Wärmeübertragung auf Leiterplatten: Wärmemanagement in Leiterplatten verstehen

Leiterplatten (PCBs) erzeugen während ihres Betriebs Wärme. Um Hitzeschäden zu vermeiden, benötigen Sie die richtigen Wärmeflusstechniken, um sicherzustellen, dass diese Energie abgeleitet wird.

Grundlagen der Wärmeübertragung

Grundsätzlich umfasst eine Diskussion über Wärmeübertragung zwei Schlüsselaspekte: Temperatur und Wärmefluss. Temperatur bezeichnet die verfügbare Wärmeenergie, während Wärmefluss die Bewegung von Wärmeenergie von einem Ort zum anderen beschreibt. Auf mikroskopischer Ebene ist Wärmeenergie direkt mit der kinetischen Energie von Molekülen verknüpft. Je höher die Temperatur eines Materials, desto stärker ist die thermische Bewegung seiner Moleküle. Es ist normal, dass Bereiche mit höherer kinetischer Energie diese auf Bereiche mit niedrigerer kinetischer Energie übertragen. Verschiedene Materialeigenschaften können die Wärmeübertragung zwischen zwei Bereichen mit unterschiedlichen Temperaturen effektiv regulieren. Zu diesen Eigenschaften gehören Wärmeleitfähigkeiten, Materialdichten sowie Fluidgeschwindigkeiten und Fluidviskositäten. Zusammengenommen erschweren diese Eigenschaften die Lösung zahlreicher Wärmeübertragungsprobleme. Die Wärmeleitfähigkeit ist eine entscheidende Eigenschaft bei der Wärmeübertragung, da sie die Fähigkeit eines Materials bestimmt, Wärme zu leiten. Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit können Wärme effizienter übertragen als solche mit niedriger Wärmeleitfähigkeit. Auch die Materialdichte ist ein wichtiger Faktor, da dichtere Materialien mehr Wärmeenergie speichern und dabei helfen können, Temperaturänderungen im Laufe der Zeit zu regulieren. Auch die Geschwindigkeit und Viskosität von Flüssigkeiten kann sich auf die Wärmeübertragung auswirken, da Flüssigkeiten mit hohen Geschwindigkeiten und niedrigen Viskositäten Wärme schneller übertragen können als solche mit niedrigen Geschwindigkeiten und hohen Viskositäten.

Die Mechanismen der Wärmeübertragung

Wärmeübertragungsmechanismen lassen sich grob in drei Gruppen einteilen: Wärmeleitung: Dabei wird thermische Energie durch direkte Kollisionen von Molekülen von Bereichen mit höherer molekularer kinetischer Energie zu Bereichen mit niedrigerer kinetischer Energie übertragen. In Metallen können Leitungsbandelektronen einen Teil der Energie von einem Bereich in einen anderen transportieren. Konvektion: Wird in einem elektronischen Gerät Wärme erzeugt, wird diese durch Wärmeleitung in einen benachbarten Bereich transportiert, der die Wärme dann an eine Flüssigkeit abgibt. Dieser Vorgang wird als Konvektion bezeichnet, und die Flüssigkeit kann gasförmig wie Luft oder flüssig wie Wasser sein. Strahlung: Alle Materialien geben Wärmeenergie ab, wobei die abgegebene Energiemenge von der Temperatur abhängt. Bei gleichmäßigen Temperaturen ist der Strahlungsfluss zwischen den Objekten ausgeglichen, und es findet kein Wärmeenergieaustausch statt. Dieses Gleichgewicht ändert sich jedoch bei schwankenden Temperaturen, und Wärmeenergie wird von Bereichen mit höheren Temperaturen zu Bereichen mit niedrigeren Temperaturen übertragen. Das Verständnis dieser drei Wärmeübertragungsmechanismen ist entscheidend für die Optimierung des Wärmemanagements von elektronischen Geräten und anderen Systemen. Durch die Manipulation und Kontrolle dieser Mechanismen können Ingenieure und Wissenschaftler Materialien und Systeme entwerfen und optimieren, um eine optimale Wärmeleistung zu erzielen.

PCB-Designtechniken für die Wärmeübertragung

Für das Wärmemanagement von Leiterplatten stehen Ihnen verschiedene Techniken zur Verfügung. Zu Ihren Optionen gehören:

• Kühlkörper. Bei dieser Technik werden große Metallteile mit hoher Leitfähigkeit verwendet. Diese Teile werden an wärmeerzeugenden Teilen befestigt und bieten so eine größere Oberfläche, die der Luft ausgesetzt ist. Dieser Aufbau verringert den Wärmewiderstand, und mit einem Lüfter wird der Wärmefluss zusätzlich verbessert.
• Kupfer gießt. Wenn Sie ungenutzte Bereiche mit Metall füllen und das Metall erden, lässt sich jedes Bauteil auf der Leiterplatte problemlos mit der Erde verbinden.
• Thermische Durchkontaktierungen. Thermische Durchkontaktierungen werden häufig bei Kupfergussteilen verwendet und schaffen einen Weg zum Kupfer und den PCB-Komponenten.
• Mit Kupfer gefüllte Durchkontaktierungen. Durchkontaktierungen können mit Kupfer gefüllt werden, um die Wärmeübertragung zu verbessern.
• Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit. Materialien wie Aluminium, Keramik und Kupferkern werden verwendet, um die Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte zu verbessern.