Wärmeleitfähigkeit von PCBs und ihre Bedeutung

Die Wärmeleitfähigkeit von Leiterplatten beschreibt ihre Fähigkeit, Wärme zu leiten. Materialien mit geringerer Wärmeleitfähigkeit ermöglichen eine geringere Wärmeübertragung. Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit hingegen ermöglichen eine höhere Wärmeübertragung. Metalle beispielsweise leiten Wärme aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit sehr gut. Deshalb werden sie häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen Wärmeableitung erforderlich ist. Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit eignen sich hingegen für Anwendungen, die eine Wärmedämmung erfordern. In diesem Artikel untersuchen wir die Wärmeleitfähigkeit von Leiterplatten und ihren Einfluss auf deren Leistung.

Wärmeleitfähigkeit verschiedener PCB-Materialien

In diesem Abschnitt werden wir die Wärmeleitfähigkeit verschiedener PCB-Materialien.

1. Epoxide und Gläser (FR4, PTFE und Polyimid)

Wir verwenden hauptsächlich FR4 für die Massenproduktion von Leiterplatten. Allerdings ist die Wärmeleitfähigkeit von Leiterplatten im Vergleich zu alternativen Materialien sehr gering. Daher müssen die meisten Hersteller verschiedene Wärmemanagementtechniken und -methoden anwenden, um die Temperatur von Leiterplatten und ihren aktiven Komponenten in einem sicheren Betriebsbereich zu halten.

2. Keramik (Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und Berylliumoxid)

Keramik bietet eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Epoxidharze und Glas. Diese höhere Wärmeleitfähigkeit geht jedoch mit höheren Herstellungskosten einher. Dies liegt daran, dass Keramik mechanisch robust ist und sich daher nur schwer mechanisch oder mit Lasern bohren lässt. Dies erschwert die Mehrschichtfertigung von Keramik-Leiterplatten.

3. Metalle (Kupfer und Aluminium)

Wir verwenden hauptsächlich Aluminium für die Herstellung von Leiterplatten mit Metallkern. Metalle haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Epoxidharze und Glas und sind kostengünstig herzustellen. Daher eignen sie sich besonders gut für Anwendungen, die Temperaturwechseln ausgesetzt sind und Wärmeableitung erfordern. Der Metallkern ermöglicht eine effiziente Wärmeableitung und -entlastung, sodass keine zusätzlichen Prozesse und Mechanismen erforderlich sind. Dadurch sinken die Herstellungskosten.

Leiterplatten mit hoher Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Leiterplatten

• Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Keramik und Metalle ermöglichen eine bessere Wärmeableitung als Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie FR4.
• Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit erfordern Durchkontaktierungen und Durchgangsplattenlöcher zur Wärmeableitung.
• Daher neigen die Herstellungsschritte dazu, bei Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte länger zu sein.
• Dadurch wird der Herstellungsprozess komplexer und die Kosten steigen tendenziell.
• Andererseits benötigen Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit von PCBs keine zusätzlichen Prozesse und Mechanismen zur Wärmeentlastung oder Wärmeableitung.
• Daher verringern sich bei Materialien mit geringer PCB-Wärmeleitfähigkeit tendenziell die Herstellungsschritte und -kosten.
• Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit erlauben keine lokale Konzentration thermischer Spannungen. Dies liegt daran, dass Wärme leicht durch sie hindurchdringt und sich Spannungen nicht an einer Stelle konzentrieren können.
• Daher ist die Struktur thermisch stabil und diese Platten haben tendenziell eine längere Lebensdauer.
• Im Vergleich dazu behindern Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte den Wärmefluss und ermöglichen daher eine Spannungslokalisierung.
• Daher weisen sie eine geringe thermische Stabilität und damit eine kürzere Lebensdauer auf.
• Da Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit keine Durchkontaktierungen benötigen, steht mehr Platz für die Montage von Komponenten zur Verfügung.
• Daher sind PCBs mit hoher Wärmeleitfähigkeit dichter und kleiner.
• Dadurch können wir kleinere und effizientere Leiterplatten herstellen.
• Es ist bekannt, dass Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Daher ist es vorteilhafter, Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit für Leiterplatten zu verwenden.
• Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit haben auch einen stabilen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Das bedeutet, dass sie die gewünschten Wärmeausdehnungseigenschaften aufweisen. Dies ermöglicht uns die Herstellung von Leiterplatten, die sowohl thermisch als auch dimensionsstabil sind.
• Da Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit thermisch stabil sind, können wir sie in extremen Anwendungen einsetzen, weil wir sicher sind, dass es nicht zu einer thermischen Zersetzung kommt.

Wärmeableitung durch Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte

Wir leben in einer Zeit, in der mikroelektronische Verpackungen möglich sind und die Integrationstechnologie leicht verfügbar ist. Daher steigt die Gesamtleistungsdichte elektronischer Geräte stetig an. Die Abmessungen elektronischer Geräte und Komponenten nehmen jedoch stetig ab. Die erzeugte Wärme wird daher sofort abgeleitet, was zur Dissoziation oder zum Zerfall des gesamten elektronischen Systems führt.

Allerdings nimmt auch die Wärmestromdichte elektronischer Geräte zu, und die hohen Umgebungstemperaturen beeinträchtigen auch deren Leistung. Daher benötigen wir einen effizienteren Plan zur Wärmekontrolle und müssen das Problem der Wärmeableitung direkt angehen, um neue Wege zu eröffnen. Leiterplattenherstellung.

Die Lösung

Ingenieure haben einige Strategien entwickelt, um diese Probleme mit dem Wärmemanagement zu lösen. Dazu gehören:

• Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte zur Verbesserung der Wärmeableitung
• Verwendung von Materialien, die höheren Betriebstemperaturen standhalten. Dies erreichen wir durch die Verbesserung der thermischen Zersetzungstemperatur.
• Verbessern Sie die thermische Anpassung des Materials an seine Umgebung und die Temperaturwechselbeständigkeit. Dies erreichen wir durch die Verbesserung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE).

Die effizienteste Strategie besteht darin, Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu verwenden, um der Wärmeableitung entgegenzuwirken. Diese Materialien ermöglichen einen gleichmäßigen Wärmeübergang, sodass sich die Wärme nicht an einer Stelle staut. Dadurch entweicht die Wärme sofort nach ihrer Entstehung aus dem System und beschädigt die Platine nicht. Problematisch wird es erst, wenn der Wärmefluss behindert wird und sich die Wärme staut. In diesem Fall kommt es zu thermischen Spannungen und Schäden an der Leiterplatte. Daher wird von der Verwendung von Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit für Leiterplatten in High-End-Anwendungen abgeraten.

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