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<font dir="auto" style="vertical-align: inherit;"><font dir="auto" style="vertical-align: inherit;">10 effektive PCB-Wärmeableitungstechniken zur Verbesserung der Zuverlässigkeit elektronischer Geräte

2023-08-09Reporter: SprintPCB

In der modernen Elektronik gewinnen Probleme des Wärmemanagements angesichts immer kleinerer Geräte und verbesserter Leistung zunehmend an Bedeutung und können nicht ignoriert werden. Ein weiser Mann sagte einst: „Technologischer Fortschritt geht oft mit der Freisetzung von Wärme einher.“ Die von elektronischen Geräten während des Betriebs erzeugte Wärme kann, wenn sie nicht ordnungsgemäß behandelt und abgeleitet wird, zu einer unmerklichen Bedrohung werden und die Stabilität und Lebensdauer der Geräte gefährden. In unserer sich ständig verändernden digitalen Welt ist die Beherrschung wichtiger Techniken zur Kühlung von Leiterplatten (PCBs) nicht nur eine Garantie für die Verbesserung der Zuverlässigkeit elektronischer Geräte, sondern auch ein wesentlicher Weg, um an die Spitze der Technologie zu gelangen.

PCB-Wärmeableitung

Elektronische Geräte erzeugen während des Betriebs eine gewisse Wärmemenge, wodurch die Innentemperatur des Geräts schnell ansteigt. Wird diese Wärme nicht umgehend abgeführt, erwärmt sich das Gerät weiter, was zu Komponentenausfällen durch Überhitzung führen und somit die Zuverlässigkeit und Leistung des elektronischen Geräts verringern kann. Daher ist es wichtig, die Wärmeableitung der Leiterplatte effektiv zu steuern. Die Wärmeableitung von Leiterplatten spielt eine entscheidende Rolle. Lassen Sie uns daher einige Techniken zur Wärmeableitung von Leiterplatten besprechen. Zu den häufig verwendeten Leiterplattenmaterialien zur Wärmeableitung gehören kupferkaschierte Epoxid-Glasfasersubstrate oder Phenolharz-Glasfasersubstrate. Einige wenige verwenden auch papierbasierte kupferkaschierte Platten. Diese Substrate verfügen zwar über ausgezeichnete elektrische und Verarbeitungseigenschaften, ihre Wärmeableitung ist jedoch schlecht. Als Kühlmethode für stark wärmeerzeugende Komponenten ist es nahezu unmöglich, sich auf die Wärmeleitung durch das Leiterplattenharz selbst zu verlassen. Stattdessen wird die Wärme von der Oberfläche der Komponenten in die Umgebungsluft abgeleitet. Doch mit dem Aufkommen von Elektronikprodukten, die in das Zeitalter miniaturisierter Komponenten, hochdichter Baugruppen und hoher Wärmeentwicklung eintreten, reicht es bei weitem nicht mehr aus, sich bei der Wärmeableitung ausschließlich auf die geringe Oberfläche der Komponenten zu verlassen. Gleichzeitig wird aufgrund der weit verbreiteten Verwendung von oberflächenmontierten Komponenten wie QFP und BGA die von elektronischen Komponenten erzeugte Wärme in großem Umfang auf die Leiterplatte übertragen. Daher besteht die effektivste Methode zur Wärmeableitung darin, die inhärente Wärmeableitungsfähigkeit der Leiterplatte durch direkten Kontakt mit den wärmeerzeugenden Komponenten zu verbessern und so die Wärmeleitung bzw. -ableitung durch die Leiterplatte zu ermöglichen.

PCB-Layout und Komponentenplatzierung

PCB-Layout und Bauteilplatzierung

Kaltluftzonen und thermosensible Bauteile

Durch die Platzierung von Wärmesensoren in der Kaltluftzone wird eine bessere Luftzirkulation gewährleistet.

Temperaturerfassungsgerät

Das Temperaturmessgerät wird an der heißesten Stelle platziert.

Partitionsanordnung

Komponenten auf derselben Leiterplatte sollten so weit wie möglich entsprechend ihrer Wärmeentwicklung und Wärmeableitung aufgeteilt werden. Komponenten mit geringerer Wärmeentwicklung oder geringer Wärmebeständigkeit (wie z. B. Kleinsignaltransistoren, kleine integrierte Schaltkreise, Elektrolytkondensatoren usw.) sollten vor dem Kühlluftstrom (Einlass) platziert werden, während Komponenten mit höherer Wärmeentwicklung oder besserer Wärmebeständigkeit (wie z. B. Leistungstransistoren, große integrierte Schaltkreise usw.) hinter dem Kühlluftstrom platziert werden sollten.

Vertikales und horizontales Layout.

