PCB-Neuigkeiten - Hohe Leistung PCB Wärmeableitung Design Guide

Ob Sie Leistungselektronik verwenden, eingebettete Systeme, Industrieanlagen, oder Design eines neuen Motherboards, Sie müssen mit steigenden Temperaturen in Ihrem System umgehen. Kontinuierlicher Hochtemperaturbetrieb verkürzt die Leiterplatte Leben, und sogar zum Ausfall einiger Schlüsselpunkte des Systems führen. Erwägen Sie die Wärmeableitung früh im Designprozess, um die Lebensdauer der Leiterplatte und der Komponenten zu verlängern.

Das Design der Wärmeableitung beginnt mit der Schätzung der Betriebstemperatur

Bevor Sie mit einem neuen Design beginnen, müssen Sie die Temperatur, bei der die Platine läuft, die Betriebsumgebung der Platine und den Stromverbrauch der Komponenten berücksichtigen. Diese Faktoren arbeiten zusammen, um die Betriebstemperatur der Leiterplatte und der Komponenten zu bestimmen. Dies wird auch helfen, Kühlstrategien anzupassen.

Wenn die Leiterplatte in einer höheren Umgebungstemperatur platziert wird, kann sie mehr Wärme speichern, so dass sie bei höheren Temperaturen arbeitet. Komponenten, die mehr Leistung ableiten, benötigen effizientere Kühlmethoden, um die Temperaturen auf einem festgelegten Niveau zu halten. Wichtige Industriestandards können die Temperatur von Bauteilen und Substraten während des Betriebs bestimmen.

Bevor Sie Richtlinien für das Wärmeableitungsmanagement entwerfen, überprüfen Sie die zulässigen Betriebstemperaturen von Komponenten in der Datentabelle und denen, die in wichtigen Industriestandards festgelegt sind. Aktive und passive Kühlung muss mit dem richtigen Board-Layout kombiniert werden, um Schäden am Board zu vermeiden.

Aktive Kühlung vs. passive Kühlung: Was ist das Richtige für dein Board?

Dies ist eine wichtige Frage für jeden Designer zu berücksichtigen. Normalerweise, wenn die Umgebungstemperatur viel niedriger als die Betriebstemperatur ist, passive Kühlwirkung. Der thermische Gradient zwischen dem System und der Umgebung kann groß sein, was einen größeren Wärmefluss von Ihren Komponenten und der Platine selbst erzwingt. Die Verwendung der aktiven Kühlung, auch wenn die Umgebungstemperatur höher ist, kann laut dem aktiven Kühlsystem eine bessere Kühlwirkung bieten.

Passive Kühlung

Es sollte versucht werden, die passive Kühlung der aktiven Komponente auszugleichen, damit Wärme auf die Bodenschicht verteilt werden kann. Viele aktive Komponenten umfassen Wärmepolster, die sich am Boden der Verpackung befinden, wodurch Wärme durch das genähte Loch an die nahe gelegene Bodenbildung abgegeben werden kann. Diese Nahtlöcher erstrecken sich dann bis zum Kupferpad unterhalb der Baugruppe. Es gibt Leiterplattenrechner, mit denen die Größe des unter dem Bauteil erforderlichen Kupferpads geschätzt werden kann.

Offensichtlich sollte das Kupferpad unterhalb des Bauteils nicht über den Rand des eigentlichen Bauteils hinausragen, da dies die Oberflächenbefestigung oder die Durchgangsstifte stören würde. Wenn ein einziges Pad die Temperatur nicht auf das gewünschte Niveau senken kann, muss möglicherweise ein Heizkörper an der Oberseite des Geräts hinzugefügt werden, um mehr Wärme abzuleiten. Ein Heatpad oder Paste kann auch verwendet werden, um den Wärmefluss in den Heizkörper zu erhöhen.

Eine weitere Option ist die Verdunstungskühlung. Verdunstungskühlungskomponenten sind jedoch sperrig und daher n

nicht für viele Systeme geeignet. Wenn das System undicht oder bricht, tritt Flüssigkeit in der gesamten Platte auf. An dieser Stelle kann eine aktive Kühlmethode verwendet werden, um den gleichen oder besseren Kühleffekt zu erzielen.

Aktive Wärmeableitung

Wenn Sie die Temperatur aktiver Komponenten wie FPgas, CPUS oder anderer aktiver Komponenten mit hohen Schaltgeschwindigkeiten weiter senken müssen, kann eine aktive Kühlung mittels Lüfter erforderlich sein, wenn die passive Kühlung das Problem nicht löst. Lüfter laufen nicht die ganze Zeit mit voller Geschwindigkeit und manchmal schalten sie sich nicht einmal ein. Heißere Komponenten und Komponenten, die mehr Wärme erzeugen, erfordern einen schnelleren Betrieb der Lüfter.

Der Lüfter ist laut, da das PWM-Signal durch den Schalter etwas Rauschen erzeugt. Die Entwicklungsplatine benötigt eine Schaltung zur Erzeugung eines PWM-Signals zur Steuerung der Lüfterdrehzahl und einen Sensor zur Messung der Temperatur der relevanten Komponenten. Ein AC-angetriebener Lüfter mit elektronischer Schaltsteuerung erzeugt ebenfalls an der Basisschaltfrequenz und an jeder der höheren Oberschwingungen ausgestrahlte EMI. Wenn ein Ventilator verwendet wird, muss die nahe gelegene Verdrahtungseinheit über eine ausreichende Geräuschunterdrückung/Störunterdrückung verfügen.

Aktive Kühlsysteme wie Kühlmittel oder Kältemittel können ebenfalls zur substanziellen Kühlung eingesetzt werden. Dies ist eine ungewöhnliche Lösung, da eine Pumpe oder ein Kompressor benötigt wird, um Kühlmittel oder Kältemittel durch das System zu fließen. Zum Beispiel werden Wasserkühlungssysteme zur Kühlung von gpus in Hochleistungs-Gaming-Computern eingesetzt.

Einige einfache thermische Design-Richtlinien

Die Verwendung der Erdungsschicht unterhalb des Signalweges verbessert die Signalintegrität und Rauschunterdrückung. Es fungiert auch als Kühlkörper. Baugruppen mit thermischen Pads verlängern das Nahtloch bis in die Bodenschicht, wodurch die Bodenschicht die Oberflächenwärme leichter ableiten kann. Die in der Oberflächenspur erzeugte Wärme wird dann leicht in den Untergrund abgeführt.

Kabel, die großen Strom tragen, insbesondere in Gleichstromkreisen, müssen ein größeres Kupfergewicht haben, um die richtige Menge an Wärme auf der Platine abzuleiten. Dies kann einen breiteren Draht erfordern, als normalerweise in Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenzanlagen verwendet wird. Die Geometrie beeinflusst die Verdrahtungsimpedanz des AC-Signals, was bedeutet, dass Sie möglicherweise den Stack ändern müssen, damit die Impedanz den Werten entspricht, die im Signalstandard oder in der Quelle-/Lastkomponente definiert sind.

Vorsicht vor thermischen Zyklen in der Leiterplatte, da wiederholte Temperaturzyklen zwischen hohen und niedrigen Werten zu Spannungen in den Durchgangslöchern und Verdrahtungen führen können. Dies kann Rohrbruch in Durchgangslöchern mit hohen Seitenverhältnissen verursachen. Längere Zykluszeiten können auch Spuren auf der Oberflächenschicht verursachen, die das Board beschädigen können.