Die umfassendsten Grundsätze der thermischen Auslegung für Leiterplatten

Es wird geschätzt, dass über die Hälfte der elektronischen Bauteile aufgrund von hoher Belastung durch thermische Umgebungen ausfallen. In den letzten Jahren wurden großflächige und hyperskalierte integrierte Schaltungen (ICs) sowie die Oberflächenmontagetechnologie (SMT) weit verbreitet eingesetzt, und elektronische Produkte entwickeln sich zunehmend in Richtung Miniaturisierung, hoher Dichte und hoher Zuverlässigkeit. Dementsprechend stellen elektronische Systeme immer höhere Anforderungen an die thermische Leistung. Schließlich spielt das mit dem Aufkommen elektronischer Produkte entstandene Wärmemanagement eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Leistung und Funktion elektronischer Systeme.

Als Rückgrat elektronischer Geräte sorgt das durchdachte Design von Leiterplatten (PCBs, Printed Circuit Boards) für deren hohe Leistungsfähigkeit. Wenn das PCB-Design die thermischen Anforderungen teilweise oder sogar vollständig nicht erfüllt, sind elektronische Geräte definitiv einem Beschädigungs- oder sogar Ausfallrisiko ausgesetzt. Die stetig wachsende Integration von Schaltungsmodulen sowie der umfangreiche Einsatz von ICs und Multi-Chip-Modulen (MCM) tragen zur Erhöhung der Bauteildichte bei, was wiederum zu einer höheren Wärmestromdichte auf den PCBs führt. Hochwertige Leiterplatten entstehen nicht nur durch eine präzise und durchdachte Anordnung und Verdrahtung, sondern beruhen auch auf einer hohen thermischen Zuverlässigkeit für einen sicheren Betrieb. Daher ist es von großer Bedeutung, umfassende Regeln und Analysen zur Wärmeableitung auf Leiterplatten umzusetzen. Dieser Artikel beginnt mit grundlegenden Prinzipien des thermischen Designs und stellt ingenieurfreundliche Regeln für das thermische Design vor, die Elektronikentwicklern eine praktische Anwendung in ihrer Arbeit ermöglichen.

Grundlagen des thermischen Designs

Das thermische Design basiert auf den grundlegenden Theorien des Wärmetransports und der Strömungsmechanik. Wo ein Temperaturunterschied besteht, findet ein Wärmetransport von der Zone mit hoher Temperatur zur Zone mit niedriger Temperatur statt. Der Wärmetransport kann durch Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung erfolgen.

Die Formel für den Wärmetransport wird wie folgt dargestellt:φ=KAΔt, in demφsteht für die Menge der Wärmeübertragung, deren EinheitW,Ksteht für den Wärmedurchgangskoeffizienten, dessen EinheitW/(m²x K),Asteht für die Fläche des Wärmetransports, deren Einheit m ist²undΔtsteht für die Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträgerfluid und Kaltfluid, deren EinheitK.

Das thermische Design von Leiterplatten wird definiert als der Prozess, bei dem der thermische Widerstand von der Wärmequelle zum Wärmeabgaberaum durch Kühlmaßnahmen auf ein Minimum reduziert wird, indem die Eigenschaften der Wärmeübertragung genutzt oder die Dichte des Wärmestroms auf einen akzeptablen Bereich begrenzt wird. Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, müssen wirksame thermische Designmaßnahmen aus den folgenden Perspektiven ergriffen werden, einschließlich:
a.Natürliche Kühlung, das Wärme ohne äußere Kraft überträgt. Es umfasst Wärmeleitung, Wärmestrahlung und natürliche Konvektion.
b.Zwangsluftkühlung. Es sorgt dafür, dass Kühlluft durch elektronische Geräte oder Komponenten strömt und die Wärme vom Wärmequellenbereich zum Kühlkörper durch einen Ventilator oder Fahrtwind übertragen wird.
c.Flüssigkeitskühlung. Es gibt zwei Methoden zur Kühlung von Flüssigkeiten:
1). Direkte Flüssigkeitskühlung bezieht sich auf den Prozess, bei dem Komponenten direkt in das flüssige Kühlmittel eingetaucht werden.
2). Indirekte Flüssigkeitskühlung bezeichnet den Prozess, bei dem die Komponenten nicht direkt mit dem Flüssigkühlmittel in Kontakt kommen. Die Kühlung erfolgt jedoch über einen Wärmetauscher oder eine Kaltplatte.
d.VerdunstungskühlungDerzeit ist es die effektivste Methode der Wärmeleitung. Die Wärmeübertragung erfolgt durch das Sieden des Kühlmittels.
e. Andere Arten von Kühlmaßnahmen:Thermoröhre,Kühlplatte,thermoelektrische Kühlung.

