Thermische Leiterplatten oder Wärmemanagementtechniken bei der Entwicklung von Leiterplatten

Inhaltsverzeichnis

PCBs sind ein wesentlicher Bestandteil fast aller elektronischen Geräte. Da die Komponenten immer kleiner und leistungsstärker werden, ist die richtige Wärmeverteilung für die Zuverlässigkeit und die Leistung von entscheidender Bedeutung. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die grundlegenden Überlegungen zum Wärmemanagement bei der Herstellung von Leiterplatten, von oben nach unten.

Einführung in thermische Probleme bei PCBs

Mit jeder neuen Generation von Elektronik wird das Wärmemanagement immer wichtiger. In der Vergangenheit haben Windstrom und Wärmeableitung waren häufig ausreichende Kombinationen. Höhere Leistungsdichten, kompaktere Designs und strenge Zuverlässigkeitsanforderungen erfordern jedoch immer komplexere Fertigungstechniken.
Wenn sie unkontrolliert bleibt, kann eine übermäßige Intensität zu einer verkürzten Lebenserwartung, unregelmäßigen Problemen und einer allgemeinen Instabilität des Systems führen. Außerdem kann sie die Glaubwürdigkeit von Signalen beeinträchtigen und Leckströme erhöhen. Daher ist ein gründliches Verständnis der Warmplan-Standards für Formatplaner und PCB-Architekten unerlässlich.
Die folgenden Faktoren erhöhen die Probleme beim Wärmemanagement von Leiterplatten:
● Hochleistungskomponenten wie CPUs, GPUs, Stromwandler usw. erzeugen erhebliche Wärme, die in kleinen Bereichen lokalisiert ist.
● Durch die Komprimierung werden die Komponenten enger aneinander gepackt, was zu einem Wärmestau führt.
Viele Teile komplexer Hardware müssen bei hohen Temperaturen arbeiten, was bedeutet, dass weniger Zeit zum Aufwärmen zur Verfügung steht, bevor die Grenzwerte erreicht werden.
● Eine effiziente Energieumwandlung führt dazu, dass die meiste Energie als Wärme und nicht als nützliche Arbeit freigesetzt wird. Mit dieser Wärme muss umgegangen werden.
● Die Nachfrage der Verbraucher nach schnelleren, leistungsfähigeren Geräten führt zu einer höheren Leistungsdichte.
In Anbetracht dieser Herausforderungen sollten wir uns einige der beliebtesten Techniken für das Wärmemanagement von Leiterplatten ansehen.

Thermische Leiterplatte
Abbildung 1: PCB Thermal Management

Thermische PCB-Design-Strategien

In einem elektronischen Gerät kann das Wärmemanagement auf zwei Arten erreicht werden: entweder durch Minimierung der anfänglichen Produktion oder durch effizientere Ableitung der Wärme. Für ein effektives thermisches Design ist die Kombination der beiden Methoden erforderlich. Typische thermische Leiterplattensysteme bestehen aus:

