PCB's met hoge thermische geleidbaarheid: complete gids voor PCB-materialen met hoge thermische geleidbaarheid

Introductie

Naarmate elektronische producten kleiner en krachtiger worden, is thermisch beheer een van de belangrijkste uitdagingen geworden bij het ontwerpen van printplaten.

Traditionele FR4-printplaten zijn geschikt voor de meeste algemene elektronische toepassingen. Echter, wanneer de vermogensdichtheid toeneemt, kan de warmte die wordt gegenereerd door componenten zoals LED's, vermogensmodules, auto-elektronica en halfgeleiders de betrouwbaarheid aanzienlijk beïnvloeden.

Slechte warmteafvoer kan de volgende gevolgen hebben:

• Hogere bedrijfstemperatuur van de component
• Verkorte levensduur van het product
• Prestatievermindering
• Thermische spanningsbreuken
• Voortijdige elektronische storing

Daarom is de thermische geleidbaarheid van printplaten een cruciale factor geworden bij de materiaalkeuze.

Verschillende PCB-materialen bieden aanzienlijk verschillende thermische prestaties. Van standaard FR4 PCB's met een thermische geleidbaarheid van slechts 0.2–0.4 W/m·K tot PCB's met een diamantsubstraat die een thermische geleidbaarheid van ongeveer 1800 W/m·K bereiken, hangt het juiste materiaal af van de toepassingsvereisten.

Een goede thermische oplossing voor een printplaat is niet simpelweg het kiezen van het materiaal met de hoogste thermische geleidbaarheid.

Het vereist een evenwicht:

• Thermische prestatie
• Elektrische isolatie
• Mechanische betrouwbaarheid
• Productiecapaciteit
• Kost efficiëntie

---

Wat is een printplaat met hoge thermische geleidbaarheid?

De thermische geleidbaarheid van een printplaat verwijst naar het vermogen van een printplaatmateriaal om warmte over te dragen.

De eenheid is:

W/m·K (Watt per meter-Kelvin)

Een hogere waarde betekent dat het materiaal warmte efficiënter kan overdragen.

Bijvoorbeeld:

Thermische geleidbaarheid is echter slechts één aspect van thermisch ontwerp.

Het complete thermische traject omvat tevens:

• Componentenpakket
• Soldeerinterface
• Koperdikte
• Thermische via's
• PCB-structuur:
• Aansluiting voor koelplaat

---

Vergelijking van de thermische geleidbaarheid van veelgebruikte printplaatmaterialen

1. Thermische geleidbaarheid van FR4-printplaten

FR4 blijft het meest gebruikte printplaatmateriaal omdat het een goede balans biedt tussen:

• Kosten
• Mechanische kracht
• Elektrische isolatie
• Productiestabiliteit

Typische thermische geleidbaarheid:

0.2–0.4 W/m·K

FR4-printplaten zijn geschikt voor:

• Consumentenelektronica
• Industriële besturingsborden
• communicatieapparatuur
• Algemene digitale schakelingen

FR4 heeft echter een beperkt vermogen tot warmteafvoer.

Voor toepassingen met een hoog vermogen kunnen aanvullende thermische oplossingen nodig zijn:

• Thermische via's
• Koperen vlakken
• Warmteverspreiders
• Metaalkernstructuren

---

2. Thermische geleidbaarheid van aluminium printplaten

Aluminium printplaten, ook wel Metal Core PCB (MCPCB) genoemd, gebruiken aluminium als warmteafvoerlaag.

Typische thermische geleidbaarheid:

1–2 W/m·K

Voordelen:

• Betere warmteverspreiding dan FR4
• Lichtgewicht
• Kosteneffectief
• Goede mechanische sterkte

Algemene toepassingen:

• Ledverlichting
• Automotive verlichting
• Voeding
• Motorbesturingssystemen

Vergeleken met FR4 kan een printplaat van aluminium de componenttemperatuur aanzienlijk verlagen.

---

3. Thermische geleidbaarheid van koperen printplaten

Een printplaat van koper gebruikt koper als metalen kernstructuur.

Koper heeft een uitstekende warmtegeleiding, maar de structuur van de printplaat en de gebruikte diëlektrische materialen beïnvloeden de uiteindelijke thermische prestaties.

Typische thermische geleidbaarheid van printplaten:

1–2 W/m·K

toepassingen:

• Vermogensmodules
• Automotive-elektronica
• Hoogstroomcircuits

Een printplaat van koper is met name handig wanneer aan beide volgende voorwaarden wordt voldaan:

• Elektrische prestaties
• Hitteverspreiding

zijn belangrijk.

---

4. Thermische geleidbaarheid van keramische printplaten

Keramische printplaten worden veel gebruikt in toepassingen die hoge betrouwbaarheid en hoge temperaturen vereisen.

Veelvoorkomende keramische materialen zijn onder andere:

• Aluminiumoxide (Al₂O₃)
• Aluminiumnitride (AlN)

Voordelen van keramische printplaten:

• Uitstekende thermische stabiliteit
• Lage vochtopname
• Hoge elektrische isolatie
• Goede betrouwbaarheid bij thermische cycli.

