7 kluczowych technik zarządzania termicznego PCB: Zwiększanie niezawodności w produktach motoryzacyjnych, LED i przemysłowych​

Źródło obrazu: Internet

SPIS TREŚCI​

• Najważniejsze wnioski​
• Znaczenie zarządzania termicznego PCB​
• 7 głównych technik zarządzania termicznego PCB​
• Zastosowania w świecie rzeczywistym i studia przypadków​
• Wyzwania i uwagi​
• Wskazówki dotyczące skutecznego zarządzania termicznego PCB​
• FAQ​

Najważniejsze wnioski​
  1. W zastosowaniach o dużej mocy, takich jak produkty motoryzacyjne, LED i przemysłowe, skuteczne zarządzanie termiczne PCB ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia niezawodności komponentów i wydłużenia żywotności produktu.​
  2. Połączenie technik, takich jak stosowanie materiałów o wysokiej przewodności cieplnej, optymalizacja układu PCB oraz wdrażanie aktywnych i pasywnych metod chłodzenia, może znacznie poprawić rozpraszanie ciepła.​
  3. Zarządzanie termiczne nie tylko zapobiega przegrzaniu, ale także poprawia ogólną wydajność urządzeń elektronicznych.​

Znaczenie zarządzania termicznego PCB​

We współczesnej elektronice energochłonne komponenty stają się mniejsze i bardziej gęsto upakowane. Na przykład w systemach motoryzacyjnych półprzewodniki dużej mocy w falownikach pojazdów elektrycznych (EV) i zaawansowanych procesorach systemów wspomagania kierowcy (ADAS) generują znaczne ciepło. W oświetleniu LED diody LED o wysokiej jasności muszą skutecznie rozpraszać ciepło, aby zachować swoją skuteczność świetlną. Urządzenia przemysłowe, charakteryzujące się ciągłą pracą i wysokimi wymaganiami dotyczącymi mocy, również stoją w obliczu znacznych wyzwań termicznych.​

Nadmierne ciepło może prowadzić do degradacji komponentów, skrócenia żywotności, a nawet awarii systemu. Dlatego skuteczne zarządzanie termiczne PCB jest niezbędne do utrzymania komponentów w ich optymalnym zakresie temperatur pracy.​

7 głównych technik zarządzania termicznego PCB​

1. Materiały PCB o wysokiej przewodności cieplnej

PCB na bazie aluminium są opłacalne i szeroko stosowane w oświetleniu LED ze względu na ich zdolność do rozpraszania ciepła z diod LED. PCB na bazie miedzi, o bardzo wysokiej przewodności cieplnej, nadają się do zastosowań, w których duże ilości ciepła muszą być szybko przenoszone. PCB na bazie ceramiki oferują doskonałe właściwości termiczne i elektryczne, dzięki czemu idealnie nadają się do trudnych warunków.

2. Przelotki termiczne​
Przelotki termiczne to małe otwory w PCB wypełnione materiałem o wysokiej przewodności, zwykle miedzią. Działają jako kanały cieplne, przenosząc ciepło z gorących komponentów na powierzchni do warstw wewnętrznych lub radiatorów. Tworząc pionową ścieżkę termiczną, przelotki termiczne mogą znacznie zmniejszyć rezystancję termiczną. Umieszczenie tablicy przelotek termicznych o dużej gęstości pod komponentami dużej mocy, takimi jak tranzystory MOSFET w elektronice samochodowej lub diody LED o wysokiej jasności, może skutecznie odprowadzać ciepło ze źródła.​

3. Radiatory​
Radiatory to konstrukcje przewodzące ciepło, zwykle wykonane z aluminium lub miedzi, które są przymocowane do komponentów dużej mocy. Zwiększają powierzchnię dostępną do rozpraszania ciepła, umożliwiając bardziej efektywne przenoszenie ciepła do otaczającego powietrza. W samochodowych jednostkach sterujących (ECU) i przemysłowych panelach sterowania radiatory są powszechnie stosowane do chłodzenia procesorów i tranzystorów mocy. Konstrukcję radiatorów, w tym liczbę żeber, wysokość żeber i odstępy między żebrami, można zoptymalizować dla różnych zastosowań, aby zmaksymalizować przenoszenie ciepła.​

