Diese 10 einfachen und praktischen Methoden zur Wärmeableitung von Leiterplatten

Von PCB World

Bei elektronischen Geräten entsteht während des Betriebs eine gewisse Wärmemenge, sodass die Innentemperatur des Geräts schnell ansteigt. Wird die Wärme nicht rechtzeitig abgeführt, erwärmt sich das Gerät weiter und es kommt zu einem Geräteausfall aufgrund von Überhitzung. Die Zuverlässigkeit der elektronischen Geräte nimmt ab.

Daher ist es sehr wichtig, eine gute Wärmeableitungsbehandlung auf der Leiterplatte durchzuführen. Die Wärmeableitung der PCB-Leiterplatte ist ein sehr wichtiges Bindeglied. Was ist also die Wärmeableitungstechnik der PCB-Leiterplatte? Lassen Sie uns dies im Folgenden gemeinsam besprechen.

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Wärmeableitung über die Leiterplatte selbst. Bei den derzeit weit verbreiteten Leiterplatten handelt es sich um kupferkaschierte Substrate mit Epoxidglasgewebe oder Phenolharz-Glasgewebesubstrate. In geringem Umfang werden auch kupferkaschierte Platten auf Papierbasis verwendet.

Obwohl diese Substrate hervorragende elektrische Eigenschaften und Verarbeitungseigenschaften aufweisen, weisen sie eine schlechte Wärmeableitung auf. Als Wärmeableitungsmethode für Komponenten mit hoher Erwärmung ist es fast unmöglich zu erwarten, dass die Wärme durch das Harz der Leiterplatte selbst geleitet wird, sondern dass die Wärme von der Oberfläche der Komponente an die Umgebungsluft abgeleitet wird.

Da jedoch bei elektronischen Produkten das Zeitalter der Miniaturisierung von Komponenten, der Montage mit hoher Dichte und der Montage mit hoher Erwärmung angebrochen ist, reicht es nicht mehr aus, sich bei der Wärmeableitung auf die Oberfläche einer Komponente mit sehr kleiner Oberfläche zu verlassen.

Gleichzeitig wird aufgrund der umfangreichen Verwendung von oberflächenmontierten Komponenten wie QFP und BGA die von den Komponenten erzeugte Wärme in großem Umfang auf die Leiterplatte übertragen. Daher besteht die beste Lösung für das Wärmeableitungsproblem darin, die Wärmeableitungskapazität der Leiterplatte selbst zu verbessern, die in direktem Kontakt mit dem Heizelement steht. Wärmeleitung oder -strahlung.

PCB-Layout
Wärmeempfindliche Geräte werden im Kaltwindbereich platziert.

Das Temperaturerfassungsgerät wird an der heißesten Stelle platziert.

Die Bauteile auf derselben Leiterplatte sollten möglichst entsprechend ihrem Heizwert und ihrer Wärmeableitung angeordnet werden. Bauteile mit geringem Heizwert oder geringer Wärmebeständigkeit (z. B. Kleinsignaltransistoren, kleine integrierte Schaltkreise, Elektrolytkondensatoren usw.) sollten im Kühlluftstrom platziert werden. Bauteile mit hoher Wärmeableitung oder Wärmebeständigkeit (z. B. Leistungstransistoren, große integrierte Schaltkreise usw.) sollten im oberen Strömungskanal (am Eingang) platziert werden und am weitesten stromabwärts des Kühlluftstroms platziert werden.

In horizontaler Richtung werden Hochleistungsgeräte so nah wie möglich am Rand der Leiterplatte platziert, um den Wärmeübertragungsweg zu verkürzen. In vertikaler Richtung werden Hochleistungsgeräte so nah wie möglich an der Oberseite der Leiterplatte platziert, um die Auswirkungen dieser Geräte auf die Temperatur anderer Geräte während des Betriebs zu verringern.

Die Wärmeableitung der Leiterplatte im Gerät hängt hauptsächlich vom Luftstrom ab. Daher sollte der Luftstromweg während der Konstruktion untersucht und das Gerät bzw. die Leiterplatte angemessen konfiguriert werden.

Es ist oft schwierig, während des Entwurfsprozesses eine strikte Gleichverteilung zu erreichen, Bereiche mit zu hoher Leistungsdichte müssen jedoch vermieden werden, um zu verhindern, dass Hotspots den normalen Betrieb der gesamten Schaltung beeinträchtigen.

Wenn möglich, ist es notwendig, den thermischen Wirkungsgrad der gedruckten Schaltung zu analysieren. Beispielsweise kann das in einigen professionellen PCB-Designprogrammen integrierte Softwaremodul zur Analyse des thermischen Wirkungsgradindexes Designern helfen, das Schaltungsdesign zu optimieren.

