Ähnlich wie die Leuchtdiode, die jahrzehntelang ausschließlich als Kontrollleuchte diente, hat sich auch die Leiterplatte (PCB) rasant von einem Nischenprodukt zu einem multifunktionalen Element in elektronischen Systemen entwickelt. Mit der Weiterentwicklung der Integrationstechnologie steigt jedoch die Gesamtleistungsdichte elektronischer Bauteile stetig an. Gleichzeitig werden die Bauteile und Geräte immer kleiner, was zu einer erhöhten Wärmestromdichte in ihrer Umgebung führt und die Leistung der elektronischen Bauteile beeinträchtigt. Daher ist es notwendig, effizientere Methoden zur Steuerung der Wärmeleitfähigkeit zu finden. In diesem Blogbeitrag konzentrieren wir uns auf die Wärmeleitfähigkeit von FR4, da es eines der am weitesten verbreiteten Leiterplattenmaterialien ist.
Was ist Wärmeleitfähigkeit?
Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials wie FR4 beschreibt, wie effektiv es Wärmeenergie durch Wärmeleitung übertragen kann. Sie wird durch die Wärmestromdichte 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 weisen in der Regel die höchste Wärmeleitfähigkeit auf, während Kunststoffe und Keramiken eher niedrige Werte aufweisen. Damit Wärme von einer Wärmequelle zu einem Kühlkörper geleitet werden kann, muss das dazwischenliegende Material eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die Menge der zwischen zwei Objekten fließenden Wärmeenergie wird sowohl durch den Temperaturgradienten als auch durch die spezifischen Wärmeleiteigenschaften der Materialien bestimmt. Wärme fließt spontan von wärmeren zu kälteren Materien. Wenn zwei Objekte unterschiedlicher Temperatur in Kontakt kommen, diffundiert Wärmeenergie vom wärmeren zum kälteren Objekt. Dieser Wärmetransport setzt sich fort, bis der Temperaturunterschied abnimmt und ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist. Die Kontrolle dieser Wärmeleitung ist in der Elektronik entscheidend, um eine übermäßige Erwärmung der Bauteile zu verhindern und deren einwandfreie Funktion zu gewährleisten. Die Kombination aus wärmeleitenden Leiterbahnen und isolierendem Substrat ist ein grundlegender Aspekt beim Leiterplattendesign.
Hier ist die Gleichung für die Wärmeleitfähigkeit:
K = (Q × L) / (A × ΔT)
Kennzahlen:
| Symbol | Bedeutung | Einheit |
| K | Wärmeleitfähigkeit des Materials | W / m · K. |
| Q | Wärmestromdichte durch das Material | Watt (W) |
| L | Dicke des Materials | Meter (m) |
| A | Querschnittsfläche, durch die Wärme fließt | m² |
| ΔT | Temperaturabfall im Material | Kelvin (K) |
Technische Eigenschaften der Wärmeleitfähigkeit von FR4
Die Wärmeleitfähigkeit von FR4-Leiterplatten ist relativ gering und variiert je nach Güteklasse und Hersteller. Hier 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, das heißt, es weist in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Wärmeleitfähigkeitswerte auf.
Wärmeleitung in der Ebene (X–Y-Achse) : Die Wärme fließt entlang relativ kontinuierlicher Glasfaserpfade, wodurch eine effizientere Wärmeleitung erreicht wird.
Wärmeleitung senkrecht zur Ebene (Z-Achse) : Die Wärme muss mehrere Harzschichten und Harz-Faser-Grenzflächen durchdringen. Jede Schicht erzeugt einen Wärmewiderstand, der den Wärmefluss stark behindert.
Dies ist ein wichtiges Merkmal, das im Rahmen des thermischen Designs von Leiterplatten besondere Beachtung erfordert, da effektive Wärmemanagementmethoden den Engpass der Wärmeleitung durch die Leiterplattenebene umgehen müssen. Dies kann beispielsweise durch Verkürzung des Wärmetransportwegs, was mit einer Reduzierung der Leiterplattendicke einhergeht, oder durch Bereitstellung eines niederohmigen Kanals, wie z. B. thermischer Durchkontaktierungen, erreicht werden.
