Net als de lichtgevende diode (LED), die decennialang uitsluitend als indicator diende, heeft ook de PCB zijn schaduwrijke bestaan achter zich gelaten en zich snel ontwikkeld tot een multifunctioneel element binnen een elektronisch systeem. Naarmate de integratietechnologie zich ontwikkelt, neemt de totale vermogensdichtheid van elektronische componenten echter steeds verder toe. De fysieke afmetingen van elektronische componenten en elektronische apparaten worden echter steeds kleiner ontworpen, wat leidt tot een verhoogde warmtestroomdichtheid rond het apparaat, wat de prestaties van elektronische componenten beïnvloedt. Daarom is het noodzakelijk om een efficiëntere manier te vinden om de thermische geleidbaarheid te beheren. In deze blog richten we ons op de thermische geleidbaarheid van de FR4, omdat dit een van de meest gebruikte is. PCB-materialen.
Wat is thermische geleidbaarheid?
De thermische geleidbaarheid van een materiaal zoals FR4 verwijst naar hoe effectief het warmte-energie kan overdragen via geleiding. Deze wordt gekwantificeerd door de warmtestroomsnelheid door een specifieke dikte van het materiaal bij een gegeven temperatuurgradiënt. De eenheid die wordt gebruikt om thermische geleidbaarheid te meten is Watt per meter-Kelvin (W/mK). Materialen met hogere waarden geleiden warmte gemakkelijker dan isolatoren met een lagere thermische geleidbaarheid. Metalen hebben doorgaans de hoogste thermische geleidbaarheid, terwijl kunststoffen en keramiek zich aan de onderkant van de schaal bevinden. Om warmte van een warmtebron naar een koellichaam te geleiden, moet het materiaal tussen de twee voldoende thermische geleidbaarheid hebben. De hoeveelheid thermische energie die tussen twee objecten stroomt, wordt bepaald door zowel de temperatuurgradiënt als de specifieke geleidende eigenschappen van die materialen. Warmte stroomt spontaan van warmere materie naar koudere materie. Wanneer twee objecten met verschillende temperaturen contact maken, diffundeert thermische energie van de warmere naar de koudere. Deze warmteoverdracht gaat door totdat het temperatuurverschil afneemt en thermisch evenwicht is bereikt. Het beheersen van deze warmtegeleiding is cruciaal in de elektronica om overmatige opwarming van componenten te voorkomen en goede prestaties te garanderen. De combinatie van thermisch geleidende sporen en een isolerend substraat is een fundamentele overweging bij PCB-ontwerp.
Technische kenmerken van FR4 thermische geleidbaarheid
De FR4-printplaat De thermische geleidbaarheid is relatief laag en varieert afhankelijk van de specifieke klasse en fabrikant. Hier zijn enkele algemene technische kenmerken van de thermische geleidbaarheid van FR4 PCB's:
- Thermische geleidbaarheidswaarde
De thermische geleidbaarheid van FR4 varieert doorgaans van 0.3 tot 0.4 W/m·K (watt per meter-K). Dit is relatief laag vergeleken met materialen zoals aluminium of koper, die een veel hogere thermische geleidbaarheid hebben.
- Anisotrope geleidbaarheid
FR4 is anisotroop, wat betekent dat het verschillende thermische geleidbaarheidswaarden heeft in verschillende richtingen. De thermische geleidbaarheid is hoger in het vlak van de PCB (in-plane) dan door de dikte (out-of-plane).
- Temperatuurafhankelijkheid:
De thermische geleidbaarheid van FR4 is ook temperatuurafhankelijk. FR4 vertoont een thermische geleidbaarheid die afneemt naarmate de temperatuur stijgt. Deze afname van de geleidende warmteoverdracht bij hogere temperaturen kan het vermogen van FR4 om overtollige warmte te verspreiden en af te voeren, belemmeren.
