Erläuterung der Wärmeleitfähigkeit von FR4 im Leiterplatten-Design

Wärme ist einer der wichtigsten Faktoren, die die Zuverlässigkeit von Leiterplatten beeinflussen.

Jedes elektronische Bauteil erzeugt im Betrieb Wärme, und diese Wärme muss von empfindlichen Bereichen abgeleitet werden, um eine stabile Leistung zu gewährleisten.

Das Leiterplattensubstrat spielt bei diesem Prozess eine Rolle, aber nicht alle Materialien verhalten sich gleich.

FR4, das am häufigsten verwendete Leiterplattenmaterial, weist im Vergleich zu Substraten auf Metall- oder Keramikbasis eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Diese Eigenschaft hat direkten Einfluss darauf, wie sich die Wärme auf der Leiterplatte verteilt.

Was bedeutet Wärmeleitfähigkeit?

Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt, wie leicht sich Wärme durch ein Material ausbreitet.

Bei Leiterplattenmaterialien bestimmt dies, wie schnell sich die von den Bauteilen erzeugte Wärme von einem Bereich zum anderen ausbreiten kann.

FR4 ist ein glasfaserverstärkter Epoxidwerkstoff, und beide Komponenten weisen eine begrenzte Wärmeleitfähigkeit auf.

Daher leitet FR4 die Wärme nicht effizient von den heißen Stellen ab.

Typische Wärmeleitfähigkeit von FR4

Standard-FR4-Materialien weisen typischerweise eine Wärmeleitfähigkeit von etwa:

0,25 – 0,35 W/m·K

Im Vergleich zu anderen PCB-Materialien wie beispielsweise den folgenden gilt dies als niedrig:

• Leiterplatten mit Aluminiumsubstrat
• Keramische PCBs
• Wärmeverteiler auf Kupferbasis

Die geringe Wärmeleitfähigkeit ist eine der wesentlichen Einschränkungen von FR4 bei Hochleistungsanwendungen.

Warum FR4 eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist

Die innere Struktur von FR4 erklärt dessen thermisches Verhalten.

Es besteht aus:

• Epoxidharz (geringe Wärmeleitfähigkeit)
• gewebtes Glasfasergewebe (mittlere Dämmstruktur)
• Kupferschichten (hohe Leitfähigkeit, jedoch durch dielektrische Schichten voneinander getrennt)

Wärme wird durch die Epoxid-Glas-Struktur nicht effizient geleitet, sodass sie tendenziell in der Nähe von Wärmequellen konzentriert bleibt.

Wie sich die Wärmeleitfähigkeit auf die Leistung von Leiterplatten auswirkt

Lokale Erwärmung

Da sich Wärme nur langsam ausbreitet, kann die Temperatur in der Nähe von Hochleistungskomponenten erheblich ansteigen.

Dies kann in bestimmten Bereichen der Leiterplatte zu thermischer Belastung führen.

Zuverlässigkeit von Bauteilen

Elektronische Bauteile sind temperaturempfindlich.

Höhere lokale Temperaturen können die langfristige Zuverlässigkeit beeinträchtigen und die Alterung beschleunigen.

Temperaturgradient über die gesamte Platte

Eine ungleichmäßige Wärmeverteilung kann zu Temperaturgradienten führen, die im Laufe der Zeit mechanische Spannungen verursachen können.

Dies gilt insbesondere für größere oder leistungsstarke Platinen.

FR4 im Vergleich zu Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit

FR4 ist nicht für Anwendungen mit hoher Wärmeübertragung ausgelegt.

Andere Materialien bieten eine bessere Wärmeleistung:

• Leiterplatten mit Aluminiumkern
• Leiterplatten mit Kupfermünzen
• Keramiksubstrate

Diese Materialien kommen häufig in LED-Beleuchtungen, Leistungsmodulen und der Automobilelektronik zum Einsatz.

Dennoch wird FR4 aufgrund seiner Kosteneffizienz und mechanischen Stabilität nach wie vor häufig verwendet.

Wie Designer die Einschränkungen von FR4 umgehen

Da FR4 eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, regeln Ingenieure die Wärmeabfuhr in der Regel durch Techniken des Leiterplattenentwurfs, anstatt das Material zu wechseln.

Zu den gängigen Ansätzen gehören:

• Vergrößerung der Kupferfläche zur Wärmeverteilung
• unter Verwendung von thermischen Durchkontaktierungen
• Verteilung von wärmeerzeugenden Komponenten
• Optimierung der Bauteilplatzierung

Weiterführende Lektüre: Eigenschaften des FR4-Materials, die die Leistung von Leiterplatten beeinflussen

Wenn die Wärmeleitfähigkeit von FR4 kein Problem darstellt

FR4 eignet sich gut für viele Anwendungen, bei denen nur mäßige Wärmeentwicklung auftritt.

Typische Beispiele hierfür sind:

• Unterhaltungselektronik
• Kommunikationsgeräte
• Industriesysteme mit geringer bis mittlerer Leistung

In diesen Fällen hat die thermische Begrenzung des Materials keinen wesentlichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit.

Wenn FR4 zum limitierenden Faktor wird

Die Wärmeleitfähigkeit spielt eine entscheidende Rolle, wenn:

• Die Leistungsdichte ist hoch
• Die Komponenten erzeugen kontinuierlich Wärme
• Kompakte Anordnungen bündeln Wärmequellen
• Es ist mit einer langfristigen thermischen Belastung zu rechnen

In diesen Fällen können alternative Materialien in Betracht gezogen werden.

Zusammenhang zwischen Wärmeleitfähigkeit und Zuverlässigkeit

Die thermische Leistung steht in direktem Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit.

Eine schlechte Wärmeableitung kann Folgendes beschleunigen:

• dielektrische Alterung
• Kupferermüdung
• Spannung in der Lötstelle

Die Wärmeleitfähigkeit ist jedoch nur einer von vielen Faktoren, die die Zuverlässigkeit von Leiterplatten beeinflussen.

Weiterführende Lektüre: Feuchtigkeitsaufnahme von FR4 und deren Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit von Leiterplatten

Schlussfolgerung

FR4 weist eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit auf, was seine Fähigkeit einschränkt, Wärme effizient über die Leiterplatte abzuleiten.

Dank seiner Kombination aus Kosteneffizienz, mechanischer Festigkeit und Herstellbarkeit ist es jedoch nach wie vor das am häufigsten verwendete Leiterplattenmaterial.

In den meisten Anwendungen wird das Wärmemanagement eher durch konstruktive Maßnahmen als durch den Wechsel der Substratmaterialien erreicht.

Bei Designs mit hoher Leistung oder hoher Packungsdichte gewinnt die Materialauswahl an Bedeutung und erfordert unter Umständen Alternativen mit höherer Wärmeleitfähigkeit.

So bewerten Sie die thermischen Anforderungen an Leiterplattenmaterialien

Häufig gestellte Fragen