- 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 beeinflusst deren Wärmeleitfähigkeit. Dickere Leiterplatten weisen aufgrund des längeren Wärmeleitungswegs im Material einen höheren Wärmewiderstand auf. Möchten Sie wissen, wie Sie die richtige Leiterplattendicke wählen? Lesen Sie dazu unseren Blogbeitrag: https://www.mokotechnology.com/pcb-thickness/
- FR4-Klasse
Es gibt verschiedene FR4-Qualitäten, deren Wärmeleitfähigkeit leicht variieren kann. Beispielsweise können FR4-Materialien mit hoher Glasübergangstemperatur (Tg) im Vergleich zu Standard-FR4 leicht abweichende thermische Eigenschaften aufweisen.
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6 bewährte Methoden zur Verbesserung des Wärmemanagements von FR4-Leiterplatten
FR4 besitzt eine geringe Wärmeleitfähigkeit, daher kann das Substrat selbst Wärme nicht effizient ableiten. Hier sind sechs effektive Methoden zur Verbesserung des Wärmemanagements von FR4-Leiterplatten.
Methode 1: Thermische Durchkontaktierungen
Es ist eine der effektivsten Methoden zur Wärmeableitung in FR-4-Leiterplatten. Thermische Durchkontaktierungen sind kleine, kupferbeschichtete Löcher. Die Wärme wird durch diese Durchkontaktierungen vertikal über die Leiterplattenlagen abgeleitet. Diese Durchkontaktierungen bilden direkte Wärmekanäle und senken die Temperatur kritischer und empfindlicher Bereiche erheblich auf 10–20 °C.
Diese thermischen Durchkontaktierungen haben Durchmesser von 0.3 bis 0.5 mm und einen Rasterabstand von 1 bis 1.5 mm. Eine Anordnung in einem Rastermuster ist effektiver als einzelne Durchkontaktierungen zur Wärmeableitung. Die Löcher können mit leitfähigem Epoxidharz oder Kupfer gefüllt werden, was die Wärmeleitfähigkeit erhöht. Thermische Durchkontaktierungen werden direkt unterhalb oder in der Nähe von Hochleistungsbauteilen wie Leistungstransistoren oder integrierten Schaltungen positioniert.
Methode 2: Kupferguss und -flächen
Bei der thermischen Auslegung von Leiterplatten können große Kupferflächen oder Masse-/Stromversorgungsflächen als effiziente Wärmeverteiler dienen. Kupfer besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit von etwa 400 W/mK, im Gegensatz zu FR-4 mit einer Wärmeleitfähigkeit zwischen 0.3 und 0.8 W/mK.
Die Bauteile auf Leiterplatten erzeugen Wärme, die durch die Leiterplatte in die Kupferflächen geleitet wird und sich schnell über die gesamte Fläche verteilt. Diese Umverteilung der lokalen Wärmequellen auf eine größere Fläche minimiert den Wärmefluss. In der Praxis wird das Wärmemanagement von FR4-Leiterplatten typischerweise durch das Aufbringen durchgehender, großflächiger Masse- oder Stromversorgungsflächen in Kombination mit thermischen Durchkontaktierungen realisiert.
Methodik 3: Wärmeleitmaterialien
Wärmeleitmaterialien (TIMs) sind kostengünstige Werkstoffe zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Kontaktflächen. Die Kontaktflächen zweier Bauteile mögen auf den ersten Blick glatt erscheinen. Tatsächlich weisen sie jedoch winzige Risse oder Poren auf. Diese Zwischenräume sind mit Luft gefüllt, die Wärme schlecht leitet. TIMs verwenden ein Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit als Luft, um die Zwischenräume zwischen den Kontaktflächen zu füllen.
