PCB-Kühlkörper für optimales Wärmemanagement

Inhaltsverzeichnis

Was ist ein Kühlkörper für Leiterplatten (PCB)?

Kühlkörper spielen eine wichtige Rolle bei der Ableitung von Wärme von empfindlichen elektrischen und elektronischen Komponenten. Der Kühlkörper ist in die Komponenten der Leiterplatte integriert. Er ist ein großer Teil der Leiterplatte hergestellt aus leitfähigem Metall auf der Grundlage der Wärmeleitfähigkeit. Die Komponenten, mit denen ein Kühlkörper verbunden oder in eine Leiterplatte integriert ist, sind Schaltgeräte und Transistoren. Der wichtigste und grundlegende Zweck eines Kühlkörpers ist die Ableitung und Aufnahme von Wärme. Kühlkörper auf Leiterplatten funktionieren normalerweise nach dem Prinzip der Wärmeleitung. Nach dem Prinzip der Wärmeleitung fließt die Wärme von einem Teil mit hohem Wärmewiderstand zu einem Bereich mit niedrigem Wärmewiderstand, und ähnlich verhält es sich mit dem Wärmefluss. Leiterplattenkühlkörper werden aus Kupfer- oder Aluminiummaterialien hergestellt, die eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und einen geringen Wärmewiderstand aufweisen. Bei der Herstellung von Leiterplatten und Leiterplattenkühlkörpern fließt die Wärme üblicherweise von PCB-Komponenten Dieser sachkundige Artikel bietet Ihnen einen umfassenden Überblick über die Technologie der Kühlkörper auf Leiterplatten, ihre Rolle und Funktionsweise bei der Herstellung von Leiterplatten, Designfaktoren, Leistungstechniken und ihre Anwendungen.

Abbildung 1: PCB Kühlkörper

Betrieb und Rolle von Kühlkörpern auf Leiterplatten

Kühlkörper sind ein grundlegender Bestandteil des Wärmemanagements für moderne Leiterplatten, die hohe Stromlasten tragen. Sie verbessern die Zuverlässigkeit des Systems und verhindern vorzeitige Ausfälle. Kühlkörper reduzieren die Temperaturen der Komponenten durch die folgenden Mechanismen:
Konduktive Kühlung;
Der Kühlkörper leitet die Wärmeenergie des heißen Geräts schnell durch den Kontakt Bereich zu den Rippen oder Stiften. Kupfer und Aluminium bieten eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit.
Konvektive Kühlung:
Die Lamellen mit großer Oberfläche geben die Wärme an die Umgebungsluft ab. Der Luftstrom über die Lamellen führt die Wärmeenergie ab.

Strahlungskühlung:
Die Kühlkörper geben elektromagnetische Strahlung ab, wodurch die Wärme von den Lamellen an die Umgebung abgegeben wird. Höhere Effizienz bei höheren Lamellentemperaturen.
Wärme verbreiten
Größere Kühlkörper können die intensive Hitze an einem Hot Spot über eine größere Fläche verteilen und so die Ableitung verbessern.
Die Rolle des Kühlkörpers:
Die wichtigsten Funktionen von PCB-Kühlkörpern sind:
Um die Kreuzung zu reduzieren Temperatur von Leiterplatten, ICs, Leistungshalbleitern und LEDs. Es hält die Komponenten innerhalb sicherer Betriebsgrenzen, um Schäden zu vermeiden. Verbessern Sie die Systemzuverlässigkeit und die Produktlebensdauer. Es ermöglicht eine höhere Ausgangsleistung durch Vergrößerung der thermischen Lücke.

Abbildung 2: PCB Heat SInk Layer Design

Typen von Kühlkörpern

Es gibt zwei Hauptkategorien von Kühlkörpern, die für die Kühlung von Leiterplatten verwendet werden:
Extrudierte Kühlkörper:
Auch Kühlkörper mit Rippen genannt. Teile aus Aluminium, die mit Rippen versehen sind, um die dem Luftstrom ausgesetzte Oberfläche zu vergrößern.
Vorteile
Es hat eine hohe Wärmeleistung aufgrund seiner großen Oberfläche und ist leicht. Es bietet Niedrige Kosten für große Produktion und die einfache Installation, z.B. durch Reibschluss oder Anbringen an Geräten.
Nachteile
Es hat begrenzte Größen- und Ausrichtungsoptionen und weniger Anpassungsmöglichkeiten.
Gefertigte Kühlkörper:
Auch bekannt als maschinell bearbeitete Kühlkörper. Hergestellt durch Schneiden dünner Schichten zur Erzeugung von Rippen aus einem Metallblock.
Vorteile
Es ist in hohem Maße anpassbar und bietet eine Reihe von Formen, Größen und Lamellenmustern. Es kann direkt mit Befestigungselementen versehen werden und ist ideal für kleine Chargen und Proben.
Nachteile
Höhere Bearbeitungskosten und geringere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu extrudierten Spülen.
Gerippte stranggepresste Kühlkörper sind für große Produktionen vorzuziehen. Gefertigte Kühlkörper ermöglichen vollständig kundenspezifische Layouts.