Wärmeableitung:
Geräte, die als Kühlkörper bezeichnet werden, sind so konzipiert, dass sie an Komponenten mit hoher Leistung angebracht werden, um die für die Wärmeverteilung verfügbare Oberfläche zu vergrößern. Sowohl Strahlung als auch Konvektion können aufgrund der großen, unbedeckten Fläche eine höhere Leistung übertragen. Die Effizienz von Kühlkörpern kann durch Hinzufügen von Rippen oder Formgebung verbessert werden, um die Oberfläche zu maximieren. Lüfter werden oft mit Kühlkörpern kombiniert, um einen zusätzlichen Luftstrom zu erzeugen.
Methoden zur Befestigung von Kühlkörpern optimieren die Wärmeleitung von Komponente zu sinken. Wärmeleitmaterialien wie Fette oder Pads füllen Luftspalten. Klemmen üben Druck aus, um den Kontaktwiderstand zu minimieren.
Platzierung der Komponente
Die strategische Platzierung von Teilen mit hoher Leistung kann die Bildung von Hotspots vermeiden. Durch die Trennung von Wärmequellen wird die Bildung von Wärmebrücken reduziert. Die Ausrichtung von Geräten leitet die Wärme in bestimmte Richtungen ab, z. B. vertikal nach oben in Richtung der Gehäuseoberflächen. Eine gruppierte Platzierung mit anderen heißen Geräten erleichtert die gemeinsame Nutzung von Kühlkörpern. Dennoch ist ein gewisser Abstand erforderlich, um einen Luftstrom zu ermöglichen.
Board Layer Stackup
Kupferschichten verteilen die Wärme über die Oberfläche einer Leiterplatte und wirken so wie ein Wärmeverteiler. Mehr Schichten verbessern dies erheblich. Wärmeleitende Leiterplatten oder wärmeleitende dielektrische Materialien oder dünne Kerne leiten die Wärme besser ab und isolieren gleichzeitig die Schichten elektrisch. Vias sorgen für niedrigen Widerstand Wärmeleitung Pfade zwischen den Schichten. Das Füllen mit wärmeleitenden Materialien verstärkt dies noch.
Luftstrom und Kühlgebläse
Die Erhöhung des Luftstroms verbessert die Konvektionskühlung erheblich. Das optimierte Design von Kanälen und Leitungen lenkt den Luftstrom in die wichtigsten Bereiche. Kleine Lüfter sorgen für einen erzwungenen Luftstrom über Platinen und Kühlkörper. Lüftergeschwindigkeit und Geräuschentwicklung müssen ausgeglichen werden. Gebläse, Impingement und Flüssigkeitskühlung sind weitere aktive Methoden, die eingesetzt werden, wenn die herkömmliche Kühlung nicht ausreicht.
Thermische PCB Materialauswahl
Verpackung der Komponenten Materialien wie Keramik oder Metall leiten Wärme viel besser ab als Kunststoffe. Lötmittel, Fette und Thermobänder/-pads, die bei der Montage verwendet werden, beeinflussen den Wärmewiderstand der Verbindungen. PCB-Laminate mit höherer Wärmeleitfähigkeit sorgen für eine seitliche Wärmeausbreitung innerhalb der Platte. Selbst kleine Materialänderungen können den Wärmefluss dort, wo er am wichtigsten ist, erheblich verbessern.
Bei so vielen Optionen kann das thermische Design für Leiterplatten sehr komplex werden. Als nächstes befassen wir uns mit Empfehlungen für das thermische Leiterplattendesign und den Layoutprozess selbst.