Im Prozess des Wärmemanagements können geeignete thermische Designmaßnahmen entsprechend den praktischen Bedingungen wie dem tatsächlichen Betriebsumfeld (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Staub usw.), der Dichte des Wärmeträgers an Bord, der Leistungsvolumendichte und dem Gesamtenergieverbrauch, der Oberfläche, dem Volumen, dem Kühlkörper und anderen besonderen Bedingungen getroffen werden, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung und einen angemessenen Temperaturanstieg innerhalb des vorgeschriebenen Grenzwerts sicherzustellen.

Thermische Designregeln

Der allgemeine Zweck des thermischen Designs besteht darin, die Temperatur aller elektronischen Bauteile, die auf Leiterplatten in elektronischen Produkten montiert sind, zu kontrollieren, um die Stabilität der elektrischen Leistung sicherzustellen, Temperaturdrift elektrischer Parameter zu vermeiden oder zu reduzieren, die Grundausfallrate der Bauteile zu senken und dafür zu sorgen, dass die Temperatur in der Betriebsumgebung die maximal zulässige Temperatur nicht überschreitet. Dieser Artikel beschreibt die Regeln für das thermische Design von Leiterplatten aus drei Perspektiven: die Nutzung der Bauteile auf Leiterplatten, das thermische Design der Leiterplatten, die Bauteilmontage und das Layout der Leiterplatte.

a.Nutzung von elektronischen Bauteilen

1). Wie kann die Arbeitstemperatur von Bauteilen kontrolliert werden?

Die Temperatur ist das erste Element, das die Leistung und Ausfallrate von Bauteilen beeinflusst. Die höchstzulässige Betriebstemperatur und der Energieverbrauch sollten entsprechend dem erforderlichen Zuverlässigkeitsniveau und der verteilten Ausfallrate jedes Bauteils bestimmt werden. Tabelle 1 zeigt die Werte der zulässigen maximalen Oberflächentemperatur von Bauteilen aus der Sicht der Zuverlässigkeit im thermischen Design.

2). Wie kann die Sperrschichttemperatur von Bauteilen kontrolliert werden?

Die Sperrschichttemperatur eines Bauteils hängt von dessen eigenem Energieverbrauch, dem thermischen Widerstand und der Umgebungstemperatur ab. Daher umfassen Maßnahmen zur Kontrolle der Sperrschichttemperatur innerhalb eines zulässigen Bereichs:
• Komponenten mit geringem internem thermischen Widerstand werden ausgewählt.
• Die Leistungsreduzierung wird verwendet, um den Temperaturanstieg zu verringern.
• Schaltungen, insbesondere solche mit Leistungskomponenten, sollten für ihre Zuverlässigkeit auf eine ausgefeilte thermische Auslegung angewiesen sein, wobei die in den Standardhandbüchern dargestellten Richtlinien eingehalten werden müssen.

3). Wie wird das Derating bei der Verwendung von Bauteilen ausgelegt?

