Thermische geleidbaarheid van PCB's en het belang ervan

De thermische geleidbaarheid van een PCB is de mate waarin het warmte geleidt. Materialen met een lagere thermische geleidbaarheid zorgen voor een lagere warmteoverdracht. Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid daarentegen zorgen voor een hogere warmteoverdracht. Metalen zijn bijvoorbeeld zeer effectief in warmtegeleiding omdat ze een hoge thermische geleidbaarheid hebben. Daarom gebruiken we ze vaak in toepassingen waar warmteafvoer vereist is. Materialen met een lage thermische geleidbaarheid zijn echter geschikt voor toepassingen die thermische isolatie vereisen. In dit artikel bekijken we de thermische geleidbaarheid van PCB's en hoe dit de prestaties ervan beïnvloedt.

Thermische geleidbaarheid van PCB's van verschillende materialen

In dit gedeelte zullen we de thermische geleidbaarheid van verschillende PCB-materialen.

1. Epoxy's en glas (FR4, PTFE en polyimide)

We gebruiken FR4 voornamelijk voor de massaproductie van PCB's. In dit geval is de thermische geleidbaarheid van PCB's echter zeer laag in vergelijking met alternatieve materialen. Daarom moeten de meeste fabrikanten een aantal thermische managementtechnieken en -methoden gebruiken om de temperatuur van PCB's en hun actieve componenten binnen een veilig operationeel bereik te houden.

2. Keramiek (alumina, aluminiumnitride en berylliumoxide)

Keramiek biedt een veel hogere thermische geleidbaarheid dan epoxy en glas. Deze hogere thermische geleidbaarheid brengt echter hogere productiekosten met zich mee. Dit komt doordat keramiek mechanisch taai is en het daardoor moeilijk is om er mechanisch of met lasers in te boren. Meerlaagse productie van keramische PCB's wordt daardoor lastig.

3. Metalen (koper en aluminium)

We gebruiken voornamelijk aluminium voor de productie van PCB's met een metalen kern. Metalen hebben een hogere thermische geleidbaarheid dan epoxy en glas en zijn betaalbaar in productie. Daarom zijn ze zeer effectief voor toepassingen waarbij blootstelling aan thermische schommelingen en warmteafvoer vereist zijn. De metalen kern zorgt op zichzelf voor een efficiënte thermische isolatie en warmteafvoer, waardoor we geen extra processen en mechanismen nodig hebben. De productiekosten dalen dus doorgaans.

PCB's met hoge thermische geleidbaarheid versus conventionele PCB's

• Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, zoals keramiek en metalen, zorgen voor een betere warmteafvoer vergeleken met materialen met een lage thermische geleidbaarheid, zoals FR4.
• Materialen met een lage thermische geleidbaarheid hebben via's en gaten door platen nodig om warmte af te voeren.
• Daarom is het aantal productiestappen doorgaans hoger bij materialen met een lage thermische geleidbaarheid van de PCB.
• Het productieproces wordt daardoor complexer en de kosten nemen toe.
• Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid van PCB's hebben daarentegen geen extra processen en mechanismen nodig voor thermische verlichting of warmteafvoer.
• Daarom zijn de productiestappen en -kosten doorgaans lager voor materialen met een lage thermische geleidbaarheid van de PCB.
• Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid van PCB's laten geen lokalisatie van thermische spanningen toe. Dit komt doordat warmte er gemakkelijk doorheen stroomt en spanningen zich niet op één plek kunnen verspreiden.
• Daarom is de constructie thermisch stabiel en gaan deze platen doorgaans langer mee.
• Materialen met een lage thermische geleidbaarheid van PCB's belemmeren daarentegen de warmtestroom en zorgen zo voor lokalisatie van spanningen.
• Daarom hebben ze een lage thermische stabiliteit en dus een kortere levensduur.
• Omdat materiaal met een hoge thermische geleidbaarheid geen via's nodig heeft, is er meer ruimte om componenten te monteren.
• Daarom is een PCB met een hoge thermische geleidbaarheid dichter en kleiner van formaat.
• Hierdoor kunnen we kleinere en efficiëntere PCB’s maken.
• Het is een vaststaand feit dat materialen met een hoge thermische geleidbaarheid ook een hoge elektrische geleidbaarheid hebben. Daarom is het voordeliger om materialen met een hoge thermische geleidbaarheid van PCB's te gebruiken.
• Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid hebben ook een stabiele CTE. Dit betekent dat ze de gewenste thermische uitzettingseigenschappen vertonen. Dit stelt ons in staat om printplaten te maken die zowel thermisch als dimensioneel stabiel zijn.
• Omdat materialen met een hoge thermische geleidbaarheid thermisch stabiel zijn, kunnen we ze inzetten voor extreme toepassingen. We weten immers zeker dat er geen thermische degradatie optreedt.

Warmteafvoer door thermische geleidbaarheid van PCB's

We leven in een tijdperk waarin micro-elektronische verpakkingen mogelijk zijn en integratietechnologie breed beschikbaar is. Daardoor neemt de totale vermogensdichtheid van elektronische apparaten gestaag toe. De fysieke afmetingen van elektronische apparaten en elektronische componenten nemen echter gestaag af. De gegenereerde warmte wordt daardoor direct afgescheiden, wat leidt tot dissociatie of desintegratie van het hele elektronische systeem.

De warmtestroomdichtheid van elektronische apparaten neemt echter ook toe, en de hoge temperatuur beïnvloedt eveneens de prestaties van elektronische apparaten. Daarom hebben we een efficiënter plan nodig voor het opzetten van thermische controle en moeten we het probleem van warmteafvoer direct aanpakken om nieuwe mogelijkheden te creëren. PCB-productie.

De oplossing

Ingenieurs hebben een aantal strategieën bedacht om deze problemen met thermisch beheer op te lossen. Deze omvatten:

• Verhoging van de thermische geleidbaarheid van de PCB om de warmteafvoer te verbeteren
• Door gebruik te maken van materialen die bestand zijn tegen hogere bedrijfstemperaturen, kunnen we dit bereiken door de thermische ontledingstemperatuur te verbeteren.
• Verbeter de thermische aanpassing van het materiaal aan zijn omgeving en de thermische cycli. Dit kunnen we doen door de CTE te verbeteren.

De meest efficiënte strategie is het gebruik van materiaal met een hoge thermische geleidbaarheid om warmteafvoer tegen te gaan. Dit komt doordat deze materialen een soepele warmteoverdracht mogelijk maken en warmte zich nooit op één plek ophoopt. Warmte verlaat het systeem dus direct na de opwekking en beschadigt de printplaat niet. Het probleem ontstaat pas wanneer de warmtestroom wordt belemmerd en warmte zich ophoopt. In dit geval leidt dit tot thermische spanningen en schade aan de printplaat. Daarom wordt het gebruik van materialen met een lage thermische geleidbaarheid voor printplaten afgeraden in high-end toepassingen.

Als u problemen ondervindt met warmteafvoer van uw borden, bent u bij ons aan het juiste adres. MOKO-technologie heeft ruime ervaring in het ontwerpen en ontwikkelen van PCB's met een hoge thermische geleidbaarheid. Wij kunnen PCB's met een hoge thermische geleidbaarheid op maat voor u maken die voldoen aan uw behoeften en een efficiënte warmteafvoer mogelijk maken. Neem gerust contact met ons op als u vragen heeft.