Kühlkörper-Leiterplatte

Kühlkörperplatine

Das PCB-Design ist ein komplizierter Prozess, bei dem eine Reihe potenzieller Probleme genau beachtet werden müssen. Designer müssen jedes Merkmal einer Platine analysieren, um eine optimale Funktionalität zu gewährleisten, von den physikalischen Einschränkungen über die elektrischen Wechselwirkungen zwischen den Komponenten bis hin zum Signalverlust. Eines dieser Merkmale ist das Wärmemanagement, das für die Gewährleistung der Langlebigkeit und Funktionalität einer Leiterplatte unerlässlich ist.

Es gibt viele Möglichkeiten, ein optimales Wärmemanagement zu erreichen und überschüssige Wärme von einer Leiterplatte abzuführen, einschließlich der Auswahl geeigneter Kühlmethoden. Eine dieser Methoden ist das Anbringen eines Kühlkörpers. Dieser Artikel erklärt, was Kühlkörper sind, ihre einzigartigen Vorteile und Herausforderungen und wie man Kühlkörper für Leiterplatten auswählt.

Was ist ein Kühlkörper in einer Leiterplatte?

Ein Kühlkörper ist ein großflächiges Teil aus wärmeleitfähigem Metall. Dieser Kühlkörper ist typischerweise an Leiterplattenkomponenten angebracht, einschließlich Leistungstransistoren und Schaltgeräten. Der Zweck dieses Teils ist es, Wärme aufzunehmen und abzuführen.

PCB-Kühlkörper arbeiten nach dem Leitungsprinzip. Bei diesem Prinzip wird Wärme von Bereichen mit hohem Wärmewiderstand zu Bereichen mit niedrigem Wärmewiderstand und von Bereichen mit hoher Wärme zu Bereichen mit niedriger Wärme übertragen. Da Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer bestehen, die beide eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und einen geringen Wärmewiderstand aufweisen, wird die Wärme auf natürliche Weise von den PCB-Komponenten zum Kühlkörper geleitet.

Der Prozess funktioniert wie folgt:

• Ein PCB-Bauteil erzeugt Wärme, die sich natürlich durch das Wärmeleitungsprinzip vom Bauteil zum Kühlkörper bewegt.
• Von dort wird die Wärme über die große Oberfläche des Kühlkörpers abgeführt.
• Die Wärme wird über die Oberfläche des Kühlkörpers an die Umgebung abgegeben. Viele Kühlkörper verfügen über Rippen – rechteckige stiftartige Merkmale, die senkrecht zur Leiterplattenoberfläche herausragen – die dazu beitragen, die Oberfläche zu maximieren und die Wärme vom Kühlkörper an die Umgebungsluft zu übertragen.

Kühlkörperanwendungen

Da Kühlkörper eine Notwendigkeit für PCB-Anwendungen sind, die große Mengen an Strom verarbeiten, können sie mehr Wärme erzeugen als eine durchschnittliche PCB. Designer werden sich für einen Kühlkörper entscheiden, wenn sie feststellen, dass ein PCB-Prototyp ein thermisches Profil mit Hotspots und Hochtemperaturbereichen aufweist. Die Notwendigkeit eines Kühlkörpers für PCB-Designs kann jedoch früh im Designprozess anhand der auf der PCB gefundenen Komponententypen bestimmt werden, einschließlich:

• Prozessoren: Leiterplatten mit Prozessoren wie CPUs, GPUs und MPUs benötigen häufig Kühlkörper, um das Wärmemanagement zu unterstützen und eine fehlerfreie Langlebigkeit zu gewährleisten.
• Leistungskomponenten: Leiterplatten mit Leistungskomponenten haben in der Regel höhere Anforderungen an das Wärmemanagement. Einige Beispiele für Komponenten, die in diese Kategorie fallen, sind Leistungsverstärker, Leistungsregler, Leistungs-ICs und Netzteile.
• Komponentendichte: Eine Leiterplatte kann auch einen Kühlkörper für das Wärmemanagement erfordern, wenn sie eine hohe Komponentendichte aufweist, da dies zu einer größeren Wärmeerzeugung als bei einer durchschnittlichen Leiterplatte führen kann.

Bestimmte Branchen können auch dazu neigen, Kühlkörper häufiger einzusetzen als andere. Zum Beispiel werden militärische Anwendungen dazu neigen, Kühlkörper in PCB-Designs zu verwenden, um eine langfristige Funktionalität zu gewährleisten.

