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 geeft aan hoe effectief het warmte-energie kan overdragen door geleiding. Deze wordt gekwantificeerd door de snelheid waarmee warmte door een specifieke dikte van het materiaal stroomt bij een gegeven temperatuurgradiënt. De eenheid die wordt gebruikt om thermische geleidbaarheid te meten is Watt per meter-Kelvin (W/mK). Materialen met een hogere waarde geleiden warmte gemakkelijker dan isolatoren met een lagere thermische geleidbaarheid. Metalen hebben over het algemeen de hoogste thermische geleidbaarheid, terwijl kunststoffen en keramiek aan de onderkant van de schaal liggen. Om warmte van een warmtebron naar een warmteafvoer te geleiden, moet het materiaal ertussen 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 warmer materiaal naar kouder materiaal. Wanneer twee objecten met verschillende temperaturen met elkaar in contact komen, diffundeert thermische energie van het warmere object naar het 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 oververhitting van componenten te voorkomen en een goede werking te garanderen. De combinatie van thermisch geleidende sporen en een isolerend substraat is een fundamentele overweging bij PCB-ontwerp.
Hier is de vergelijking voor de thermische geleidbaarheid:
K = (Q × L) / (A × ΔT)
Waar:
| Symbool | Betekenis | Eenheid |
| K | Thermische geleidbaarheid van het materiaal | W/m·K |
| Q | Snelheid van warmteoverdracht door het materiaal | Watts (W) |
| L | Dikte van het materiaal | Meter (m) |
| A | Doorsnedeoppervlakte waardoor warmte stroomt | m² |
| AT | Temperatuurdaling over het materiaal | Kelvin (K) |
Technische kenmerken van FR4 thermische geleidbaarheid
Het 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 in verschillende richtingen verschillende waarden voor de thermische geleidbaarheid heeft.
Geleiding in het vlak (X-Y-as): Warmte stroomt langs relatief ononderbroken glasvezelbanen, waardoor een efficiëntere geleiding wordt bereikt.
Geleiding loodrecht op het vlak (Z-as): Warmte moet meerdere lagen hars en hars-vezelinterfaces doorlopen. Elke laag genereert thermische weerstand, wat de warmtestroom ernstig belemmert.
Het is een belangrijk kenmerk dat speciale aandacht vereist tijdens het thermische ontwerpproces van printplaten, aangezien effectieve methoden voor thermisch beheer de bottleneck van door-plane geleiding moeten omzeilen. Bijvoorbeeld door het verkorten van het warmteoverdrachtspad, wat samenhangt met het verminderen van de dikte van de printplaat. Of door het aanbieden van een kanaal met lage weerstand, zoals thermische via's.
- 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.testpcbas.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.
VIND DE BESTE FR4
6 bewezen methoden om het thermisch beheer van FR4-printplaten te verbeteren
FR4 heeft een lage thermische geleidbaarheid, waardoor het substraat zelf warmte niet efficiënt kan geleiden. Hieronder volgen zes effectieve methoden om het thermisch beheer van FR4-printplaten te verbeteren.
Methode 1: Thermische via's
Het is een van de meest effectieve manieren om de warmte in een FR-4 printplaat te beheersen. Thermische via's zijn kleine, met koper beklede gaatjes. Via deze via's kan de warmte verticaal door de printplaatlagen worden geleid. Deze via's fungeren als directe thermische tunnels, waardoor de temperatuur in kritieke en gevoelige gebieden sterk wordt verlaagd, tot wel 10-20 °C.
Deze thermische via's hebben diameters van 0.3 tot 0.5 mm en een pitch van 1 tot 1.5 mm. Wanneer ze in een rasterpatroon zijn aangebracht, zijn ze effectiever in het afvoeren van warmte dan geïsoleerde via's. De gaten kunnen worden gevuld met geleidende epoxy of koper, wat hun thermische geleidbaarheid verbetert. Thermische via's worden direct onder of in de buurt van krachtige componenten geplaatst, zoals vermogenstransistors of geïntegreerde schakelingen.
Methode 2: Kopergieten en vlakken
Bij het thermisch ontwerpen van printplaten kunnen grote koperen vlakken, oftewel voedings-/massavlakken, fungeren als efficiënte warmteverspreiders. Koper heeft een hoge thermische geleidbaarheid van ongeveer 400 W/mK, in tegenstelling tot FR-4, dat tussen de 0.3 en 0.8 W/mK ligt.