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Komponenten mit hoher Wärmeentwicklung sowie Radiatoren und Wärmeleitplatten. Wenn eine kleine Anzahl von Komponenten auf der Leiterplatte viel Wärme erzeugt (weniger als 3), kann den wärmeerzeugenden Komponenten ein Kühlkörper oder ein Wärmerohr hinzugefügt werden. Wenn die Temperatur nicht gesenkt werden kann, kann ein Radiator mit Lüfter verwendet werden, um die Wärmeableitung zu verbessern.

Bei einer großen Anzahl von Heizgeräten (mehr als drei) kann eine große Wärmeableitungsabdeckung (Platine) verwendet werden. Dabei handelt es sich um einen speziellen Kühlkörper, der an die Position und Höhe des Heizgeräts auf der Leiterplatte angepasst ist, oder um einen großen, flachen Kühlkörper, der unterschiedliche Bauteilhöhenpositionen ausschneidet. Die Wärmeableitungsabdeckung ist fest mit der Oberfläche des Bauteils verbunden und kontaktiert jedes Bauteil, um die Wärme abzuleiten.

Aufgrund der mangelnden Höhenkonsistenz beim Zusammenbau und Schweißen der Komponenten ist die Wärmeableitung jedoch nicht optimal. Um die Wärmeableitung zu verbessern, wird üblicherweise ein weiches Wärmeleitpad mit Phasenwechselfunktion auf die Oberfläche der Komponente aufgebracht.

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Bei Geräten mit freier Konvektionsluftkühlung empfiehlt es sich, integrierte Schaltkreise (oder andere Geräte) vertikal oder horizontal anzuordnen.

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Verwenden Sie ein sinnvolles Verdrahtungsdesign, um die Wärmeableitung zu gewährleisten. Da das Harz in der Platte eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist und die Kupferfolienleitungen und -löcher gute Wärmeleiter sind, sind die Erhöhung der verbleibenden Kupferfolienmenge und die Vergrößerung der Wärmeleitlöcher die wichtigsten Mittel zur Wärmeableitung. Um die Wärmeableitungskapazität der Leiterplatte zu bewerten, muss die äquivalente Wärmeleitfähigkeit (neun Äquivalenz) des Verbundmaterials berechnet werden, das aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit besteht – dem isolierenden Substrat der Leiterplatte.

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Die Bauelemente auf derselben Leiterplatte sollten möglichst entsprechend ihrem Heizwert und ihrer Wärmeableitung angeordnet werden. Bauelemente mit niedrigem Heizwert oder geringer Wärmebeständigkeit (z. B. Kleinsignaltransistoren, kleine integrierte Schaltkreise, Elektrolytkondensatoren usw.) sollten im Kühlluftstrom platziert werden. Bauelemente mit hoher Wärmeableitung oder Wärmebeständigkeit (z. B. Leistungstransistoren, große integrierte Schaltkreise usw.) sollten im oberen Strömungskanal (am Eingang) platziert werden und am weitesten stromabwärts des Kühlluftstroms platziert werden.

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In horizontaler Richtung werden die Hochleistungsgeräte möglichst nah am Rand der Leiterplatte angeordnet, um den Wärmeübertragungsweg zu verkürzen; in vertikaler Richtung werden die Hochleistungsgeräte möglichst nah an der Oberseite der Leiterplatte angeordnet, um den Einfluss dieser Geräte auf die Temperatur anderer Geräte zu verringern.

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Die Wärmeableitung der Leiterplatte im Gerät hängt hauptsächlich vom Luftstrom ab. Daher sollte der Luftstromweg während der Konstruktion untersucht und das Gerät bzw. die Leiterplatte angemessen konfiguriert werden.

Wenn Luft strömt, tendiert sie immer dazu, an Stellen mit geringem Widerstand zu strömen. Vermeiden Sie daher beim Konfigurieren von Geräten auf einer Leiterplatte, in einem bestimmten Bereich einen großen Luftraum zu lassen.

Bei der Konfiguration mehrerer Leiterplatten in der gesamten Maschine sollte ebenfalls auf dasselbe Problem geachtet werden.

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Das temperaturempfindliche Gerät wird am besten im Bereich mit der niedrigsten Temperatur (z. B. an der Unterseite des Geräts) platziert. Platzieren Sie es niemals direkt über dem Heizgerät. Es ist am besten, mehrere Geräte horizontal zu versetzen.

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Platzieren Sie die Geräte mit dem höchsten Stromverbrauch und der höchsten Wärmeentwicklung so, dass die Wärme optimal abgeführt werden kann. Platzieren Sie Geräte mit hoher Wärmeentwicklung nicht an den Ecken und Kanten der Leiterplatte, es sei denn, in deren Nähe befindet sich ein Kühlkörper. Wählen Sie beim Entwurf des Leistungswiderstands möglichst große Geräte und achten Sie beim Anpassen des Leiterplattenlayouts auf ausreichend Platz zur Wärmeableitung.

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Vermeiden Sie die Konzentration von Hotspots auf der Leiterplatte, verteilen Sie die Leistung möglichst gleichmäßig auf der Leiterplatte und halten Sie die Oberflächentemperatur der Leiterplatte gleichmäßig und konstant.