Je nach Bedarf kann in der Praxis ein Derating-Design implementiert werden, damit die Komponenten unterhalb der Nennparameter (Leistung, Spannung, Strom) betrieben werden. Dadurch werden Temperaturanstieg und Ausfallrate erheblich reduziert.

b.Thermische Designregeln für Leiterplatten

Die vertikale Anordnung von Leiterplatten ist vorteilhaft für die Wärmeableitung und der Abstand zwischen den Platinen sollte mindestens 20 mm betragen. Zu den Regeln für das thermische Design der Platinen gehören:
1). Als Basismaterial für Leiterplatten wird ein Material mit hoher Temperaturbeständigkeit und hoher Leitfähigkeit ausgewählt. Bei Schaltungen mit hoher Leistung und Dichte können Aluminium- und Keramiksubstrate aufgrund ihres geringen thermischen Widerstands verwendet werden (PCBCart ist in der Lage, Leiterplatten mit diesen Basismaterialien herzustellen. Sie können Ihre Leiterplattendateien zusammen mit der Mengenanforderung einsenden.auf dieser SeitefürAngebot für Aluminium-basierte und Keramik-basierte Leiterplatten).
2). Die Mehrschichtstruktur ist eine optimale Wahl für die Wärmeableitung von Leiterplatten.
3). Um die Wärmeleitfähigkeit von Leiterplatten zu verbessern, ist es am besten, wärmeableitende Platinen zu verwenden. Metallkernplatinen können eingesetzt werden inmehrlagige Leiterplattenum eine ausgezeichnete Wärmeableitung zwischen Leiterplatte, unterstützenden Bauteilen und wärmeableitenden Vorrichtungen zu erreichen. Eine Schutzbeschichtung und ein Vergussmaterial können bei Bedarf verwendet werden, um die Wärmeübertragung zu unterstützenden Bauteilen oder wärmeableitenden Vorrichtungen zu beschleunigen.

4). Um die Wärmeableitungsfähigkeit von Leiterplatten zu erhöhen, kann eine Stromschiene verwendet werden, die als hervorragender Kühlkörper betrachtet werden kann und in der Lage ist, die Störfestigkeit der Leiterplatten zu verbessern.
5). Um die Wärmeableitungsfähigkeit von Leiterplatten zu verbessern, sollte die Dicke der Metallfolie erhöht werden, und der innere Leiter sollte eine Metallfolie mit großer Fläche verwenden. Darüber hinaus sollte die Breite der Masseleitungen angemessen vergrößert werden, da Masseleitungen mit großer Fläche sowohl die Störfestigkeit erhöhen als auch die Wärmeableitungskapazität verbessern können.

c.Komponentenmontage und Leiterplattenlayout

Komponentenlayoutist für die thermische Leistung von Leiterplatten (PCBs) von entscheidender Bedeutung, insbesondere für solche, die vertikal angeordnet sind. Die Ausrichtung der Bauteilmontage sollte den Strömungseigenschaften des Kühlmittels entsprechen, um dem Kühlmittel den geringsten Widerstand zu bieten. Die Regeln für die Montage und Anordnung von Bauteilen umfassen:

1). Für Produkte mit freier Konvektionsluftkühlung ist es am besten, ICs oder andere Komponenten in Längsanordnung anzuordnen, wie im untenstehenden Beispiel in Abbildung 2 gezeigt. Für Produkte mit erzwungener Luftkühlung ist es am besten, ICs oder andere Komponenten in Längsrichtung anzuordnen, wie im untenstehenden Beispiel in Abbildung 3 gezeigt.