PCB cSPECTEN De warmte die hierdoor ontstaat, wordt via de printplaat naar het koperen vlak geleid en verspreidt zich snel over het hele vlak. Deze herverdeling van de gelokaliseerde hotspots over een groter gebied minimaliseert in feite de warmtestroom. In de praktijk wordt thermisch beheer van FR4-printplaten doorgaans bereikt door het aanbrengen van doorlopende, grote massa- of voedingsvlakken, in combinatie met het ontwerp van thermische via's.
Methode 3Thermische interface materialen
Thermische interface materialen (TIM's) zijn betaalbare materialen die worden gebruikt om de thermische geleidbaarheid van contactvlakken te verbeteren. De contactoppervlakken van twee onderdelen lijken op het eerste gezicht vlak. In werkelijkheid bevatten ze echter minuscule scheurtjes of poriën. Lucht vult deze ruimtes op en is een slechte warmtegeleider. TIM gebruikt een stof met een hogere thermische geleidbaarheid dan lucht om de ruimtes tussen de contactoppervlakken op te vullen.
TIM's zijn in verschillende soorten verkrijgbaar. Veelvoorkomende typen zijn onder andere:
- Thermische banden
- Thermische vetten/pasta's
- Thermische gels/lijmen
- Thermische pads
Methode 4: Koperdraad in de FR4-printplaat inbedden
TestPcbas 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.
Methode 5: Actief Koeltechnieken
Ventilatoren kunnen de luchtcirculatie over de ruimte verbeteren. Printplaat en bevorderen de convectieve warmteoverdracht. In de praktijk kan een kleine ventilator de temperatuur van componenten met ongeveer 20 tot 30 °C verlagen. Vloeistofkoelsystemen werken beter bij apparatuur met een hoog vermogen.
Methode 6Overstappen naar een hogere Warmte- Geleidbaarheidssubstraat
Soms is de juiste aanpak niet om de thermische beperkingen van FR4 te omzeilen, maar om het te vervangen. Standaard FR4 heeft een lage thermische geleidbaarheid, terwijl FR4 met een hoge Tg een relatief hogere thermische geleidbaarheid en weerstand tegen thermische belasting heeft.
Naast FR4 is het ook mogelijk om andere materialen met een hoge thermische geleidbaarheid te kiezen. Weten wanneer je die keuze moet maken is net zo belangrijk als elke andere ontwerptechniek. Een basistabel is hieronder weergegeven.
| Materiaal | Warmtegeleiding | Relatieve kosten |
| Standaard FR4 | 0.3 – 0.4 W/m·K | Laag |
| FR4 met hoge Tg | Tot 0.8 W/m·K | Laag–Gemiddeld |
| Aluminium | 150 – 230W/m·K | Medium |
| Koper | 400 W / m · K | Gemiddeld–Hoog |
| Aluminiumoxide (Al₂O₃) | 24 – 30W/m·K | Hoge |
| Aluminiumnitride (AlN) | 170 – 250 W/m·K | Zeer hoog |
| Rogers-laminaten | 0.7 – 1.7 W/m·K | Hoge |
Veelgestelde Vragen / FAQ
Wat is het ccoëfficiënt van thermaal euitbreiding (CTE) van FR4?
De CTE van FR4 is niet gelijk in de XY- en Z-richting en is als volgt:
XY-richting: ~14–18 ppm/°C
Z-richting: ~70–100 ppm/°C
Wat is de thermische geleidbaarheid van koper in printplaten?
Vergeleken met FR4 heeft koper een veel hogere thermische geleidbaarheid van ongeveer 400 W/m·K.
Wat zijn de belangrijkste mechanische eigenschappen van FR4?
De essentiële mechanische eigenschappen omvatten treksterkte, buigsterkte en uitstekende vormvastheid.
Wat zijn FR-4 printplaats?
FR4-printplaten zijn gemaakt van vlamvertragend, met glasvezel versterkt epoxylaminaat. Ze bieden elektrische isolatie, mechanische sterkte en kostenefficiëntie.
Wat zijn de verschillende soorten FR4-materialen?
FR4-materialen zijn verkrijgbaar in verschillende varianten, waaronder halogeenvrij FR4, standaard FR4 en FR4 met een hoge Tg-waarde.
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.
