Genau wie die Leuchtdiode, die jahrzehntelang ausschließlich als Kontrollleuchte diente, hat auch die Leiterplatte ihr Schattendasein hinter sich gelassen und sich schnell zu einem multifunktionalen Element in elektronischen Systemen entwickelt. Mit der Entwicklung der Integrationstechnologie steigt jedoch die Gesamtleistungsdichte elektronischer Komponenten weiter an, während gleichzeitig die Abmessungen elektronischer Komponenten und Geräte immer kleiner werden. Dies führt zu einer erhöhten Wärmestromdichte um das Gerät herum, was wiederum die Leistung elektronischer Komponenten beeinträchtigt. Daher ist es notwendig, einen effizienteren Weg zur Steuerung der Wärmeleitfähigkeit zu finden. In diesem Blog konzentrieren wir uns auf die Wärmeleitfähigkeit von FR4, da sie eine der am häufigsten verwendeten ist. PCB-Materialien.
Was ist Wärmeleitfähigkeit?
Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials wie FR4 gibt an, wie effektiv es Wärmeenergie durch Leitung übertragen kann. Sie wird durch die Wärmestromrate durch eine bestimmte Materialdicke bei einem gegebenen Temperaturgradienten quantifiziert. Die Einheit zur Messung der Wärmeleitfähigkeit ist Watt pro Meter-Kelvin (W/mK). Materialien mit höheren Werten leiten Wärme besser als Isolatoren mit geringerer Wärmeleitfähigkeit. Metalle haben tendenziell die höchste Wärmeleitfähigkeit, während Kunststoffe und Keramik am unteren Ende der Skala liegen. Damit Wärme von einer Wärmequelle zu einem Kühlkörper geleitet werden kann, muss das Material zwischen den beiden eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Menge der zwischen zwei Objekten fließenden Wärmeenergie wird sowohl durch den Temperaturgradienten als auch durch die jeweiligen Leitfähigkeitseigenschaften der Materialien bestimmt. Wärme fließt spontan von heißerem zu kälterem Material. Wenn zwei Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen aufeinandertreffen, diffundiert Wärmeenergie vom heißeren zum kühleren. Dieser Wärmeübergang setzt sich fort, bis der Temperaturunterschied abnimmt und ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist. Die Steuerung dieser Wärmeleitung ist in der Elektronik entscheidend, um eine übermäßige Erwärmung der Bauteile zu verhindern und eine einwandfreie Leistung zu gewährleisten. Die Kombination von wärmeleitenden Leiterbahnen und isolierendem Substrat ist eine grundlegende Überlegung in PCB-Design.
Technische Eigenschaften der Wärmeleitfähigkeit von FR4
Die FR4 PCB Die Wärmeleitfähigkeit ist relativ gering und variiert je nach Qualität und Hersteller. Hier sind einige allgemeine technische Merkmale der Wärmeleitfähigkeit von FR4-Leiterplatten:
- Wärmeleitfähigkeitswert
Die Wärmeleitfähigkeit von FR4 liegt typischerweise zwischen 0.3 und 0.4 W/m·K (Watt pro Meter-Kelvin). Dies ist relativ niedrig im Vergleich zu Materialien wie Aluminium oder Kupfer, die eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
- Anisotrope Leitfähigkeit
FR4 ist anisotrop, d. h. es weist in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Wärmeleitfähigkeitswerte auf. Die Wärmeleitfähigkeit ist in der Ebene der Leiterplatte (in der Ebene) höher als in der Dicke (out-of-plane).
- Temperaturabhängigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit von FR4 ist ebenfalls temperaturabhängig. FR4 weist eine Wärmeleitfähigkeit auf, die mit steigender Temperatur abnimmt. Diese Verringerung der Wärmeleitung bei höheren Temperaturen kann die Fähigkeit von FR4 beeinträchtigen, überschüssige Wärme abzuleiten und abzuleiten.