In horizontaler Richtung sollten Hochleistungsgeräte näher am Rand der Leiterplatte platziert werden, um den Wärmeübertragungsweg zu verkürzen. In vertikaler Richtung sollten Hochleistungsgeräte oberhalb der Leiterplatte positioniert werden, um ihren Einfluss auf die Temperatur anderer Geräte während des Betriebs zu minimieren. Die Wärmeableitung innerhalb der Leiterplatte des Geräts hängt hauptsächlich vom Luftstrom ab. Daher ist es während der Entwurfsphase wichtig, die Luftstromwege zu untersuchen und die Komponenten oder die Leiterplatte entsprechend anzuordnen.

Position der temperaturempfindlichen Sensorkomponenten

Luft strömt in Bereichen mit geringerem Widerstand. Daher ist es bei der Anordnung von Bauteilen auf einer Leiterplatte wichtig, große Freiräume in einem bestimmten Bereich zu vermeiden. Auch die Platzierung von Bauteilen auf mehreren Leiterplatten innerhalb eines Systems sollte diesem Prinzip Rechnung tragen. Temperaturempfindliche Geräte sollten idealerweise in den kühlsten Bereichen, beispielsweise an der Unterseite des Geräts, platziert werden. Vermeiden Sie unbedingt die Platzierung direkt über wärmeabgebenden Bauteilen. Bei der Anordnung mehrerer Geräte empfiehlt sich eine versetzte Anordnung auf einer horizontalen Ebene.

Hochleistungsgeräte

Platzieren Sie die Geräte mit dem höchsten Stromverbrauch und der größten Wärmeentwicklung in der Nähe optimaler Kühlstellen. Vermeiden Sie die Platzierung von Geräten mit hoher Wärmeentwicklung in den Ecken und Kanten der Leiterplatte, es sei denn, es befindet sich in der Nähe ein Kühlgerät.

Kühler und Wärmeleitplatte

Kühler- und Wärmeleitplatte

Kleinheizgeräte

Bei der Entwicklung von Leistungswiderständen empfiehlt es sich, größere Bauelemente zu wählen und bei der Anpassung des Leiterplattenlayouts auf ausreichend Platz zur Wärmeableitung zu achten. Bei stark wärmeerzeugenden Komponenten können Kühlkörper und wärmeleitende Platten eingesetzt werden. Bei nur wenigen Komponenten (weniger als 3) mit hoher Wärmeentwicklung können Kühlkörper oder Heatpipes an den Heizkomponenten angebracht werden. Kann die Temperatur nicht ausreichend gesenkt werden, kann ein Kühlkörper mit Lüfter die Wärmeableitung verbessern.

Großflächige Wärmeableitungskomponenten

Bei einer größeren Anzahl wärmeerzeugender Komponenten (mehr als drei) kann ein größeres Kühlgehäuse (Platte) eingesetzt werden. Dieser spezielle Kühlkörper wird individuell an die Position und Höhe der wärmeerzeugenden Komponenten auf der Leiterplatte angepasst. Alternativ können unterschiedliche Komponentenhöhen auf einem großen, flachen Kühlkörper platziert werden. Das Kühlgehäuse wird fest mit der Komponentenoberfläche verbunden und berührt jedes einzelne Bauteil für eine effektive Wärmeableitung.

Leitfähiges Pad mit thermischem Phasenwechsel

Aufgrund der mangelnden Konsistenz der Bauteilhöhe beim Löten ist die Wärmeableitung jedoch nicht optimal. Es ist üblich, die Wärmeableitung durch Aufbringen eines flexiblen, leitfähigen Pads mit thermischem Phasenwechsel auf die Bauteiloberfläche zu verbessern.