- Dikte is belangrijk
De dikte van de FR4-printplaat kan de thermische prestaties beïnvloeden. Dikkere printplaten hebben een hogere thermische weerstand vanwege de langere warmtegeleiding door het materiaal. Wilt u weten hoe u de juiste printplaatdikte kiest? Bekijk onze andere blog: https://www.mokotechnology.com/pcb-thickness/
- FR4-klasse
Er zijn verschillende soorten FR4 beschikbaar en de thermische geleidbaarheid kan onderling licht variëren. Bijvoorbeeld hoge Tg (glasovergang (temperatuur) FR4-materialen kunnen licht afwijkende thermische eigenschappen hebben vergeleken met standaard FR4.
- Beperkingen
Vanwege de relatief lage thermische geleidbaarheid is FR4 mogelijk niet geschikt voor toepassingen met een hoog vermogen of hoge temperaturen, waar efficiënte warmteafvoer van het grootste belang is. In dergelijke gevallen kunnen alternatieve materialen met een hogere thermische geleidbaarheid, zoals printplaten met een metalen kern of keramische substraten, de voorkeur hebben.
VIND DE BESTE FR4
Welke factoren beïnvloeden de thermische geleidbaarheid van FR4 PCB's?
De thermische geleidbaarheid van PCB's vereist veel aandacht van fabrikanten, omdat deze bepaalt hoe de Printplaat kan warmte overdragen naar andere componenten. Zoals we allemaal weten, bestaat een printplaat uit elektronische componenten, isolatoren en geleidende materialen, en hebben verschillende componenten en materialen verschillende thermische geleidbaarheidsprestaties. Daarnaast zijn er veel factoren die de thermische geleidbaarheid van de FR4-printplaat beïnvloeden:
Thermische Vias
Thermische via's zijn gaten die op printplaten worden geplaatst en een essentiële rol spelen bij de warmteafvoer. Over het algemeen kunnen meer thermische via's op een printplaat de thermische geleiding verbeteren, omdat deze via's meer ruimte bieden om de warmte van de printplaten af te voeren en PCB-componenten.
Kopersporen in PCB
Kopersporen zijn een andere belangrijke factor die de thermische geleidbaarheid beïnvloedt. De thermische geleidbaarheid is in feite afhankelijk van of de sporen volledig zijn, dat wil zeggen of de sporen van het ene uiteinde naar het andere uiteinde lopen. De thermische geleidbaarheid is hoog als de sporen volledig zijn en laag als de sporen niet meer doorlopen.
Interne lagen
De interne laag is een factor die de warmteafvoer van de printplaten beïnvloedt. De thermische geleidbaarheid neemt af als er veel interne lagen zijn en vice versa.
FR4 PCB Thermische Geleidbaarheidsbeheer
Beheer van de thermische geleidbaarheid is cruciaal voor FR4-printplaten en heeft invloed op hun prestaties, betrouwbaarheid en levensduur. Zonder warmtebeheer kunnen de printplaten problemen krijgen met delaminatie, schade of defecten. Gelukkig zijn er verschillende methoden om de thermische geleidbaarheid effectief te beheren. In deze blog leggen we deze methoden in twee aspecten uit:
PCB-ontwerp beter
Thermische geleidbaarheid is een factor waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van een PCB. Hieronder vindt u enkele tips voor een beter PCB-ontwerp:
Ten eerste is het bij het ontwerpen van een printplaat beter om hoogvermogen- en signaalgeleiders te scheiden. Bovendien kunnen we meer thermische via's langs het thermische pad plaatsen. De thermische via's kunnen zowel geplateerd als niet geplateerd zijn, wat luchtcirculatie en warmteafvoer mogelijk maakt. Bovendien is een redelijke thermische via-array zeer nuttig om de thermische weerstand te verminderen en de thermische afvoer te verbeteren.