Thermische Leiterplatte
Abbildung 2; Wärmeleitpult

Bewährte Praktiken für das thermische Design im PCB-Layout

Während PCB-Layout sich im Allgemeinen auf die elektrische Konnektivität, die Signalintegrität und die EMI-Kontrolle konzentriert, beeinflusst sie auch die thermische Leistung erheblich. Hier sind einige wichtige Überlegungen für Leiterplatte Designer, die den Wärmefluss während des Layouts optimieren können:
Simulation und Modellierung
Führen Sie thermische Simulationen der nicht entflechteten Leiterplatte unter Verwendung der geschätzten Leistungspegel und Gehäuse durch.
Lösen Sie die wichtigsten Probleme in diesem Stadium. Generieren Sie, wenn möglich, frühzeitig thermische Modelle für einzelne ICs. Beziehen Sie diese in Modelle auf Systemebene ein. Verwenden Sie die Ergebnisse der thermischen Simulation, um die Anforderungen an Kühlkörper und Lüfter zu bestimmen, falls eine aktive Kühlung erforderlich ist.
Bauteiloberfläche Design
Gruppieren Sie wärmeerzeugende Komponenten auf dem Grundriss zusammen, um die Wärmeabfuhr in bestimmten Bereichen zu konsolidieren. Platzieren Sie heiße Geräte in der Nähe des Randes der Platine oder eines Metallgehäuses, um die Wärmeabfuhr zu erleichtern. Richten Sie die Geräte so aus, dass natürliche vertikale Schornsteine für die Konvektion entstehen, wo dies möglich ist.
PCB-Spur Routing
Sorgen Sie für eine thermische Massefläche auf den inneren Lagen für die seitliche Wärmeausbreitung. Verwenden Sie mehrere Durchkontaktierungen, um Geräte zu verbinden. Maximieren Sie den Kupferanteil in der Nähe heißer Bereiche, um die Wärme zu verteilen, auch wenn keine elektrische Verbindung besteht. Verlegen Sie Leiterbahnen für hohe Ströme auf den inneren Lagen, die dem Gehäuse oder Kühlkörper am nächsten sind, sofern dies möglich ist.
Layer Stackup Konfiguration
Verwenden Sie eine dickere Kupferschicht in der Nähe der heißen Zonen, wenn es das Budget erlaubt. Legen Sie die Stromversorgungs- und Erdungsebenen so nah wie möglich an das externe Gehäuse oder die Kühlkörper. Verwenden Sie wärmeleitende dielektrische Materialien oder dünne Kerne, wenn ein verbesserter vertikaler Wärmefluss erforderlich ist.
Integration des Kühlkörpers
Definieren Sie Montagelöcher und lassen Sie Bereiche für Kühlkörper frühzeitig aus, um Platz zu schaffen. Platzieren Sie die Schnittstellen der Platine direkt unter den heißen Komponenten, um den Wärmeübergang zu minimieren. Verwenden Sie Durchkontaktierungen unter den Pads, um die Wärme durch die Lötstellen zu den vorgesehenen Kühlkörpern zu leiten.
Post-Layout-Analyse
Überprüfen Sie das endgültige Platinenlayout mit einer thermischen Simulation unter Verwendung der genauen Geometrie und Kupfergewichte. Verfeinern Sie bei Bedarf den Ansatz für den Kühlkörper auf der Grundlage der aktualisierten Temperaturdiagramme und -gradienten. Bestätigen Sie, dass die elektrische Leistung durch mögliche thermisch bedingte Änderungen erhalten bleibt.
Befolgen Sie diese Richtlinien, PCB-Hersteller kann die thermische Leistung durch ein separates Layout effizient verbessern, bevor teurere oder komplexere Lösungen erforderlich sind.
Als Nächstes werden wir einige fortschrittliche Kühlmethoden und -technologien untersuchen, die eingesetzt werden, wenn herkömmliche Praktiken für das Wärmemanagement von Leiterplatten unzureichend sind.

Innovative Wärmemanagement-Techniken

Für extrem hohe Leistungsdichten oder schwierige Betriebsumgebungen reichen Standardkühlungskonzepte möglicherweise nicht aus. Für diese Situationen wurden Spitzenlösungen entwickelt. Einige Beispiele hierfür sind:
Direkte Flüssigkeitskühlung
Kleine Kühlplatten werden direkt an den Hochtemperaturkomponenten angebracht und lassen eine gekühlte Kühlflüssigkeit zirkulieren. Das ist effektiv, erfordert aber Rohrleitungen, Pumpen und Kühler. Wird derzeit vor allem bei großen Server-CPU-Modulen eingesetzt.
Thermoelektrische Kühler
Peltier-Geräte verwenden elektrischen Strom, um Wärme zu pumpen, und bieten eine Festkörperkühlung. Sie sind kompakt und zuverlässig, aber nicht sehr effizient. Sie werden in erster Linie zur präzisen Temperaturkontrolle eingesetzt, sind aber auch für kleine Hot Spots geeignet, wenn genügend Strom zur Verfügung steht.
Wärmerohre
Heatpipes enthalten eine Flüssigkeit, die an einer heißen Schnittstelle verdampft und die Wärme in eine kühlere Region transportiert, wo sie kondensiert und zurückkehrt. Sie bieten einen sehr geringen Wärmewiderstand über große Entfernungen, erfordern aber ein sorgfältiges Design und eine gute Integration. Sie werden oft verwendet, um Wärme von ICs an entfernte Kühler oder Gehäuseoberflächen zu übertragen.
PCB Thermische Durchkontaktierungen
Kleine, mit leitfähigem Material gefüllte Löcher sorgen für einen geringen Wärmewiderstand zwischen PCB-Schichten.
Es gibt dichte Anordnungen von thermischen Durchlässen unter heißen Komponenten oder über Flächen, die die Wärme seitlich ableiten.
Eingebettete Kühlkörper
Kühlkörper sind in die dielektrischen Schichten der Leiterplatte neben den heißen Komponenten integriert. Sie bieten eine extreme Kühlleistung mit einem kurzen, niederohmigen Wärmepfad, erfordern aber komplexe Herstellung von MehrschichtplattenDadurch entfällt die Notwendigkeit separater Kühlkörperkomponenten.
Aktive und prädiktive Methoden
Komplexe Regelkreise passen die Lüfter oder andere aktive Systeme auf der Grundlage von Temperatursensoren dynamisch an. Vorausschauende Algorithmen bestimmen den zukünftigen Temperaturanstieg auf der Grundlage des Stromverbrauchs und der Umgebungsdaten. Sie ermöglichen es, präventive Kühlmaßnahmen zu ergreifen, bevor die Hitze ein kritisches Niveau erreicht.
In extremen Umgebungen, wie z.B. bei Hochleistungsflugzeugen, Raketen und Satelliten, kann das Wärmemanagement über den Erfolg oder Misserfolg des gesamten Designs entscheiden. Die Lösungen werden zwar immer komplexer und kostspieliger, aber in bestimmten Fällen sind sie die einzigen praktikablen Optionen.

