PCB 基板材料之熱阻與效能比較

印刷電路板（PCB）是現代電子產品不可或缺的一部分，作為從智慧型手機到醫療設備等多種裝置的骨幹。在 PCB 設計中，基板材料的選擇是一項關鍵因素，特別是在涉及 PCB 阻抗、熱阻以及整體效能時。在本文中，我們將比較三種常見 PCB 基板材料的熱阻與效能：FR-4、鋁基板與陶瓷基板，並為尋求優化 PCB 熱效能的設計師提供建議。我們還將探討其他基板材料，並提供這些材料常見應用的額外範例。

三種常見的 PCB 基板材料

FR-4 基板材料

（圖片來源：Jichangsheng Technology）

FR-4 是 PCB 製造中廣泛使用的基板材料。它是一種以環氧樹脂為基礎的層壓材料，由玻璃纖維布和阻燃樹脂組成。FR-4 具有良好的機械強度和優異的電絕緣特性，使其成為許多應用的熱門選擇。然而，它的導熱率相對較低，這會限制其散熱能力。

改善 FR-4 熱效能的一種方法是使用較厚的銅層和較寬的走線，以增加散熱表面積。另一種選擇是使用散熱孔（Thermal Vias），為熱量從元件傳遞到電路板另一側提供路徑。此外，設計師可以使用散熱片來改善熱管理，儘管這可能會增加電路板的成本。

鋁基板材料

鋁是一種金屬基底材料，具有優異的導熱率和高熱膨脹係數。它通常用於散熱至關在高功率應用中。鋁基板也可以作為散熱片或其他冷卻解決方案的基底。

鋁基板的一個具體範例是絕緣金屬基板（IMS），它由夾在鋁層和銅層之間的薄絕緣材料層組成。鋁層提供優異的散熱能力，而銅層則提供良好的導電性。

鋁基板的另一個應用是在 LED 照明中。LED 會產生大量熱量，使用鋁基板有助於散發這些熱量，從而提高 LED 的壽命與可靠度。

陶瓷基板材料

陶瓷是另一種常用於高功率和高頻應用的基板材料。陶瓷基板具有優異的導熱率和機械強度，並能在高溫下運作。它們還具有耐腐蝕性及良好的電氣特性。

陶瓷基板的一個具體範例是低溫共燒陶瓷（LTCC），它由多層陶瓷材料組成。這些層次可以透過網印製程繪製導電走線，從而建立具有整合式被動元件的複雜電路。

陶瓷基板常用於需要高頻運作的應用，例如微波和射頻（RF）應用。它們也用於電力電子領域，例如 DC-DC 轉換器和馬達驅動器。

其他基板材料

除了 FR-4、鋁和陶瓷之外，還有其他可用於 PCB 製造的基板材料。例如，羅傑斯公司（Rogers Corporation）為 PCB 提供廣泛的高效能材料，包括具有高導熱率、低介電損耗和低熱膨脹係數的材料。另一個範例是聚四氟乙烯（PTFE）基材料，它們具有優異的電氣特性並能在高溫下運作，使其成為射頻應用的熱門選擇。

聚醯亞胺（Polyimide）是另一種常用於軟性 PCB（軟板）的基板材料。它具有高耐溫性，可用於 PCB 必須彎曲或折疊的應用中。聚醯亞胺常用於航太和高可靠度應用，在這些應用中，PCB 必須承受極端溫度和嚴苛環境。

給 PCB 設計師的建議

在為 PCB 選擇基板材料時，設計師應考慮應用的具體要求，以及成本、供應情況和製造難易度等因素。對於高功率或高溫應用，鋁或陶瓷等材料因其較高的導熱率而更受青睞。然而，對於低功率應用，FR-4 可能是更具成本效益且實用的選擇。

除了基板材料的選擇外，設計師還應考慮其他可能影響 PCB 熱效能的因素，例如元件佈局、銅重（Copper Weight）與厚度，以及散熱孔的使用。散熱片和其他冷卻解決方案也可用於改善熱管理，儘管它們會增加電路板的成本。

材料與應用範例

其他基板材料及其應用包括：

鐵氟龍（Teflon）：此材料具有優異的介電特性，並能在高溫下運作。常用於微波和射頻應用。

Kapton：此材料是一種聚醯亞胺薄膜，常用於軟性電路，例如醫療設備和航太應用中的電路。

金屬核心 PCB（Metal Core PCB）：這些 PCB 使用金屬核心（通常是鋁）作為基板材料。它們常用於高功率 LED 照明和車用領域。

軟性 PCB（Flexible PCB）：這些 PCB 使用軟性基板材料（通常是聚醯亞胺），使其能夠彎曲和折疊。常用於穿戴式技術、醫療裝置和航太應用。

高溫 FR-4：此材料是 FR-4 的變體，專為在高溫下運作而設計。常用於汽車和航太應用。

陶瓷填充 PTFE：此材料結合了 PTFE 優異的電氣特性與陶瓷的高導熱率。常用於高頻和高功率應用。

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結論

總結來說，基板材料的選擇是 PCB 設計中的關鍵因素，特別是在涉及熱阻和效能時。設計師有多種基板材料可供選擇，每種材料都有其獨特的特性和優勢。FR-4、鋁基板和陶瓷基板是常用的基板材料，各有其優缺點。

在選擇基板材料時，設計師應考慮應用的具體要求，以及成本、供應情況和製造難易度等因素。他們還應考慮其他影響 PCB 熱效能的因素，例如元件佈局、銅重與厚度，以及散熱孔的使用。

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