2). Die Bauteile auf derselben Leiterplatte sollten entsprechend ihrer Wärmeentwicklung und Wärmeableitungsstufe klassifiziert und angeordnet werden. Bauteile mit geringer Wärmeentwicklung oder geringer Wärmebeständigkeit (Kleinsignaltransistor, ICs kleiner Bauart, Elektrolytkondensatoren usw.) sollten stromaufwärts (am Eingang) platziert werden, während Bauteile mit hoher Wärmeentwicklung oder hoher Wärmebeständigkeit (Frequenztransistor, großformatige ICs usw.) stromabwärts angeordnet werden sollten. Im Umfeld von Kleinsignalverstärkern sollten Bauteile mit geringem Temperaturdrift platziert werden, und flüssigkeitsgefüllte Kondensatoren sollten weit entfernt von Wärmequellen positioniert werden.
3). In horizontaler Richtung sollten Komponenten mit hoher Frequenz in der Nähe des Randes der Leiterplatten angeordnet werden, um den Wärmetransportweg zu minimieren. In vertikaler Richtung sollten Komponenten mit hoher Frequenz nahe dem oberen Teil der Leiterplatten angeordnet werden, um ihren Einfluss auf die Temperatur anderer Komponenten zu verringern.
4). Komponenten, die temperaturempfindlich sind, sollten in Bereichen mit der niedrigsten Temperatur angeordnet werden, wie zum Beispiel am Boden eines Produkts. Sie dürfen nicht direkt über wärmeerzeugenden Komponenten platziert werden und sollten weit entfernt von diesen Komponenten oder von ihnen isoliert platziert werden.
5). Komponenten mit dem höchsten Stromverbrauch und der größten Wärmeentwicklung sollten in unmittelbarer Nähe des besten Ortes für die Wärmeableitung angeordnet werden. Komponenten mit hoher Temperatur dürfen niemals in der Ecke oder am Rand angeordnet werden, es sei denn, es sind Kühlkörper um sie herum angebracht. Bei der Anordnung von Leistungswiderständen sollten relativ große Komponenten ausgewählt und im PCB-Layout ausreichend Platz für die Wärmeableitung gelassen werden.
6). Die Leistung sollte auf Leiterplatten gleichmäßig verteilt werden, um Ausgewogenheit und Einheitlichkeit zu gewährleisten und eine Konzentration von Hitzequellen zu vermeiden. Es ist schwierig, eine strikte Gleichmäßigkeit zu erreichen, aber Bereiche mit extrem hoher Leistung müssen vermieden werden, da überhitzte Punkte den normalen Betrieb des gesamten Stromkreises stören können.
7). Im Prozess des PCB-Designs muss der Luftstrompfad vollständig berücksichtigt und die Bauteile müssen vernünftig angeordnet werden. Luft neigt dazu, in Bereiche mit geringem Widerstand zu strömen, daher sollten beim Anordnen der Bauteile auf Leiterplatten relativ große Freiräume vermieden werden.
8). Auf Leiterplatten sollte eine thermische Montagetechnologie angewendet werden, um eine relativ gute Wärmeübertragung zu erzielen. Über die Hälfte der von Bauteilen wie ICs und Mikroprozessoren erzeugten Wärme wird über deren eigene Anschlüsse auf die Leiterplatten übertragen, deren Montagebohrungen mit metallisierten Durchkontaktierungen versehen sein sollten. Diese Bauteile können auch direkt auf einem wärmeleitenden Stab oder einer wärmeleitenden Platte montiert werden, um den durch die Bauteile verursachten thermischen Widerstand zu verringern.
9). Der thermische Widerstand sollte in den Verbindungen zwischen Komponenten mit hoher Wärmeabgabe und Leiterplatten so weit wie möglich verringert werden. Um die Anforderungen an die Wärmeableitung zu erfüllen, können unter dem Chip einige wärmeleitende Materialien verwendet werden, und die Wärmeabgabe der Komponenten im Kontaktbereich sollte aufrechterhalten werden.
10). Die Anschlussdrähte der Bauteile sollten bei der Verbindung von Bauteilen und Leiterplatten gekürzt werden. Bei der Auswahl von Bauteilen mit hohem Stromverbrauch sollte die Leitfähigkeit des Anschlussmaterials berücksichtigt werden. Wenn möglich, wählen Sie Bauteile mit größerem Querschnitt der Anschlussdrähte und mit möglichst vielen Pins.

d.Weitere Anforderung
1). Komponentenpaket: Bei der thermischen Auslegung der Leiterplatte sollten der Typ des Komponentenpakets und die Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt werden. Ein Wärmeleitpfad kann zwischen Substrat und Komponentenpaket bereitgestellt werden, und eine Unterbrechung des Wärmeleitpfads durch Luft sollte vermieden werden.
2). Technische Methode: Lokale hohe Temperaturen können in Bereichen mit Bauteilen auf beiden Seiten der Leiterplatte entstehen. Um die Wärmeableitungsbedingungen zu verändern, kann dem Lotpaste etwas feines Kupfer zugesetzt werden, sodass die Lötstellen unter den Bauteilen auf eine bestimmte Höhe ansteigen. Der Abstand zwischen den Bauteilen und der Leiterplatte wird vergrößert, sodass die thermische Konvektion verbessert werden kann.
3). Wärmeableitungslöcher: Auf Leiterplatten können einige Wärmeableitungslöcher und Sacklöcher angeordnet werden, sodass die Wärmeableitungsfläche effektiv vergrößert, der thermische Widerstand verringert und die Leistungsdichte der Leiterplatten erhöht werden kann.