Thermische Leiterplatte
Abbildung 3: Wärmemanagement in PCB

Thermisches PCB-Design - Herausforderungen und Zukunftsaussichten

Thermische Probleme haben schon lange Einfluss auf das Design elektronischer Produkte, aber steigende Leistungsdichten und Temperaturanforderungen machen sie zu einer noch größeren Herausforderung. Da die Komponenten immer kleiner werden und gleichzeitig mehr Wärme auf kompaktem Raum abführen, müssen die Verfahren für das thermische Design Schritt halten.
Die folgenden Hot Management Systeme werden von einigen Trends bestimmt:
● Extreme Leistungen von mehr als 300 W werden jetzt auf der Platine fortschrittlicher Systeme erreicht. Herkömmliche Kühlung ist nicht mehr ausreichend.
● In Umgebungen mit hohen Temperaturen und großem Temperaturbereich muss die Elektronik weit über 100°C oder über 100°C Deltas arbeiten.
● Ausweitung der thermischen Designmargen, die bisher als Überdesign angesehen wurden und nun für Zuverlässigkeitsziele notwendig sind.
● Kostengünstige thermische Lösungen sind unzureichend. Fortgeschrittene Methoden sind trotz zusätzlicher Kosten und Komplexität eine Voraussetzung.
● Eine engere Koordination zwischen elektrischen, mechanischen und thermischen Bereichen ist bereits zu Beginn der Produktentwicklung erforderlich.
Thermische Simulation, Prototyping, Tests und Charakterisierung sind wichtiger als je zuvor.
So wie die Probleme wachsen, so wachsen auch die möglichen Lösungen. Moderne wärmeleitende Materialien, verbesserte Materialproduktionsprozesse, die fortschrittliche Kühlkörper ermöglichen, und On-Chip-Kühltechniken, die piezoelektrische Bauelemente oder Mikrofluidik nutzen, weisen auf Potenzial hin. Die Verbesserungen in der Wärmeverwaltung werden sich weiterentwickeln und Hürden in mögliche Chancen verwandeln.

Fazit

Die Kontrolle der Wärmeableitung ist entscheidend für die Stabilität und Leistung elektronischer Systeme. Die Lösung von Problemen mit dem Wärmemanagement oder der Wärmeableitung in der Vergangenheit und beim Design von Leiterplatten ist für Leiterplattenhersteller entscheidend, um bewusst und reaktionsschnell zu sein. In Kombination mit den neuesten innovativen Wärmemanagement-Techniken Die hervorragende Leistung von Warmplan stellt sicher, dass die Geräte ihr Anzeigepotenzial in einer zunehmenden Vielfalt von erforderlichen elektronischen Anwendungen erfüllen.

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