Welche Materialien kann ich für den PCB-Kühlkörper verwenden?

Die am häufigsten verwendeten Materialien für Kühlkörper Design und Herstellung sind:
Aluminium
Geringes Gewicht, niedrige Kosten und ausgezeichnete Leitfähigkeit. Leicht zu extrudieren oder zu bearbeiten. Am häufigsten verwendet.
Kupfer
Höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium, aber höheres Gewicht und Risiko der Oxidation. Wird für sehr hohe Leistungen verwendet
Aluminium-Legierungen
Legierungen, die für bestimmte Eigenschaften angepasst sind - thermisch, mechanisch, Oxidationsschutz usw.
Kohlefaser
Leichtes Gewicht mit mäßiger Leitfähigkeit. Teuer, aber kostengünstig für gewichtskritische Anwendungen.
Keramiken
Fortgeschrittene Keramiken wie Aluminiumnitrid für hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolierung.
Thermisch leitfähige Kunststoffe
Geringere Leitfähigkeit, aber es kann ein direkt im Gehäuse befestigter Kühlkörper aus Kunststoff geformt werden.

Abbildung 3: PCB Kühlkörper Layout

Faktoren, die die Leistung von PCB-Kühlkörpern beeinflussen

Es ist ein elektronisches Gerät, das die Wärme von der Komponenten für gedruckte Schaltungen und Wärmequellen und gibt sie an die Umgebungsluft ab. Auf der Oberfläche von Leiterplatten sind Kühlkörper mit Hochleistungskomponenten integriert, um deren Betriebstemperatur zu minimieren. PCB-Kühlkörper sind besser für das Wärmemanagement von Leiterplatten während des PCB-Design- und Herstellungsprozesses geeignet. Sie bewahren die elektronischen Geräte vor Überhitzungsschäden. Mehrere Parameter beeinflussen die Leistung von PCB-Kühlkörpern:

Material

Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer und Aluminiumlegierungen funktionieren besser.

Fläche

Eine größere Oberfläche der Lamellen und Stifte erhöht die Wärmeableitung.

Höhe/Volumen

Höhere Kühlkörper bieten mehr Rippen und eine größere Oberfläche für eine bessere Kühlung.

Lamellen-Dichte

Eine höhere Anzahl von Lamellen pro Zoll (FPI) vergrößert die Fläche, die dem Luftstrom ausgesetzt ist.

Basis Ebenheit

Eine flache Kontaktbasis sorgt für einen geringeren thermischen Verbindungswiderstand.

Kontakt Bereich

Größere Kontaktfläche für die Wärmeableitung aus dem heißen Gerät.

Luftstrom

Eine höhere Luftstromgeschwindigkeit über den Lamellen verbessert die Wärmeabfuhr. Natürliche oder erzwungene Konvektion.

Orientierung

Vertikale Lamellen funktionieren am besten mit natürlicher Konvektion. Horizontale Lamellen benötigen einen erzwungenen Luftstrom.

Pfändungsmethode

Minimieren Sie die Materialien der thermischen Schnittstelle für eine optimale Wärmeleitung in den Kühlkörper.

Methoden zur Befestigung von Kühlkörpern

Eine wirksame thermische Verbindung zwischen dem Gerät und dem Kühlkörper ist entscheidend. Die Optionen umfassen:
Thermische Klebstoffe:
Epoxidharze und Klebebänder befestigen das Waschbecken und die Komponente. Einfach, aber es erhöht die Widerstandsfähigkeit der Schnittstelle.
Mechanische Befestigung:
Schrauben oder Klammern üben Druck aus, um thermische Lücken zu minimieren.
Löten:
Das Löten verbindet die Senke und das Gerät direkt und sorgt so für den geringsten Widerstand.
Friktionspassung/Clips:
Die einrastbaren Kühlkörper ermöglichen eine schnelle Installation.
Direct Over Molding:
Schließt die Komponente und den Kühlkörper zu einer kombinierten Einheit zusammen.
Die Vermeidung von thermischen Grenzflächenmaterialien verbessert die Wärmeableitung aus den Geräten.
Beschichtungen von Kühlkörpern:
Spezielle Beschichtungen können die Eigenschaften und die Lebensdauer von Kühlkörpern erhöhen:
● Eloxieren - Eine schützende Aluminiumoxidschicht verhindert Schäden und Oxidation.
● Emissivitätsbeschichtungen - Erhöhen die Wärmeabfuhr durch Strahlung.
● Anti-Staub-Beschichtungen - Verhindern das Blockieren der Lamellen durch Umweltverschmutzungen.
● Hydrophobe Beschichtungen - leiten Wasser ab, um Wasseransammlungen zu vermeiden.
● Antimikrobielle Beschichtungen - Reduzieren das Wachstum von Mikroben in den Flossen.
Die Wahl der richtigen Beschichtung hängt von der Betriebsumgebung und den Betriebsbedingungen ab.