Thermische Analyse

Basierend auf der rechnergestützten Wärmeübertragung umfasst die thermische Analyse, deren numerische Berechnungsmethoden hauptsächlich die Finite-Differenzen-Methode, die Finite-Elemente-Methode und die Randelementmethode einschließen, den Prozess der Vereinfachung von Modellen, der Erstellung mathematischer Modelle, der Lösung nichtlinearer Gleichungen, der Erstellung und Anpassung analytischer Verfahren und Berechnungen sowie der Messung und Prüfung thermischer Parameter.

Als grundlegender Aspekt des thermischen Designs ist die thermische Analyse eine wichtige Methode zur Bewertung der Bedeutung des thermischen Designs. Die thermische Analyse von Leiterplatten (PCB) bezieht sich auf den Prozess der Erstellung des thermischen Modells von Bauteilen und das Festlegen von Simulationskontrollparametern entsprechend der Struktur undRohmaterial von Leiterplatten, Gehäusetyp der Bauteile und Betriebsumgebung der Leiterplatte, um Werte für das thermische Verhalten von Leiterplatten abzuschätzen. Die thermische Analyse muss in der Konzeptphase vor dem Layout und während des gesamten Leiterplatten-Designprozesses durchgeführt werden.

Werte der Bauteiltemperatur, Leiterplattentemperatur und Luftstromtemperatur können aus der thermischen Analyse gewonnen werden. Diese zeigen die thermischen Eigenschaften von Leiterplatten in Form von Farbbildern, visuellen Temperatur-Isotherm-Grafiken oder spezifischen Daten an.

Basierend auf den Ergebnissen der thermischen Analyse können thermische Probleme der Leiterplatte schnell erkannt und rechtzeitig geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um Hochtemperaturbereiche zu beseitigen. Dies bestimmt den Wärmeleitungsweg, optimiert die Positionen der Schlüsselkomponenten, die Form und Größe des Kühlkörpers, um die Wärmeabfuhr optimal zu nutzen, erhöht die Wärmeübertragungseffizienz von Wärmeableitungslöchern und Kühlkörpern und legt den Abstand zwischen den Platinen sowie den Komponenten auf den Platinen fest.

PCCBart verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Herstellung von Leiterplatten mit fortschrittlichen Eigenschaften

Die thermische Steuerung muss optimiert werden, um den Anforderungen an Leistung und Zuverlässigkeit moderner Elektronik gerecht zu werden, da die Geräte immer kleiner und integrierter werden. Ein effektives Leiterplattendesign mit intelligenten Kühltechniken und einer durchdachten Platzierung der Komponenten ist erforderlich, damit die Geräte nicht überhitzen und elektronische Systeme länger funktionieren können. Mit ausgefeilten thermischen Designmethoden können Ingenieure einen zuverlässigen Betrieb selbst unter extremen thermischen Belastungen gewährleisten und die Geräte vor möglichen Ausfällen schützen.

PCBCart verfügt über jahrelange Erfahrung in der Leiterplattenfertigung und ist auf die Herstellung leistungsstarker Leiterplatten mit exzellenter Wärmeableitung spezialisiert. Mit Kunden auf der ganzen Welt bieten wir maßgeschneiderte Leiterplatten mit modernster Kühltechnologie, die auf Ihre spezifischen Anforderungen zugeschnitten sind. Unser Fokus auf Qualität und Innovation stellt sicher, dass Ihre elektronischen Produkte auch unter extremen Bedingungen zuverlässig funktionieren.

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Hilfreiche Ressourcen
•Überlegungen zum thermischen Design von Leiterplatten
•Internes thermisches Ableitungsdesign von Leiterplatten basierend auf einem thermischen Modell
•Metallkern-Leiterplatte: Eine ideale Lösung für thermische Probleme bei Leiterplatten und Baugruppen
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