设计期间要考虑的FR4热特性

您所有的电子设备都需要保持凉爽，以防止组件故障，甚至在运行期间导通孔/导体故障。许多不在高温或极端恶劣环境下运行的板极有可能将FR4用作PCB基板。这种廉价的刚性基板材料（或更确切地说，是其品种之一）是在各种环境中部署的大多数PCB的基础。

在这种情况下，设计要在某些环境中部署的PCB叠层时应考虑FR4的热性能。FR4板的结构将决定许多性能方面，而热性能只是设计新PCB时要考虑的方面之一。在某些情况下，鉴于FR4提供的各种PCB材料属性，您可能会发现其他PCB衬底材料是更好的选择。如果您打算使用通用的FR4级基材，请继续阅读以了解哪种FR4热性能对于不同的设计最重要。

重要的FR4热性能

在考虑重要的FR4热性能时要记住的重要一点是：FR4只是NEMA等级的材料，不是特定的基材材料。FR4级材料的电气，机械和热性能取决于树脂含量，玻璃编织样式，玻璃编织厚度以及用于构建FR4基材的材料类型。简而言之，来自不同制造商的许多等级的FR4材料的热和电性能略有不同。一些公司（例如Isola）生产具有各种电损耗，热性能，标准厚度和玻璃编织样式的FR4级材料。

如此说来，您将无法在所有热，电和机械性能之间找到完美的折衷方案。但是，通过专注于少数支配性能的重要材料特性，您通常可以非常接近满足所有设计要求。

如果要将PCB放在高功率系统或高温环境中，则需要注意这些重要的FR4热性能。

导热系数和比热

FR4的导热率定义了热量从系统中的高温区域转移到低温区域的速率。比热定义将材料的温度升高1度（摄氏度/开尔文或华氏度）所需的热量。这些值共同决定了PCB中的热常数（以及组件封装和导体的值），这是3D场求解器封装进行热仿真的基础输入。然后，这些值将确定PCB达到热平衡所需的时间以及特定的平衡温度分布。

热膨胀系数

热膨胀系数（CTE）衡量电路板沿不同方向膨胀的速率。当材料接触但它们以不同的速率膨胀时，会在其中一种材料上产生应力，这在重复循环后可能导致疲劳并最终断裂。这是许多大功率板（例如LED板）的主要故障根源，仅是由于无法快速将热量从热的组件中移走（即低导热率）。

玻璃化温度

热固性聚合物的玻璃化转变温度（Tg）与它的CTE值有关。一旦材料的温度超过Tg，CTE值就会突然增加。因此，只能在工作温度低于Tg的环境中运行PCB。请注意，Tg也是与机械量相关的关键参数，因为当温度高于Tg时，材料将变成橡胶状，并且将变得更加柔软（即模量增加）。

哪个热属性很重要？

在上面的讨论和表格中需要注意的一点是：由于PCB层压板（包括FR4级层压板）使用的玻璃编织样式，除比热容外，所有FR4的热性能都是各向异性的。这意味着FR4基板中沿不同轴的传热和热膨胀是不同的。由于基材中的玻璃编织与表面平行，并且编织是交叉阴影线，因此沿x和y方向的这些热特性的值实际上相同，但沿z方向却不同。

就哪种热性能最重要而言，它实际上取决于应用程序。以下是一些简单的准则：

l CTE：如果要部署的板将在两个极端温度之间快速热循环，则确实需要最小化导体和FR4之间的CTE值差异，以防止过孔破裂。颈部（微孔）和通孔针筒（高深宽比通孔）中的断裂最常见，其次是焊球顶部的断裂。

l 导热系数：如果您知道将要从一组组件中产生大量热量，并且需要尽快将热量从这些组件中移走，请选择尽可能高的导热率。对于特殊的汽车或航空航天应用，出于这个原因，有时会使用陶瓷或金属芯基板。

l Tg ：除非您的板将在低温下运行，否则您应始终尝试选择最高的玻璃化转变温度。