Optimierung des PCB-Kühlkörperdesigns

Verschiedene Techniken verbessern die Leistung von Leiterplattenkühlkörpern:
● Größere Oberfläche - Mehr und höhere Lamellen führen zu einer höheren Lamellendichte.
● Verbesserter Luftstrom - Ordnen Sie Lamellen für natürliche Konvektion an oder fügen Sie Ventilatoren/Gebläse hinzu.
● Höhere Leitfähigkeit - Verwenden Sie reines Aluminium oder Kupfer anstelle von Legierungen.
● Leistungsfähigere Materialien - Kupfer anstelle von Aluminium. Verwenden Sie Kohlefaser, wenn das Gewicht entscheidend ist.
● Fortschrittliche Beschichtungen - Verbesserte Emissivität, staubabweisende, hydrophobe Eigenschaften usw.
● Schnittstellen minimieren - Direktes Anbringen ohne Kleber oder Fett.
● Aktive Kühlung - Fügen Sie thermoelektrische Kühler (TECs) für große Lasten hinzu.
Bei sorgfältigem Design halten Hochleistungskühlkörper die Geräte auch bei sehr hohen Leistungsdichten kühl.

PCB Kühlkörper Anwendungen

Leiterplatten Die Anforderungen an Kühlkörper variieren je nach erwarteter thermischer Belastung und Umgebung:
Leistungselektronik
IGBT-Module, Umrichter, Gleichrichter und andere Leistungshalbleiter erzeugen erhebliche Abwärme. Große Kühlkörper mit Zwangsluft- oder Flüssigkeitskühlung sind üblich. Grundplattenmontierte Designs leiten die Wärme in das Gehäuse. Ein niedriger Wärmewiderstand ist entscheidend, um größere Ausfälle zu vermeiden.
LED-Beleuchtung
LEDs mit hoher Helligkeit benötigen Kühlkörper aus Kupfer oder Keramik, um die Lichtausbeute zu erhalten. Dafür ermöglichen Kühlkörper eine dichte LED-Anordnung für Lichtquellen. Die Reflektorfixierung maximiert die nach unten gerichtete Beleuchtung. Die thermische Modellierung stellt sicher, dass die Grenzwerte für die Sperrschichttemperatur eingehalten werden.
Automobilindustrie
Die Elektronik hält Temperaturschwankungen von -40°C bis über 125°C sowie Schmutz und Feuchtigkeit aus. Kühlkörper aus Aluminium schützen Steuergeräte und ADAS-Komponenten. Hohe Kühlrippen sorgen für Kühlung auf engstem Raum rund um den Motor. Direktes Umspritzen deckt die Elektronik vollständig ab.
Telekommunikation
Basisstationen und Funksender benötigen eine zuverlässige Kühlung für die Installation im Freien. Deshalb kühlen ausgeworfene Aluminiumkühlkörper Leistungsverstärker und Module. Die Kühlrippen sind vertikal angeordnet, um eine natürliche Luftkonvektion zu ermöglichen. Wasserverdrängende Beschichtungen schützen vor Feuchtigkeitsansammlungen bei Vereisung.
Luft- und Raumfahrttechnik
Die Luftfahrt ist extremen Vibrationen und Temperaturschwankungen ausgesetzt. Zur Vorbeugung von Schäden haben Kühlkörper die folgenden Aufgaben.
Um Stößen und Beschleunigungen standzuhalten, ist eine stabile Leiterplatten-Kontaktierung erforderlich. Entsprechende Kühlkörper lassen sich auch an unregelmäßigen Formen sicher befestigen.
Server
Dense Computing-Gruppen erzeugen erhebliche Wärmelasten, für die eine aktive Kühlung erforderlich ist Heatpipe und Dampfkammer verteilen die Wärme von CPUs und GPUs. Große Arrays von Pin-Finnen oder Mikrokanälen, die von Lüftern gekühlt werden. Und für extreme Wärmelasten gibt es fortschrittliche Kühlplatten mit Flüssigkeitskühlung.

Unterhaltungselektronik
Elektronik hat Leichte, kostengünstige Leiterplattenkühlkörper, die empfindliche Komponenten von Mobilgeräten kühlen. Ultradünne entfernte Rippen leiten die Wärme von Chipsätzen schnell ab und kompakte Formfaktoren nehmen nur wenig Platz in Anspruch.

Fazit

Leiterplattenkühlkörper sind ein einfaches, aber unschätzbares Werkzeug zur Kontrolle der Bauteiltemperaturen in moderner Hochleistungselektronik. Da die Geräte immer kleiner werden, während die Wärmebelastung steigt, ist das Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung für die Produktzuverlässigkeit und die Vermeidung von Ausfällen im Feld. Dieser wachsende Bedarf wird zu weiteren Verbesserungen bei den Materialien für Kühlkörper, den Fertigungstechniken und der Simulationssoftware führen. Mit einem umfassenden Ansatz, der mechanische, elektrische und thermische Faktoren berücksichtigt, werden die Kühlkörper auf Leiterplatten die Sicherheitsmargen weiter verbessern und die nächste Generation von Leiterplatten mit hoher Leistungsdichte ermöglichen.

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