---

Aluminiumoxide keramische printplaat thermische geleidbaarheid

Aluminiumoxide keramische printplaat:

22–32 W/m·K

toepassingen:

• Vermogenselektronica
• Sensoren
• Hogetemperatuurcircuits
• Industrieel materiaal

Het biedt een veel hogere thermische geleidbaarheid dan FR4.

---

Aluminiumnitride printplaat thermische geleidbaarheid

Aluminiumnitride (AlN) keramische printplaten vormen een hoogwaardige oplossing voor thermisch beheer.

Typische thermische geleidbaarheid:

170–230 W/m·K

Voordelen:

• Extreem hoge thermische geleidbaarheid
• Uitstekende elektrische isolatie
• Vergelijkbare thermische uitzettingseigenschappen als halfgeleidermaterialen.

toepassingen:

• Halfgeleiderpakketten
• Krachtige LED
• RF-apparaten
• Elektronica in de ruimtevaart
• Vermogensmodules

---

5. Thermische scheiding koperen printplaat

De thermisch gescheiden koperen printplaat is ontworpen voor extreem warmtebeheer.

Typische thermische geleidbaarheid:

300–400 W/m·K

De structuur scheidt:

• Elektrische isolatiezone
• Hoog warmtegeleidingsgebied

Hierdoor kan warmte direct worden afgevoerd van componenten met een hoog vermogen.

toepassingen:

• Krachtige LED
• Lasermodules
• Vermogenshalfgeleiderapparaten

---

6. Thermische geleidbaarheid van diamant-PCB's

Diamant heeft een van de hoogste thermische geleidbaarheden onder technische materialen.

Typische thermische geleidbaarheid:

Ongeveer 1800 W/m·K

Diamanten printplaten worden gebruikt voor:

• Geavanceerde halfgeleidertoepassingen
• Extreem warmteafvoersystemen
• Ruimtevaart- en defensie-elektronica

Vanwege de hoge kosten wordt deze oplossing alleen gekozen wanneer conventionele thermische oplossingen niet aan de eisen voldoen.

---

Hoe kies je het juiste thermische printplaatmateriaal?

Bij de keuze van PCB-materiaal moet rekening worden gehouden met verschillende factoren.

---

Thermische geleidbaarheid is niet de enige betrouwbaarheidsfactor.

Veel ingenieurs richten zich uitsluitend op de thermische geleidbaarheid.

De werkelijke betrouwbaarheid van een printplaat hangt echter ook af van:

Thermische expansie

Verschillende materialen zetten bij temperatuurschommelingen verschillend uit.

Een verkeerde afstemming kan de volgende gevolgen hebben:

• kraken
• Delaminatie
• Falen van de soldeerverbinding

Productie vermogen

Voor hoogwaardige materialen zijn ervaren PCB-fabrikanten nodig.

Belangrijke factoren zijn onder meer:

• Materiaalbehandeling
• Boorparameters
• Oppervlakte behandeling
• Bondingproces
• Inspectiecapaciteit

Application Environment

Het beste materiaal hangt af van:

• bedrijfstemperatuur
• Thermische fietsen
• Mechanische spanning
• Levensduur van het product

---

Conclusie

De thermische geleidbaarheid van printplaten wordt steeds belangrijker naarmate elektronische apparaten een hogere vermogensdichtheid en een kleiner formaat krijgen.

Van FR4-printplaten tot aluminium printplaten, keramische printplaten, aluminiumnitride printplaten, thermisch gescheiden koperen printplaten en diamantprintplaten: elk materiaal heeft zijn eigen voordelen en toepassingsgebied.

De beste thermische oplossing voor een printplaat is niet altijd het materiaal met de hoogste thermische geleidbaarheid.

Een succesvol ontwerp vereist een evenwicht tussen:

• Warmtedissipatie
• Betrouwbaarheid:
• Productie haalbaarheid
• Kosten

Door de juiste PCB-fabrikant met de juiste technische expertise te kiezen, kunt u zowel de thermische prestaties als de betrouwbaarheid op lange termijn optimaliseren.

---

FAQ

1. Wat is de thermische geleidbaarheid van een FR4-printplaat?

FR4-printplaten hebben doorgaans een thermische geleidbaarheid van ongeveer 0.2–0.4 W/m·K.

2. Is een printplaat van aluminium beter dan een FR4-printplaat voor warmteafvoer?

Ja. Aluminium printplaten hebben doorgaans een hogere thermische geleidbaarheid en worden veel gebruikt voor LED's en vermogenselektronica.

3. Welk PCB-materiaal heeft de hoogste thermische geleidbaarheid?

Diamanten printplaten hebben een extreem hoge thermische geleidbaarheid, ongeveer 1800 W/m·K.

4. Is een printplaat van aluminiumoxide (AlN) beter dan een printplaat van aluminiumoxidekeramiek?

Ja, AlN PCB's bieden een veel hogere thermische geleidbaarheid, doorgaans rond de 170–230 W/m·K , vergeleken met keramische aluminiumoxide PCB's met een geleidbaarheid van 22–32 W/m·K.

5. Hoe kunnen PCB-fabrikanten de thermische prestaties verbeteren?

De thermische prestaties kunnen worden verbeterd door:

• Materiaalkeuze
• Optimalisatie van de koperdikte
• Thermisch via ontwerp
• Betere PCB-stapeling
• Juiste productiecontrole