4. Materiały interfejsu termicznego (TIM)​
TIM, takie jak pasta termoprzewodząca, podkładki termiczne i materiały zmiennofazowe, służą do wypełniania szczelin między komponentami a radiatorami lub PCB. Poprawiają kontakt termiczny, zmniejszając rezystancję termiczną na interfejsie. W modułach LED podkładki termiczne są często używane do przenoszenia ciepła z matrycy LED do aluminiowego podłoża. W elektronice mocy samochodowej wysokowydajne pasty termoprzewodzące są nakładane między obudową półprzewodnika a radiatorem w celu zwiększenia wydajności przenoszenia ciepła.​

5. Optymalizacja układu PCB​
Umieszczenie komponentów: Komponenty dużej mocy powinny być umieszczone w pobliżu krawędzi PCB w celu lepszego przepływu powietrza lub blisko radiatorów. W płytkach PCB stosowanych w motoryzacji komponenty energochłonne, takie jak IGBT (tranzystory bipolarne z izolowaną bramką) w falownikach EV, są umieszczane w obszarach o dobrej wentylacji. Komponenty wrażliwe na ciepło powinny być trzymane z dala od źródeł generujących wysokie temperatury.​
Płaszczyzny i ścieżki miedziane: Zwiększenie grubości płaszczyzn i ścieżek miedzianych może zwiększyć ich zdolność do rozpraszania ciepła. W przemysłowych płytkach PCB zasilających grube ścieżki miedziane służą do przenoszenia dużych prądów i rozpraszania ciepła. Dodatkowo tworzenie dużych obszarów zalewania miedzią wokół komponentów dużej mocy może pomóc w równomiernym rozprowadzaniu ciepła.​

6. Chłodzenie wymuszone powietrzem (wentylatory)​
Wentylatory mogą być używane do zwiększenia konwekcyjnego przenoszenia ciepła. W urządzeniach przemysłowych dużej mocy i niektórych zastosowaniach motoryzacyjnych, takich jak wysokowydajne obliczenia w systemach ADAS, wentylatory są instalowane w celu nadmuchu powietrza na PCB, odprowadzając ciepło. Prędkość i kierunek przepływu powietrza można kontrolować w celu optymalizacji chłodzenia. Na przykład w komputerze przemysłowym klasy serwerowej wentylatory są strategicznie rozmieszczone, aby zapewnić skuteczne chłodzenie wszystkich komponentów, zwłaszcza procesorów i GPU dużej mocy.​

7. Chłodzenie cieczą​
Systemy chłodzenia cieczą, takie jak płyty chłodzące, są stosowane w zastosowaniach, w których wymagane jest rozpraszanie dużej mocy. W pojazdach elektrycznych płyty chłodzące chłodzone cieczą służą do chłodzenia systemu zarządzania akumulatorem i elektroniki mocy. Ciecz, zwykle mieszanina wody i glikolu, pochłania ciepło z komponentów i przenosi je do chłodnicy w celu rozproszenia. Chłodzenie cieczą oferuje wyższe wskaźniki przenoszenia ciepła w porównaniu z metodami chłodzenia powietrzem, co czyni je odpowiednim dla zastosowań o dużej mocy i ograniczonej przestrzeni.