Wärmeleitpasten (TIMs) sind in verschiedenen Ausführungen auf dem Markt erhältlich. Gängige Typen sind:
- Thermobänder
- Wärmeleitpasten
- Thermische Gele/Klebstoffe
- Thermische Pads
Methode 4: 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 |
| 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.
Methodik 5: Aktives Kühltechniken
Lüfter verbessern die Luftzirkulation über der Leiterplatte und damit die konvektive Wärmeabfuhr. In der Praxis kann ein kleiner Lüfter die Temperatur der Bauteile um etwa 20 bis 30 °C senken. Flüssigkeitskühlsysteme eignen sich besser für leistungsstarke Geräte.
Methodik 6: Umschalten auf ein hohes Niveau Thermische Leitfähigkeitssubstrat
Manchmal ist es sinnvoller, nicht die thermischen Einschränkungen von FR4 zu umgehen, sondern es zu ersetzen. Standard-FR4 hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit, während FR4 mit hoher Glasübergangstemperatur (Tg) eine relativ höhere Wärmeleitfähigkeit und Beständigkeit gegenüber thermischer Belastung aufweist.
Neben FR4 können auch andere Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit gewählt werden. Die richtige Wahl des Materials ist genauso wichtig wie jede andere Konstruktionstechnik. Eine Übersichtstabelle finden Sie unten.
| Material | Wärmeleitfähigkeit | Relative Kosten |
| Standard-FR4 | 0.3 – 0.4 W/m·K | Niedrig |
| Hoch-Tg-FR4 | Bis zu 0.8 W/m·K | Niedrig–Mittel |
| Aluminium | 150 – 230 W/m·K | Medium |
| Kupfer | 400 W / m · K. | Mittel–Hoch |
| Aluminiumoxid (Al₂O₃) | 24 – 30 W/m·K | Hoch |
| Aluminiumnitrid (AlN) | 170 – 250 W/m·K | Sehr hoch |
| Rogers-Laminate | 0.7 – 1.7 W/m·K | Hoch |
Häufig gestellte Fragen
Wie hoch ist der Wärmeausdehnungskoeffizient ( CTE ) von FR4?
Der Wärmeausdehnungskoeffizient von FR4 ist in XY- und Z-Richtung nicht gleich und beträgt Folgendes:
XY-Richtung: ~14–18 ppm/°C
Z-Richtung: ~70–100 ppm/°C
Wie hoch ist die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer in Leiterplatten?
Im Vergleich zu FR4 besitzt Kupfer eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit von etwa 400 W/m·K.
Was sind die wichtigsten mechanischen Eigenschaften von FR4?
Zu den wesentlichen mechanischen Eigenschaften gehören Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und ausgezeichnete Dimensionsstabilität.
Was sind FR - 4- Leiterplatten?
FR4-Leiterplatten bestehen aus flammhemmendem, glasfaserverstärktem Epoxidlaminat. Sie bieten elektrische Isolation, mechanische Festigkeit und Kosteneffizienz.
Welche verschiedenen Arten von FR4-Werkstoffen gibt es?
FR4-Werkstoffe gibt es in verschiedenen Ausführungen, darunter halogenfreies FR4, Standard-FR4 und FR4 mit hoher Glasübergangstemperatur (Tg).
Fazit
FR4 ist ein gängiges Material für die Leiterplattenfertigung, da es kostengünstig ist und sich durch hervorragende Eigenschaften für verschiedene Anwendungen eignet. Im Vergleich zu anderen Materialien weist es jedoch eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf. Daher ist es für Hersteller wichtig, die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften von FR4 zu verstehen und zu optimieren. Dies hilft ihnen nicht nur, Kosten zu senken, sondern auch die Produktqualität zu verbessern. Bei weiteren Fragen zum Wärmemanagement von FR4-Leiterplatten wenden Sie sich bitte an MOKO Technology.