- Auf die Dicke kommt es an
Die Dicke der FR4-Leiterplatte kann ihre Wärmeleistung beeinflussen. Dickere Leiterplatten haben aufgrund des längeren Wärmeleitwegs durch das Material einen höheren Wärmewiderstand. Möchten Sie wissen, wie Sie die Leiterplattendicke wählen? Lesen Sie unseren anderen Blog: https://www.mokotechnology.com/pcb-thickness/
- FR4-Klasse
Es gibt verschiedene FR4-Typen, deren Wärmeleitfähigkeit leicht variieren kann. Beispielsweise ist eine hohe Tg (Glasübergang Temperatur) FR4-Materialien können im Vergleich zu Standard-FR4 leicht unterschiedliche thermische Eigenschaften aufweisen.
- Einschränkungen
Aufgrund seiner relativ geringen Wärmeleitfähigkeit ist FR4 möglicherweise nicht für Anwendungen mit hoher Leistung oder hohen Temperaturen geeignet, bei denen eine effiziente Wärmeableitung von größter Bedeutung ist. In solchen Fällen können alternative Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Leiterplatten mit Metallkern oder Keramiksubstrate, bevorzugt werden.
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Welche Faktoren beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit von FR4-Leiterplatten?
Die Wärmeleitfähigkeit von Leiterplatten erfordert viel Aufmerksamkeit von den Herstellern, da sie entscheidet, wie die PCB-Board kann Wärme an andere Komponenten übertragen. Wie wir alle wissen, besteht eine Leiterplatte aus elektronischen Komponenten, Isolatoren und leitfähigen Materialien, und verschiedene Komponenten und Materialien weisen unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten auf. Darüber hinaus gibt es viele Faktoren, die die Wärmeleitfähigkeit von FR4-Leiterplatten beeinflussen:
Thermische Vias
Thermische Vias sind Löcher auf Leiterplatten, die eine wichtige Rolle bei der Wärmeableitung spielen. Im Allgemeinen können mehr thermische Vias auf einer Leiterplatte die Wärmeleitfähigkeit verbessern, da diese Vias mehr Raum für die Wärmeableitung der Leiterplatten bieten und PCB-Komponenten.
Kupferspuren in Leiterplatten
Kupferleiterbahnen sind ein weiterer wichtiger Faktor, der die Wärmeleitfähigkeit beeinflusst. Die Wärmeleitfähigkeit hängt davon ab, ob die Leiterbahnen vollständig sind, d. h. ob sie von einem Ende zum anderen verbunden sind. Die Wärmeleitfähigkeit ist hoch, wenn die Leiterbahnen vollständig sind, und niedrig, wenn sie unterbrochen sind.
Interne Schichten
Die innere Schicht ist ein Faktor, der die Wärmeableitung der Leiterplatten beeinflusst. Die Wärmeleitfähigkeit verringert sich, wenn viele innere Schichten vorhanden sind und umgekehrt.
Wärmeleitfähigkeitsmanagement für FR4-Leiterplatten
Das Wärmeleitfähigkeitsmanagement ist für FR4-Leiterplatten entscheidend und beeinflusst deren Leistung, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Ohne Wärmemanagement können Leiterplatten Probleme mit Delamination, Beschädigung oder Geräteausfall haben. Glücklicherweise gibt es verschiedene Methoden, die Wärmeleitfähigkeit effektiv zu steuern. In diesem Blog erläutern wir sie unter zwei Aspekten:
Besseres PCB-Design
Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Faktor, der beim Entwurf einer Leiterplatte berücksichtigt werden muss. Im Folgenden finden Sie einige Tipps für einen besseren Leiterplattenentwurf:
Beim Entwurf einer Leiterplatte empfiehlt es sich, Hochstrom- und Signalleiter zu trennen. Außerdem können wir entlang des Wärmepfads weitere thermische Vias einfügen. Die thermischen Vias können beschichtet oder unbeschichtet sein, was die Luftzirkulation und Wärmeableitung ermöglicht. Darüber hinaus trägt eine sinnvolle Anordnung der thermischen Vias wesentlich dazu bei, den Wärmewiderstand zu reduzieren und die Wärmeableitung zu verbessern.
