PCB-värmeöverföring: Förstå termisk hantering i kretskort

Kretskort (PCB) genererar värme när de är i drift. För att förhindra värmeskador behöver du rätt värmeflödestekniker för att säkerställa att denna energi avleds.

Grunderna i värmeöverföring

På en grundläggande nivå täcker en diskussion om värmeöverföring två viktiga aspekter: temperatur och värmeflöde. Temperatur hänvisar till graden av tillgänglig termisk energi, medan värmeflöde beskriver förflyttningen av termisk energi från en plats till en annan. På en mikroskopisk nivå är termisk energi direkt kopplad till molekylernas kinetiska energi. Ju högre temperaturen på ett material är, desto större är den termiska omrörningen hos dess molekyler. Det är normalt att områden med högre kinetisk energi överför den till områden med lägre kinetisk energi. Flera materialegenskaper kan effektivt reglera värmeöverföringen mellan två områden med olika temperaturer. Dessa egenskaper inkluderar värmeledningsförmåga, materialdensiteter, vätskehastigheter och vätskeviskositeter. Sammantaget gör dessa egenskaper det ganska komplicerat att lösa många värmeöverföringsproblem. Värmeledningsförmåga är en kritisk egenskap vid värmeöverföring eftersom den avgör ett materials förmåga att leda värme. Material med hög värmeledningsförmåga kan överföra värme mer effektivt än de med låg värmeledningsförmåga. Materialdensitet är också en viktig faktor eftersom tätare material kan lagra mer termisk energi och hjälpa till att reglera temperaturförändringar över tid. Vätskehastigheter och viskositeter kan också påverka värmeöverföringen, eftersom vätskor med höga hastigheter och låga viskositeter kan överföra värme snabbare än de med låga hastigheter och höga viskositeter.

Mekanismerna för värmeöverföring

Värmeöverföringsmekanismer kan i stort sett delas in i tre grupper: Konduktion: Detta innebär överföring av termisk energi från områden med högre molekylär kinetisk energi till områden med lägre kinetisk energi genom direkta kollisioner av molekyler. I metaller kan elektroner i ledningsbandet också bära en del av energin från en region till en annan. Konvektion: När värme genereras i en elektronisk anordning transporteras den via ledning till en angränsande region, som sedan överför värmen till en vätska. Denna process kallas konvektion, och vätskan kan ha formen av en gas, såsom luft, eller en konventionell vätska, såsom vatten. Strålning: Alla material avger termisk energi, och mängden avgiven energi bestäms av temperaturen. När temperaturerna är enhetliga är strålningsflödet i jämvikt mellan objekt, och det sker inget utbyte av termisk energi. Denna balans förändras dock när temperaturerna varierar, och termisk energi överförs från regioner med högre temperaturer till regioner med lägre temperaturer. Att förstå dessa tre värmeöverföringsmekanismer är avgörande för att optimera värmehanteringen av elektroniska apparater och andra system. Genom att manipulera och kontrollera dessa mekanismer kan ingenjörer och forskare designa och optimera material och system för att uppnå optimal termisk prestanda.

PCB-designtekniker för värmeöverföring

När det gäller värmehantering i kretskort kan du använda några tekniker. Dina alternativ inkluderar:

• Kylflänsar. Denna teknik använder stora metalldelar med hög konduktivitet. Dessa delar fästs på delar som producerar värme och exponerar mer yta för luften. Denna konfiguration sänker värmemotståndet, och med en kylfläkt förbättrar du värmeflödet ytterligare.
• Koppar öser sig. När du fyller oanvända områden med metall och jordar metallen, kommer vilken komponent som helst i kretskortet att ansluta till jorden med lätthet.
• Termiska vior. Termiska vior, som ofta används med kopparrör, skapar en väg till kopparn och kretskortskomponenterna.
• Kopparfyllda vias. Vias kan fyllas med koppar för att förbättra värmeöverföringen.
• Material med högre värmeledningsförmåga. Material som aluminium, keramik och kopparkärna används för att förbättra kretskortets värmeledningsförmåga.