Zastosowania w świecie rzeczywistym i studia przypadków​

  1. Motoryzacja: W systemie zarządzania akumulatorem (BMS) pojazdu elektrycznego stosuje się połączenie PCB na bazie miedzi, przelotek termicznych i płyt chłodzących chłodzonych cieczą. PCB na bazie miedzi skutecznie przenoszą ciepło z ogniw akumulatora do płyty chłodzącej, podczas gdy przelotki termiczne zwiększają przenoszenie ciepła między różnymi warstwami PCB. Zapewnia to bezpieczną i wydajną pracę BMS, wydłużając żywotność akumulatora.​

  2. Oświetlenie LED: W lampie ulicznej LED dużej mocy stosuje się PCB na bazie aluminium z radiatorami i podkładkami termicznymi. Aluminiowe podłoże rozprasza ciepło z diod LED, radiatory zwiększają powierzchnię rozpraszania ciepła do powietrza, a podkładki termiczne poprawiają kontakt termiczny między diodami LED a PCB. Powoduje to dłuższą żywotność i bardziej wydajną lampę uliczną LED.​

  3. Przemysł: W falowniku przemysłowym dużej mocy połączono PCB na bazie ceramiki, radiatory i chłodzenie wymuszone powietrzem. Ceramiczne PCB może wytrzymać wysokie temperatury, radiatory pomagają rozpraszać ciepło z półprzewodników mocy, a system chłodzenia wymuszonego powietrzem zapewnia ciągłe i wydajne chłodzenie podczas pracy falownika.​

Wyzwania i uwagi​

  1. Koszt: Wysokowydajne materiały i komponenty do zarządzania termicznego, takie jak PCB na bazie ceramiki i zaawansowane systemy chłodzenia cieczą, mogą być drogie. Projektanci muszą zrównoważyć koszty z wymaganiami wydajności.​

  2. Ograniczenia przestrzenne: W kompaktowych urządzeniach elektronicznych znalezienie miejsca na radiatory, wentylatory lub komponenty chłodzenia cieczą może być wyzwaniem. Układ PCB musi być starannie zoptymalizowany, aby maksymalnie wykorzystać dostępną przestrzeń.​

  3. Niezawodność: Dodatkowe komponenty i systemy używane do zarządzania termicznego, takie jak wentylatory, muszą być niezawodne. Awaria systemu chłodzenia może prowadzić do przegrzania i uszkodzenia komponentów.​

Wskazówki dotyczące skutecznego zarządzania termicznego PCB​

  1. Symulacja termiczna: Używaj oprogramowania do symulacji termicznej, takiego jak ANSYS Icepak lub FloTHERM, na etapie projektowania, aby przewidzieć rozkład ciepła i zoptymalizować projekt zarządzania termicznego.​
  2. Dobór komponentów: Wybieraj komponenty o niższym zużyciu energii i lepszych właściwościach termicznych, jeśli to możliwe.​
  3. Regularna konserwacja: W zastosowaniach z wentylatorami lub systemami chłodzenia cieczą należy zapewnić regularną konserwację, aby system chłodzenia działał wydajnie.​

FAQ​
Jaka jest najskuteczniejsza technika zarządzania termicznego?​
Nie ma uniwersalnej odpowiedzi. Najskuteczniejsza technika zależy od wymagań dotyczących mocy, ograniczeń przestrzennych i ograniczeń kosztowych danego zastosowania. W wielu przypadkach najlepszym podejściem jest połączenie technik.​

Czy mogę używać przelotek termicznych w elastycznym PCB?​
Tak, ale wymagane są specjalne uwagi. Elastyczne PCB z przelotkami termicznymi wymagają starannego zaprojektowania, aby zapewnić, że przelotki wytrzymają zginanie i zachowają swoją przewodność cieplną.​

Jak wybrać odpowiedni radiator do mojego zastosowania?​
Weź pod uwagę czynniki takie jak rozpraszanie mocy komponentu, dostępna przestrzeń, środowisko pracy (np. temperatura, wilgotność) i wymagana wydajność chłodzenia. Producenci radiatorów zwykle dostarczają arkusze danych, które pomagają w doborze.​

Podsumowując, skuteczne zarządzanie termiczne PCB to wieloaspektowe podejście, które łączy dobór materiałów, projekt układu i metody chłodzenia. Wdrażając te 7 kluczowych technik, projektanci mogą znacznie poprawić niezawodność i wydajność produktów motoryzacyjnych, LED i przemysłowych, zapewniając ich płynne działanie nawet w warunkach wysokiej temperatury.