg的聚合物具有更大的分子流动性,这就导致了更低的模量和更大的膨胀率。如果Tg数值太低,材料在高温下会受到伤害,例如在装配过程中。无铅焊接的装置通常暴露在260℃的温度下。如果在装配过程中,材料过早软化,就会出现起泡,分层,翘曲或其他功能问题。为了保证材料在必要的热暴露下存活,通常Tg值需要高于150℃以上。


热膨胀系数(CTE)

热膨胀系数(CTE)描述材料随温度的膨胀率变化。在印制线路板中,介质材料(覆铜板)的热膨胀率必须和电路结构中的其他材料应力相匹配,否则不同材料的接合处会产生应力,产生板翘曲和镀通孔(PTH)的可靠性问题。理想情况下,线路板平面的热膨胀系数应介于铜的热膨胀系数(17ppm/℃)和铝的热膨胀系数(22ppm/℃)之间。 这将确保金属芯线路板或绝缘金属板具备优化的共面特性,在装配和正常运行中,使翘曲发生可能性降到最小。


线路板材料的Z轴或离面膨胀系数同X,Y轴平面膨胀系数同样重要。可靠的热固性材料应该具备Z轴膨胀系数在低于Tg时,要小于50-60ppm/℃,将被认为是优异的。较低的Z轴膨胀系数将导致更高的镀通孔的可靠性和最佳的表面组件连续性。图4显示了Tg在Z轴热膨胀系数的影响。


图4:不同介质材料表现出来的TG对Z轴热膨胀系数的影响


最大操作温度 (MOT)

印制线路板材料必须在预期的模块操作温度环境中有能力使用多年。保险商实验室(UL)有一个测试协议,通过使用加速老化测试来复制材料在100000小时(或11.4年)的测试时间内允许暴露的最高温度。此最大操作温度测试协议用于筛选线路失效,如翘曲、气泡、分层等。良好的热固性电路材料具有125℃以上的MOT能力。优秀的材料将具有140℃以上的MOT能力。所需的最终MOT等级取决于电路的最终使用要求。 


环境需求

消费类应用的线路板材料通常需要从保险商实验室(UL)那里取得94V-0的阻燃等级认证。该等级确保介质材料在暴露于明火后10秒内自行熄灭。很多特定的应用则对UL 94V-0认证不做特定要求,如在空间的应用。


线路板材料有时需要满足无铅要求。这种无铅,有害物质(RoHS)条件限制,也被称为指令2002/95/EC,起源于欧洲联盟(欧盟)。RoHS 对整个电子工业和许多电气产品都有影响。这种无铅要求主要影响线路板材料用焊料。 从焊料中除去铅需要更高的共晶融化温度。一般来说,无铅焊料回流曲线被设置为260℃的峰值温度。有铅焊料的回流曲线峰值温度低至225℃。


线路板材料有时也需要不卤素成分。这是一个新兴的通常是环境驱动的电子电路要求,主要是欧洲市场的需求。很好有热固性的线路板材料能符合UL 94V-0,最严格组合的RoHS和无卤要求。

 

归纳而言,功率电子应用的快速增长促使设计师对可靠性的,热增强的线路板材料有了明确的需求,以便帮助热管理.有效的热增强型线路板材料如罗杰斯的92ML™, 92ML™ StaCool™系列材料在传统的散热功率电子模块设计方法上提供了更多的设计、劳动力、成本和质量的优势。 


针对功率电子设计选择热增强型线路板材料的关键是满足设计的需求,最佳的线路板性能需要包括:Z轴的导热系数最好高于2W/M.K;X,Y轴导热系数在3.00/M.K;Z轴的CTE小于50-60ppm/℃,X,Y轴平面CTE在17-22pp/℃;MOT(最大操作温度)最好大于140℃;满足UL 94 V-0的阻燃级别,同时也要求兼容ROHS和无卤的要求。


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