Die Vorteile eines Kühlkörpers

Diese Teile haben eine Vielzahl von Vorteilen, darunter:

• Wärmemanagement: Der Hauptvorteil eines Kühlkörpers ist seine Fähigkeit, das Wärmemanagement in einem PCB-Design zu verbessern. Diese Teile eignen sich hervorragend zur Lösung zahlreicher Wärmeableitungs- und Kühlungsprobleme.
• Langlebigkeit: PCB-Kühlkörper sind langlebig und müssen nach längerem Gebrauch nicht ausgetauscht werden. Darüber hinaus kann ihre Verwendung dazu beitragen, die Langlebigkeit einer Leiterplatte durch ein geeignetes Wärmemanagement zu verbessern.
• Geringe Kosten: Die meisten Kühlkörper sind kostengünstig und bieten eine wirtschaftliche Lösung für das Wärmemanagement in PCB-Designs.
• Geringes Gewicht: Viele Kühlkörper bestehen aus Kupfer oder Aluminium, die eine hervorragende Wärmebeständigkeit bieten, ohne die Platine erheblich zu belasten.

Die Herausforderungen eines Kühlkörpers

Während Kühlkörper mehrere Vorteile für das Wärmemanagement von Leiterplatten bieten, gibt es erhebliche Herausforderungen, die sie beim Leiterplattendesign darstellen. Zu den größten Herausforderungen bei Kühlkörpern auf PCBs gehören:

• Mechanische Befestigungsschwierigkeiten: PCB-Kühlkörper verfügen über mechanische Befestigungen wie Druckstifte und Z-Clips, für die Anker in die Platine gebohrt werden müssen, wodurch Schäden entstehen, wenn das Design später geändert werden muss.
• Nicht-mechanische Befestigungsschwierigkeiten: Eine nichtmechanische Befestigung mit Klebstoff oder Epoxid birgt ein hohes Risiko, dass ein Gerät während des Entfernens aufgrund mechanischer Belastung beschädigt wird. Darüber hinaus ist das Anbringen von nicht-mechanischen Befestigungen aufgrund der geringen Fließeigenschaften von thermischen Klebstoffen und Epoxidharzen schwierig – diese Befestigungen müssen perfekt und frei von Lufteinschlüssen sein, um ein optimales Wärmemanagement zu erreichen, aber um dies zu erreichen, ist ein Druck erforderlich, der die Platte brechen kann.
• Anforderungen zum Trennen: Ein weiteres komplexes Problem für PCB-Kühlkörper ist die Tatsache, dass der Kühlkörper entfernbar sein muss. Falls jemand die Platine warten muss, muss er in der Lage sein, den Kühlkörper zu entfernen, ohne die Platine zu beschädigen. Das ist besonders hart bei Befestigungen mit Klebstoff.

Tipps zur Auswahl der richtigen Kühlkörperbefestigung

Das Hinzufügen eines Kühlkörpers zu einer Leiterplatte wirkt sich auf das Design aus, insbesondere auf die Fähigkeit des Designs, ohne Beschädigung nachbearbeitet zu werden. Berücksichtigen Sie bei der Suche nach der richtigen Kühlkörperbefestigung für eine Leiterplatte mehrere Faktoren:

• Thermische Anforderungen: Bevor Sie Kühlkörper in Betracht ziehen, müssen Sie das Thermal Design Profile (TDP) der PCB-Komponenten und ihre optimalen Betriebstemperaturen kennen. Diese Informationen zeigen den Stromverbrauch einer Komponente und wie viel Wärmemanagement erforderlich ist, um sie betriebsbereit zu halten.
• Platzbedarf:Bestimmen Sie, wie viel Platz für einen Kühlkörper im Design zur Verfügung steht. Diese Teile sind in verschiedenen Größen und Designs erhältlich, daher ist es wichtig, den verfügbaren Platz für einen Kühlkörper in einem PCB-Design zu kennen.
• Design des Kühlkörpers: Sobald Sie die Einschränkungen und Anforderungen des PCB-Designs kennen, sollten Sie über die unterschiedlichen Designs von Kühlkörpern nachdenken. Zu diesen Variablen gehören Materialeigenschaften und Abmessungsmerkmale wie die Größe des Kühlkörpers, die Anzahl der Rippen darauf und der Abstand zwischen den Rippen.
• Montagetechnik: Überlegen Sie abschließend, wie der Kühlkörper an der Leiterplatte befestigt werden muss. Abhängig vom spezifischen Kühlkörper und den Anforderungen an das Design können Sie eine mechanische oder nicht-mechanische Befestigungstechnik wählen. Berücksichtigen Sie in jedem Fall genau die einzigartigen Nachteile jeder Befestigungstechnik.

Kontaktieren Sie Millennium Circuits noch heute

Als hocheffektives, kostengünstiges passives Wärmeübertragungswerkzeug können Kühlkörper viele Zwecke für das PCB-Design erfüllen. Wenn Sie ein Design mit einem Kühlkörper implementieren möchten, kann Millennium Circuits Limited helfen.

Millennium Circuits Limited beliefert Ingenieure mit hochwertigen Leiterplatten. Unabhängig von Ihrer Branche stellt unsere Auswahl an PCB-Technologien sicher, dass Sie eine zuverlässige und funktionale PCB als Herzstück Ihrer Geräte haben. Wenden Sie sich noch heute an MCL, um mehr über unsere Produkte und Fähigkeiten zu erfahren.