Zweitens empfehlen wir, den Abstand zwischen den Leiterbahnen zu vergrößern, um eine gleichmäßigere Wärmeverteilung in den Schichten zu erreichen und so das Risiko von Hotspots zu verringern. Beachten Sie jedoch, dass diese Methode nicht für kleine Leiterplatten geeignet ist.
Drittens ist auch die Geometrie der Leiterbahnen ein wichtiger Faktor, der bei der Entwicklung berücksichtigt werden muss. Die Leiterbahnen, die Komponenten verbinden, sollten möglichst kurz und breit sein. Leiterbahnen, die hohe Ströme übertragen, sollten aus dickem Kupfer bestehen. Sind die Leiterbahnen zu klein, besteht die Gefahr eines Ausfalls der elektronischen Komponenten.
Kupferdraht in FR4-Leiterplatte einbetten
Einen anderen Ansatz verfolgt Moko Technology mit »HSMtec«. Die nach DINEN60068-2-14 und JEDECA101-A qualifizierte und für die Luftfahrt sowie den Automotive-Bereich auditierte Technologie ist selektiv: Nur dort, wo hohe Ströme durch die Leiterplatte fließen sollen, kommt Dickkupfer zum Einsatz.
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Aktuell sind 500µm hohe Profile mit Breiten von 2.0mm bis 12mm in variablen Längen erhältlich, wobei sich Drähte mit einem Durchmesser von 500µm etabliert haben. Die fest mit den Leiterbahnen verbundenen massiven Kupferelemente können mittels Ultraschallverbindungstechnik direkt auf das Basiskupfer aufgebracht und in jede beliebige Lage eines Multilayers mit FR4-Basismaterial integriert werden. Für die Verwendung von Kupfer gibt es mehrere Gründe: Es hat im Vergleich zu Aluminium die doppelte Wärmeleitfähigkeit und gewährleistet so eine schnelle Wärmeableitung ohne isolierende Zwischenschichten unter dem LED-Wärmepad.
| Material | Wärmeleitfähigkeit λ [W/mk] |
| Kupfer RA | 300 |
| Aluminiumlegierung | 150 |
| Lot | 51 |
| Keramik (LED) | 24 |
| FR4 | 0.25 |
| Luft (Ruhezustand) | 0.026 |
Tabelle 1: Wärmeleitfähigkeit der beteiligten Materialien
Ein weiterer Vorteil von Kupfer und dem Leiterplattenbasismaterial FR4 sind die thermischen Ausdehnungseigenschaften (Tabelle 2): Insbesondere in Verbindung mit keramischen LEDs weisen Leiterplatten auf Basis von Kupfer oder FR4 eine hohe Beständigkeit gegen thermische Spannungen auf, die von Umgebungs- bzw. Betriebsbedingungen und anderen Temperaturzyklen abhängen, wie beispielsweise bei „intelligenten“ Lichtsteuerungen.
| Material | Ausdehnungskoeffizient [ppm / K] |
| Aluminium | 24 |
| Lot | ca. 22 |
| Kupfer | 16 |
| FR4 | +13 17 - XNUMX |
| Al2O3 (LED) | 7 |
| AlN (LED) | 4 |
Tabelle 2: Wärmeausdehnungskoeffizient in X-/Y-Richtung
Auf diese Weise kann die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der gesamten Beleuchtungseinheit im Vergleich zu herkömmlichen Metallkern-Leiterplatten auf Aluminiumbasis deutlich erhöht werden.
Fazit
FR4 ist ein häufig verwendetes Material für die Leiterplattenherstellung, da es wirtschaftlich ist und hervorragende Eigenschaften für verschiedene Anwendungen bietet. Im Vergleich zu anderen Materialien weist es jedoch eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit auf. Daher ist es für Hersteller wichtig, die Wärmeleitfähigkeit von FR4 zu verstehen und zu lernen, wie sie diese steuern können. Dies kann ihnen nicht nur helfen, Kosten zu senken, sondern auch die Qualität ihrer Produkte zu verbessern. Bei Fragen zum Wärmemanagement von FR4-Leiterplatten wenden Sie sich bitte an MOKO-Technologie um die Antwort zu bekommen.