Schaltungsdesign und Routing-Layout

Schaltungsdesign

Bei Geräten mit freier Konvektionsluftkühlung ist es vorzuziehen, integrierte Schaltkreise (oder andere Komponenten) vertikal oder horizontal anzuordnen. Um eine effiziente Wärmeableitung durch ein gut durchdachtes Routing-Schema zu erreichen, sind die Verbesserung der Kupferleiterbahnen und der Einbau von Wärmedurchkontaktierungen die wichtigsten Methoden. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Harzes im Plattenmaterial dienen Kupferleiterbahnen und -durchkontaktierungen als effektive Wärmeleiter. Die Bewertung der Wärmeableitungsfähigkeit einer Leiterplatte erfordert die Berechnung der äquivalenten Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials, das aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten besteht und im isolierenden Substrat der Leiterplatte verwendet wird. Komponenten auf derselben Leiterplatte sollten basierend auf ihrer Wärmeerzeugungs- und Wärmeableitungsfähigkeit in Zonen angeordnet werden. Komponenten mit geringerer Wärmeerzeugung oder geringerem Wärmewiderstand, wie z. B. Kleinsignaltransistoren, kleine integrierte Schaltkreise und Elektrolytkondensatoren, sollten vor dem Kühlluftstrom (Einlass) platziert werden. Komponenten mit höherer Wärmeentwicklung oder besserer Hitzebeständigkeit, wie Leistungstransistoren und hochintegrierte Schaltungen, sollten hinter dem Kühlluftstrom platziert werden. In horizontaler Richtung sollten Hochleistungsbauelemente näher am Rand der Leiterplatte angeordnet werden, um den Wärmeübertragungsweg zu verkürzen. In vertikaler Richtung sollten Hochleistungsbauelemente oberhalb der Leiterplatte positioniert werden, um ihren Einfluss auf die Temperaturen anderer Komponenten zu minimieren. Die Wärmeableitung der Leiterplatte im Gerät hängt hauptsächlich vom Luftstrom ab. Daher ist es während der Designphase entscheidend, die Luftströmungswege zu untersuchen und die Komponenten bzw. die Leiterplatte strategisch zu positionieren. Luft strömt in Bewegung tendenziell in Bereiche mit geringerem Widerstand. Daher ist es bei der Platzierung von Komponenten auf einer Leiterplatte wichtig, große Hohlräume in bestimmten Bereichen zu vermeiden. Auch bei der Anordnung mehrerer Leiterplatten innerhalb der Baugruppe sollten dieselben Aspekte berücksichtigt werden. Es wird empfohlen, temperaturempfindliche Komponenten im Bereich mit der niedrigsten Temperatur (z. B. an der Unterseite des Geräts) zu platzieren. Vermeiden Sie es, sie direkt über wärmeabgebenden Komponenten zu platzieren. Bei mehreren Komponenten empfiehlt es sich, diese horizontal verschachtelt anzuordnen. Platzieren Sie die Komponenten mit dem höchsten Stromverbrauch und der größten Wärmeentwicklung in der Nähe optimaler Wärmeableitungsstellen. Vermeiden Sie die Platzierung wärmeerzeugender Komponenten in den Ecken und Kanten der Leiterplatte, es sei denn, in der Nähe befinden sich Wärmeableitungsvorrichtungen. Wählen Sie bei der Konstruktion von Leistungswiderständen möglichst größere Komponenten und achten Sie beim Anpassen des Leiterplattenlayouts auf ausreichend Platz zur Wärmeableitung.Minimieren Sie die Konzentration von Hotspots auf der Leiterplatte und verteilen Sie die Leistung möglichst gleichmäßig über die Leiterplatte, um eine einheitliche und konstante Oberflächentemperatur aufrechtzuerhalten. Das Erreichen einer strikt gleichmäßigen Verteilung ist im Designprozess oft eine Herausforderung, aber es ist wichtig, Bereiche mit übermäßig hoher Leistungsdichte zu vermeiden. Diese Vorsichtsmaßnahme wird getroffen, um das Auftreten von Hotspots zu verhindern, die den normalen Betrieb der Schaltung beeinträchtigen könnten. Die Durchführung einer thermischen Energieanalyse für gedruckte Schaltungen ist unerlässlich, wenn die Bedingungen es zulassen. Die Integration von Softwaremodulen zur Analyse des thermischen Energieindex in einige professionelle PCB-Designsoftware kann Konstrukteure heutzutage bei der Optimierung des Schaltungsdesigns unterstützen. Im modernen Hightech-Bereich gewinnt die Bedeutung von Techniken zum Wärmemanagement von Leiterplatten immer mehr an Bedeutung. So wie ein guter Architekt beim Entwurf eines Wolkenkratzers dessen Stabilität berücksichtigen muss, müssen auch Elektroingenieure beim Entwurf von Leiterplatten auf den Fluss und die Verteilung der Wärme achten. Durch die richtige Anordnung, die Auswahl geeigneter wärmeableitender Materialien und die Nutzung moderner Designtools können wir ein perfektes Temperaturkontrollsystem in elektronischen Geräten schaffen, das es jeder Komponente ermöglicht, bei geeigneten Temperaturen effizient zu arbeiten und eine brillante Leuchtkraft zu erzeugen. So wie die menschliche Zivilisation durch Innovation floriert, entwickelt sich auch die elektronische Technologie durch Wärmemanagement weiter. Lassen Sie uns gemeinsam auf der Bühne der Technologie zusammenarbeiten und unermüdlich danach streben, eine intelligentere, effizientere und zuverlässigere elektronische Welt zu schaffen!Auch die elektronische Technologie entwickelt sich durch das Wärmemanagement ständig weiter. Lassen Sie uns auf der Bühne der Technologie eng zusammenarbeiten und unermüdlich danach streben, eine intelligentere, effizientere und zuverlässigere elektronische Welt zu schaffen!Auch die elektronische Technologie entwickelt sich durch das Wärmemanagement ständig weiter. Lassen Sie uns auf der Bühne der Technologie eng zusammenarbeiten und unermüdlich danach streben, eine intelligentere, effizientere und zuverlässigere elektronische Welt zu schaffen!

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