Hoe PCB-materiaal met hoge thermische geleidbaarheid het probleem van warmteafvoer oplost

PCB's, ook bekend als printed circuit boards, zijn gelaagde structuren gemaakt van koperfolies ingeklemd tussen glas-epoxylagen. Deze lagen dienen als mechanische en elektrische ondersteuning voor componenten. De koperfolie met hoge geleidbaarheid dient als geleidend circuit in de PCB, terwijl de glas-epoxylaag dient als niet-geleidend substraat.

Printplaatmateriaal met hoge thermische geleidbaarheid

Thermische geleidbaarheid is het vermogen van een materiaal om warmte af te voeren van een apparaat. Hoe lager de thermische geleidbaarheid, hoe minder efficiënt het apparaat is. Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid maken vias overbodig en zorgen voor een gelijkmatigere temperatuurverdeling. Dit vermindert ook het risico van gelokaliseerde volumetrische expansie, wat kan leiden tot hotspots in de buurt van componenten met een hoge stroomsterkte.

Een typische PCB voor een personal computer kan bestaan uit twee koperen vlakken en twee buitenste sporenlagen. De dikte is ongeveer 70 um en het warmtegeleidingsvermogen is 17,4 W/mK. Het resultaat is dat de typische PCB geen efficiënte warmtegeleider is.

Koperen munten

Koperen muntjes zijn kleine stukjes koper die in de printplaat zijn ingebed. Ze worden onder de component geplaatst die de meeste warmte produceert. Dankzij hun hoge thermische geleidbaarheid kunnen ze de warmte van de hete component afvoeren naar een koellichaam. Ze kunnen in verschillende vormen en maten worden gemaakt om op de gewenste plaatsen te passen en kunnen worden gemetalliseerd om een strakke verbinding te garanderen.

Glas-epoxy

Het probleem van warmteafvoer wordt steeds belangrijker in elektronica. Overmatige warmte kan leiden tot onderpresteren en vroegtijdig falen. Momenteel zijn de mogelijkheden voor warmteafvoer beperkt, vooral in extreme omgevingen. Een van de oplossingen voor dit probleem is het gebruik van glasepoxy PCB-materiaal voor hoge temperaturen, of HDI-PCB. Dit materiaal kan dit probleem oplossen doordat het een warmtegeleiding heeft die meer dan tweehonderd keer beter is dan FR4 composiet.

De glasexpoxyhars heeft een uitstekende hitte- en vlambestendigheid. Het heeft een hoge glasovergangstemperatuur en een hoog warmtegeleidingsvermogen. Het kan dienen als isolatielaag en warmtedissipatielaag. Het kan worden gemaakt door impregnatie of coating. De thermische geleidbaarheid van glas epoxy PCB verbetert de prestaties en stabiliteit van elektronische componenten.

PCB's met metalen kern

Fabrikanten van PCB's met metalen kern hebben nieuwe boardsubstraten geïntroduceerd die bestand zijn tegen hoge temperaturen. Hierdoor kunnen ze selectief dikkere koperlagen met een hogere thermische geleidbaarheid aanbrengen. Dit type PCB zorgt voor een betere warmteafvoer en kan worden gebruikt voor fijne circuitpatronen en chipverpakking met hoge dichtheid.

Naast een hogere thermische geleidbaarheid zijn metalen printplaten ook vormvast. Aluminium printplaten met metalen kern hebben een grootteverandering van 2,5-3% bij verhitting, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen met een hoog vermogen. Hun lage thermische uitzetting maakt ze ook geschikt voor hoge schakelvermogens. Het meest gebruikte metaal voor een PCB met metalen kern is aluminium, dat goedkoop en recycleerbaar is. De hoge thermische geleidbaarheid zorgt voor een snel afkoelingsproces.

Een ander probleem in verband met warmteafvoer is het risico van overmatige warmte. De warmte die wordt gegenereerd door warmteproducerende componenten moet van de printplaat worden afgevoerd, anders zal de printplaat niet optimaal presteren. Gelukkig zijn er nu nieuwe mogelijkheden om dit probleem op te lossen. PCB's met een metalen kern met hoge thermische geleidbaarheid zijn een nieuw soort thermische oplossing die deze problemen kunnen overwinnen.

FR4 substraten

PCB's zijn gelaagde structuren gemaakt van koperfolies en glasversterkte polymeren. Ze ondersteunen en verbinden elektronische componenten. Het koper creëert een geleidend circuit binnenin de PCB, terwijl de glas-epoxy laag fungeert als een niet-geleidend substraat.

Componenten met een hoog vermogen kunnen het beste in het midden van de print worden geplaatst en niet aan de randen. De reden hiervoor is dat warmte zich ophoopt bij de randen en naar buiten verspreidt. Ook moet de warmte van krachtige componenten ver weg van gevoelige apparaten worden geplaatst en moet de warmte door de printplaat worden geleid.

PCB-materiaal met een hoge thermische geleidbaarheid is de beste oplossing voor warmteafvoer, waardoor warmte snel wordt afgevoerd en warmteophoping wordt voorkomen. High-tech PCB's gebruiken koper, aluminium of keramiek als substraatmateriaal. Dit lost de problemen met warmteafvoer op en maakt de PCB's duurzamer.