Ten tweede raden we aan de afstand tussen de sporen te vergroten voor een gelijkmatigere warmteverdeling over de lagen, wat het risico op het ontstaan van hotspots kan verminderen. Deze methode is echter niet geschikt voor PCB's met kleine afmetingen.
Ten derde is de geometrie van de sporen ook een belangrijke factor waarmee rekening moet worden gehouden tijdens het ontwerp. De sporen die componenten verbinden, moeten zo kort en breed mogelijk zijn, en sporen die hoge stromen geleiden, moeten koper met een dikke laag gebruiken. Als de sporen te klein zijn, bestaat de kans dat de elektronische componenten defect raken.
Koperdraad in FR4-printplaat inbouwen
Moko Technology pakt het anders aan met »HSMtec«. De technologie, die gekwalificeerd is volgens DINEN60068-2-14 en JEDECA101-A en geaudit is voor de luchtvaart en de automobielindustrie, is selectief: alleen waar hoge stromen door de printplaat moeten vloeien, wordt dik koper gebruikt.
ONTDEK HOE U DE JUISTE PCB-ASSEMBLAGE VOOR UW PROJECT KUNT SELECTEREN
Momenteel zijn profielen met een hoogte van 500 µm en breedtes van 2.0 mm tot 12 mm verkrijgbaar in variabele lengtes, met draden met een diameter van 500 µm is inmiddels gangbaar. De massieve koperen elementen die stevig aan de geleiderpatronen zijn verbonden, kunnen met behulp van ultrasone verbindingstechnologie direct op het basiskoper worden aangebracht en in elke laag van een meerlaags materiaal met FR4-basismateriaal worden geïntegreerd. Er zijn verschillende redenen waarom koper wordt gebruikt: het heeft een twee keer zo hoge thermische geleidbaarheid als aluminium en zorgt zo voor een snelle warmteafvoer zonder isolerende tussenlagen onder de LED-heatpad.
| Materiaal | Thermische geleidbaarheid λ [W/mk] |
| Koper RA | 300 |
| aluminiumlegering | 150 |
| soldeer | 51 |
| Keramiek (LED) | 24 |
| FR4 | 0.25 |
| Lucht (rustend) | 0.026 |
Tabel 1: Thermische geleidbaarheid van de gebruikte materialen
Een ander voordeel van koper en het basismateriaal voor de printplaat FR4 zijn de thermische uitzettingseigenschappen (tabel 2): Vooral in combinatie met keramische LED's hebben printplaten op basis van koper of FR4 een hoge weerstand tegen thermische spanningen, die afhankelijk zijn van de omgevings- of bedrijfsomstandigheden en andere temperatuurcycli, zoals voor "intelligente" lichtregelingen.
| Materiaal | Uitzettingscoëfficiënt [ppm / K] |
| aluminium | 24 |
| soldeer | ca. 22 |
| koper | 16 |
| FR4 | 13-17 |
| Al2O3 (LED) | 7 |
| AlN (LED) | 4 |
Tabel 2: Thermische uitzettingscoëfficiënt in de X/Y-richting
Op deze manier kunnen de levensduur en betrouwbaarheid van de gehele verlichtingseenheid aanzienlijk worden verlengd ten opzichte van conventionele metalen PCB's op basis van aluminium.
Conclusie
FR4 is een veelgebruikt materiaal voor de productie van printplaten, omdat het economisch is en uitstekende eigenschappen heeft die in verschillende toepassingen kunnen worden gebruikt. Vergeleken met andere materialen presteert FR4 echter slechter op het gebied van thermische geleidbaarheid. Het is daarom essentieel dat fabrikanten de thermische geleidbaarheid van FR4 begrijpen en leren hoe ze deze kunnen beheren. Dit kan hen niet alleen helpen de kosten te verlagen, maar ook de kwaliteit van hun producten verbeteren. Als u nog vragen heeft over het thermische beheer van FRXNUMX-printplaten, kunt u terecht op MOKO-technologie het antwoord te krijgen.
